基于安全评价方法对木城涧煤矿瓦斯爆炸研究

刘 健

(四川省乐山市犍为县应急管理局,四川 乐山614400)

0 引言

随着国家对煤矿灾害治理的重视,矿井的安全状况进一步提升,我国煤矿安全事故总量与事故伤亡率均呈逐年下降趋势[1-2],但矿井瓦斯爆炸事故仍然突出。据统计,2005—2014年共发生重大及特别重大瓦斯爆炸事故110起、死亡2 789人,占该期间所有重特大煤矿事故发生起数的51%、死亡人数的59%,超过第2位的水灾事故1倍以上[3-5]。

矿井瓦斯爆炸事故危害巨大,国内外学者更加重视对其研究。王蒙蒙[6]采用事故树方法对山西朱家店煤矿进行瓦斯爆炸事故定量分析,对该矿危险源进行评价,并提出管理措施和建议。祝楷[7]采用事故致因“2-4”模型研究矿井瓦斯爆炸事故,分析事故原因并提出相对应的预防措施。孙海山[8]从人的因素分析瓦斯爆炸的原因并提出治理对策。赵华杰等[9]基于煤矿瓦斯爆炸建立危险源评价模型；Kent Anderson[10]对煤矿瓦斯爆炸事故中的危险源进行了统计,提出了煤矿瓦斯爆炸危险源辨识理论,得出是否发生瓦斯爆炸主要取决于系统中是否存在临界的危险源。学者们从不同角度出发,采用不同的研究方法分析矿井瓦斯爆炸事故,对治理瓦斯爆炸事故有积极作用,但偏于定性或定量方法研究。

采用爆炸危险源辨识、瓦斯爆炸危险因子评估法与事故树分析法相结合的评价方法,对木城涧煤矿有可能会发生的瓦斯爆炸事故进行综合安全评价,并对可能导致瓦斯爆炸的隐患提出预防措施,为矿井瓦斯灾害防治提供依据。

1 木城涧煤矿瓦斯爆炸危险源辨识

1.1 木城涧煤矿概况

木城涧煤矿属双纪井田,开采石炭二叠纪和侏罗纪煤层。目前石炭纪资源已基本枯竭,主要以生产侏罗纪煤为主。该矿煤层地质十分复杂,煤层赋存极不稳定,且储量可靠性差、资源量紧张、采区接替和水平接替十分困难。为了维持其年产150万t的较高产量规模,煤矿一直采用多水平、多工作面同时开采。2011年,经过对矿井瓦斯等级鉴定:该矿井瓦斯绝对涌出量最大2.35 m3/min,瓦斯相对涌出量最大0.74 m3/t；二氧化碳绝对涌出量最大3.51 m3/min,二氧化碳相对涌出量最大1.10 m3/t。经北京市发改委批准,木城涧煤矿为低瓦斯矿井。

木城涧煤矿开采的不利因素众多,虽然鉴定结果表明该矿井为低瓦斯矿井,但是并非安全矿井,甚至有可能因管理不善、制度不健全等原因会成为事故多发矿井[11]。因此,根据木城涧煤矿概况,对该煤矿进行瓦斯爆炸事故评价是相当有必要的。

1.2 木城涧煤矿瓦斯爆炸三类危险源分析

在矿井瓦斯事故分析中,引起瓦斯事故的主要因素有5个:①瓦斯固有危险源。②瓦斯浓度处于爆炸极限范围内,即5%～16%。瓦斯爆炸极限是不固定的,当受到某些因素影响时,爆炸极限将相应地缩小或放大。③存在引燃引爆火源,温度为650～750℃。④环境中氧气的浓度大于12%。⑤管理缺陷。

因素①属于第一类危险源。②、③、④是引起能量意外释放的条件,是造成限制能量措施失效或破坏的不安全因素,属于第二类危险源。而有效的管理措施可以防止3种因素同时出现,相反,管理缺陷可直接造成这3种因素的产生,从而导致对第二类危险源的控制失效,因此,⑤属于第三类危险源。

以矿井瓦斯爆炸危险源划分为依据,根据木城涧煤矿实际情况,对可能造成瓦斯爆炸的危险因素进行划分,划分结果见表1。

表1 木城涧煤矿瓦斯爆炸危险源划分

2 木城涧煤矿瓦斯爆炸事故安全评价

2.1 木城涧煤矿瓦斯爆炸危险因子评估法

2.1.1 瓦斯爆炸危险因子评估法

采用FTA理论分析,可得瓦斯爆炸事故树,如图1所示。

图1 瓦斯爆炸事故树

如图1所示的事故树分析中,各符号代表的事件如下:T为矿井瓦斯爆炸事故；X1为矿井瓦斯等级；X2为矿井瓦斯管理；X3为井下通风管理；X4为机电设备失爆率；X5为瓦斯检查员素质；X6为机电工人素质；X7为放炮员素质；X8为领导执行安全方针；X9为机电设备和硐室的安全保护装置；X10为安全管理现状。

图1所示的事故树结构,可得出事故树的结构函数为:

式中:各符号均表示其对应因子值,c为矿井瓦斯等级因素；d为矿井瓦斯管理因素；e为井下通风管理因素；f为机电设备失爆率因素；g为瓦斯检查员素质因素；h为机电工人素质因素；i为放炮员素质因素；j为领导执行安全方针因素；k为机电设备和硐室的安全保护装置因素；m为安全管理现状。

