露天煤矿火区早爆事故预防研究

张光权，刘殿书，吴春平

(1.中国矿业大学(北京)，北京100083；2. 北京中科力爆炸技术工程有限公司，北京 101318；3.北京矿冶研究总院，北京 100160)

露天煤矿火区早爆事故预防研究

张光权1,2，刘殿书1，吴春平3

(1.中国矿业大学(北京)，北京100083；2. 北京中科力爆炸技术工程有限公司，北京 101318；3.北京矿冶研究总院，北京 100160)

早爆事故是露天煤矿火区安全生产的主要威胁之一，为研究早爆事故的预防措施，本论文通过对露天煤矿火区事故的致因分析，得出了测温仪故障、火区炮孔过深及一次作业炮孔过多等16个容易导致火区早爆事故的基本事件及2个条件事件。基于这些事件构建了露天煤矿火区早爆事故树，并对事故树最小割集基本事件结构重要度进行了定量分析和排序。结合事故树分析结果和宁夏某露天矿火区爆破实际情况，提出了爆破作业分区管理、建立火区爆破作业班组、逆程序施工作业、控制一次爆破作业时长及多方联合测温等预防露天煤矿火区爆破作业早爆事故的针对性措施。将这些措施应用到该矿实际爆破作业中取得了良好的效果，提高了作业效率、保证了火区爆破作业安全，为类似工程提供了较好的借鉴。

露天煤矿；高温爆破；事故树分析；预防措施

随着露天采矿技术及设备的发展，露天可采深度不断增加。国内可采用露天方式开采的矿山越来越多，尤其是建在宁夏、内蒙古等北方煤层埋藏相对较浅的地区。由于露天煤矿煤层露头较浅，煤层与空气接触较充分，在一定条件下易引起煤层的自燃形成火区；此外，很多露天煤矿在建成之前，矿区内已有井工小窑乱采，在开采过程中遗留在采空区的火种点燃煤层并逐步造成煤炭大面积持续燃烧形成火区。

中国是世界上煤炭自燃灾害最严重的国家，煤炭自燃面积累计已达720km2，形成中国北方煤火燃烧带。据初步估算，每年直接燃烧损失的煤炭资源1000万t以上，间接损失的优质煤炭达2亿t，煤田自燃每年造成经济损失近200亿元[1]。

我国露天煤矿的覆盖层硬度普遍比较大，覆盖层的剥离往往都需要使用炸药辅以深孔松动爆破或定向抛掷爆破，火区燃烧产生的高温如果使炸药或起爆器材达到了热感度，便会发生早爆。近年来，高温火区早爆事故时有发生，严重威胁爆破作业人员的生命安全[2]。大面积煤炭高温火区的存在，使得煤炭高温爆破安全作业问题成为一个亟待解决的行业难题。

国内众多专家和学者对露天煤矿火区爆破安全问题进行了大量研究，取得了大量成果。李四海等[3]对煤层自燃条件进行了量纲分析，讨论了井工开采诱发煤层自燃的机理以及露天矿开采高边坡稳定性与煤层自燃环境的关系，提出了煤层发生自燃的基本要素。林谋金等[4]采用镀金光纤作为分布式光纤测温系统的测温段对同一炮孔注水前后温度变化情况进行了监测，发现炮孔温度在注水降温停止后的较短时间内即可回升至降温前的温度，现场装药连线等爆区区域内的工作需要在抽出水管后的较短时间内完成。束学来等[5]针对目前煤矿火区高温爆破技术效率较低的问题，根据爆破器材的耐热温度和炮孔的降温性能，并考虑安全裕度，把火区分为一级温度区等5 个温度区，然后根据各个温度区炮孔特点，研究爆破技术，并在火区进行爆破实践，取得了良好的成效。王飞等[6]针对发生在高温火区炮孔装药的早爆安全事故，研究出了一种应用于高温火区爆破的新型不可逆起爆网路。周名辉等[7]通过现场试验，提出了使用含CaCl2、MgCl2的水对炮孔进行降温的方法，并成功进行了应用。蔡光琪等[8]根据钻孔温度和孔底特性，将露天矿火区高温爆破钻孔分为火区上部的爆破钻孔、打穿火区的爆破钻孔、火区附近的爆破钻孔等三类，并制定了相应的灭火降温方案。

