基于FTA-AHP方法的煤矿瓦斯爆炸事故分析

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(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

基于FTA-AHP方法的煤矿瓦斯爆炸事故分析

柳茹林1,2，于岩斌1,2

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

通过对煤矿瓦斯事故类型进行统计分析，认为瓦斯爆炸是瓦斯灾害的主要事故类型。瓦斯爆炸事故不仅容易造成群死群伤，而且易引起次生灾害，造成更多的人员伤亡。为了防止煤矿瓦斯爆炸事故的发生，依据8起较典型的重特大瓦斯爆炸事故，建立了瓦斯爆炸事故树，首先运用最小割集和最小径集对瓦斯爆炸事故原因进行定性分析，得出各基本原因事件的结构重要度。在此基础上，利用层次分析方法，以瓦斯爆炸事故作为目标层，事故树各基本原因事件为指标层，进一步确定各基本事件的重要度排序。最后依照FTA-AHP分析结果，结合我国煤炭行业安全生产相关政策法规，从理论和实践角度提出防治煤矿瓦斯爆炸事故的对策及建议，以期为有效预防和控制煤矿瓦斯爆炸事故提供参考。

瓦斯爆炸事故；事故树；层次分析；最小割集；最小径集；防治策略

Abstract: The statistical analysis of coal mine gas accident types shows that gas explosion is the main type of gas disasters. Gas explosion accidents are likely to cause not only mass injury and death but also secondary disasters which will result in more casualties. In order to prevent coal mine gas explosion accidents, a gas explosion fault tree was firstly established on the basis of 8 typical serious gas explosion accidents. Then, by using the minimal cut sets and minimal path sets, a qualitative analysis of gas explosion reasons was made to obtain the structure importance of each basic event. Based on this and with the gas explosion accidents as the target layer and the basic events in fault tree as the index layer, the importance order of each basic event was further determined by using the analytic hierarchy process. Finally, according to the results of FTA-AHP (fault tree analysis-analytic hierarchy process) analysis and the relevant policies and legal regulations in coal industry, countermeasures and suggestions for prevention and control of coal mine gas explosion accidents were put forward so as to provide some guidance for effective prevention and control of coal mine gas explosion accidents.

Keywords: gas explosion accident; FTA; AHP; minimum cut set; minimum path set; prevention strategy

煤炭是我国的“第一能源”，煤炭工业的快速蓬勃发展支撑了我国国民经济的高速增长[1]。同时，煤炭行业的生产条件十分复杂，可能受到水、火、瓦斯、煤尘、顶板等多种自然灾害的威胁，从而使得灾害防控成为煤矿安全生产的重中之重[2]。2014—2016年全国共发生煤矿事故95起，事故致亡人数为649人，其中瓦斯事故42起，占比44.21%，死亡342人，占比52.70%。可见瓦斯事故易造成群死群伤，危害程度较大，因此，加强对瓦斯灾害的防控是煤矿安全生产中需要解决的突出问题。

事故树分析法(FTA)是安全系统工程中常用的分析方法之一[3]。即从已发生的事故开始，层层分析其发生的原因，直到找出顶上事故发生的直接原因事件。实践证明，用FTA描述事故的因果关系直观明了，可以较全面地找出导致事故的各种危险、有害因素。但由于通过FTA研究各基本原因事件对顶上事件的影响程度，得到的各基本事件结构重要度较为宏观，会出现各基本事件结构重要度相等的情况，难以确定这些基本原因事件对顶上事件产生的具体影响程度。因此，引入层次分析方法[4](AHP)来改进事故树的定量分析，直观地分析瓦斯爆炸事故中基本事件的重要度排序，从而为预防瓦斯爆炸事故的发生提供参考。

1 2014—2016年煤矿瓦斯事故类型分析

瓦斯事故分为瓦斯(中毒、窒息)、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出3种类型[5]，对这3种类型进行统计分析，如图1所示。

图1 2014—2016年不同瓦斯事故类型分布图Fig. 1 Distribution of different types of gas accidents in 2014—2016

