基于事故樹分析的實驗室巖石單軸抗壓試驗危險性研究

李崗偉 成云海

（安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南232001）

高校實驗室是學校師生進行科研的主要陣地，也是培育科研人才的重要場所，保證實驗室的安全，就是保證學校實驗人員的科研成果。近年來，高校實驗室事故頻發，嚴重威脅著實驗人員的人身安全[1-3]。2015 年4 月5 日，中國礦業大學化工學院一實驗室發生爆炸事故，該事故造成5 人受傷，其中1 人經搶救無效后死亡；2015 年6 月17 日，位于江蘇的蘇州大學物理樓二樓實驗室人員在處理鋰塊時突發爆炸事故，蘇州消防緊急調集7 輛消防車參與救援，無人員受傷但造成實驗成果及經濟損失；2018 年12 月26 日，北京交通大學市政與環境工程學院實驗室發生爆炸燃燒，事故造成3 人死亡......以上事件說明高校實驗室的安全問題應當引起各學校的高度重視[4]。本文采用事故樹分析方法對實驗室巖石抗壓試驗事故進行研究，找出導致事故發生的直接原因，并給出相應的防護措施。

1 影響巖石單軸抗壓試驗安全因素

在整個巖石抗壓試驗過程中，能夠導致事故發生的原因主要有以下兩個方面：

1.1 人員因素。這里的人員包括實驗室管理人員、進行實驗的老師和學生以及其他工作人員。實驗室的所有人員未進行安全教育培訓、學習安全知識，未能嚴格遵守規章制度，安全意識沒有達到一定的高度，存在僥幸、輕視心理；進行實驗的人員未進行設備操作培訓，未按照操作規程規范地進行實驗，無安全意識，沒有對自身采取良好的保護措施。

1.2 設備因素。實驗室的設備在做完試驗后未及時進行檢修、維護工作，導致設備出現故障，存在安全隱患；設備本身的防護設施損壞或者無防護措施，做巖石抗壓試驗時，巖石內部積聚了大量彈性能，在巖石壓裂的同時，所積聚的能量瞬間釋放，產生許多帶有動能的飛散物，此種情況下，飛散物會對實驗人員以及實驗室的其他設備造成一定程度的損害，以致產生連鎖事故反應，造成實驗室事故。圖1 為巖石單軸抗壓試驗儀器。

圖1 單軸抗壓試驗儀器

2 實驗室災害事故樹的構建及分析

事故樹分析法(Fault Tree Analysis，FTA)，是一種從結果到原因描繪事故的演繹分析方法。它是從要分析的已發生事故或系統可能發生的事故開始（即頂上事件），反向找出導致頂上事件發生的所有可能原因，即中間事件，然后再分析導致每個中間事件發生的所有可能原因，逐層向下分析，直至找出事故發生的基本原因（即基本事件）為止，使用樹狀分層結構描述頂上事件與基本事件之間的邏輯關系。事故樹分析從結果出發，自上而下，分析導致事故發生的各種原因，對系統內各種危險因素進行分類辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深層次地分析事故的根本原因。事故樹能直觀地展示出各種因果關系，簡單明了，既可定性分析，又能進行定量分析[5-7]。

2.1 構建事故樹。根據事故樹分析方法，找出導致頂上事件發生的直接事件，經過層層分析，最終找出導致事故發生的直接原因或者根本原因[8-10]，按照事故樹編制方法，編制事故樹。編制的事故樹如圖2 所示，具體事件符號如表1。

圖2 實驗室災害事故樹

2.2 事故樹定性分析。2.2.1 最小割集。最小割集是能引起事故或系統可能的事故（即頂上事件）發生所必須的最低數量的基本事件的集合，它表示系統的危險性，最小割集越多，說明導致事故發生的可能就越多，系統就越危險[11]。根據得到的最小割集，能明確導致事故發生的各種可能原因，進一步了解系統本身所具有的危險傾向。本系統中利用布爾代數化簡法求取最小割集：

T=X1+X2+M1+M2=X1+X2+M3+M4+M5·M6=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10X12+X10X13+X10X14+X11X12+X11X13+X11X14