露天煤矿火区爆破作业最大的威胁之一是早爆事故，但现有研究大都仅针对测温、降温或爆破器材隔热防护等单个问题，从早爆事故预防角度系统性研究防范措施的文献尚不多见。本论文将通过早爆事故致因分析，建立露天煤矿早爆事故树，并对事故树进行定性分析，结合宁夏某矿山实际情况，提出露天煤矿火区早爆事故预防措施。

1 露天煤矿火区早爆事故及致因分析

1.1 早爆及其分类

早爆是指炸药或起爆器材在预定的起爆时间之前起爆。按早爆引发原因大致可分为起爆器材和炸药引起的早爆及外界电干扰引起的早爆两大类[9]，而露天煤矿火区早爆事故往往由前者导致。

1.2 露天煤矿火区早爆事故致因分析

按照安全系统工程理论及事故致因理论，可从人的不安全行为和物的不安全状态两个方面来进行分析，人的不安全行为主要包括测温人员未按要求测温、设计人员未按规程设计及作业人员违章作业等；物的不安全状态主要是起爆器材或炸药处于温度高于其热感度的炮孔中。造成炸药早爆的因素较多，为使分析更具有针对性，本研究仅分析露天煤矿爆破施工中可能造成火区早爆事故、且实际施工中发生频率相对较高的主要事件，结合工程实践，归纳出早爆事故的顶上事件、中间事件及基本事件等如表1所示。

表1 露天煤矿火区早爆事故致因分析表

2 露天煤矿火区煤矿早爆事故树分析

2.1 露天煤矿高温火区早爆事故树构建

本研究旨在找出预防露天煤矿火区爆破作业早爆产生的措施和方法，避免早爆事故的发生，故选择产生炸药早爆作为事故树顶上事件T。根据前述露天煤矿火区早爆致因的系统分析及事件间的逻辑关系可以建立如图1所示的事故树。

图1 露天煤矿火区早爆事故树

2.2 煤矿火区早爆事故树分析

从露天煤矿早爆事故致因分析表及事故树可看出，孔温测量结果较实际偏低及热量积聚导致孔温骤升是火区早爆事故发生的主要原因，当异温区误用雷管起爆或高温区使用导爆索起爆但未采取有效降温隔热措施而冒险装药，且满足条件事件“测温偏差值与热量积聚导致的孔温升高值之和大于雷管或导爆索热感度与测量温度之差值”时，顶上事件将发生。

事故树中一组基本事件发生就能够导致顶上事件的发生，这组基本事件称割集，最小割集就是导致顶上事件发生的最低限度的割集。对某一系统而言，最小割集越多，该系统出现故障的可能性就越大。用布尔代数化简求图1所示的事故树的最小割集，见式(1)。

T=A1+A2=B1·B2+B3·X13·X14·X15·X16=X1·X2·X3· (C2+C3)·α+(C2+C3)·X13·X14·X15·X16·β=(X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12)·(X1·X2·X3·α+X13·X14·X15·X16·β)=X1·X2·X3·X4·α+X1·X2·X3·X5·α+……X1·X2·X3·X12·α+X4·X13·X14·X15·X16·β+X5·X13·X14·X15·X16·β+……+X12·X13·X14·X15·X16·β

(1)

化简后可知该事故树总共有18个最小割集，即这18个最小割集中的任意一组事件发生都将会导致露天煤矿高温火区的早爆事故，所以露天煤矿高温火区的早爆事故的预防涉及到多方面的因素，要预防早爆事故的发生，须同时防止18个割集中的基本事件发生。

