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应用FTA理论研究采煤工作面瓦斯爆炸事故
杨 潇 指导教师 刘照鹏
（四川师范大学工学院 610101 成都）
摘　要：运用事故树分析方法对采煤工作面工作面瓦斯爆炸事故产生的原因进行分析，通过计算事故树的最小割集、最小径集与基本事件的结构重要度等，分析给出了煤矿瓦斯爆炸事故的预防措施。　
关键词：矿难；事故树；分析；瓦斯爆炸；预防措施　

1 引言
瓦斯爆炸是我国煤矿生产中最常见的灾害事故，仅造成大量人员伤亡，而且严重摧毁井巷设施，中断生产，甚至引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次事故。据统计，从2003年至今我国煤矿共发生17人以上的死亡事故36次，共死亡1972人，其中瓦斯爆炸事故29次。共死亡1972人，占17人以上死亡事故总次数的80.56％，死亡人数的82.86％…，给国家造成了巨大的人员伤亡和财产损失。因此，如何在事故发生前就能预见事故发生的可能性，清查事故原因，排除事故隐患，对于预防瓦斯爆炸，减少人员伤亡及财损失十分必要。
表1 2003年-2009年煤矿一次性死亡17人以上事故汇总
发生时间
地点
死亡
事故简述
发生时间
地点
死亡
事故简述
09-11-21
黑龙江鹤岗
108
瓦斯爆炸
07-2-10
河南兴安
17
瓦斯爆炸
09-10-8
湖南娄底
26
钢丝绳断落
07-1-17
内蒙古包头
29
透水事故
09-9-9
河南平顶山
79
瓦斯爆炸
06-11-25
云南曲靖
32
瓦斯爆炸
09-5-30
重庆綦江
30
瓦斯爆炸
06-11-25
黑龙江鸡西
25
瓦斯爆炸
09-2-22
山西屯兰
74
屯兰瓦斯爆炸
06-11-12
山西晋中
25
瓦斯爆炸
08-12-17
湖南娄底
18
工作面瓦斯爆炸
06-11-5
山西焦家寨
35
瓦斯爆炸
08-9-20
黑龙江鹤岗
31
富华煤矿火灾爆炸
06-10-31
甘肃靖远
29
瓦斯爆炸
08-8-18
辽宁沈阳
26
瓦斯爆炸
06-4-29
山西大同
32
瓦斯爆炸
08-7-5
山西大同
21
一氧化碳中毒窒息
06-3-18
山西临县
28
透水事故
08-7-1
陕西榆林
18
放炮炮眼事故
06-2-1
山西晋城
23
瓦斯爆炸
08-1-20
山西临汾
20
非法私采瓦斯爆炸
05-12-2
河南新安
35
透水事故
07-12-6
山西洪洞
105
瓦斯爆炸，且瞒报
05-7-11
新疆阜康
83
瓦斯爆炸
07-11-8
贵州毕节
35
煤与瓦斯突出
05-6-22
山西繁峙
37
瓦斯爆炸
07-8-17
山东新汶
181
涌水事故
05-5-19
河北承德
50
瓦斯爆炸
07-5-5
山西临汾
28
瓦斯爆炸
05-2-14
辽宁阜新
214
瓦斯爆炸
07-4-16
河南平顶山
31
瓦斯爆炸
04-11-28
陕西铜川
166
瓦斯爆炸
07-3-28
山西临汾
26
瓦斯爆炸
04-10-20
