基于故障树评价法分析风阻变化问题

王立阳

（辽宁智诚中安安全技术服务有限公司，辽宁 沈阳 110000）

我国是以矿产资源作为国民经济的基础产业，虽然随着生产力水平的大幅度提高，并初步健全了相对较完善的技术保障体系，但是由于我国矿产资源赋予地质条件复杂多样的特点，且以井工矿为主，受顶板、瓦斯、水、火、粉尘等危害仍旧严重[1]。通风系统是决定煤矿生产能力的重要指标，也就是“以风定产”。为了保障煤矿正常运行过程中通风稳定或者出现后能尽快解决这一问题，运用故障树分析评价法有针对性地找出矿井运行过程中的薄弱环节，并加以监控和改进。关于矿井通风问题，国内学者已经做了大量研究，并有了一套相对较完善的通风体系。倪景峰等[2]为了解决人工绘制矿井通风网络图与压能图工作量繁重的问题，基于矿井通风网络图与矿井通风压能图的特点与作用，采用层次分析法实现矿井通风网络压能图的自动绘制提供了技术支持。李宗翔等[3]通过简单通风管网系统突出动力实验，研究了在瓦斯突出源流动力与风机通风共同作用下矿井风流的非稳态运动特征，瓦斯突出源压力是导致风流发生变化的主要因素。赵丹等[4]建立了矿井通风系统故障树，并设计面向故障树的基于框架与规则的混合知识表示方法，利用框架中诊断规则的推理确定故障传播关系，找到故障源。多依丽等[5]应用失效模式和效果分析及事故树分析法来对矿井通风系统的可靠性进行定性和定量的分析研究。王莉[6]采用三角模糊FTA分析法以“矿井通风系统故障”为顶事件，算得其发生可能性为0.005～0.023，应立即对通风网络进行改进，选用相对合理的网络单元，防止并、串和角联风流紊乱现象等。王大伟[7]结合具体工程实际，在分析煤矿井下作业面瓦斯灾害的基础上，从作业面瓦斯治理方式、通风系统优化和采空区瓦斯抽采设计三方面对作业面瓦斯治理开展分析探究。

基于以上研究成果，以故障树分析法给出具体煤矿工程中存在的通风阻力变化所导致通风系统不稳定问题的定性分析结果，并为其实践操作提供指导意见。

1 故障树分析原理

2009年我国出台了《故障树名词术语和符号》这一标准[8]，因此可以按照统一标准来建立并分析事故树。故障树分析过程[9]可以按照一定程序执行，从确定系统开始，为了能够准确分析系统对象，分析导致事故发生的根本原因，理清各个事件之间的关系，要求在确认系统后能够深入理解系统，大量收集企业及相关企业的事故资料或相关资料，为后续分析做好充分准备。以事故为顶事件，即以结果为导火索，通过相关事件间的逻辑关系逐层究其发生原因，总结所设计事件并用逻辑将其连接起来绘制形成故障树。根据工作需要，接下来进行定性定量分析，首先第一步要将复杂的树图利用布尔代数运算理清其间结构，形成最简结构函数形式，从而获得最小割（径）集。如果只是利用该方法探析事故倾向性，可以直接进行定性评价大致分析即可，如果需要严格的数据支撑，则需进行有客观事实为依据的统计概率完成定量分析，主要包括顶事件发生概率、概率重要度和临界重要度分析。

以上分析并不是一蹴而就，而是一个PDCA的闭环循环系统，将结果进行总结和应用，根据分析计算结果制定出相应的安全措施，优化系统，形成反馈修正、持续改进的良性循环模式，为系统安全性提升提供一定理论和技术支持。

1.1 顶事件发生概率

顶事件发生概率可以通过状态枚举法统计而得，也可以通过容斥法（最小割、径集和近似算法）以及化相交集为不交集计算而得。对于相对简单的事故树，容斥法应用相对较广。其中最小割集法计算公式[10]为：

式中：r、s、t——最小割集的序号，r＜s＜t；

i——基本事件的序号，Xi∈Er；

k——最小割集数；

1≤r＜s≤k-k个最小割集中第r、s个最小割集的组合顺序；

Xi∈Er-属于第r个最小割集的第i个基本事件；

Xi∈Er∪Es-属于第r个或第s个最小割集的第i个基本事件。

1.2 定性分析

故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）是集定性定量分析为一体的综合评价方法，其中结构重要度分析是属于定性分析部分，其仅考虑对顶事件有影响的情况，即FTA中任一基本事件Xj不发生状态改变，其余基本事件的保持状态不变，顶事件状态随之而改变。因此，为了判定基本事件对顶事件的影响，可以利用基本事件结构重要度系数[11]判断结构重要度顺序。

