李春欣，張民波,2，王子超

（1.武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

煤炭產(chǎn)業(yè)作為工業(yè)化的動力基礎(chǔ)，一直是支持我國工業(yè)發(fā)展的重要命脈。在煤礦的開采中，因其儲量的不確定性和煤礦賦存所在地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致開采較為困難。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對煤炭的需求量不斷增加，因此許多煤礦企業(yè)開始向更大的深度擴展，開采深度以每年10 ～20 m 的速度增加，部分煤礦開采深度達到1 000 m 以上，進入深部開采行列。在深部開采過程中，地質(zhì)條件更加復(fù)雜、地應(yīng)力增大和原始瓦斯賦存含量增高，煤與瓦斯突出的動力現(xiàn)象更加明顯，煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸、中毒等事故發(fā)生的可能性進一步增大。

在我國的煤礦事故中，瓦斯災(zāi)害事故占總事故數(shù)的42%以上，是礦井最嚴重的事故災(zāi)害之一。為了減少瓦斯事故的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者進行了許多研究。Leigh、Bagherpour 和Verma 等人著眼于事故發(fā)生的時間、地點和原因，以及礦工的年齡和教育背景等因素，建立了瓦斯事故數(shù)學(xué)模型，對瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故進行了詳細研究。陳鴻基于ELM 模型的方法，對煤礦瓦斯事故進行分析，并將結(jié)果與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM 模型對比，結(jié)果表明ELM 模型在早起預(yù)警中更準確。王建國等人分析了2012—2016 年我國較大及以上瓦斯事故，從事故發(fā)生時間、等級、類型等角度交叉耦合，發(fā)現(xiàn)瓦斯事故死亡人數(shù)與季度有關(guān)。潘杰基于FP-growth 算法對瓦斯事故發(fā)生原因進行關(guān)聯(lián)分析，通過事故報告驗證了該方法的可行性。上述研究大多數(shù)都是對瓦斯事故中的瓦斯爆炸和瓦斯突出進行詳細研究，對于瓦斯窒息事故研究較少，且缺乏對我國近幾年煤礦瓦斯事故規(guī)律的統(tǒng)計。

基于此，本文以考察了2012—2021 年我國煤礦瓦斯災(zāi)害事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)和瓦斯事故災(zāi)害特征，研究了瓦斯事故的宏觀規(guī)律，并采用定量方法識別與瓦斯事故有關(guān)的各種危險因素，分析了瓦斯事故數(shù)與發(fā)生時間的關(guān)聯(lián)系，對于改善我國瓦斯災(zāi)害現(xiàn)狀、有效預(yù)測事故發(fā)生途徑，制定合理的預(yù)防措施有重要的實用價值。

1 我國瓦斯事故基本情況

1.1 瓦斯基本事故類型統(tǒng)計

為保證分析內(nèi)容的的準確定和真實性，文中所有數(shù)據(jù)均來自國家礦山安全監(jiān)察局、中國煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)、中國國家統(tǒng)計局、《中國安保全生產(chǎn)年鑒》和相關(guān)論文等公開發(fā)表數(shù)據(jù)和資料。圖1 顯示了2012—2021 年中國的煤炭產(chǎn)量變化，2012—2021 年間中國的煤炭產(chǎn)量呈先減少后增加的趨勢，2016 年國家煤炭產(chǎn)量達到最低，為34.1 億t。近幾年，煤炭產(chǎn)量開始不斷增加，在2021 年煤炭產(chǎn)量已達41.3 億t，創(chuàng)歷史新高。

圖1 2012—2021 年中國的煤炭產(chǎn)量變化Fig.1 Changes in China's coal production from 2012 to 2021

隨著煤炭產(chǎn)量的不斷在增加，瓦斯事故也在不斷發(fā)生。2012—2021 年，全國共發(fā)生瓦斯事故356起，造成1 656 人死亡，其中煤與瓦斯突出事故115 起，死亡人數(shù)578 人，占總死亡人數(shù)的35%；瓦斯中毒、窒息事故61 起，死亡人數(shù)201 人，占總死亡人數(shù)的12.1%；瓦斯爆炸（燃燒） 事故189起，死亡人數(shù)877 人，占總死亡人數(shù)的52.9%，具體情況見表1。

