事故树分析法在采煤工作面热害分析中的应用

杨　青

(安徽省煤炭科学研究院)



事故树分析法在采煤工作面热害分析中的应用

杨青

(安徽省煤炭科学研究院)

摘要随着矿井开采深度的增加，井下环境进一步恶化，高温热害极大的威胁着井下作业人员的身体健康、工作效率和矿井生产安全，给煤矿带来了比较严重的危害。运用事故树分析法对煤矿采煤工作面高温热害定性分析，找出导致采煤工作面高温热害的各种因素，采用布尔代数法，得出采煤工作面热害发生的最小割集和最小径集，计算各基本事件的结构重要度，进而为采取热害治理措施提供理论依据。

关键词事故树分析法热害结构重要度最小割集最小径集

近几年我国煤矿开采深度进一步加大，部分老矿井及新建大型矿井已经步入深部开采阶段。随着矿井采掘机械化程度的提高以及开采深度的不断增加，高温热害对煤矿井下劳动工人的身体健康、工作效率和生产安全都有着极大的威胁。

由于矿井采煤工作面煤壁暴露面积较大、机电设备较多、采空区内遗煤放热等原因，采煤工作面一般是矿井通风系统中气温最高的区段。运用事故树分析法对采煤工作面高温热害进行定性分析，找出导致采煤工作面高温热害的各种因素，进而为治理热害提供依据。

1事故树分析法概述

事故树分析法是安全系统工程的主要分析方法之一，也叫故障树分析法[1]。从一个可能发生的事故一级一级逐步推导引发事故的直接原因、间接原因以及触发事件，并针对导致事故的原因相互之间的逻辑关系进行分析，最后把这些事件以及之间的相互逻辑关系以事故树图的形式表达出来[2]。

2事故树的建立

采煤工作面热害源主要为围岩散热、氧化放热、风流压缩热、机电设备散热等，其中任何一个事件的发生都可导致顶上事件采煤工作面热害的发生[3]。

采煤工作面供风不足、进回风巷未能及时维护、煤层未采取预冷措施、进回风巷无隔热措施等基本事件都是围岩散热这一中间事件的主要原因。

生产区(采空区)有足够的遗煤，在长时间漏风的情况下，是氧化放热源的主要因素；生产区(采空区)内有足够的遗煤主要体现在区内煤柱破碎，冒顶遗煤未及时清理，煤炭回收率低；巷道布置在煤层中，断层煤柱留设不合理，区段煤柱留设不合理都会导致区内煤柱破碎；开采条件复杂、回采率低、煤柱多是煤炭回收率低的原因；工人技术水平低下，采煤方法选择不当，未坚持正规循环作业，浮煤未清理或清理不彻底导致区内浮煤多都是导致回采率低的基本原因。生产区(采空区)漏风主要体现在通风方式不合理，冒顶产生空陷，采空区与通风巷道连通，顶板管理不当，钻孔管理不严；工作面通风方式选择不当、角联风路多是通风方式不合理的基本因素；冒顶未处理或处理不妥是产生空陷的原因；厚煤层分层开采时再生顶板裂隙多，采空区上隅角未充填或充填不严实等都会导致采空区内漏风；顶板管理不当主要体现在未及时处理顶板，处理方法不妥；钻孔管理不严主要体现在钻孔未封闭，个别钻孔损坏，钻孔封口损坏，钻孔密闭不严实[4]。

风流压缩热的产生主要体现为设计时未考虑热害和风流线路过长。爆破时间选择不当、热水漫流、疏导热水方法不当等也是产生热源的因素。采煤工作面机电设备较多，设备功率选择过大、散热措施不力、电气线路设计不合理也是高温热源之一。

