基于數理統計的余吾煤礦瓦斯超限事故發生規律及對策研究

柴 沛，楊 明，2，3，毛俊睿，柳 磊

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454003；2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作454003；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作454003）

隨著我國瓦斯治理技術的不斷提高，瓦斯爆炸事故正在逐年減少，但瓦斯超限事故在井下作業過程中卻時有發生[1]。針對此問題，國家煤礦安監局也曾明確提出要加強瓦斯零超限目標管理。瓦斯超限事故是指在煤礦采掘工作面等作業地點的瓦斯濃度超過《煤礦安全規程》規定的濃度值[2]。當瓦斯超限事故發生后，如果不及時采取措施，就有可能誘發瓦斯積聚，造成瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等瓦斯事故[3]。因此針對瓦斯超限事故的問題應加以重視，從其事故發生規律入手，探尋瓦斯超限原因，制定相應措施，以達到減少事故發生的目的。近年來，國內學者通常采用數理統計的方法研究事故發生規律[4-9]；文獻［1，10－11］通過對瓦斯超限致因因素的研究，從多個方面建立了瓦斯超限預警指標體系，并利用不同的數學理論建立了基于多指標模式的瓦斯超限預測模型；任威[12]通過灰色關聯分析法篩選出了掘進工作面瓦斯超限預測的主要指標，并利用物元可拓集合理論建立了瓦斯超限危險性預測的物元可拓模型。綜上所述，現階段國內學者針對瓦斯超限事故已經進行了大量的深入研究并取得良好進展，為瓦斯超限事故治理提供了理論依據。基于此，結合前人的研究成果，以余吾煤礦2018 年1 月至2019 年8 月期間所發生的瓦斯超限（預警）事故為基礎，運用數理統計方法從事故發生班次、預警時長及最高濃度等方面對其進行數據分析，得出瓦斯超限事故發生規律及事故致因，并根據事故發生規律提出相應的對策，為解決井下瓦斯超限問題提供指導意見。

1 事故發生規律

1.1 事故發生班次

根據統計，余吾煤礦在此期間瓦斯超限（預警）事故共計發生50 起，其中2018 年28 起，2019 年22起。經調查可知，余吾煤礦采用“三八制”作業，因此可按照0 點班、8 點班、4 點班對事故進行分類，各班次事故發生率如圖1。

圖1 各班次事故發生率Fig.1 Rate of accidents for each shift

由圖1 可以看出，在1 d 的工作時間中，0 點班事故發生率最高，相較于事故發生率最低的4 點班高出12%。其原因是由于0 點班的工作時間是人體機能處于疲勞的時間階段，反應能力相較于白天較弱，工作效率相對較低。因此在針對班次進行防控時，應著重加強針對0 點班班次的超限隱患排查工作，從事故發生率最高的班次入手，達到降低事故發生的目的。

為進一步分析瓦斯超限事故的階段性特征，將1 d 的工作時段按每1 h 為時間間隔對事故進行統計，運用控制圖法[13]對期間發生的瓦斯超限（預警）事故做進一步分析。以瓦斯超限（預警）事故起數為考察指標，各控制線計算公式如下：

式中：CL、UCL、LCL 分別為中心控制線、控制上限、控制下限；xi為第i 個時間段內瓦斯超限（預警）事故起數；n 為統計時間段總數。

當瓦斯超限（預警）事故起數處于控制上、下限以內，則表明事故的發生仍處于可控范圍，一旦超過了控制上限，則表示超出了可控范圍，如果低于控制下限，則表示瓦斯超限（預警）事故的發生已經得到了有效控制。根據計算可以得出，瓦斯超限（預警）事故的中心控制線CL=2.17，控制上限UCL=5.11，控制下限LCL=-0.78（取LCL=0），瓦斯超限事故控制限圖如圖2。

圖2 瓦斯超限事故控制限圖Fig.2 Gas over-limit accident control chart

由圖2 可以看出，在1 d 工作時間內，瓦斯超限（預警）事故的發生都處于控制上、下限內，表明事故整體都處于可控范圍，但在0 點班內的01:00—02:00時間段和06:00—07:00 時間段內事故起數趨近于控制上限。

因此在針對0 點班制定瓦斯超限（預警）事故防控措施時，應著重加強這2 個時間段內的管控措施，對易發生預警的地點安排專人進行排查，發現超限隱患及時處理，避免其超過控制上限。

