煤矿瓦斯爆炸事故隐患及风险的表征方法

张勇 连小勇 李军

(1.晋能控股煤业集团公司 山西大同 719319； 2.中国矿业大学(北京) 北京 100083；3.尤洛卡(山东)矿业科技有限公司 山东泰安 271000)

0 引言

井下瓦斯爆炸事故是我国煤矿事故中最严重的灾害之一。瓦斯爆炸不仅会造成人员伤亡，还会破坏井下巷道、装备，严重时会使整个矿井停止生产，给企业造成巨大的经济损失。根据事故致因理论，事故的发生往往是由多种隐患耦合导致的，因此要采取措施预防和控制瓦斯爆炸事故，首先需要辨识瓦斯爆炸事故隐患，理清隐患之间的耦合关系及其风险演化路径，进而对风险进行评价分级与管控。

目前，在瓦斯事故隐患辨识方面，国内学者主要是通过分析瓦斯爆炸的影响因素，建立合理的瓦斯爆炸风险指数系统与风险预测模型，从而确定瓦斯爆炸隐患。如张利华[1]根据5种瓦斯爆炸危险源设计了隐患辨识模型，深入分析了瓦斯爆炸的原因；李泽安[2]在构建OHSMS基础上对风险因素进行辨识；李树砖等[3]从直接、间接和基本因素3个方面对瓦斯爆炸的22个致因因素进行了分析，为瓦斯爆炸的防治提供了理论基础；姜光杰等[4]在构建信息管理系统的基础上对煤矿风险因素进行辨识。国外学者在隐患辨识上常采用环境扫描法、流程分析法以及绩效评估法等。可以看出，对于瓦斯爆炸事故隐患辨识，多名学者的辨识结果都不一致，缺乏统一的标准和证据支撑，主观性较强。此外，以上研究都没有涉及隐患之间的耦合关系以及风险演化路径。在风险评价方面，大多数学者都是从事件发生的可能性和事件后果的严重性对事故风险进行评价。如贺晓刚等[5]从导致事故可能发生的危险源与发生可能性的角度出发，对其风险度进行分析；孙斌[6]基于灰色关联度理论方法与案例分析方法，从瓦斯涌出量、浓度及其他参数的角度出发，深入分析了瓦斯目前的危险度与将来的危险度的关系，定性分析了巷道中瓦斯事故的可能性及后果。以上风险评价方法只考虑了事件的可能性和严重性，未考虑受体的暴露程度，而在生产安全事故中，受体的暴露程度对风险的大小也有着重要影响。

为全面、系统地辨识煤矿瓦斯爆炸事故隐患、分析隐患之间的耦合作用关系及风险演化路径，并对瓦斯爆炸事故风险进行评价，本文提出基于证据的方法对事故隐患及其关系进行辨识和表征，提出从事件的可能性、严重性以及受体的暴露程度3个维度对煤矿瓦斯爆炸事故风险进行评价。

1 基于证据的隐患辨识方法

所谓证据，指的是法律及行业规范、事故案例、科学研究文献等[7]。基于证据的隐患辨识方法分为3个步骤：首先，将事故隐患和影响因素进行合理分类，要求既能覆盖所有的隐患及影响因素，又能使其分类清晰、重点突出；其次，面向煤矿生产全作业流程，根据作业先后顺序以及作业环节/部位等，将作业流程进行合理划分，得到基本的隐患辨识单元；最后，参考证据系统地分析和辨识煤矿作业中瓦斯爆炸事故隐患。

对于事故影响因素及隐患的分类，众多学者进行了相关研究，有的将其划分为人员和设备，也有的将其划分为人员、技术、管理等[8-9]。根据《安全生产事故隐患排查治理暂行规定》中事故隐患的定义，隐患可分为物的不安全状态、人的不安全行为以及管理上的缺陷。人的不安全行为和物的不安全状态通常是事故发生的直接原因，而其背后是企业组织管理中的缺陷。基于此，本文将煤矿瓦斯爆炸事故隐患划分为3类，分别是人的不安全行为、物的不安全状态以及管理上的缺陷。其中，管理上的缺陷是事故发生的间接隐患，都需要通过人的不安全行为和物的不安全状态触发事件、事故，即每一个管理缺陷类隐患都对应着人的不安全行为类隐患和物的不安全状态类隐患。因此，本文在隐患辨识表征时，不再将管理缺陷类隐患单独列出。根据实际中瓦斯爆炸发生地点以及煤矿生产作业工序，在空间上以巷道作为瓦斯爆炸事故隐患辨识基本单元，本文将这些巷道划分为正在开拓的巷道、正在准备的巷道以及正在回采的巷道3类，称为作业工段，如图1所示。

图1 基于证据的隐患辨识方法框架

基于证据的事故隐患辨识框架x轴是支撑证据，y轴是作业工段，z轴是事故隐患，空间中的每一个点具体表征了支撑证据下煤矿生产作业各工段上的瓦斯事故隐患。根据上述方法，辨识得到煤矿瓦斯爆炸事故隐患清单如表1所示。