从图中可以看出，瓦斯爆炸事故发生最多为22起，占总事故起数的52.38%，所造成的死亡人数最多为223人，占总死亡人数的65.20%；瓦斯突出事故发生了13起，占总事故起数的30.95%，所造成的死亡人数为83人，占总死亡人数的24.27%；瓦斯(中毒、窒息)事故发生7起，占总事故起数的16.67%，所造成的死亡人数为36人，占总死亡人数的10.53%。由此可见，瓦斯爆炸事故为主要的事故类型。这是因为瓦斯爆炸事故具有突发性特征，难以预测，不仅容易造成即时的群死群伤，而且容易引起一系列次生灾害。因此，研究掌握瓦斯爆炸事故的原因及预兆，能够为研究制定有效预防措施、降低煤矿瓦斯爆炸事故的发生，进而为保证煤矿安全生产持续向好的趋势提供参考。

2 瓦斯爆炸事故树分析

2.1 最小割集分析

最小割集是能引起顶上事件发生的最低限度的基本事件集合[6]。最小割集表示顶上事件发生的原因组合，可以研究系统发生事故的规律。

通过对“砚石台煤矿6·3瓦斯爆炸”、“永吉煤矿10·9瓦斯爆炸”、“浦草坝煤矿3·31瓦斯爆炸”、“新久煤矿9·4瓦斯爆炸”、“东方煤矿8·19瓦斯爆炸”、“贺西煤矿11·17瓦斯爆炸”、“沙坝煤矿5·3瓦斯爆炸”、“泸兴煤矿6·18瓦斯爆炸”这8起重特大瓦斯爆炸事故原因的总结分析，总结出导致瓦斯爆炸事故产生的主要致因因素绘出瓦斯爆炸事故树分析图，如图2所示，图中序号所表示的基本事件名称如表1所示。

图2 瓦斯爆炸事故树图Fig.2 Fault tree of gas explosion accidents

用布尔代数化简如图2所示的事故树为：

T=A1·A2·X21=(A3·A4·X22)·(A5+A6)·X21=(A7+A8)·(X9+X10+X11)·X22· (X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21

=(X1+X2+X3+X4+X5+A9)·(X9+X10+X11)·X22· (X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21

=(X1+X2+X3+X4+X5+X6·X7·X8)·(X9+X10+X11)·X22·(X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21。

(1)

表1 基本事件表Tab.1 Table of basic event

经过计算得出该瓦斯爆炸事故树的最小割集为162个，结合事故树的结构，可以看出导致瓦斯爆炸事故的基本原因有162个。可见引发煤矿瓦斯爆炸的因素有很多，这些因素相互组合都会导致事故的发生，因此瓦斯爆炸的危险性必须引起足够的重视。而由求出的最小割集可知，每个最小割集中都有X21，X22，由此可知，瓦斯只要达到爆炸浓度，且与火源相遇，势必会导致瓦斯爆炸事故的发生。

2.2 最小径集分析

最小径集是保证顶上事件不发生所需的最低限度的基本事件的集合[7]，通过最小径集可以得到避免顶上事件发生的可行方案，从而为控制事故提供依据。

图3 瓦斯爆炸成功树图Fig.3 Success tree of gas explosion

用布尔代数化简如图3所示的瓦斯爆炸成功树如下：

T=A1’+A2’+X21’ =(A3’+A4’+X22’)+(A5’+A6’)+X21’ =(A7’·A8’)+(X9’·X10’·X11’)+X22’+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

=(X1’·X2’·X3’·X4’·X5’·A9’)+(X9’·X10’·X11’)+X22’)+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

=X1’·X2’·X3’·X4’·X5’·(X6’+X7’+X8’)+(X9’·X10’X11’)+X22’+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

(2)

经计算可得出最小径集有7个，分别为：P1=(X1,X2,X3,X4,X5,X6)；P2=(X1,X2,X3,X4,X5,X7)；P3=(X1,X2,X3,X4,X5,X8)；P4=(X9,X10,X11)；P5=(X12,X13,X14,X15,X16,X17,X18,X19,X20)；P6=(X21)；P7=(X22)。