根據圖2 對每班次事故發生的階段性特征進行分析可以看出，在每班次開始時事故起數都有1 段上升趨勢，且在每班次的前2 h 內達到峰值，然后開始出現下降趨勢，呈現出開工時事故起數多的規律。這是因為在這2 h 內工作人員剛剛完成交接班工作，尚未進入工作狀態，安全防范意識松懈，同時上一班次作業中存在的瓦斯超限隱患未交接到位也是造成開工時事故起數多的問題之一。在工作人員逐漸進入工作狀態后，即每班次的第2～第4 h 內，事故發生率呈現出下降趨勢。在這一時間段內，工作人員身心完全沉入工作中，針對隱患問題能夠很快發現并解決，使得超限事故起數隨著時間的推移不斷下降。在經過4 h 的工作后，即每班次的第4～第6 h 內，工作人員的體力及精力已經有了很大的消耗，在進行設備操作及隱患排查工作中極易出現失誤，因此造成這一時間段內超限事故又有所上升。在每班次的最后2 h，即收工階段，此時段的工作人員逐漸退出工作狀態，對這一班次中造成的超限隱患進行排查，為交接班做準備，因此在這一時間段內事故起數又出現下降趨勢，呈現出收工時事故起數少的規律。

針對這一規律，應著重加強對工作人員的安全教育，提高其開工前的工作積極性；同時加大對每班次收工時的隱患排查力度，盡量減少隱患遺留問題；對井下工作人員的時間安排應盡量分配合理，避免出現長時間高體力消耗作業，使工人們能夠長期保持較好的精神狀態，減少操作失誤；同時對部分耗體力的工作應考慮增加作業人數，進行輪班工作。

1.2 事故發生地點

由于井下環境復雜，而且煤礦事故的發生具有典型的地點依賴特征[14]。因此不同地點發生超限事故的可能性也存在差異性。所以從余吾煤礦瓦斯超限（預警）事故的發生地點對事故發生規律進行統計分析。

據統計，在50 起瓦斯超限（預警）事故中，發生在掘進工作面內的共計44 起，其中發生在煤巷掘進40 起，巖巷掘進4 起，總占比88%；回采工作面內共計4 起，占比8%；回風大巷共計2 起，占比4%，說明瓦斯超限事故一般發生在掘進工作中，尤其是在運輸巷及回風巷等煤巷掘進中。

因此在制定井下瓦斯超限防治措施時應加強對掘進工作的監控管理。尤其是在煤巷掘進工作中，應嚴格控制割煤速度及割煤路線，時刻注意前方煤體情況，避免因割煤速度快引起片幫或高頂等意外發生，造成煤體垮落涌出大量瓦斯而引發瓦斯超限。

2 瓦斯超限（預警）時長

2.1 預警時長及最高預警濃度耦合

根據井下實際情況，傳感器預警時長與最高預警濃度兩者之間有很強的關聯性，因此將瓦斯超限（預警） 事故按照預警時長分為小于5 min、5～30 min、大于30 min 3 類，按照預警最高濃度分為小于1%、1%～3%、大于3% 3 類，預警時長與預警最高濃度耦合分析如圖3。

圖3 預警時長與預警最高濃度耦合分析Fig.3 Coupling analysis of warning duration and warning maximum concentration

由圖3 可知，傳感器預警時長與預警最高濃度之間存在很明顯的耦合特征。38 起瓦斯超限事故發生時長在5 min 之內，37 起事故發生時預警最高濃度在1%以下，29 起瓦斯超限事故發生時間都在5 min 之內，且預警最高濃度都在1%以下。因此針對此類短時長、低預警濃度瓦斯超限（預警）事故應制定相應的應急處置措施，使傳感器一旦發生預警，能夠快速的降低瓦斯濃度值至標準值以下。結合井下實際情況，可對巷道內負壓通風管道進行改造，當預警發生后，快速打開負壓通風管道使其成為臨時抽出式通風，以達到降低巷道內瓦斯濃度的目的。

2.2 長時間預警事故致因

瓦斯超限是造成瓦斯積聚的主要因素之一，當巷道內瓦斯濃度長時間處于超限狀態，就有可能造成瓦斯積聚引起瓦斯爆炸事故，因此針對長時間預警事故也應制定相應防控措施，防止其不斷積聚。

長時間預警事故匯總及原因分析見表1。根據統計，長時間預警事故共計發生5 次，可以看出：在這5 次事故中，其中有3 次是由事故發生時工作面配風量不足，無法達到瓦斯稀釋的要求引起瓦斯超限。因此在制定長時間預警事故預防措施時應著重針對工作面配風量不足制定相關措施。如在進行風筒更換作業時提前對巷道內瓦斯濃度進行預測，并在更換完畢后對接口部分進行檢查，避免漏風情況的發生；盡量避免長時間作業，縮短工作面無風時間；明確調節風窗開閉狀態，在進行調整時應提前向調度室報告；針對風量較低的巷道，應加強對瓦斯濃度及風量的監控，發現問題及時向調度室報告。

表1 長時間預警事故匯總及原因分析Table 1 Summary and cause analysis of long - time warning accidents