根据割集基本事件重要度系数计算方法，设某一事件有φ个最小割集，最小割集Er中含有mr个基本事件，则基本事件Xi的割集重要度系数Iφ(i)可按式(2)计算。

(2)

由布尔代数化简结果可知，φ=18，i=1～16，则各基本事件重要度系数计算见式(3)～(5)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=1/8

(3)

Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=1/10

(4)

Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=1/40

(5)

由此得各基本事件的重要性排序，见式(6)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)>Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)>Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)

(6)

从结构重要度排序可看出，由于设计失误、设计审查不严、现场安全监督不到位等原因导致在高温或异温区错误的使用雷管起爆，最容易导致早爆事故；而在火区正常使用导爆索起爆时，炮孔未按要求降温或降温达不到装药作业要求，且未采取有效的孔内隔热措施而冒险装药、现场监督管理人员未及时制止时容易发生早爆事故；此外，测温仪故障、测温仪选型不当、测温方法不正确、一次装药炮孔过多、施工组织不到位、作业人员作业技能差、炮孔预装药、高温区炮孔过深等原因也将导致作业时间过长、使爆破器材处于不安全状态而增大早爆事故发生的几率。可见人的不安全行为是导致出现露天煤矿火区早爆事故的主要因素，要预防早爆事故的发生，必须加强作业人员作业技能和安全意识培训教育、强化施工组织管理、加大安全监督管控力度。

3 实例分析与应用

3.1 工程概况

宁夏某露天煤矿原为井工矿，已有数十年开采历史，近年来因安全需要及提升产能等原因改为露天开采，采区内存在多处大面积火区，火区温度一般在80 ℃左右，最高达400 ℃以上。该煤田盛产著名的太西煤，资源非常稀缺，每年因煤炭自燃造成的资源损失非常大，亟需对火区煤炭进行抢救性开采。由于火区开采存在较高的风险和作业难度，专业性较强，为提高开采效率、降低成本并保证施工安全，该矿将存在火区的部分采区通过招标发包方式交由第三方专业的爆破公司进行爆破作业。

3.2 火区早爆事故预防措施分析

通过对露天煤矿火区早爆事故的事故树分析，结合该矿作业管理的实际情况，提出了以下几方面的关键预防措施。

3.2.1 加强安全作业培训及安全审查与监督

从火区早爆事故树及分析结果可知，设计失误、审查不严及安全监督不到位等人的不安全行为是导致早爆事故的重要原因，要避免早爆事故的发生须控制好人的行为。首先要强化作业与管理人员安全意识，做好培训教育，同时要抓好设计及设计审批工作，严格落实现场安全监督，防止在火区使用雷管作为孔内起爆器材、高温区未采取有效降温隔热措施或降温隔热到不到要求而冒险装药等不安全行为发生。

3.2.2 爆破作业区域划分与分区作业管理

高温是导致露天煤矿火区早爆事故的直接原因，结合事故树分析结果，测温偏差和热量集聚、孔温反弹或骤升是导致露天煤矿火区早爆事故发生的主要原因之一，要预防早爆事故，必须做好火区温度管理，防止在温度测量和起爆器材的选择上出现大的偏差。

做好火区划分及火区管理是预防早爆事故的关键，爆破设计和作业前须对火区进行辨识和分区管理。为此，在爆破作业时根据孔温将爆破作业区域划分为常温区、异温区和高温区。根据以往施工和测温经验，该矿常温区孔内温度一般常年保持在30 ℃以下，同时，基于谨慎性原则，在火区划分时须保证一定的安全冗余度；因此，将孔温在30 ℃以下界定为常温区，温度在30～60 ℃之间的区域界定为异温区，孔温在60 ℃及以上的区域界定为高温区。

常温区钻孔后须对炮孔温度进行测量和监控，防止待爆破区域温度变化，爆前复测仍低于30 ℃时，可按常规方式正常进行爆破作业；异温区域作业时须合理选用爆破器材，并控制好作业持续时间，采用反程序高温爆破法进行施工作业[10]；由于在露天煤矿高温区中使用隔热防护器材目前不符合经济合理性与便捷性要求，故一般情况下严禁在60 ℃以上的高温区实施爆破作业，必须采取降温措施，使炮孔温度降到60 ℃以下，且10 min内不反弹或反弹温度低于60 ℃，方可按异温区进行作业。

