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瓦斯爆炸事故樹分析

文檔作者：張金山王付強(qiáng) 程志明萬首強(qiáng) 文檔來源：內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月12日
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總第149期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2012．01．020
瓦斯爆炸事故樹分析
張金山，王付強(qiáng)，程志明，萬首強(qiáng)
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)
摘要：在對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行仔細(xì)分析的前提下，借助事故樹(FTA)分析法，繪制了礦井瓦斯爆炸事故
樹，利用布爾代數(shù)化簡法將事故樹進(jìn)行化簡，求出最小割集及最小徑集。對(duì)最小割集與最小徑集給以結(jié)構(gòu)
重要度分析，從而得出導(dǎo)致瓦斯爆炸的原因，給煤礦瓦斯爆炸防治工作提供借鑒。
關(guān)鍵詞：瓦斯；事故樹；最小割集；最小徑集
中圖分類號(hào)：TD712 ．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005．2798(2012)01-0053—03
1 瓦斯爆炸危害與事故樹建立
隨著煤礦開采深度的進(jìn)一步加深，瓦斯涌出量
急劇增加，瓦斯爆炸災(zāi)害的威脅也日益嚴(yán)重。我國
煤礦所發(fā)生的特大事故大多屬于瓦斯爆炸事故，要
防治瓦斯爆炸事故，首先要掌握導(dǎo)致瓦斯爆炸事故
的原因H J。瓦斯爆炸是煤礦中危害最為嚴(yán)重的事
故，瓦斯爆炸過程中會(huì)產(chǎn)生高溫高壓，使得爆炸源附
近的氣體及煤渣以極快的速度向外界沖擊，而且煤
礦瓦斯爆炸具有瞬間性，這就使得礦井無法組織工
作人員及時(shí)撤離爆炸地點(diǎn)，因此瓦斯爆炸極有可能
造成人員傷亡及破壞巷道和器材等設(shè)施。另外，爆
炸后生成大量的有害氣體，造成人員中毒死亡。
瓦斯爆炸對(duì)于礦工的生命安全以及煤礦的可持
續(xù)發(fā)展構(gòu)成很大的威脅。雖然全國在瓦斯爆炸分析
方面取得了很大進(jìn)展，但傳統(tǒng)的分析方法只注重局
部原因的分析，而忽略了從全局對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)
行研究。因此借用安全系統(tǒng)工程中事故樹分析法，
對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行系統(tǒng)性分析，將是最好的選擇。
本文試圖以“事故樹”法對(duì)礦井瓦斯爆炸事故進(jìn)行
系統(tǒng)全面的分析，以達(dá)到預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生
的目的。
2 事故樹分析法
事故樹分析法(Fault Tree Analysis，簡稱n’A)
是安全系統(tǒng)中常用的一種分析方法，是一種演繹推
理方法，這種方法把系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)
致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系用一種稱為
事故樹的樹形表示，通過對(duì)事故樹的定性與定量分
析，找出事故發(fā)生的主要原因，為確定安全對(duì)策提供
可靠依據(jù)，以達(dá)到預(yù)測與預(yù)防事故發(fā)生的目的 ]。
FTA法既可以用來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，
即應(yīng)用數(shù)理邏輯找到事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)；也可以用
來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析，即確定頂事件發(fā)生的
概率和底事件的結(jié)構(gòu)重要度 3 J。本文借助事故樹
理論對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行分析研究，并繪出事故樹
圖，可以使我們看出事件的起因，并經(jīng)過自己的分
析，起到對(duì)瓦斯爆炸事故的預(yù)防與控制作用。
2．1 事故樹建立步驟
1) 確定事故樹頂事件 J。通過對(duì)多個(gè)煤礦
長時(shí)間的考察，結(jié)合煤礦事故的記載和搜集到的煤
礦事故資料，進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，最終確定瓦斯