由于顶上事件发生概率的大小表示了事故发生的可能性的大小,其实质就是体现了事故危险性的严重程度,因而,可以把顶上事件发生概率P用危险严重程度W来表示,则W为:

2.1.2 木城涧煤矿瓦斯爆炸危险性评估

根据木城涧煤矿实际情况,依据瓦斯爆炸危险因子取值表,对相关因子取值,见表2。

表2 木城涧煤矿瓦斯爆炸危险因子取值

将各因子取值带入矿井瓦斯事故危险程度评估函数公式(3)中,得出矿井瓦斯爆炸危险程度分值,计算得出木城涧煤矿爆炸危险度分值为6。参考矿井瓦斯爆炸危险度分值分级标准可知:当5＜W≤20时,矿井瓦斯爆炸危险度级别为Ⅲ级,危险程度为比较危险。

2.2 木城涧煤矿瓦斯爆炸事故树评价

2.2.1 木城涧煤矿瓦斯爆炸原因及事故树构成

通过对木城涧矿井的调查,将引起木城涧矿井瓦斯爆炸的瓦斯积聚和引爆火源的原因列于表3、表4中。表中的百分比依据次数/总次数来计算。根据瓦斯爆炸机理的相关理论,瓦斯爆炸主要是由于爆炸性瓦斯遇到引爆火源而未被及时处理所致,瓦斯爆炸作为研究的顶上事件,用T表示；各类导致瓦斯积聚、引爆火源的因素又构成了可能引起瓦斯爆炸发生的基本事件,用X表示；Ai、Bi(i=1,2,…,n)为中间事件。按照事故树的编制规则,将各类导致瓦斯积聚、引爆火源的因素之间的关系通过“与”“或”逻辑关系连接起来,建立起瓦斯爆炸事故树模型,如图2所示。

表3 木城涧煤矿瓦斯积聚的原因

表4 木城涧煤矿产生引爆火源的原因

图2 木城涧矿井瓦斯爆炸事故树

2.2.2 木城涧煤矿事故树分析

1)结构表达式

2)最小割集求解

利用布尔代数法对式(4)进行简化,分析得出最小割集156组,每一个最小割集就是一条引起瓦斯爆炸的途径。最小割集包括:

由上式化简结果可得出成功树的6个割集,对其对偶变化即为事故树的6个最小径集:{X1,X2,X3,…,X13},{X14,X15,X16,…,X25},{α},{β},{γ},{λ}。

4)结构重要度

从上面的最小割集求解可知,每个最小割集中基本事件的个数相等,故运用最小割集排列法进行结构重要度分析,即基本事件重复次数多的比重复次数少的结构重要度大。在事故树的156个最小割集中,α,β,γ,λ各出现156次,X1,X2,X3,…,X13各出现12次,X14,X15,X16,…,X25各出现13次。所以,其结构重要度按从大到小排序为:

3 木城涧煤矿瓦斯爆炸预防措施

3.1 防止瓦斯积聚

①对瓦斯含量较大的煤巷和半煤岩巷掘进工作面,严格检查瓦斯、装药放炮、洒水降尘、局部通风等项目。②加强通风管理和瓦斯监测,对不合理的通风系统要迅速改造,使通风系统合理、稳定、可靠,实行分区通风。③排放瓦斯前必须制定专门的瓦斯排放措施,并按《煤矿安全规程》规定进行报批,严格按要求进行排放。④按规定配齐便携式瓦斯报警仪,下井人员要佩带便携式瓦斯报警仪。⑤避免出现任何形式的盲巷,长期不用的巷道必须及时封闭。

3.2 防止引爆火源

①加强火药放炮管理,推广使用水胶炸药和乳化炸药,使用水炮泥。②井下杜绝一切火源产生或限制其引爆能量,禁止一切明火、电火花、炮火、摩擦火花、静电火花等。③加强机电设备维修,提高电器设备防爆性能,建立和执行机电设备使用、操作、维护和检查责任制。

3.3 防止管理失误

①完善管理制度,加强培训,培养组织安全文化、安全氛围。②加强安全态度、安全法制、安全知识、安全技能的教育。

3.4 防止伤亡事故扩大

①进一步提高煤矿应急救援管理意识,完善并落实应急救援责任制。②建立投入保障机制,加大安全投入,规范煤矿井下安全避险“六大系统”设计。③要加强应急预案的培训工作,提高职工应急救援意识和技能,增强煤矿企业应对突发事件的能力。

4 结论

1)依据矿井瓦斯爆炸危险源等级划分标准,对木城涧煤矿所存在可能导致瓦斯爆炸的危险因素进行划分,得出了木城涧煤矿瓦斯爆炸的第一类、第二类、第三类危险源。

2)根据木城涧煤矿实际情况,采用瓦斯爆炸危险因子评估方法,得出木城涧煤矿爆炸危险度分值为6,矿井瓦斯爆炸危险度级别为Ⅲ级,危险程度为比较危险。分析木城涧煤矿瓦斯爆炸事故树,得出事故树有156组最小割集,即有156种可能导致瓦斯爆炸的途径。结合瓦斯爆炸事故树最小径集与结构重要度的计算结果,更能准确掌握可能会导致木城涧煤矿瓦斯爆炸的主要因素。

3)采用危险源辨识与等级划分、危险因子评估法以及事故树方法对木城涧煤矿瓦斯爆炸事故进行安全评价,综合分析评价结果,从而制定符合木城涧煤矿实际情况的瓦斯爆炸预防措施。