3.2.3 合理选择测温仪器及测温方法

由事故树分析可知，测温仪器选择的适当与否及测温仪器性能的可靠性是影响测温准确性的重要因素。温度测量的准确性是保证火区爆破安全的基础，只有准确的知道炮孔温度情况才能采取有针对性措施，保证爆破作业的安全。为保证测温仪器性能的可靠性，须对测温仪定期进行校核，异温区采用红外线和热敏电阻两种测温仪同时对每一个炮孔进行测温，并取温度高者作为记录孔温。

同时，为保证测温过程主观上的可靠性，根据矿区安全生产管理实际情况，实行矿方生产技术科、安管科及监理公司、施工方爆破公司等多方联合测温方式，各相关方均指派有经验的测温员分别使用各自的测温仪器，在现场对拟爆破区域的每个炮孔进行测温，取多方联合测温中温度最高者作为记录温度。由于火区作业时炮孔温度会因热量传导、集聚等原因导致孔温变化，在钻孔完毕后及爆破装药作业前分别进行测温。

3.2.4 严格控制火区一次起爆装药作业时长

根据前述事故树分析及以往施工经验，测温偏差及孔内热量积聚导致的孔温反弹骤升是火区早爆事故的主要，炮孔深度较大时测温易出现偏差，且更容易因热量集聚而导致孔温升高或反弹。因此，在孔温高于30 ℃火区进行布孔作业时，应合理控制炮孔深度；此外，在火区爆破时，为尽量减少一次起爆作业时间，防止岩体热传导或炸药自发热反应使热量集聚而导致孔温升高或反弹过大，且一次装药爆破炮孔数量不宜过多。根据经验，在本矿区作业时布孔数量不超过8个，孔深不超过12 m。

此外，火区作业时，为缩短作业时间，保证作业安全，除了控制一次爆破作业炮孔数量外，还应挑选爆破作业经验丰富、体能较好的年轻爆破员，成立专门的火区爆破作业班组，经火区作业专项训练并考核合格后才能进入火区实施爆破作业。一般情况下每孔作业人员不超过2人，总人数不超过9人，从开始装药到起爆整个作业过程时间不能超过5 min。

3.3 应用效果

该矿区曾因火区早爆发生过较为严重伤亡事故，爆破安全生产形势一度比较严峻。采取上述预防措施后，大大提高了施工效率，保证了爆破安全，从技术和制度层面有效防范了早爆事故的发生。近两年来，该矿区年采剥总量达2000万m3以上，年出煤量近600万t，未发生一起火区早爆安全事故，取得了较好的成效。

4 结论

通过对露天煤矿火区早爆事故树分析，结合宁夏某露天煤矿火区爆破实践，得出以下结论。

1)在火区使用雷管起爆、不按规定对炮孔测温、降温等人的不安全行为是露天煤矿火区早爆事故的首要原因，爆破器材处于高温炮孔中等人的不安全行为所引发的物的不安全状态是早爆事故发生的直接原因，要预防早爆事故，必须从控制人的不安全行为着手。

2)为预防露天煤矿火区早爆事故，须加强各环节作业技能培训和安全意识教育，确保设计、钻孔、测温、装药、封堵等作业按规定进行；加强测温仪器等设备的检验检测工作，确保性能可靠；实行多方联动验孔、测温，并做好火区作业分区管理，严格控制火区作业时炮孔深度不大于12 m，一次起爆作业炮孔数量不超过8个，限制装药作业时炮孔温度在60℃以下，作业时长不超过5 min。

3)在宁夏某露天矿火区爆破作业的实践表明，露天煤矿火区早爆事故可防可控，通过事故树分析提出的预防措施在应用中效果明显，对类似火区爆破工程有较好的借鉴意义。

[1] 谭永杰. 中国煤田自燃灾害及其防治对策[J]. 煤田地质与勘探，2000，28(6):8-10.