最小割集分別為 {X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10，X12}、{X10，X13}、{X10，X14}、{X11，X12}、{X11，X13}、{X11，X14}，共15 個，說明此系統中14 個基本事件，能夠導致事故發生的途徑有15 個。2.2.2 最小徑集。最小徑集是指事故或系統可能的事故（即頂上事件）不發生所必須的最低數量的基本事件的集合，它表示系統的安全性，最小徑集越多，表示系統就越安全。最小徑集是由事故樹的對偶樹即成功樹求得，計算出成功樹的最小割集即事故樹的最小徑集[12-14]。求得最小徑集有2 個，分別為{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11}、{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X12，X13，X14}。2.2.3 結構重要度。結構重要度分析是一種從事故樹結構上著手分析各個基本事件重要程度的一種方法，結構重要度分析一般可以采用兩種方法：一種是利用各基本事件發生的概率精確求出結構重要度系數，另一種是用求取的最小割集或最小徑集排出結構重要度順序，是近似的判斷方法[15]。利用最小割集計算結構重要度系數計算公式[16]：

表1 事故樹事件符號及代表事件

式中：為結構重要度系數；k 為最小割集總數；kj為第j 個最小割集；nj為第kj個最小割集的基本事件數。根據公式計算結構重要度系數得：

Iφ(14)=Iφ(13)=Iφ(12)=Iφ(9)=Iφ(8)=Iφ(7)=Iφ(6)=Iφ(5)=Iφ(4)=Iφ(3)=Iφ(2)=Iφ(1)=1/15

Iφ(11)=Iφ(10)=1/10

對結構重要度系數進行排序有：

Iφ(11)=Iφ(10)＞Iφ(14)=Iφ(13)=Iφ(12)=Iφ(9)=Iφ(8)=Iφ(7)=Iφ(6)=Iφ(5)=Iφ(4)=Iφ(3)=Iφ(2)=Iφ(1)，所對應基本事件的重要程度依次降低。

3 結果分析及改進措施

通過事故樹模型可以直觀地看出導致實驗室單軸抗壓試驗事故發生的各種原因，能從根源入手防止事故的發生。從事故樹結構來看，導致事故發生的原因有14 個，或門較多，多種因素交叉影響；從求取的最小割集、最小徑集來看，事故發生的途徑有15 個，預防措施有2 個，可見實驗室發生事故的風險很大；從結構重要度來看，防護設施對事故的影響較大，防護設施的有無、是否損壞直接關系到實驗人員的人身安全。

通過對事故的定性分析，明確了導致事故發生各因素之間的聯系，據此及有關規定，提出以下兩點改進措施：

3.1 建立完善的管理制度。定期對實驗室的管理人員進行安全教育培訓，增強人員的安全意識；對申請使用實驗室的人員實行監督制度；實驗前裝備個人防護設施，與實驗區域留出一定的安全距離，避免巖石飛散物傷害到人員，實驗完成后，管理人員對實驗設備進行檢查；無人員使用實驗設備時，對其進行維護及檢修，保證設備處于安全狀態。

3.2 加強設備的防護。實驗室設備的防護設施要及時進行檢查，對無防護設施的設備進行加裝防護措施，避免巖石飛散物損壞其他設備，引起連帶事故反應，造成更加嚴重的事故災害；實驗室內每套實驗設備之間預留一定的安全距離。

4 結論

4.1 本文采用事故樹分析方法，對實驗室巖石單軸抗壓事故進行了詳細分析，構建出巖石單軸抗壓事故樹，闡明了導致事故發生的基本原因。

4.2 人為因素對事故有較大影響，加大對管理及實驗人員的安全教育、操作培訓力度，使人員熟悉相關操作規范制度。

4.3 在求解事故樹的結構重要度時利用公式（1）進行計算，得出導致實驗室單軸抗壓試驗事故發生的主要因素是防護設施的有無，并根據定性分析結果及有關規定提出相應的改進措施。整個事件預防途徑少，應在設備防護方面加強管理。