爆炸為本文事故樹頂上事件。
2) 分析瓦斯爆炸事件。瓦斯爆炸事件是在
瓦斯超標(biāo)和存在一定氧氣的條件下，同時(shí)遇見了高
溫火源而發(fā)生的。對(duì)導(dǎo)致瓦斯爆炸的原因及后果進(jìn)
行全面系統(tǒng)的分析，形成一連串因果鏈。
3) 分析輸入事件。輸入事件有時(shí)存在下一
級(jí)輸入事件，因此對(duì)能夠繼續(xù)分解的輸人事件要進(jìn)
行細(xì)致分析。
4) 對(duì)瓦斯爆炸事件“建樹”。當(dāng)瓦斯爆炸事
故中的輸入事件不能繼續(xù)向下分解時(shí)，將頂上事件
和輸人事件放置在固定位置，我們將得到一顆因果
倒置的瓦斯爆炸事故樹。如圖1所示。事故樹基本
事件代碼如表1。
3 事故樹的定性與定量分析
導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割
集。在事故樹中的割集的個(gè)數(shù)一般不止一個(gè)，在這
些割集中，最小割集為不包含其它割集的集合。最
小割集的完整集合則代表了給定系統(tǒng)的全部故障。
它的意義在于為我們提供了事故發(fā)生的主要原因，
收稿日期：2011—10-08
作者簡介：張金山(1959一)，男，內(nèi)蒙古包頭人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，從事煤礦安全的教學(xué)與研究工作。
53
張金山等：瓦斯爆炸事故樹分析 第21卷第1期
幫助我們進(jìn)行及時(shí)有效的改正。
圖1 瓦斯爆炸事故樹
表1 圖1中變量事件定義
代碼 事件 代碼 事件
l 抽放管泄露 -。 傳感器故障
2 抽放泵停止工作 l2 巷道漏風(fēng)
沒發(fā)覺 13 風(fēng)機(jī)功率太低
以 開采規(guī)模過大 14 風(fēng)機(jī)罩堵垢
生產(chǎn)工藝不當(dāng) l5 風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障
煤層和圍巖瓦斯含量大 t6 調(diào)控格局存在問題
7 地面大氣壓驟變 17 進(jìn)風(fēng)井設(shè)計(jì)缺陷
凰 停電 8 回風(fēng)井設(shè)計(jì)缺陷
X9 LED發(fā)光二極管故障 l9 高溫火源
X 0 蜂鳴報(bào)警器故障
目前，最小割集的求解方法有多種，“布爾代數(shù)
法”是求解最小割集應(yīng)用較為普遍和有效的一種。
本文的瓦斯爆炸事故樹就可以用布爾代數(shù)來描述。
用布爾代數(shù)化簡得出的最簡析出標(biāo)準(zhǔn)式中由最小項(xiàng)
所屬單元構(gòu)成的集合，稱為最小割集。其最簡析取
標(biāo)準(zhǔn)式中每個(gè)最小項(xiàng)所屬單元構(gòu)成的集合，若最簡
析取標(biāo)準(zhǔn)式中含有irn個(gè)最小項(xiàng)，則該事故樹有m個(gè)
最小割集。
根據(jù)布爾代數(shù)的性質(zhì)，可把任何布爾代數(shù)化為
析取和合取兩種標(biāo)準(zhǔn)形式。析取標(biāo)準(zhǔn)形式為：
R
= Al+A2+? +A =z
．
a
合取標(biāo)準(zhǔn)形式：
n
= B1·B2?B =兀B
可以證明 和日 分別是事故樹的割集和徑
集。如果定義析取標(biāo)準(zhǔn)式的布爾項(xiàng)之和Ai中各項(xiàng)
之間不存在包含關(guān)系，即其中任意一項(xiàng)基本事件布
爾積不被其他基本事件布爾積所包含，則該析取標(biāo)
準(zhǔn)式為最簡析取標(biāo)準(zhǔn)式，那么 為結(jié)構(gòu)函數(shù)／的最
小割集。同理，利用最簡析取標(biāo)準(zhǔn)式可求取事故樹
最小徑集。
根據(jù)最小割集和最小徑集的定義求得，此事故
54
樹的17個(gè)最小割集是：
K1={ ， 。 }； ={ ， }；
K3={ 3， 19}； ={ ， l9}；
= { ， 19}； ={ 6， 9}；
： { ， 19}；K8={ 8， 19}；
= { ， 1o， 19}；K1o={ 11， 19}；
K11={ 12， l9}；K12={ 13， 19}；
K13={ 14， 19}；K14：{ l5， 19}；
K15：{ 16， 19}；Kl6={X17，X19}；
K17={ 18， 19}；
17個(gè)最小割集表達(dá)了造成瓦斯爆炸的17種模
式。
事故樹的3個(gè)最小徑集是：
P。={ ， ， ， ， ， ， ， 。， ， ．．， 2， 3，
l4 ， 15 ， 16 ， 17， l8}；P2={ 1， ， 3，墨， ，瓦，
蜀， ， 10， 11， 12， 13， 14， 15， 16， 17， 18}；P3=
{ q}。
4 結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算和排序
