基于事故樹的煤礦瓦斯爆炸機理分析

李 楠

(大同煤礦集團安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西原平 034100)

0 引言

根據(jù)國家安全監(jiān)督管理總局公布的數(shù)據(jù)，2013—2017年5年時間內(nèi)全國共發(fā)生瓦斯爆炸事故52起，死亡人數(shù)521人，其中2013年發(fā)生的19起瓦斯爆炸事故死亡221人，2014年發(fā)生的12起瓦斯爆炸事故死亡89人，2015年的7起瓦斯爆炸事故死亡49人，2016年發(fā)生9起瓦斯爆炸事故死亡117人，2017年發(fā)生的5起瓦斯爆炸事故死亡45人。這52起事故中只有2起未發(fā)生人員死亡，死亡人數(shù)超過10及以上的事故達到20起，占事故總數(shù)的38．5%。瓦斯爆炸在煤礦事故災害中的危害性十分嚴重，不僅造成生命和財產(chǎn)損失，也對社會造成很大影響。

因此，如何采取有效措施減少煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生十分必要，文中通過事故樹理論分析瓦斯爆炸事故發(fā)生的各類關鍵因素，以便采取針對性措施預防瓦斯爆炸事故發(fā)生。

1 瓦斯爆炸原因分析

1．1 瓦斯爆炸機理

瓦斯是煤炭開采過程中，由煤、巖層中涌出的以CH4為主的有害氣體總稱。通常CH4占瓦斯含量90%以上，瓦斯分為游離、吸附兩種狀態(tài)，初始情況下煤層中的瓦斯處于平衡狀況，隨著開采活動對煤、巖層初始狀態(tài)的破壞，失衡后吸附狀態(tài)的瓦斯會轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，在壓力作用下沿縫隙涌出。當井巷空氣中瓦斯?jié)舛群窟_到5% ～16%左右，遇到火源將會發(fā)生瓦斯爆炸。通常瓦斯爆炸以爆燃為主，當瓦斯爆炸壓力達到限值會向爆轟轉(zhuǎn)化，并向四周產(chǎn)生沖擊波。當瓦斯?jié)舛冗_到9．5%時，瓦斯爆轟壓力可以達1 719 MPa，速率為1 804 m/s。由于井下作業(yè)環(huán)境空間狹小，爆炸易在巷道中形成高溫氣體灼傷影響范圍內(nèi)的人員皮膚、呼氣系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等，毀壞井下電氣設備并形成火源向其他區(qū)域蔓延。同時大范圍的瓦斯轟燃會大幅度降低井巷空氣氧氣含量，產(chǎn)生大量有毒氣體，造成人員窒息。爆炸沖擊波直接影響范圍內(nèi)的人體造成沖擊傷害，致人死亡，對井巷內(nèi)設備、支護、圍巖以及通風設施造成直接破壞。由于井下煤塵較多，極易產(chǎn)生二次煤塵爆炸。

1．2 瓦斯爆炸危險源識別

根據(jù)瓦斯爆炸機理，需要氧氣、燃燒物、火源三要素。換言之，發(fā)生瓦斯爆炸需要3個條件，一是井巷空氣中的氧氣濃度應能支持爆炸的氧化作用，井巷空氣中氧氣濃度與大氣氧濃度相同約為20%，而瓦斯爆炸的最低氧含量為12%;二是瓦斯?jié)舛刃枰_到爆炸范圍，產(chǎn)生爆炸需要的瓦斯體積百分數(shù)5% ～16%，完全爆炸濃度約為9．5%;三是引發(fā)爆炸的火源。燃燒、爆炸等劇烈化學反應需達到650°左右的溫度條件，通常瓦斯爆炸需有明火或電火花才能引燃。通過上述對瓦斯爆炸危險源辨識的分析，防止瓦斯爆炸主要從控制瓦斯聚集、杜絕火源兩方面展開工作。主要做法有恰當?shù)耐L，瓦斯抽采，電氣設備采用隔爆型或本質(zhì)安全型產(chǎn)品，采煤機、綜掘機割煤滾筒設置水噴霧頭防止工作時生產(chǎn)火花，嚴格制度杜絕抽煙等明火。

2 煤礦瓦斯爆炸事故樹分析

2．1 事故樹的建立

由于瓦斯爆炸事故是煤礦生產(chǎn)中的主要災害之一，同時該類事故的危險性十分嚴重，通過事故樹分析法對瓦斯爆炸事故進行分析，對防止瓦斯爆炸的事故發(fā)生有著十分重要的意義。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)與工廠等作業(yè)環(huán)境有著本質(zhì)區(qū)別，生產(chǎn)對象為非均質(zhì)性質(zhì)賦存的煤、巖層，隨井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境不斷變化，作業(yè)空間內(nèi)空氣流動狀態(tài)也呈現(xiàn)非均質(zhì)、非固態(tài)的狀態(tài)。瓦斯積聚、涌出以及井巷中瓦斯?jié)舛鹊淖兓簿哂信既恍浴㈦S機性，因此研究瓦斯爆炸的發(fā)生原因呈現(xiàn)出動態(tài)化、非線性、復雜性。根據(jù)以往事故經(jīng)驗表明，瓦斯爆炸事故的多發(fā)地點為采煤工作面、掘進工作面。通風系統(tǒng)狀態(tài)、通風機性能、風筒狀態(tài)等都會影響瓦斯?jié)舛茸兓⒎e聚。電氣設備漏電、電焊、爆破、煙頭、明火以及煤炭自燃等都會是形成瓦斯爆炸事故的火源。總結(jié)上述各類因素，構(gòu)建瓦斯爆炸事故樹如圖1所示。

