基于故障樹評價法分析風阻變化問題

王立陽

（遼寧智誠中安安全技術服務有限公司，遼寧 沈陽 110000）

我國是以礦產資源作為國民經濟的基礎產業，雖然隨著生產力水平的大幅度提高，并初步健全了相對較完善的技術保障體系，但是由于我國礦產資源賦予地質條件復雜多樣的特點，且以井工礦為主，受頂板、瓦斯、水、火、粉塵等危害仍舊嚴重[1]。通風系統是決定煤礦生產能力的重要指標，也就是“以風定產”。為了保障煤礦正常運行過程中通風穩定或者出現后能盡快解決這一問題，運用故障樹分析評價法有針對性地找出礦井運行過程中的薄弱環節，并加以監控和改進。關于礦井通風問題，國內學者已經做了大量研究，并有了一套相對較完善的通風體系。倪景峰等[2]為了解決人工繪制礦井通風網絡圖與壓能圖工作量繁重的問題，基于礦井通風網絡圖與礦井通風壓能圖的特點與作用，采用層次分析法實現礦井通風網絡壓能圖的自動繪制提供了技術支持。李宗翔等[3]通過簡單通風管網系統突出動力實驗，研究了在瓦斯突出源流動力與風機通風共同作用下礦井風流的非穩態運動特征，瓦斯突出源壓力是導致風流發生變化的主要因素。趙丹等[4]建立了礦井通風系統故障樹，并設計面向故障樹的基于框架與規則的混合知識表示方法，利用框架中診斷規則的推理確定故障傳播關系，找到故障源。多依麗等[5]應用失效模式和效果分析及事故樹分析法來對礦井通風系統的可靠性進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“礦井通風系統故障”為頂事件，算得其發生可能性為0.005～0.023，應立即對通風網絡進行改進，選用相對合理的網絡單元，防止并、串和角聯風流紊亂現象等。王大偉[7]結合具體工程實際，在分析煤礦井下作業面瓦斯災害的基礎上，從作業面瓦斯治理方式、通風系統優化和采空區瓦斯抽采設計三方面對作業面瓦斯治理開展分析探究。

基于以上研究成果，以故障樹分析法給出具體煤礦工程中存在的通風阻力變化所導致通風系統不穩定問題的定性分析結果，并為其實踐操作提供指導意見。

1 故障樹分析原理

2009年我國出臺了《故障樹名詞術語和符號》這一標準[8]，因此可以按照統一標準來建立并分析事故樹。故障樹分析過程[9]可以按照一定程序執行，從確定系統開始，為了能夠準確分析系統對象，分析導致事故發生的根本原因，理清各個事件之間的關系，要求在確認系統后能夠深入理解系統，大量收集企業及相關企業的事故資料或相關資料，為后續分析做好充分準備。以事故為頂事件，即以結果為導火索，通過相關事件間的邏輯關系逐層究其發生原因，總結所設計事件并用邏輯將其連接起來繪制形成故障樹。根據工作需要，接下來進行定性定量分析，首先第一步要將復雜的樹圖利用布爾代數運算理清其間結構，形成最簡結構函數形式，從而獲得最小割（徑）集。如果只是利用該方法探析事故傾向性，可以直接進行定性評價大致分析即可，如果需要嚴格的數據支撐，則需進行有客觀事實為依據的統計概率完成定量分析，主要包括頂事件發生概率、概率重要度和臨界重要度分析。

以上分析并不是一蹴而就，而是一個PDCA的閉環循環系統，將結果進行總結和應用，根據分析計算結果制定出相應的安全措施，優化系統，形成反饋修正、持續改進的良性循環模式，為系統安全性提升提供一定理論和技術支持。

1.1 頂事件發生概率

頂事件發生概率可以通過狀態枚舉法統計而得，也可以通過容斥法（最小割、徑集和近似算法）以及化相交集為不交集計算而得。對于相對簡單的事故樹，容斥法應用相對較廣。其中最小割集法計算公式[10]為：

式中：r、s、t——最小割集的序號，r＜s＜t；

i——基本事件的序號，Xi∈Er；

k——最小割集數；

1≤r＜s≤k-k個最小割集中第r、s個最小割集的組合順序；

Xi∈Er-屬于第r個最小割集的第i個基本事件；

Xi∈Er∪Es-屬于第r個或第s個最小割集的第i個基本事件。

1.2 定性分析

故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）是集定性定量分析為一體的綜合評價方法，其中結構重要度分析是屬于定性分析部分，其僅考慮對頂事件有影響的情況，即FTA中任一基本事件Xj不發生狀態改變，其余基本事件的保持狀態不變，頂事件狀態隨之而改變。因此，為了判定基本事件對頂事件的影響，可以利用基本事件結構重要度系數[11]判斷結構重要度順序。