表1 事故類別基本情況Table 1 Basic information of accident categories

1.2 近10 年瓦斯事故數(shù)和死亡人數(shù)統(tǒng)計分析

根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局、中國煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)統(tǒng)計了2012—2021 年煤礦瓦斯事故數(shù)以及每起事故造成人員死亡數(shù)目，如圖2 所示。由圖2 可知，2012—2021 年事故數(shù)整體呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，2021 年下降趨勢最大，且瓦斯事故數(shù)在2021年達到最低，僅發(fā)生了15 起，死亡人數(shù)為38 人，對比2020 年事故數(shù)下降了32%，死亡人數(shù)下降了24%。2013 年和2016 年事故數(shù)量分別為50 起和35 起，均比上一年要少，但是事故死亡人數(shù)卻高于上一年，說明2013 年和2016 年事故嚴重程度遠大于上一年。由圖2 事故數(shù)和死亡人數(shù)曲線圖的趨勢可預(yù)測2022 年，我國煤礦瓦斯事故數(shù)和死亡人數(shù)會呈下降趨勢。

圖2 2012—2021 年煤礦瓦斯事故數(shù)和事故死亡人數(shù)Fig.2 Number of coal mine gas accidents and accident deaths in 2012-2021

1.3 瓦斯事故等級統(tǒng)計分析

根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》第三條指出，生產(chǎn)安全事故按造成的傷亡人數(shù)或直接經(jīng)濟損失可分為4 類，特別重大事故、重大事故、較大事故以及一般事故。具體劃分標準見表2。

表2 事故等級劃分表Table 2 Classification of accident levels

統(tǒng)計了2012—2021 年瓦斯事故，按照死亡人數(shù)劃分事故等級可得近10 年間我國特別重大、重大、較大和一般事故發(fā)生頻率及死亡人數(shù)，見表3。圖3 和圖4 分別為2012—2021 年我國煤礦瓦斯事故數(shù)和死亡人數(shù)占比圖。從表3、圖3 和圖4 中可知，2012—2021 年我國瓦斯事故中發(fā)生了187起一般事故，占總事故數(shù)的51.23%，死亡人數(shù)為206 人，占總死亡人數(shù)的12.44%；發(fā)生了132 起較大事故，占總事故數(shù)的36.16%，死亡人數(shù)為641 人，占總死亡人數(shù)的38.71%；發(fā)生了42 起重大事故，占總事故數(shù)的11.51%，死亡人數(shù)為660人，占總死亡人數(shù)的39.86%；發(fā)生了4 起特別重大事故，其中2012 和2013 年發(fā)生了一起，2016年發(fā)生了2 起，死亡149 人。從表3 中還可以得知，2012—2016 年一般事故發(fā)生頻率逐漸下降，2017—2021 一般事故發(fā)生頻率也在下降，且近幾年并未發(fā)生特別重大事故。

表3 2012—2021 年全國瓦斯事故等級及死亡人數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of gas accident levels and fatalities in China from 2012 to 2021

圖3 2012—2021 年我國煤礦瓦斯事故數(shù)占比Fig.3 Proportion of coal mine gas accidents in China from 2012 to 2021

圖4 2012—2021 年我國煤礦發(fā)生瓦斯事故死亡人數(shù)占比Fig.4 The proportion of deaths from gas accidents in coal mines in China from 2012 to 2021

2 煤礦瓦斯事故特征分析與規(guī)律研究

2.1 瓦斯事故分布空間特征

表4統(tǒng)計了瓦斯事故的區(qū)域分布，由表4 可知，2012—2021 年我國瓦斯事故發(fā)生次數(shù)最多的省份是貴州，其次是山西、湖南、四川等地，均位于南方。往別河南、新疆、山西、吉林、黑龍江等地礦井瓦斯事故較多。2012 年國家煤炭監(jiān)管局點名了50 個煤礦安全事故多發(fā)重點縣，旨在減少事故和死亡人數(shù)，而這50 個煤礦安全重點縣大多分布在13 個省內(nèi)；西南五省，貴州、湖南、四川、云南、重慶等省重點縣占據(jù)了37 個，成為了煤礦安全重點省份。這些煤礦事故多發(fā)的省份特點均有省區(qū)具有煤層儲氣條件差、機械化水平低、小煤礦多等特點，是造成煤礦事故的主要原因，加上部分煤礦企業(yè)為了追求高利潤，組織工人超負荷作業(yè)，導(dǎo)致有些隱患未及時查出，導(dǎo)致發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故的概率大幅度增加。