河南新密
148
瓦斯爆炸
07-3-18
山西晋城
21
瓦斯爆炸
03-5-13
安徽淮北
86
瓦斯爆炸
在煤矿复杂的生产条件下，导致瓦斯爆炸因素许多，如管理因素、施工因素及技术因素等，可能形成瓦斯爆炸的因素复杂多样，这些因素不仅相互交叉，而且往往只能作为定性描述，这给具体的事故分析带来了许多困难。事故树分析法是从特定的事故开始，考察可能引起该事故的各种可能的原因及其相互关系的系统安全分析法，应用这种方法可使事故分析有条不紊地进行，因而在复杂事故分析中有重要作用。所以。运用安全系统工程中的事故树分析法，对采煤面瓦斯爆炸原因进行研究。可以有效地解决这些问题。
2 事故概况
2009年11月21日凌晨2时30分左右，黑龙江省龙煤控股集团鹤岗分公司新兴煤矿发生爆炸事故，矿难致108人死亡。经初步分析，该事故主要是由于113队施工作业面距离地面约500米深的探煤道发生煤与瓦斯突出，引起瓦斯爆炸，波及井下作业采掘工作面28个，当时井下共有作业人员528名。经全力救援，有420人升井。国务院调查组针对黑龙江鹤岗新兴煤矿瓦斯事故召开首次全体会议。任此次事故国务院事故调查组组长的安监总局局长骆琳说，根据对黑龙江新兴煤矿瓦斯爆炸事故的现场初步分析，事发矿安全责任不落实，隐患排查不认真、不彻底，是一起责任事故。该矿采掘布置不合理，井下管理管理和劳动组织混乱，采掘工作面各处多达30多个，夜班下井人数500多人，白班超过1000多人，表现出安全责任不落实，隐患排查不认真、不彻底，这是一起责任事故。
3 事故树编制
3.1事故树分析法的实质　
事故树分析法（Fault　Tree　Analysis，简称FTA）是一种演绎推理法，又称作故障树分析法或事故逻辑分析法，是安全系统工程的重要分析方法。这种方法把系统可能发生的某种事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系用一种称为事故树的危险性，发现系统中存在的不安全隐患，运用布尔代数运算对事故发生的可能性进行推测和判断，为制定相应的措施提供可靠的科学依据，以使企业改进安全生产状况，更好地实现安全生产。这种方法既适用于定性分析，也适用于定量分析，并具有简明形象的特点。　
3.2采煤面瓦斯爆炸事故树分析
事故树分析是把所研究系统的最不希望发生状态作为顶上事件，然后寻找导致这一顶上事件发生的全部直接因素，并逐次下推，一直追查到那些不需要再深究的因素为止。
众所周知，发生瓦斯爆炸必须同时具备的2个基本条件是瓦斯积聚、供氧及引爆火源。其中供氧条件在通常情况下是自然满足的，因而在大多数条件下只要一定浓度的瓦斯及引爆火源同时存在，瓦斯爆炸就必然发生。根据瓦斯爆炸理论并通过对我国所发生的多次采煤工作面瓦斯爆炸事故的调查，总结引起瓦斯爆炸事故的基本事件如表2所示，编制采煤工作面瓦斯爆炸事故树。根据事故诱发原因，把事故隐患转化条件尽可能地罗列出来，根据因果之间逻辑关系，系　
统地做出事故树因果图（如图１）。
表2事故树事件名称代码概率一览表
事件名称
代码
qi
事件名称
代码
qi
事件名称
代码
qi
采煤面瓦斯爆炸
TO