1.2.1 基本事件的結構重要度系數

式中：n——事故樹中基本事件的個數；

2n-1——基本事件Xi（i≠j）狀態組合數；

p——基本事件的狀態組合序號；

Xjp——2n-1狀態組合中第p個狀態；

0i——基本事件不發生的狀態值；

1i——基本事件發生的狀態值。

1.2.2 基本事件的割集重要度系數

為了簡化計算，可以利用單事件最小割（徑）集結構重要度最大、僅同一最小割（徑）集中的所有事件結構重要度相等的原則，判斷簡單情況，如果最小割（徑）集和事件較多，可以利用公式：

式中：I（i）——基本事件Xi結構重要度系數的近似判別值；

ni——基本事件Xi所屬最小割（徑）集包含的基本事件數。

計算所得近似判別值進行比較分析。上述幾種方法中可根據具體情況進行選擇，進而完成定性分析，為事故預防指引研究方向。為了準確研判事故發生，可以進一步進行定量分析。具體分析過程應以實際需求為導向，避免不必要的人力物力等資源浪費。

2 基于FTA通風巷道風阻變化原因分析

故障樹分析是通過結果探究事故發生的原因的邏輯推理方法，對于事故的預測預防的定性定量分析有實際意義。通過圖形的層層深入分析，利用“與”“或”“非”等邏輯門將頂事件（事故）、中間事件和基本原因事件等組合形成了故障樹。

通過大量調查某井工礦地質條件和特點，充分、深入地了解該礦通風系統，究其事故原因，并依據事故樹建立程序、原則以及各種術語和符號，建立如圖1所示的事故樹。導致巷道風阻發生變化的主要原因根據相關統計資料可以總結為巷道積水、巷道突然冒高或突然坍塌、巷道變形等幾種情況。根據現場資料現實，進一步分析導致巷道發生變化的各個基本原因事件，主要包括了X1到X11事件。因此通風巷道風阻變化主要有圖1所示的11個有邏輯關系的最基本事件所影響。

圖1 某礦通風巷道風阻變化事故樹

根據邏輯門之間的關系，可以看出各原因事件對于頂事件的影響，其中5、6、7、8基本事件出現次數最多，重要性相對最大，其次1、2、3、4、9、10、11基本事件次之，因此該礦應將防護重點放在5、6、7、8事件的監測和預防上，其次是注意其他基本事件的防護。

針對地壓活動和地震等自然因素事件，可以通過大量數據進行監測，在記錄推算合理的情況下，盡可能減少有該類活動時的生產運作，堅持以人為本，從而盡最大力量保證工作人員的生命財產安全。針對可以通過人為控制的原因事件，如巷道堵塞、涌水量大、排水不合理等原因事件，應盡量減少巷道積水的情況，從而保證通風巷道風阻穩定不變的狀態。同時要保證支護合理、適當減少支護以及通過不同爆破手段減少爆破震動，從而減少巷道突然高冒或突然崩塌或巷道變形等問題，同樣可以保證通風巷道不會因為這些因素而導致風阻變化，進而保證通風網絡的穩定和生產的安全進行。

3 結論

為了確定通風巷道中的風阻變化產生的原因，防止該事件進一步成為礦井事故，引起不必要的人員傷亡和財產損失，故根據大量統計資料和一線作業經驗，認為導致風阻發生變化的主要原因主要有巷道積水、巷道突然冒高或突然坍塌、巷道變形等情況。進一步分析導致巷道發生變化的各個基本原因事件，主要包括了X1到X11事件。為了防止巷道風阻變化而引起事故的發生，利用故障樹定性分析，即結構重要度分析結果表明事件5、6、7、8應該放在首要控制，同時該井工礦應針對上述原因事件的可控與不可控操作，加強監管力度，落實相關政策制度，加大人力、物力的投入，以最安全、最合理的方式進行勞作，從而保證通風阻力的穩定，進一步保證通風系統的穩定以及生產的安全進行。

為了提升系統安全性，需要做好充分事前預防、過程控制和早期應急，其中最重要的是事故管理前移，積極響應國家號召，即根據2021年新《安全生產法》的第二十一條第五款關于企業主要負責人的工作要求，在企業管理過程中做好風險分級管控和隱患排查治理工作，對本企業的固有風險進行評估，確定風險等級、風險責任人等，并采取相應管控措施，最終評估形成殘余風險統計表，對于目前技術不能解決的問題或者技術提升成本過高的情況，應采取博德的事故因果連鎖理論[12]，在該理論指導下通過企業安全管理進一步提升系統安全性。管理過程中要做好隱患排查治理工作，及時排除事故隱患，保證系統能夠安全運行。