不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度，假設(shè)各基
本事件的發(fā)生概率相等，僅從事故樹的結(jié)構(gòu)上研究
各基本事件對(duì)頂上事件的影響程度，稱為結(jié)構(gòu)重要
度 。
根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度的定義：
1 2n一1
( )=壽 [ (1i, )一o(oi， )]
求得各底事件的結(jié)構(gòu)重要度，如表2所示。
表2 各底事件的結(jié)構(gòu)重要度
，(x1)=o．035 714 285 714 l(Xl1)=o．035 714 285 714
，(x2)=0．035 714 285 714 ，(Xl2)=0．035 714 285 714
，( )=O．035 714 285 714 ，(X】3)=O．035 714 285 714
，(丘)=0．035 714 285 714 ，(X14)=O．035 714 285 714
，(X5)=0．035 714 285 714 l(Xl5)=0．035 714 285 714
，(瓦)=0．035 714 285 714 ，(Xl6)=0．035 714 285 714
，(X7)=O．035 714 285 714 ，(X17)=O．035 714 285 714
，(X8)=0．035 714 285 714 ，(Xl8)=0．035 714 285 714
，( )：O．014 368 755 217 t(XI9)：O．5
，(X10)=0．014 368 755 217
由此我們得出底事件的結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?
l(X。 )>l(X )=，(X2)=，( )=，( )：，(X )=
，(瓦)=，(X7)=，(瓦)=，( 。。)=，( 。 )：，( )
= ，(X。4)=，(X15)=，(X。6)=，( 。 )=，( 8)>
，(X9)=I(X。。)
5 結(jié)語
1) 從本文事故樹，我們可以清晰地看到，頂
上事件的發(fā)生取決于輸入事件。輸人事件中又同時(shí)
存在有“與門”和“或門”之分?；蜷T事件中只要有
張金山等：瓦斯爆炸事故樹分析 第21卷第1期
一個(gè)事件發(fā)生則導(dǎo)致上級(jí)事件的發(fā)生，與門事件則
是在所有事件同時(shí)發(fā)生的情況下才導(dǎo)致上級(jí)事件的
發(fā)生。而本文中或門事件的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)高于與門事件的
個(gè)數(shù)，使得事故的發(fā)生概率明顯提高。
2) 本文得出了17種導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生
的最小割集。由此我們得知，只要嚴(yán)格控制這17種
途徑，就能避免此類事故的發(fā)生。同時(shí)在求得的17
種最小割集中，“高溫火源”事件都有存在。“高溫
火源”事件，將是防治瓦斯爆炸事故中重點(diǎn)防控事
件。只要控制好“高溫火源”這一事件，防治工作將
事半功倍。
3) 從最小徑集來分析，事故樹的最小徑集個(gè)
數(shù)為3。而事故樹的最小割集的個(gè)數(shù)則高達(dá)17個(gè)。
兩者相比最小徑集明顯偏低。但從最小徑集來分析
整個(gè)事故樹卻更為簡單。最小徑集不發(fā)生則頂上事
件不發(fā)生，由此我們只要控制住P 、P 或P，就可以
防止事故的發(fā)生，使得工作量大大降低。
格形式表現(xiàn)出來，且每個(gè)事件都有在事故中對(duì)應(yīng)的
結(jié)構(gòu)重要度。且將每個(gè)事件按結(jié)構(gòu)重要度的高低排
列了順序。列如，，(置。)=0．5則排在最前面，而
，(蜀)= (X1o)=0．014 368 755 217則排在最后。
結(jié)構(gòu)重要度排列的先后表明其在導(dǎo)致事故發(fā)生的作
用的大小。這對(duì)于防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生意義重
大。
參考文獻(xiàn)：
[1] 尉存娟．水平管道內(nèi)甲烷一空氣預(yù)混氣體爆炸過程研
究[D]．太原：中北大學(xué)，2010．
[2] 張景林，崔國章．安全系統(tǒng)工程[M]．北京：煤炭工業(yè)
出版社，2002：32—68．
[3] 盧運(yùn)嬌，馮定，余繼華，等．用故障樹分析法研究潛
油電機(jī)的故障[J]．煤礦機(jī)械，2005，32(2)：15—17．
[責(zé)任編輯：李月成]
4) 由結(jié)構(gòu)重要來分析，本文將各底事件由表
和和和和扣扣扣和扣 和和 和和和扣扣和+葉扣和 和和扣和和扣 和扣扣扣扣 扣扣扣 扣扣
