煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險評價

賀曉剛，張人偉，王亮，馬志勇
(中國礦業(yè)大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，江蘇徐州221008)

摘要:運用系統(tǒng)安全學(xué)原理和事故致因理論，結(jié)合煤礦瓦斯爆炸的 特點，給出了瓦斯爆炸風(fēng)險性的半定量評價模型，對煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險評價作了初步的研究。通過事前對瓦斯爆炸的風(fēng)險性進行可靠性評價，將對瓦斯爆炸預(yù)防和礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞:瓦斯爆炸;不安全系數(shù);可靠性;風(fēng)險評價
中圖分類號:TD712+.7文獻標識碼:B文章編號:1003-496X(2006) 09-0048-03
煤炭是我國第一大能源，占一次性能源的70%左右。由于我國煤炭分布范圍廣泛，埋藏地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭生產(chǎn)一直受到各種災(zāi)害，如瓦斯、火災(zāi)、水災(zāi)、煤塵及冒頂?shù)鹊耐{，其中尤以瓦斯爆炸事故后果最為嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國采礦企業(yè)每年因傷亡事故所造成的直接經(jīng)濟損失高達20億元人民幣。如果能在事前對瓦斯爆炸的風(fēng)險性進行正確評價，將對瓦斯爆炸預(yù)防和安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。
目前煤礦風(fēng)險評價方法存在相當大的經(jīng)驗成分，很少對危險源評價進行系統(tǒng)的研究。本文從系統(tǒng)論的觀點建立了一個風(fēng)險評價模型，來分析評價煤礦瓦斯爆炸重大危險源以及瓦斯爆炸的發(fā)生概率。
1煤礦瓦斯爆炸的特征及危害
1.1瓦斯爆炸的形成條件
煤礦瓦斯爆炸的重大危險源主要是甲烷，瓦斯爆炸的必要條件有:①甲烷積聚超限且濃度達到5%一15%;②空氣中氧含量大于12%;③引燃引爆熱源必須大于甲烷最小點燃溫度650-750℃。在一般的礦井條件下，氧濃度是滿足的，只要積聚的瓦斯達到爆炸濃度范圍，同時具有引燃熱源，就有發(fā)生瓦斯爆炸事故的可能。
煤礦井下瓦斯在不同濃度下危險程度是不同的，根據(jù)2005年3月國家煤礦安全監(jiān)察局頒布的《煤礦瓦斯治理經(jīng)驗五十條》，現(xiàn)將瓦斯積聚嚴重程度分為以下4種狀態(tài)，并予以處理。如表1所示。

瓦斯的引燃溫度為650 -750℃，最低點燃能量為0. 28 m J，明火、煤炭自燃、電弧(4 000℃)、電氣火花、赤熱的金屬表面、吸煙、撞擊火花、磨擦火花，甚至靜電產(chǎn)生的火花等煤礦井下所能遇到的絕大多數(shù)火源都足以引燃瓦斯。所以，考察火源嚴重程度主要是看該火源在危險的瓦斯環(huán)境下暴露的頻率。如表2所示。

1.2瓦斯爆炸的危害
礦井瓦斯爆炸是受限空間的爆炸，它的傳播和影響范圍特別大，往往造成重大的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。分析其危害主要為:高溫、沖擊波和有害氣體。
高溫。瓦斯爆炸會產(chǎn)生高溫的焰面。焰面是巷道中運動著的化學(xué)反應(yīng)區(qū)和高溫氣體，其速度大、溫度高。正常的燃燒速度為1－2.5 m/s,爆轟時傳播速度可達2 500 m /s。焰面溫度高達2 150－2 650℃。焰面經(jīng)過之處，人被燒傷或大面積燒傷，可燃物被點燃而發(fā)生火災(zāi)。
沖擊波。瓦斯爆炸會產(chǎn)生很強的沖擊波，沖擊波鋒面壓力可由幾個大氣壓到20個大氣壓，前向沖擊波疊加和反射時可達100個大氣壓。其傳播速度總是大于聲速，所到之處會造成人員傷亡、設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施損壞、巷道跨塌。
有害氣體。瓦斯爆炸后生成大量的有害氣體，某些煤礦分析爆炸后的氣體成分為:O2濃度6%-10%; N2濃度82%-88%;CO2濃度4%-8%; CO濃度2%-4%。如果有煤塵參與爆炸，CO的生成量更大，往往成為人員大量傷亡的主要原因。
2煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險評價模型
2.1瓦斯爆炸的“人一機一環(huán)境”系統(tǒng)
事故致因理論認為:人、機(物)和環(huán)境這3個因素在同一時間和空間兩兩相遇時才可能發(fā)生事故。圖1是危險因素組成的瓦斯爆炸人一機一環(huán)境系統(tǒng)圖，圖中兩圓交叉部分為事故易發(fā)生區(qū)，而3個圓相交部分為事故高發(fā)區(qū)。