表1 煤矿瓦斯爆炸事故隐患清单

2 隐患耦合及风险演化分析

2.1 隐患耦合及风险演化过程

煤矿生产体系是一个复杂的系统，涉及到人、物、管理等多个子系统。通过对历史事故案例分析发现，煤矿瓦斯爆炸事故是由人、物、管理系统之间或系统内部隐患耦合、演化引发的[10]。为表征事故隐患之间的耦合作用关系以及风险演化过程，为后文风险评价及表征提供支撑依据，本文提出一种多隐患耦合及风险演化表征方法，如图2所示。圆圈表示已辨识出的初级隐患或事件，统称为初级隐患；矩形表示中间隐患或事件，统称为次级隐患；平行四边形表示最终发生的事件或事故，统称为活动事件，其上一隐患节点用圆角矩形表示，统称为濒危隐患；符号“·”和“+”分别表示隐患之间的逻辑与和逻辑或关系，箭头表示隐患及风险演化的过程和方向。

图2 隐患耦合及风险演化过程

2.2 煤矿瓦斯爆炸事故隐患耦合及风险演化

对前述辨识出的煤矿瓦斯爆炸事故隐患之间的耦合关系进行分析，得到煤矿瓦斯爆炸事故隐患作用关系以及风险演化过程如图3所示。可以看出，初级隐患共有34个，它们可以独自或者彼此之间耦合作用触发或生成次级隐患；次级隐患共有11个，往往是初级隐患耦合作用引起的；瓦斯极限、氧气以及引爆源是3个濒危隐患，需共同耦合作用才能触发煤矿瓦斯爆炸事故；此外，从图中还可以看出，煤矿瓦斯爆炸隐患耦合及风险演化路径共有896条，数目较多，切断风险演化链条、阻止事故或事件的发生较为困难。根据图3所示的隐患耦合关系以及风险演化路径，可以设计预防性措施阻止濒危隐患的形成或风险的传递，进而达到预防事故发生的目的。

图3 煤矿瓦斯爆炸隐患耦合及风险演化过程

3 风险表征

在生产安全事故中，事件发生的可能性可以表征事故的可能性，而事故后果的严重性除了与事件本身的严重性有关，还与受体的暴露程度有关。因此，可以通过分析、表征事件发生的可能性、事件的严重性以及受体的暴露程度来表征事故风险。

3.1 事件发生的可能性

参考胡晓运等[9]、林璐瑶等[11]的消费品安全风险评价三维矩阵方法，把人的不安全行为影响因素、物的不安全状态影响因素看作是对应的n维空间坐标的坐标轴，而把坐标原点看作是安全基准点，采用这些影响因素的影响程度组成的n维空间坐标到原点的空间距离或欧氏距离来表征事件发生可能性的大小，如图4所示。

用公式表示即：

(1)

图4 空间距离模型

3.2 事件自身的严重性

为评价事故发生前的风险，必须要表征事件潜在的严重性。从能量释放角度来看，对于瓦斯爆炸事件，爆炸反应时瓦斯的量的多少决定了该事件能量释放的大小。瓦斯燃烧爆炸具有一个浓度极限范围，若瓦斯浓度处于爆炸极限范围内，瓦斯燃烧反应放出的热量足以维持化学反应和火焰的持续传播，则发生瓦斯爆炸；若瓦斯浓度处于爆炸极限范围外，则不会发生瓦斯爆炸。在293 K、101.3 kPa条件下，瓦斯的爆炸下限是5 %，爆炸上限是15 %。将瓦斯含量划分为[5%,8%)、[8%,11%)、[11%,15%]3个范围，分别对应的潜在瓦斯爆炸事件为大、中、小3个等级。

表2 事件发生可能性的影响因素

3.3 受体的暴露程度

在生产安全事故中，受体指的是直接承受事件后果的物体，如人员、装备、设施等。事故最终的损失与受体的暴露程度相关，在同样的情况下，受体暴露程度越大，则可能造成的损失就越多，事故的严重性也就越大。在煤矿生产作业中，管理上的缺陷是受体暴露的一个重要原因，主要受到作业组织管理、监测预警、个体防护3个方面因素耦合作用的影响。参考事件可能性的表征内涵及形式，提出受体暴露程度表征方法：

(2)

3.4 事故风险表征

根据《风险管理指南》(ISO 31000)，风险被定义为不确定性对目标的影响。因此，大多数学者利用可能性和严重性的组合来表征风险的大小。本文参考传统二维风险矩阵的形式，提出煤矿瓦斯爆炸事故风险三维矩阵。首先，将事件发生的可能性、事件的严重性以及受体的暴露程度分为3级，分别对应的取值范围如表3所示。3个风险要素一共可以形成27种组合，设计三维风险矩阵，根据这3个风险要素在风险矩阵中的位置，即可得到事故风险等级，如图5所示。事故风险等级分为低、中、高3级，分别对应风险矩阵中的浅灰色、灰色和黑色。

表3 风险要素及等级划分

图5 三维风险矩阵

4 结语

(1)提出了基于证据的煤矿瓦斯爆炸事故隐患辨识方法。该方法基于事故案例、法律法规及标准规范等证据，按照煤矿作业工段划分，系统地辨识出人的不安全行为、物的不安全状态以及管理的缺陷3个方面隐患，使得隐患辨识有证可循，最大程度避免人的主观性。

(2)表征了煤矿瓦斯爆炸事故隐患耦合关系及风险演化路径，对于瓦斯爆炸事故风险分析以及设计事故预防措施具有重要的指导意义。

(3)对事件发生的可能性、事件自身的严重性以及受体的暴露程度进行分析和表征，基于此提出一套事故风险表征方法，并利用三维风险矩阵对事故风险等级进行划分。