综合上述热害产生原因分析，建立采煤工作面热害事故树，见图1。

3事故树分析

3.1最小割集

事故树中能够导致顶上事件发生的一组基本事件称为割集，能够引发顶上事件最低限度的基本事件的集合称为最小割集。最小割集表示系统的危险性。

图1　采煤工作面热害原因事故树

T—采煤工作面热害；A1—围岩散热；A2—氧化放热；A3—风流压缩热；A4—其他热源散热；A5—巷道通风不力；A6—围岩隔热措施不力；A7—生产区(采空区)漏风；A8—区内有足够的遗煤；A9—热水散热；A10—机电设备散热；A11—通风方式不合理；A12—冒顶产生空陷；A13—采空区与通风巷道连通；A14—顶板管理不当；A15—钻孔管理不严；A16—区内煤柱破碎；A17—煤炭回收率低；A18—回采率低；A19—区内浮煤多；X1—时间；X2—设计时未考虑热害；X3—风流线路过长；X4—爆破时间选择不当；X5—巷道未能及时维护；X6—供风能力不足；X7—煤层无预冷措施；X8—巷道干湿度不合理；X9—无隔热措施；X10—热水漫流；X11—热水管位置不合理；X12—疏导热水方法不当；X13—散热措施不力；X14—选择设备功率过大；X15—电气线路设计不合理；X16—工作面通风方式选择不当；X17—角联风路多；X18—冒顶未处理；X19—冒顶处理不妥；X20—厚煤层分层开采时再生顶板裂隙多；X21—采空区上隅角未充填；X22—采空区上隅角充填不严实；X23—必要时未对采空区注浆；X24—未及时处理顶板；X25—顶板处理方法不妥；X26—钻孔未封闭；X27—个别钻孔损坏；X28—钻孔封口损坏；X29—钻孔密闭不严实；X30—主要巷道布置在煤层中；X31—区段煤柱留设不合理；X32—断层煤柱留设不合理；X33—冒顶遗煤未清理；X34—煤柱多；X35—开采条件复杂；X36—工人技术水平低；X37—采煤方法选择不当；X38—必要时未复采；X39—未坚持正规循环作业；X40—浮煤未清理；X41—浮煤清理不彻底

利用布尔代数及运算法则进行事故树化简：

T=A1+A2+A3+A4=A5+A6+A7A8X1+X2+X3+A9+X4+A10=X5+X6+X7+X8+X9+(A11+A12+A13+A14+A15)(A16+A17+X33)X1+X2+X3+X10+X11+X12+X4+X13+X14+X15=X5+X6+X7+X8+X9+(X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25+X26+X27+X28+X29)(X30+X31+X32+X34+X40+X41+X36+X37+X38+X39+X35+X33)X1+X2+X3+X10+X11+X12+X4+X13+X14+X15=X5+X6+X7+X8+X9+X1X16X30+X1X16X31+X1X16X32+X1X16X33+X1X16X34+X1X16X35+X1X16X36+X1X16X37+X1X16X38+X1X16X39+X1X16X40+X1X16X41+X1X17X30+X1X17X31+X1X17X32+X1X17X33+X1X17X34+X1X17X35+X1X17X36+X1X17X37+X1X17X38+X1X17X39+X1X17X40+X1X17X41+X1X18X30+X1X18X31+X1X18X32+X1X18X33+X1X18X34+X1X18X35+X1X18X36+X1X18X37+X1X18X38+X1X18X39+X1X18X40+X1X18X41+X1X19X30+X1X19X31+X1X19X32+X1X19X33+X1X19X34+X1X19X35+X1X19X36+X1X19X37+X1X19X38+X1X19X39+X1X19X40+X1X19X41+X1X20X30+X1X20X31+X1X20X32+X1X20X33+X1X20X34+X1X20X35+X1X20X36+X1X20X37+X1X20X38+X1X20X39+X1X20X40+X1X20X41+X1X21X30+X1X21X31+X1X21X32+X1X21X33+X1X21X34+X1X21X35+X1X21X36+X1X21X37+X1X21X38+X1X21X39+X1X21X40+X1X21X41+X1X22X30+X1X22X31+X1X22X32+X1X22X33+X1X22X34+X1X22X35+X1X22X36+X1X22X37+X1X22X38+X1X22X39+X1X22X40+X1X22X41+X1X23X30+X1X23X31+X1X23X32+X1X23X33+X1X23X34+X1X23X35+X1X23X36+X1X23X37+X1X23X38+X1X23X39+X1X23X40+X1X23X41+X1X24X30+X1X24X31+X1X24X32+X1X24X33+X1X24X34+X1X24X35+X1X24X36+X1X24X37+X1X24X38+X1X24X39+X1X24X40+X1X24X41+X1X25X30+X1X25X31+X1X25X32+X1X25X33+X1X25X34+X1X25X35+X1X25X36+X1X25X37+X1X25X38+X1X25X39+X1X25X40+X1X25X41+X1X26X30+X1X26X31+X1X26X32+X1X26X33+X1X26X34+X1X26X35+X1X26X36+X1X26X37+X1X26X38+X1X26X39+X1X26X40+X1X26X41+X1X27X30+X1X27X31+X1X27X32+X1X27X33+X1X27X34+X1X27X35+X1X27X36+X1X27X37+X1X27X38+X1X27X39+X1X27X40+X1X27X41+X1X28X30+X1X28X31+X1X28X32+X1X28X33+X1X28X34+X1X28X35+X1X28X36+X1X28X37+X1X28X38+X1X28X39+X1X28X40+X1X28X41+X1X29X30+X1X29X31+X1X29X32+X1X29X33+X1X29X34+X1X29X35+X1X29X36+X1X29X37+X1X29X38+X1X29X39+X1X29X40+X1X29X41+X2+X3+X10+X11+X12+X4+X13+X14+X15.