(上接第52頁)實(shí)時(shí)反映井下設(shè)備運(yùn)行情況(如：膠 網(wǎng)，基于intelnet安全考慮，工作站可與intel網(wǎng)相連，
帶速度、電機(jī)電流、煤倉煤位及各種保護(hù)狀態(tài)等)并 將歷史記錄與廠家實(shí)現(xiàn)共享，廠家負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)測。
自動(dòng)紀(jì)錄，歷史紀(jì)錄可維持一個(gè)月，方便工作人員隨 調(diào)度室配置2臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，預(yù)裝中文Win一
時(shí)查詢。dows2000操作系統(tǒng)，并安裝工業(yè)組態(tài)軟件，其中一臺(tái)
在操作臺(tái)上安裝2臺(tái)改進(jìn)的TK1300AD型電 用做主機(jī)，一臺(tái)為主機(jī)的熱備份機(jī)。②主機(jī)和從機(jī)
話，將電話的送話器改為麥克風(fēng)，通過麥克風(fēng)可以和 上，均可控制膠帶的啟停并顯示井下工作狀態(tài)，煤倉
井下直接通話。 煤位信息、電機(jī)電流、膠帶速度、各種保護(hù)狀態(tài)等，同
3．4 工業(yè)電視功能 時(shí)可以調(diào)閱歷史信息。③主機(jī)通過安全柵與本安型
將安裝在膠帶機(jī)頭、機(jī)尾的攝像機(jī)攝制的實(shí)時(shí) 專用調(diào)制解調(diào)器，與井下TK210控制器相連。④操
圖像信號(hào)經(jīng)光纜傳輸至地面中央控制室，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn) 作臺(tái)上安裝2臺(tái)改進(jìn)的TK1300 AD型電話，將電話
場的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能。 的送話器改為麥克風(fēng)，通過麥克風(fēng)可以和井下直接
在開發(fā)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，利用DDE技術(shù)把兩種工具 通話，由礦方提供1臺(tái)18 V本安電源用于地面的這
有效地結(jié)合起來，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢。 2臺(tái)電話的供電。井下啟動(dòng)膠帶時(shí)井上和井下沿線
4 井上、下的數(shù)據(jù)傳輸
井上與井下數(shù)據(jù)傳輸采用光纜傳輸，通過多模
光端機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸、雙向音頻傳輸，由礦方提
供三路光纜，一路負(fù)責(zé)傳輸630水平數(shù)據(jù)信號(hào)、音頻
信號(hào)，從集控室至630水平1號(hào)控制器；一路負(fù)責(zé)傳
輸43二下山各膠帶信號(hào)至井上，從集控室至740水
平2號(hào)控制器；一路負(fù)責(zé)傳輸740水平數(shù)據(jù)信號(hào)、音
頻信號(hào)，從集控室至740水平1號(hào)膠帶。
4．1 井上部分
①用原有的2臺(tái)工控機(jī)采用雙機(jī)熱備方式對(duì)井
下實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、直接參與控制，增加l臺(tái)工
控機(jī)作為工作站負(fù)責(zé)記錄、保存、集中管理歷史數(shù)據(jù)
(不直接參與控制)。3臺(tái)計(jì)算機(jī)形成一個(gè)內(nèi)部局域
可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)預(yù)警。⑤配備1臺(tái)等離子電視，將兩個(gè)
水平的控制信息集中顯示。⑥ 電視負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集井
下信號(hào)，監(jiān)測膠帶運(yùn)行狀況。
4．2 井下部分
井下實(shí)現(xiàn)對(duì)630水平與740水平的集中控制，
每條膠帶均按標(biāo)準(zhǔn)配置(即膠帶5大保護(hù)齊全，膠帶
控制由系統(tǒng)完成，電流檢測，軟啟動(dòng)、抱閘等根據(jù)膠
帶實(shí)際情況設(shè)置，如有煤倉加入煤位檢測)。從膠帶
機(jī)頭每隔100 m接1臺(tái)TK230HA拉線急停擴(kuò)音電
話，再隔100 m接1臺(tái)TK230H拉線急停，保證每隔
100 m一個(gè)閉鎖點(diǎn)，每隔200 m一個(gè)通話點(diǎn)，沿線采
用七芯拉力電纜連接。
[責(zé)任編輯：李月成]
55

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