2．2 事故樹定量分析

關于事故樹最小割集的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

整個事故樹共有最小割集180個:

因此可以看出導致瓦斯爆炸的各類事件的可能性組合較多。

關于事故樹最小徑集的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

該事故樹的最小徑集有4個:{X1};{X2，X3，…，X10};{X11，X12};{X13，X14，…，X22}，因此得出為避免瓦斯爆炸事故樹中事件發(fā)生各個因素的結(jié)構(gòu)重要度大小為:

瓦斯爆炸事故樹的最小割集為180組，說明能夠引發(fā)煤礦井下瓦斯爆炸的途徑存在180條。而最小徑集為阻止事故樹頂上事件最終發(fā)生的路徑，則存在4條路徑能夠阻止礦井瓦斯爆炸的發(fā)生:一是X1氧氣對頂上事件發(fā)生起關鍵作用，但是實際工作中氧氣不可調(diào)控，瓦斯爆炸多數(shù)發(fā)生在采煤工作面、掘進工作面，這類環(huán)境必須要充足的新鮮空氣，以保證作業(yè)人員的正常呼吸;二是X13、X14事件為主要的控制路徑，及時處置瓦斯含量超限，有效避免爆炸事故的發(fā)生;三是控制礦井生產(chǎn)中可能導致瓦斯超限和產(chǎn)生火源的各類因素，能夠徹底切斷瓦斯爆炸事故發(fā)生的各類可能性。

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故樹示意圖

3 瓦斯防治措施

3．1 通風管理

防止礦井瓦斯超限的最有效措施是井下通風，為此選擇合理的礦井通風系統(tǒng)，加強通風系統(tǒng)管理，保證井下通風連續(xù)、有效，并維持合理的風量和風速，使井下各處瓦斯含量低于《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的限值。嚴禁使用自然通風，礦井必須設計有獨立通風系統(tǒng)，避免獨眼井通風，避免生產(chǎn)中循環(huán)風、巷道串聯(lián)風;正確使用局部通風設施，確保局部風壓低于全風壓以避免循環(huán)風，局部風機應采用高效風機，并采用雙風機、雙電源，局部通風機中必須掛牌管理，專人持證管理;加強井下作業(yè)管理，局部通風機使用過程中，應確保工作面空氣質(zhì)量達標后人員方能進入;井巷貫通前應制定安全預防措施，防止誤聯(lián)通火區(qū)、老塘、采空區(qū)、廢棄井巷等處，防止瓦斯超限;工作面或井巷停止作業(yè)后應繼續(xù)通風。局部通風機非正常停止時，及時停工并撤出人員，長時間停工設置警示標志及柵欄，廢棄井巷、工作面及時做好密閉。

3．2 瓦斯超限管理

掌握各個作業(yè)地點瓦斯?jié)舛燃皶r采取措施避免瓦斯突出及瓦斯爆炸事故的基本舉措有:對井下作業(yè)過程中各工作地點設置瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)或瓦斯超限報警器，配備專業(yè)的瓦檢員，當作業(yè)過程中風機、電機、電氣設施20 m范圍的瓦斯?jié)舛瘸鱿拗?.5%后，及時停工，切斷電源，撤出人員，排查后采取措施。瓦檢員、監(jiān)控設備數(shù)量應嚴格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》第154條中的規(guī)定。當采取上述措施后，瓦斯?jié)舛热匀痪痈卟幌拢仨毑扇⊥咚钩椴杉夹g，增設瓦斯抽采系統(tǒng)。

3．3 火源管理

井下作業(yè)人員禁止攜帶引火物及穿著易引起靜電的服裝，井下禁止出現(xiàn)明火及明電照明。選用的通風及電氣設施應滿足井下防火、防爆要求，同時通風機設置應按照“三專兩閉鎖”設 計，電氣安裝或維修禁止帶電操作，并確保電線、電纜完好無破損，同時應確保局部風機、電氣開關處10 m范圍內(nèi)的瓦斯含量低于0．5%的限值。當工作面或其掘進巷道中內(nèi)部瓦斯?jié)舛瘸^1．0%時，應停止電鉆鉆孔、爆破等作業(yè)，并且井下爆破時應嚴格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”制度。

3．4 安全管理制度

必須具備完善的安全管理機構(gòu)，配備足夠的專業(yè)人員及設備，落實安全生產(chǎn)責任制，嚴格落實管理人員、職工的安全培訓制度，確保各項安全規(guī)則制度切實執(zhí)行，杜絕作業(yè)人員違章作業(yè)。具備完整的瓦斯爆炸災害救援機構(gòu)和預案，確保救護人員進行專業(yè)培訓，并配備專用設備。

4 結(jié)語

文中根據(jù)瓦斯爆炸發(fā)生的特點，應用事故樹分析法對可能導致瓦斯爆炸事故的各類原因進行分析，計算了不同因素對事故產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)重要度，并根據(jù)分析結(jié)果提出了針對性的預防措施和控制手段，為煤礦瓦斯防治工作提供了理論依據(jù)，具有一定的操作性。