通过对事故树的结构进行简化分析，该事故树的最小割集为182个。

3.2最小径集

某些基本事件的集合不发生，则顶上事件也不发生，把这组基本事件的集合称为径集，致使事故树中顶上事件不发生的最低限度的基本事件的集合称为最小径集。最小径集表示系统的安全性。

采煤工作面热害事故树对偶的成功树结构函数：

T′=A1′·A2′A3′A4′=A5′A6′ (A7′+A8′)X1′X2′X3′A9′X4′A10′=X5′X6′X7′X8′X9′(A11′A12′A13′A14′A15′+A16′A17′X33′)X1′X2′X3′X10′X11′X12′X4′X13′X14′X15′=X5′X6′X7′X8′X9′(X16′X17′X18′X19′X20′X21′X22′X23′X24′X25′X26′X27′X28′X29′+X30′X31′X32′X34′A18′X35′X33′)X1′X2′X3′X10′X11′X12′X4′X13′X14′X15′=X5′X6′X7′X8′X9′(X16′X17′X18′X19′X20′X21′X22′X23′X24′X25′X26′X27′X28′X29′+X30′X31′X32′X34′X40′X41′X36′X37′X38′X39′X35′X33′)X1′X2′X3′X10′X11′X12′X4′X13′X14′X15′=X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X12′X13′X14′X15′X16′X17′X18′X19′X20′X21′X22′X23′X24′X25′X26′X27′X28′X29′+X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X12′X13′X14′X15′X30′X31′X32′X33′X34′X35′X36′X37′X38′X39′X40′X41′.

该成功树的最小割集：

K1=(X1′，X2′，X3′，X4′，X5′，X6′，X7′，X8′，X9′，X10′，X11′，X12′，X13′，X14′，X15′，X16′，X17′，X18′，X19′，X20′，X21′，X22′，X23′，X24′，X25′，X26′，X27′，X28′，X29′);K2=(X1′，X2′，X3′，X4′，X5′，X6′，X7′，X8′，X9′，X10′，X11′，X12′，X13′，X14′，X15′，X30′，X31′，X32′，X33′，X34′，X35′，X36′，X37′，X38′，X39′，X40′，X41′).

即原事故树的最小径集：

P1=(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29);P2=(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X30，X31，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38，X39，X40，X41).

最小径集共有2组，表明控制顶上事件的发生有2种可选择的方案。

3.3结构重要度

假设事故树中各基本事件的发生概率均相同，或者忽略各基本事件的发生概率，分析导致顶上事件发生的各基本事件所引发的影响程度。在目前事故树分析大都停留在定性分析阶段的情况下，结构重要度分析显得较为重要。

各基本事件的结构重要度：

从结构重要度分析来看，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15这些基本事件最为重要。

4结论

以安全系统工程理论为基础，将事故树分析法运用到矿井采煤工作面热害评价中，得到最小割集182个，最小径集2个，即导致顶上事件采煤工作面热害发生的基本条件有182个，预防顶上事件发生的措施有2个。可见，采煤工作面热害是非常容易发生且难以预防控制。

根据结构重要度分析，要使顶上事件不发生，主要重点应放在X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15这些基本事件的预防上。结合实际可操作性，热害治理措施主要为加强巷道维护和合理增大风量，合理开拓部署，选择适当功率的机电设备，及时对采空区注浆充填，抑制采空区氧化散热等。最后希望从事煤矿高温热害工作的科研人员在研究更经济合理的热害防治措施的同时，能够一并研究矿井热害的评价方法。

参考文献

[1]林柏泉,张景林.安全系统工程[M] .北京：中国劳动社会保障出版社,2007.

[2]赵耀江.安全评价理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社,2008.

[3]陈安国.矿井热害产生的原因、危害及防治措施[J] .中国安全科学学报,2004，14(8)：3-6.

[4]张习军,王长元，姬建虎，等.矿井热害治理技术及其发展现状[J] .煤矿安全,2009，40(3)：33-37.

(收稿日期2015-12-13)

杨青(1983—)，男，助理研究员，230001 安徽省合肥市宣城路81号。