表4 瓦斯事故的區(qū)域分布Table 4 Regional distribution of gas accidents

2.2 瓦斯事故分布時間特征

圖5為瓦斯事故發(fā)生月份的統(tǒng)計圖，由圖5 可知，瓦斯事故和死亡人數(shù)最多的月份集中在3 月、5 月和8 月。3 月是農(nóng)歷新年后的第一個工作月，職工剛放假回來，心態(tài)尚未完全適應(yīng)工作環(huán)境，安全意識淡薄，不安全行為增多；5 月份工人要加班加點才能完成上半年的年產(chǎn)量目標，對安全的態(tài)度可能會松懈；8 月是中國最熱的時期，工人的生理和心理受高溫影響，容易出現(xiàn)疲勞，瓦斯事故更容易發(fā)生。Hinze、Amiri 和Fu[15-17]等人的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的狀況。與9、10 月份相比，11 月份發(fā)生的瓦斯事故數(shù)也有小幅度的提升，主要是因為這一個月為達到年度生產(chǎn)目標，進行了大量的密集生產(chǎn)作業(yè)；煤礦管理者此時為實現(xiàn)目標，往往重生產(chǎn)輕視安全，以犧牲安全為代價追求經(jīng)濟效益，從而導(dǎo)致瓦斯事故增加。

圖5 2012—2021 年每月瓦斯事故數(shù)與死亡人數(shù)Fig.5 Monthly gas accidents and deaths from 2012 to 2021

圖6為不同時間段瓦斯事故分布，從圖6 中可以看出，3:00 ～4:00 和10:00 ～11:00 是煤礦事故的高發(fā)期，10:00 ～12:00 這個時間段發(fā)生事故數(shù)都達到一個峰值。主要原因是我國煤礦實行三班倒制度：第一班（或早班） 從早上8 點到下午4 點，第二班（或午餐） 從下午4 點開始。到午夜12 點，第三班（晚上或晚上） 是從午夜到早上8 點。上午9 點至中午12 點之間是早班負責最高強度的工作和最多的采礦作業(yè)；而在夜班期間，到3 點時職工會因疲勞和困倦會導(dǎo)致注意力不集中，從而導(dǎo)致事故和死亡。

圖6 不同時間段瓦斯事故分布Fig.6 Gas accident distribution in different time periods

2.3 瓦斯事故原誘因特征

我國的煤炭開采業(yè)嚴重依賴于井下開采，井下作業(yè)空間隨時間動態(tài)變化，形成了十分復(fù)雜的地下巷道網(wǎng)絡(luò)，且該網(wǎng)絡(luò)與煤層氣賦存密切相關(guān)。瓦斯中毒（窒息） 事故多發(fā)生在采煤工作面、棄巷、盲巷等通風(fēng)不良、易瓦斯聚集的礦井區(qū)域，如圖7（a） 所示。大部分煤與瓦斯突出（90%） 事故發(fā)生在主要地下作業(yè)區(qū)，如掘進工作面和采煤工作面，但很少發(fā)生在采空區(qū)、已建成的巷道或開挖區(qū)，如圖7（b） 所示。開挖作業(yè)會引發(fā)突出，尤其是落煤和振動作業(yè)不僅會引起地應(yīng)力的變化，而且還會使動態(tài)載荷作用于新暴露的媒體上，導(dǎo)致煤層突然破碎。瓦斯爆炸事故主要發(fā)生在巷道掘進工作面，因為掘進工作面的通風(fēng)管理較為復(fù)雜，容易受到人員管理不善的影響，如局部通風(fēng)機任意打開或關(guān)閉都會造成通風(fēng)停止，而風(fēng)管損壞或非標準安裝會造成風(fēng)量不足，使氣體積聚并達到爆炸極限濃度，造成掘進工作面發(fā)生瓦斯爆炸事故，如圖7（c） 所示。2012—2021 年礦區(qū)內(nèi)發(fā)生瓦斯事故具體分布如圖7 所示。