3 瓦斯超限事故致因類型

根據對事故發生規律的研究分析，在瓦斯超限（預警）事故致因中涉及到多種不同的作業類型，其大致可分為瓦斯管路延伸、風筒接換作業、割煤作業、鉆孔作業、傳感器安裝位置、調節風窗開關狀態6 大類。同時在一起超限事故中有可能會涉及到2種及2 種以上的作業類型，因此可以根據不同作業類型對事故致因進行分類，不同類型事故起數如圖4。

圖4 不同類型事故起數Fig.4 Number of accidents for different types

由圖4 可以看出，在余吾煤礦發生的瓦斯超限（預警）事故中，大多數事故集中在割煤作業、風筒接換作業和鉆孔作業3 種作業類型，其中又以割煤作業導致的瓦斯超限事故起數最多，共計23 起，占比39.66%。而其他3 種類型的超限事故起數較少，在這3 種作業類型中，事故起數最多的為瓦斯管路延伸作業，共計發生5 起，占比8.62%。因此本節主要從割煤作業、風筒接換作業和鉆孔作業3 種作業類型入手，對事故發生原因進行歸類分析，從不同方面探尋事故發生原因，達到減少事故發生的目的。

根據圖4，分別對風筒接換作業、割煤作業、鉆孔作業3 種作業類型的超限致因進行統計研究。其中風筒接換作業中大致可分為3 種致因類型，違章作業、人為因素和環境因素。其中違規作業包括在作業過程中未正確進行反壓邊、風筒未提前懸掛等操作造成漏風、風筒折彎等現象引起供風量不足。根據統計分析，由違規作業引起的瓦斯超限（預警）事故最多，共計6 起，占風筒作業類型事故數的66.67%，占總事故數的10.34%，由人為因素引起的事故2起，占比22.21%，由管理因素引起的事故共1 起，占比11.12%。

在割煤作業中可分為割煤速度快、割煤路線錯誤以及進刀方式不適3 種類型，這3 種類型都有可能造成煤體垮落使大量瓦斯涌出造成瓦斯超限，其中又以割煤速度過快引起的瓦斯超限（預警）事故最多，共18 起，占割煤作業類型事故數的78.26%，占總事故數的31.03%；由未調整割煤路線引起的事故共2 起，占比17.39%；由進刀方式不適引起的事故共3 起，占比21.74%。

在鉆孔作業中可分為鉆孔位置不適、退鉆過程以及瓦斯噴孔3 種類型，鉆空位置不適主要包括鉆孔布置不均勻以及鉆孔有效控制距離不足等；退鉆過程主要包括強制退鉆、停鉆時間過長以及未開啟防噴孔裝置等；瓦斯噴孔主要包括未及時增加卸壓孔以及防噴孔裝置失效等。根據統計，在鉆孔作業類型中，由鉆孔位置不當引起的瓦斯超限（預警）事故最多，共8 起，占鉆孔作業類型事故數的50%，占總事故數的13.79%，由退鉆過程失誤引起的超限事故共5 起，占比31.25%，占總事故數的8.62%。

根據以上分析，在預防井下瓦斯超限事故時，應著重針對割煤作業進行防治，嚴格規范作業方式，加強對操作人員的實操培訓，避免出現由于割煤速度過快引起片幫等意外情況，造成瓦斯異常涌出引起瓦斯超限；在進行風筒作業時應制定嚴格的規章制度并保證井下工作人員能夠嚴格執行，在安裝風筒時進行反壓邊等一系列防止風筒漏風的安全措施，同時還要保證作業時間不能過長，避免工作面長時間無風；在進行鉆孔布置時，應保證其有效控制距離足夠且布置均勻，避免出現鉆孔堵死的現象發生，在退鉆過程中要開啟防噴孔裝置并避免長時間停鉆。

4 結 論

1）通過對事故發生班次分析得出0 點班事故發生率最高，同時在0 點班中又以01:00—02:00 時間段和06:00—07:00 時間段事故發生率最高，但事故整體處于可控范圍內。

2）通過對事故發生地點分析可以得出瓦斯超限事故主要發生在掘進過程中，其中煤巷掘進事故發生率明顯高于巖巷掘進。

3）通過對傳感器預警時長與最高預警濃度的耦合分析可以得出大多數瓦斯超限事故都以預警時長短、預警濃度低為主，可以通過制定相應的應急處置措施對此類事故進行控制。而針對長時間預警事故則應注意工作面供風量的問題。

4）造成瓦斯超限（預警）事故發生的致因類型主要有風筒接換作業、鉆孔作業、割煤作業、瓦斯管路延伸、傳感器安裝位置以及調節風窗開關狀態6 大類，而事故發生主要集中在風筒作業、割煤作業以及鉆孔作業3 種類型。