随意关电
X2
10-3
抵抗线不足
X12
10-4
相遇
a

冒顶区瓦斯积聚
X3
10-4
封泥不足
X13
10-4
达到爆炸浓度
b

串联通风
X4
10-5
炸药变质
X14
10-4
瓦斯积聚
M1

局部通风机循环风
X5
10-5
放炮器出火
X15
10-5
局部通风机停转
M2

风筒脱节
X6
10-4
自燃
X16
10-3
工作面风量不足
M3

针眼接头漏风
X7
10-4
矿灯出火
X17
10-3
引爆火源
M4

通风能力不足
X8
10-4
开关冒火
X18
10-4
爆破火焰
M5

末节风筒过远
X9
10-4
电源短路
X19
10-4
电气火花
M6

摩擦火花
X10
10-3
带电检修
X20
10-4
电网停电
X1
10-4
静电火花
X11
10-4
明火
X21
10-4

图一 采煤工作面瓦斯爆炸事故树
4 事故树分析
4.1事故可能发生途径
用布尔代数法求事故树最小割集
T=M1*M4=(M2+X3+X4+M3)*(X10+X11+M5+X16+M6+X21)
=(X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9)*(X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21)。
由上式可得此事故树的最小割集共9大组108小组是：
N1:｛（X1，X10+),树）;（X1,X11）;（X1,X12）;（X1,X13）;（X1,X14）;（X1,X15）;（X1,X16）;（X1,X17）;（X1,X18）;（X1,X19）;（X1,X20）;（X1,X21）｝。
同理：N2:｛（X2，X10+),树）;（X2,X11）;（X2,X12）;（X2,X13）;（X2,X14）;（X2,X15）;（X2,X16）;（X2,X17）;（X2,X18）;（X2,X19）;（X2,X20）;（X2,X21）｝。
……………………………………………………………………………………………
N9:｛（X9，X10+),树）;（X9,X11）;（X9,X12）;（X9,X13）;（X9,X14）;（X9,X15）;（X9,X16）;（X9,X17）;（X9,X18）;（X9,X19）;（X9,X20）;（X9,X21）｝。
掘进工作面瓦斯爆炸事故中，任何一组最小割集的基本事件同时发生，顶上事件就必然发生，说明导致顶上事件发生的途径有108个。
4.2求最小径集
最小径集是使事故不发生的最低限度的基本事件的集合。根据图１事故树，所得成功树。
根据成功树求最小径集
T，=M1，+M4，=(M2，X3，X4，M3，)+(X10，X11，M5，X16，M6，X21，)
=(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，)+(X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，)
由此，可得2组最小径集，即：P1＝｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9｝；P2=｛X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21｝。
说明有2种避免事故发生的可能途径。
4.3结构重要度分析
根据最小割集数排列，可得系统中各基本事件结构重要度排序为:
I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)>I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)=I(19)=I(20)=I(21)
4.4顶上事件的概率
P（T）=［1-（1-q1）（1-q2）（1-q3）（1-q4）（1-q5）（1-q6）（1-q7）（1-q8）（1-q9）］［1-（1-q10）（1-q11）（1-q12）（1-q13）（1-q14）（1-q15）（1-q16）（1-q17）（1-q18）（1-q19）（1-q20）（1-q21）］=7.14*10-6
4.5求概率重要度
概率重要度表示第i个基本事件发生概率的变化引起顶上事件发生概率变化的程度。根据定义可以得出公式：
（i=1,2,…,n）
式中 P(T)--------顶事件发生概率；
qi---------第i个基本事件的发生概率。
根据公式并代入表2中数据得
I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=0.00441>I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)=I(19)=I(20)=I(21)=0.00162
4.6求危险重要度
危险重要系数顺序为：Cg(2)>Cg(10)=Cg(11)=Cg(16)=Cg(17)>Cg(3)>Cg(6)=Cg(7)=Cg(8)=Cg(9)>Cg(1)>Cg(18)=Cg(19)=Cg(20)=Cg(21)>Cg(4)>Cg(5)>Cg(15)>Cg(13)=Cg(14)=Cg(12)
5　结论　
（1）图１中有21个基本事件，从采煤面瓦斯爆炸事故树来看。最小割集有108组，数量较多，表明矿井采煤工作面瓦斯爆炸有108种可能途径，充分说明事故的可能性与危险性都很大。其中每一组最小割集都只含有两个基本事件。只要任意一组最小割集发生就会引起采煤工作面瓦斯爆炸。
（2）从采煤工作面瓦斯爆炸成功树可看出有2个最小径集，只要每个最小径集的基本事件都不发生，就能控制事故不发生。系统中最小径集越少，则系统越不安全，采煤工作面瓦斯爆炸只有两个最小径集，说明采煤工作面是一个相对不安全的系统。求出了系统的全部最小径集，就知道有几种控制系统事故的方案，即可以拟订2种处理方案，这2种途径均使事故可能不发生。从这2个最小径集中可以看出，事件最少的是P1，所以应视P1为控制瓦斯爆炸的最优途径。　