[2] 朱月敏． 煤矿安全事故统计分析[D]． 阜新: 辽宁工程技术大学，2012．

[3] 李四海，王理想，冯春，等. 煤层自燃防治与高温爆破安全技术中的若干力学问题[J]. 爆破，2015，32(3) :1-9.

[4] 林谋金，刘昆，石文才，等. 分布式光纤测温技术在火区爆破中应用[J]. 爆破，2015，32(4):141-144.

[5] 束学来，郑炳旭，李战军，等. 煤矿高温火区爆破技术的研究与应用[J]. 爆破，2015，32(4):128-132.

[6] 王飞，马宏昊，沈兆武. 一种应用于高温火区爆破中的不可逆起爆网路的耐温与传爆性能[J]. 含能材料，2016，24(1):106-110.

[7] 周名辉，唐洪佩，杨开山. 露天煤矿高温爆破技术研究[J]. 爆破，2014，31(2):119-122.

[8] 蔡光琪，赵云龙，朱朝炳，等. 露天矿火区内三类爆破钻孔快速灭火降温方法研究[J]. 中国矿业，2016，25(1):169-172.

[9] 汪旭光. 爆破手册[M]. 北京：冶金工业出版社，2010:979-984.

[10] 蔡建德. 露天煤矿高温区爆破安全作业技术研究[J].工程爆破， 2013，19(1):92-95.

2016年我国黄金产量453t

据中国黄金协会最新统计数据显示，2016年，我国国内累计生产黄金453.486 t，同比上升0.76%，连续10年成为全球最大黄金生产国，其中，黄金矿产金完成394.883 t、有色副产金完成58.603 t。 2016年全国黄金消费量975.38 t，同比下降6.74%，连续4年成为世界第一黄金消费国。

据中国黄金协会介绍，2016年国际金价延续宽幅震荡之势，年平均价为1 246.14美元/盎司。在严峻形势下，黄金行业积极采取应对措施，努力实现稳中求进的目标。中国黄金深入开展全过程成本管控；紫金矿业2016年实现海外黄金产量超过10 t，旗下刚果(金)卡莫阿铜业公司铜资源储量获得重大突破，达到3 340万t；山东黄金实施内部市场化改革和科技创新，矿山由降本增效向提质增效转变；山东招金打造互联网黄金生态圈，为黄金产业链上下游企业和消费者创造价值。

Research on theprevention of premature explosion accident in high-temperature zone of open-cast coal mine

ZHANG Guangquan1,2, LIU Dianshu1, WU Chunping3

(1.China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Beijing Zhongkeli Blast Technology Engineering Co., Ltd., Beijing 101318, China; 3.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160, China)

Premature explosion accident is one of the main threatens to safety production in high-temperature zone of open-cast coal. To find out the preventive measure of the premature explosion accident, 2 conditional events and 16 basic events such as thermodetector failure and excessive deep hole in fire area are presented, through accident-causing analysis of premature explosion fault in fire zone of open-pit coal mine. Based on those events, premature explosion fault tree of open-pit coal mine is constructed. Combined with the qualitative analysis results of the ATA and the actual situation of some open-cast coal in Ningxia, some corresponding measures such as blasting zoning management of high-temperature area and establishing operations team of high-temperature blasting and multipartite temperature measurement are suggested to prevent premature explosion accident in high-temperature zone of open-pit coal mine, which obtains good results in the practice of the blasting operation and provides a good reference for similar engineering.

open-cast coal；high-temperature blasting；accident tree analysis (ATA)；preventive measure

2016-09-23

863计划项目资助(编号：2011AA060405)

张光权(1981-)，男，博士，主要从事爆破参数优化、爆破安全技术及采矿工艺等方面的研究,E-mail：zhangguangquanone@126.cm。

TD77+1

A

1004-4051(2017)03-0112-05