圖7 2012—2021 年瓦斯事故在礦區(qū)中的分布圖Fig.7 Distribution map of gas accidents in mining area from 2012 to 2021

3 瓦斯事故的防治措施

3.1 強化技術(shù)措施

（1） 氣體地質(zhì)參數(shù)。采用高精度三維地震勘探技術(shù)，識別斷層、褶皺、火成巖，利用地下鉆探準確控制煤層和地質(zhì)構(gòu)造。準確測量含氣量、瓦斯壓力、排水半徑、堅固系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，分析地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。

（2） 通風(fēng)系統(tǒng)。煤礦應(yīng)建立完善可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，簡化生產(chǎn)布局，封閉廢棄巷道、盲巷道和與采空區(qū)相連的巷道，確保設(shè)施完好、風(fēng)量充足、空氣流通。

（3） 排水系統(tǒng)。煤礦開采時，如果不滿足保護層的開采條件，必須采取區(qū)域預(yù)排水措施，以達到規(guī)定的排水標準。此外，還應(yīng)采用定向鉆井技術(shù)，確保按設(shè)計進行鉆井，鉆井完成后，采用“兩堵一注”封孔技術(shù)，帶壓封孔，保證封孔不漏氣。

（4） 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)置完好的安全監(jiān)測監(jiān)控裝置，安全監(jiān)控系統(tǒng)代表著氣控工作的“眼睛和耳朵”，系統(tǒng)中的所有設(shè)備都必須運行良好，并提供準確的數(shù)據(jù)，必要時實現(xiàn)可靠和快速的斷電。

（5） 技術(shù)裝備。鉆孔應(yīng)使用大扭矩鉆桿、大直徑鉆頭等先進設(shè)備進行，運用最新鉆井技術(shù)，提高鉆井施工質(zhì)量和效率；在提高透氣性方面：采用CO2壓裂、水力壓裂、水力開縫、深孔松動爆破提高煤層透氣性；應(yīng)用氣體監(jiān)測，高級甲烷傳感器，如紅外和激光傳感器，改善煤礦氣體預(yù)防和控制。

3.2 加強企業(yè)安全管理

政府應(yīng)進一步通過安全立法，從產(chǎn)業(yè)政策、安全準入、技術(shù)研發(fā)、財稅支持、資金保障、監(jiān)管執(zhí)法等方面支持燃氣綜合管理。負責研究優(yōu)化煤礦布局，建立安全的煤礦出入機制，控制發(fā)生大型事故地區(qū)煤礦建設(shè)的步伐。對不具備瓦斯治理能力的煤礦，要關(guān)閉或重組，減少小煤礦的數(shù)量和產(chǎn)量比例，提高煤礦安全管理能力。

煤礦企業(yè)是安全生產(chǎn)的主體。企業(yè)要建立健全行業(yè)內(nèi)各層級、各部門、各崗位的安全責任制。管理者以及安全、生產(chǎn)、技術(shù)、運營、計劃、財務(wù)、人事、工會等部門的安全職責要清晰透明，形成人人有責的安全架構(gòu)。

4 結(jié) 論

通過對2012—2021 年我國瓦斯災(zāi)害事故統(tǒng)計，詳細分析事故發(fā)生原因，可以得到以下結(jié)論。

（1） 2012—2021 年，全國共發(fā)生瓦斯事故356 起，造成1 656 人死亡，主要事故類型為瓦斯爆炸（燃燒）、煤與瓦斯突出、瓦斯中毒（窒息）。瓦斯事故發(fā)生的時間主要集中在3 月、5 月和8月，3:00 ～4:00 和10:00 ～12:00 是瓦斯事故數(shù)和死亡人數(shù)最高的時間段，需重點預(yù)防。

（2） 在地理分布方面，貴州、山西、湖南、四川和重慶所在西南地區(qū)瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生率最高。在礦山井下，掘進工作面和采煤工作面發(fā)生瓦斯事故的頻率最高。

（3） 從3 個層次的事故預(yù)防措施為預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害事故提出一些建議，加強技術(shù)措施，強化安全管理和健全企業(yè)安全文化。