（3）由结构重要度分析结果知，基本事件X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9结构重要度最大，其重要性在系统中占首位，其次是X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21。所以，应选择控制瓦斯浓度、通风环境，作为预防瓦斯爆炸的主要措施。
（4）由顶上事件概率分析得知P（T）=7.14*10-6，可以看出只要控制好每一个环节，顶上事件发生的概率还是相对很小的。
（5）由概率重要度的分析得知，基本事件X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9概率重要度最大，其重要性在系统中占首位，其次是X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21。所以，同理应选择控制瓦斯浓度、通风环境，作为预防瓦斯爆炸的主要措施。
　（6）由危险重要度分析得知，随意关电、摩擦火花、矿灯出火等都是在采煤工作面最危险的行为。而这些都可以通过加强人员的管理而控制的。
综合以上分析可知，为确保煤矿安全生产，除将瓦斯浓度控制在其爆炸范围（5％～16％）内，杜绝一切火源是最重要的。同时，还要加强瓦斯检查力度，严防瓦斯聚集。此外，事故树中的基本事件不一定就是终极事件，有时还应根据具体的情况和要求对其进行更深入的分析。
6 预防采煤工作面瓦斯爆炸措施
6.1　消除或避免管理缺陷　
（1）煤矿企业领导必须高度重视牢固树立“安全第一”的思想，确实把安全工作放在首位，坚持“以人　为本”，充分发挥人在安全生产中的作用。强化以“安全第一，预防为主”为其唯一价值观的正面安全　文化场，提高从业人员的安全角色意识和安全角色能力，形成对安全生产特别是“一通三防”的全员全　方位、全过程管理。减少或消除人的不安全行为和物的不安全状态以及由人的不安全行为而造成的物　的不安全状态和不安全的生产作业环境，从而消除或避免企业安全管理缺陷和管理失职。
（2）建立健全并从组织制度、基础条件、教育培训、管理机制、奖惩激励五个方面认真落实好各项安　
全生产规章制度和操作规程，从组织制度上消除或避免管理缺陷和管理失职。　
6.2杜绝井下火源　
6.2.1　防止明火　
（1）禁止在井口、通风机房周围20m以内使用明火、吸烟或用火炉取暖。井下禁止使用电炉或灯泡取暖。　
（2）严禁携带烟草、点火物和穿化纤衣服人井；严禁携带易燃物品入井，必须带入井下的易燃品要经总工程师批准。　
（3）不得在井下和井口房内从事施焊作业。如必须在井下进行施焊作业时，每次都必须制定安全措施，报经矿长批准，并遵守《煤矿安全规程》有关规定。回风巷不准施焊作业。　
（4）严禁在井下存放汽油、煤油、变压器油等。井下使用的棉纱、布头、润滑油等，必须放在有盖的。铁桶内，严禁乱扔乱放和洒在巷道、硐室或采空区内。　
（5）防止煤炭氧化自燃，加强火区检查与管理，定期采样分析，防止复燃。　
6.2.2　防止出现爆破火焰　
（1）严格爆破器材和爆破工艺管理，井下严禁使用产生火焰的爆破器材和爆破工艺。井下爆破作业，必须使用煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管。　
（2）炮眼深度和装药量要符合“作业规程”规定；炮泥装填要满、要实，并坚持使用水泡泥。禁止放明炮、糊炮。　
（3）禁止使用明接头或裸露的爆破母线；爆破母线与发爆器的联结要牢固，防止产生电火花；爆破员尽量在进风流中启动发爆器。　
（4）严格执行：“一炮三检”制度。　
6.2.3　防止出现电火花　
（1）井口和井下电气设备必须有防雷和防短路保护装置；采取有效措施防治井下杂乱电流。　
（2）加强机电设备及供电线路的管理，完善机电设备的各类保护措施，定期进行检查维修。不准使用失爆的机电设备。井下严禁带电作业。杜绝“鸡爪子”、“羊尾巴”和明接头。　
（3）局部通风机开关要设风电闭锁、瓦斯电闭锁装置、检漏装置等。　
（4）发放的矿灯要符合要求；严禁在井下拆开、敲打和撞击灯头和灯盒。　
6.2.4　其他引火源的治理　
（1）矿井中使用的如塑料、橡胶、树脂等高分子材料制品，其表面电阻应低于规定值。　
（2）禁止一切非生产需要的火源入井；对生产中可能出现的热源严加管理，防止热源产生或限定其引燃瓦斯的能力。　
6.3 防止瓦斯积聚的措施　
（1）严格执行“以风风产，监测监控，先抽后采”的瓦斯治理方针。　
（2）矿井通风是防止瓦斯积聚的基本措施。有效稳定的和连续的通风是稀释和排出井下瓦斯的保证。必须按要求建立和完善矿井通风系统，保证工　
作面有足够的风量；加强局部通风管理、风筒管理；强化对巷道贯通、石门揭煤、采掘工作面过地质构造带、工作面停复产、盲巷排放瓦斯、开起火区或密闭等的通风安全管理，使井下瓦斯浓度符合《规程》要求。　
（3）严格执行瓦斯检查制度。并严格遵守《规程》的有关规定。　
（4）严格执行《规程》中有关瓦斯浓度的规定和瓦斯超限和局部瓦斯积聚。　
（5）对于采用通风方法不能解决瓦斯超限问题的矿井或工作面，必须进行瓦斯抽放。　
参考文献：
【1】张景林 崔国璋 .安全系统工程．北京：煤矿工业出版社．2002．
【2】国家煤矿安全监察局人事培训司．煤矿安全管理A类．北京：中国矿业大学出版　
社，2002．
【3】黄建功．煤矿生产技术与安全管理．成都：西南交通大学出版社 2004．
【4】肖忠华．用ＦＴＡ技术分析预防瓦斯炸事故.煤矿安全．2006．（01）．
【5】刘照鹏．用事故树分析煤炭自燃引起的伤亡事故.煤炭工程师.1992.（03）
【6】 国家安全生产监督管理局．国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程.煤炭工业出版社.2009