这说明杜绝瓦斯爆炸事故有7种可能途径，只要使任一最小径集中的各个基本事件不同时发生，就可以防止瓦斯爆炸事故的发生。

1)P1、P2和P3中的基本事件不同时发生，则掘进工作面和采煤工作面都不会产生积聚瓦斯，这样瓦斯爆炸事故就不会发生。

2)P4中的基本事件不同时发生，就能及时发现和处理瓦斯积聚，则瓦斯爆炸事故也不会发生。

3)P5中的9个基本事件，都是导致瓦斯爆炸事故的引爆火源，只要能保证这9个基本事件不同时发生，即可保证瓦斯不被引燃，瓦斯爆炸事故就不会发生。

4)P6中只有一个基本事件X21，即瓦斯与火源相遇，要想杜绝瓦斯爆炸事故，就要确保在可能积聚瓦斯的地点，杜绝一切火源。

5)P7中只有一个基本事件X22，即瓦斯达到爆炸浓度，要采取措施防止掘进工作面和采掘工作面的瓦斯积聚，及时检测瓦斯浓度，确保瓦斯浓度低于爆炸极限。

2.3 结构重要度分析

结构重要性分析是事故树定性分析的一种，就是从事故树结构上分析各个基本事件的重要程度[8]。根据最小割集来判断结构重要度顺序，是进行结构重要度分析的近似判断方法。

根据最小割集判断结构重要度顺序为：

I[X21]=I[X22] >I[X9]=I[X10]=I[X11]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]>I[X12]=I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]=I[X17]=I[X18]=I[X19]=I[X20]>I[X6]=I[X7]=I[X8]

可以看出，X21(相遇)、X22(达到爆炸浓度)事件结构重要度最大，则其重要性在系统中占居首位，其次是X9(没有按时检测)、X10(警报断电仪失灵)和X11(警报仪位置不当)。因此在制定预防瓦斯爆炸事故的措施时，要严格控制瓦斯浓度、防止瓦斯与引爆火源相遇，同时加强对瓦斯浓度的监测与监控[9]，从而预防瓦斯爆炸事故的发生。

3 瓦斯爆炸事故层次分析

3.1 建立AHP模型及构造判断矩阵

为了进一步确定瓦斯爆炸事故致因因素权重，将瓦斯爆炸事故树分析得到的各基本原因事件作为指标层的各影响因素[10]，瓦斯浓度高、瓦斯漏检和火源作为层次分析结构体系的准则层，瓦斯爆炸事故作为目标层，构建瓦斯爆炸事故层次结构体系如图4所示。

图4 瓦斯爆炸事故层次分析结构体系Fig. 4 Analytic hierarchy process of gas explosion accident

由专家对瓦斯爆炸事故层次分析结构模型中瓦斯浓度高、瓦斯漏检、火源三个准则层中各因素的重要性进行判断，根据专家意见构造判断矩阵S1、S2、S3，判断矩阵各因素的数值采用1～9标度法[11]确定，标度及其含义如表2所示。

表2 判断矩阵标度及其含义Tab. 2 Scale and meaning of judgment matrix

3.2 权重计算和一致性检验

根据判断矩阵，计算判断矩阵S的最大特征根，一致性指标CI值及一致性比率CR值如表3所示。

表3 判断矩阵S各项指标Tab.3 Index of judgment matrix S

由表3可以看出，判断矩阵S1，S2，S3的一致性比率CR值均小于0.10，因此可以认为层次分析排序的结果有满意的一致性。由最大特征根计算出瓦斯爆炸事故致因因素的权重如表5所示。

表4 判断矩阵S各项指标Tab. 4 Index of judgment matrix S

表5 瓦斯爆炸事故基本原因事件权重Tab. 5 Weight of the basic cause of gas explosion

从表5可以看出，风扇未运行>局部通风机停电>通风系统短路>局扇安装位置不对>采空区瓦斯浓度大>采空区瓦斯涌出>风量不足>风速较低；没有按时检测>警报仪位置不当>警报断电仪失灵；违章放炮>带电作业>电气短路>撞击摩擦火花>产生电弧>电缆线失爆>吸烟>煤电钻失爆。