1.2.1 基本事件的结构重要度系数

式中：n——事故树中基本事件的个数；

2n-1——基本事件Xi（i≠j）状态组合数；

p——基本事件的状态组合序号；

Xjp——2n-1状态组合中第p个状态；

0i——基本事件不发生的状态值；

1i——基本事件发生的状态值。

1.2.2 基本事件的割集重要度系数

为了简化计算，可以利用单事件最小割（径）集结构重要度最大、仅同一最小割（径）集中的所有事件结构重要度相等的原则，判断简单情况，如果最小割（径）集和事件较多，可以利用公式：

式中：I（i）——基本事件Xi结构重要度系数的近似判别值；

ni——基本事件Xi所属最小割（径）集包含的基本事件数。

计算所得近似判别值进行比较分析。上述几种方法中可根据具体情况进行选择，进而完成定性分析，为事故预防指引研究方向。为了准确研判事故发生，可以进一步进行定量分析。具体分析过程应以实际需求为导向，避免不必要的人力物力等资源浪费。

2 基于FTA通风巷道风阻变化原因分析

故障树分析是通过结果探究事故发生的原因的逻辑推理方法，对于事故的预测预防的定性定量分析有实际意义。通过图形的层层深入分析，利用“与”“或”“非”等逻辑门将顶事件（事故）、中间事件和基本原因事件等组合形成了故障树。

通过大量调查某井工矿地质条件和特点，充分、深入地了解该矿通风系统，究其事故原因，并依据事故树建立程序、原则以及各种术语和符号，建立如图1所示的事故树。导致巷道风阻发生变化的主要原因根据相关统计资料可以总结为巷道积水、巷道突然冒高或突然坍塌、巷道变形等几种情况。根据现场资料现实，进一步分析导致巷道发生变化的各个基本原因事件，主要包括了X1到X11事件。因此通风巷道风阻变化主要有图1所示的11个有逻辑关系的最基本事件所影响。

图1 某矿通风巷道风阻变化事故树

根据逻辑门之间的关系，可以看出各原因事件对于顶事件的影响，其中5、6、7、8基本事件出现次数最多，重要性相对最大，其次1、2、3、4、9、10、11基本事件次之，因此该矿应将防护重点放在5、6、7、8事件的监测和预防上，其次是注意其他基本事件的防护。

针对地压活动和地震等自然因素事件，可以通过大量数据进行监测，在记录推算合理的情况下，尽可能减少有该类活动时的生产运作，坚持以人为本，从而尽最大力量保证工作人员的生命财产安全。针对可以通过人为控制的原因事件，如巷道堵塞、涌水量大、排水不合理等原因事件，应尽量减少巷道积水的情况，从而保证通风巷道风阻稳定不变的状态。同时要保证支护合理、适当减少支护以及通过不同爆破手段减少爆破震动，从而减少巷道突然高冒或突然崩塌或巷道变形等问题，同样可以保证通风巷道不会因为这些因素而导致风阻变化，进而保证通风网络的稳定和生产的安全进行。

3 结论

为了确定通风巷道中的风阻变化产生的原因，防止该事件进一步成为矿井事故，引起不必要的人员伤亡和财产损失，故根据大量统计资料和一线作业经验，认为导致风阻发生变化的主要原因主要有巷道积水、巷道突然冒高或突然坍塌、巷道变形等情况。进一步分析导致巷道发生变化的各个基本原因事件，主要包括了X1到X11事件。为了防止巷道风阻变化而引起事故的发生，利用故障树定性分析，即结构重要度分析结果表明事件5、6、7、8应该放在首要控制，同时该井工矿应针对上述原因事件的可控与不可控操作，加强监管力度，落实相关政策制度，加大人力、物力的投入，以最安全、最合理的方式进行劳作，从而保证通风阻力的稳定，进一步保证通风系统的稳定以及生产的安全进行。

为了提升系统安全性，需要做好充分事前预防、过程控制和早期应急，其中最重要的是事故管理前移，积极响应国家号召，即根据2021年新《安全生产法》的第二十一条第五款关于企业主要负责人的工作要求，在企业管理过程中做好风险分级管控和隐患排查治理工作，对本企业的固有风险进行评估，确定风险等级、风险责任人等，并采取相应管控措施，最终评估形成残余风险统计表，对于目前技术不能解决的问题或者技术提升成本过高的情况，应采取博德的事故因果连锁理论[12]，在该理论指导下通过企业安全管理进一步提升系统安全性。管理过程中要做好隐患排查治理工作，及时排除事故隐患，保证系统能够安全运行。