3.3 结果分析

从AHP分析结果来看，通风设备出现问题是导致瓦斯浓度高的主要原因。在实际的煤矿开采过程中，通风设备经常因为恶劣的环境条件而发生故障，如果加大安全投入，建立严格的通风设备使用管理制度，确保设备的可靠性，保证局部通风机的正常运行，则瓦斯爆炸事故会得到有效遏制。

没有按时检测是导致瓦斯漏检的主要原因。这是由于瓦斯检查员配备不足或瓦斯检查员失职，经常出现空班，没有按规定检查瓦斯。因此，要认真落实瓦斯检查制度，做好瓦斯检查工作，从组织制度上减少瓦斯漏检现象的发生。

放炮火源为最常见的火源，其次为电火花。由于矿井供电系统管理不严，造成机电设备不符合规定，电气设备管理混乱以及工人未按规定放炮。因此，要坚持“一炮三检”和“三人连锁”制度，井下作业时要对火药和雷管进行严格管理，加强矿井用电安全管理。

4 煤矿瓦斯爆炸事故防治策略

1) 防止瓦斯积聚

在易于积聚瓦斯的采煤、掘进工作面等地点，完善矿井通风系统，加强局部通风管理[13]，做到风流强度稳定、系统控制合理可靠。同时加强采掘工作面的现场安全管理和技术调控，杜绝无风、威风、魂环风和串联风作业。加大煤矿的安全投入，提高煤矿机械化水平，提高矿井抵抗瓦斯灾害能力，防止瓦斯积聚。

2) 加强瓦斯检查力度

切实加强瓦斯管理工作，配备足够数量的瓦斯检查员，发现瓦斯超限现象，立即撤出人员。定期检验并维修警报断电仪，确保设备仪器的正常工作和合理布置，积极引进先进的瓦斯预测预警仪器，加强瓦斯的监测与监控。

3) 控制火源的产生

严禁能引爆瓦斯的火源产生，坚持“一炮三检”，加强火区的检查与管理[14]。加强对电气设备以及电路的监控和检查，定期对机电设备进行检修，严禁使用失爆的机电设备[15]，保证矿井用电安全。 禁止井下吸烟，使用明火，防止摩擦撞击火花等一切火源的产生。

5 结论

1) 通过对2014—2016年煤矿瓦斯事故类型进行统计，发现瓦斯爆炸事故是瓦斯灾害的主要事故类型，瓦斯爆炸事故发生最多为22起，占总事故起数的52.38%，所造成的死亡人数最多为223人，占总死亡人数的65.20%。

2) 对瓦斯爆炸运用事故树分析，探讨事故发生的深层原因，从最小割集中看出导致瓦斯爆炸事故的基本原因有162个，从最小径集中看出预防瓦斯爆炸的发生有7种途径，并通过最小径集找出了预防瓦斯爆炸事故的办法。

3) 通过层次分析方法对瓦斯爆炸事故进行定量分析，研究各基本原因事件对瓦斯爆炸事故的影响程度，可以清楚地认识到预防瓦斯爆炸事故的发生必须加强对通风设施的管理，及时检测瓦斯浓度，杜绝一切火源，尤其控制放炮火源及电火花的产生。

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(责任编辑：吕海亮)

AnalysisofCoalMineGasExplosionAccidentsBasedonFTA-AHPMethod

LIU Rulin1,2, YU Yanbin1,2

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD714.3

A

1672-3767(2017)06-0081-09

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.012

2017-01-02

国家自然科学基金项目(U1261205,51574158)

柳茹林(1993—)，女，山东烟台人，硕士研究生，主要从事矿井灾害预测与防治方面的研究工作. E-mail:ct8836119@163.com 于岩斌(1986—)，男，山东乳山人，讲师，博士，主要从事矿井灾害预测与防治等方面的科研工作.本文通信作者. E-mail：he_yyb@163.com