2.2瓦斯爆炸的風(fēng)險評價模型
為了研究煤礦瓦斯爆炸事故的危害，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及系統(tǒng)安全性的技術(shù)途徑，在對瓦斯爆炸的“人一機一環(huán)境’，系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、可行性和可比性的原則，建立危險源風(fēng)險評價模型。同時根據(jù)礦井瓦斯爆炸的特點和以往事故原因的分析，參照其他行業(yè)的評估方法，提出煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險評價模型方程：H＝KD /6 (1)
式中H—危險源系統(tǒng)的風(fēng)險度;H的范圍:0 K—系統(tǒng)不安全系數(shù);
D—系統(tǒng)的風(fēng)險度。
為使H的值標準化即處在0和1之間所以將KD的值再除以6。
很明顯，有了危險源系統(tǒng)的風(fēng)險度H，便可得出瓦斯爆炸可能性的大小?，F(xiàn)用自然語言去描述危險源系統(tǒng)的風(fēng)險度H，見表3。

2.2.1系統(tǒng)不安全系數(shù)K的確定
根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，系統(tǒng)不安全系數(shù)應(yīng)該是人、機、環(huán)境的不安全系數(shù)的交集，本應(yīng)按照概率論的方法去計算，但為簡便起見，現(xiàn)采用下面的方法去估算K，即:
K＝(P1+P2+P3)/3 (2)
式中P1—人的不安全系數(shù);
P2—機的不安全系數(shù);
P3—環(huán)境的不安全系數(shù)。
(1)系統(tǒng)的不安全系數(shù)具有模糊性。瓦斯爆炸破壞性很強，事故現(xiàn)場難以保護，因此歷次事故的真正原因不是很準確;加之長期以來我國對設(shè)備故障率未作系統(tǒng)分析，很難收集這方面的資料。因此瓦斯爆炸基本事件具有模糊性。也就是說人、機、環(huán)境的不安全系數(shù)具有模糊性。所以，我們可對某煤礦的人、機、環(huán)境的不安全系數(shù)作自然語言判斷，然后采用特爾斐(Delphi)法將這些自然語言數(shù)字化，得到人、機、環(huán)境的不安全系數(shù)P1、P2、P3。
對一基本事件的的危險程度，我們可用自然語言集A＝{嚴重，中等，一般}中的一個值表示。根據(jù)特爾斐(Delphi)方法，我們將自然語言集A大致映射成相應(yīng)的數(shù)值集C={0.6,0.3,0.1}。
(2)對人、機、環(huán)境的不安全系數(shù)P, 'PI 'P3的評估方法。
對人的因素進行評價時，主要對人的素質(zhì)進行評估。評估時主要考慮以下幾個方面:①領(lǐng)導(dǎo)安全意識及管理者接受安全教育和培訓(xùn)情況;②管理者的安全管理水平;③對安全技術(shù)、安全教育的資金投入情況;④安全機構(gòu)及人員配備情況;⑤職工安全教育和培訓(xùn)情況;⑥職工自救能力;⑦安全部門的職能是否得到有效發(fā)揮。
對機的不安全狀態(tài)因素分析。導(dǎo)致瓦斯爆炸的機的因素很多，評估時主要對以下幾個方面進行評估:①通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性;②生產(chǎn)設(shè)備安全可靠性；③儀器儀表完好率及安全可靠性;④瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)及其有效性;⑤電氣防爆及防靜電能力;⑥電力系統(tǒng)的安全可靠性;⑦安全投入資金的多少。
對環(huán)境的不安全狀態(tài)因素分析。導(dǎo)致瓦斯爆炸的環(huán)境因素比較復(fù)雜，評估時主要參照以下幾個方面:①瓦斯的抽放情況;②作業(yè)場所的溫度濕度;③有害氣體和粉塵的濃度;④作業(yè)場所的風(fēng)速、風(fēng)量;⑤作業(yè)場所的安全出口;⑥地質(zhì)構(gòu)造情況;⑦消防管路情況;⑧防爆、隔爆設(shè)施的情況。
通過上面的評估標準，我們可以給出人、機、環(huán)境的不安全程度的自然語言，從而得出P1 ,P2,P3的值，繼而我們可算出系統(tǒng)不安全系數(shù)K的值。
2.2.2系統(tǒng)的風(fēng)險度D的估算
風(fēng)險度的值為事故概率與事故后果的乘積，由于煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中與生產(chǎn)安全有關(guān)的因素較多，本文中風(fēng)險度的計算采用格雷哈母提出的LE C法，即:
D=LEC (3
式中D—風(fēng)險度;
L—發(fā)生事故的概率;
E—作業(yè)場所人員密度;
C—事故嚴重度。
(1)發(fā)生事故概率L的確定。確定發(fā)生事故的概率時，為簡化評價過程，可采取半定量方法。首先對導(dǎo)致瓦斯積聚的可能因素進行分析，然后對引燃瓦斯爆炸的可能因素進行分析。根據(jù)瓦斯爆炸的條件，氧氣濃度的因素在井下各作業(yè)地點是滿足要求的，評估時可不予考慮。綜合以上兩種可能因素得到10種有效的組合方式，然后按照不同組合方式的可能性給予不同的指標見表4。表4中瓦斯積聚的嚴重程度和引爆火源的嚴重程度分別見表1、表2。

(2)作業(yè)場所人員密度E的確定。根據(jù)作業(yè)場所人員的多少，給予E不同的值，確定方法如表5。

(3)事故嚴重度C的確定。瓦斯爆炸的后果是造成人員傷亡、設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施損壞及巷道的垮塌。為簡化計算，對C值不再分級，取值為1。
3結(jié)論
在礦井瓦斯爆炸研究中，建立定量的分析模型，對礦井瓦斯爆炸進行定量分析是十分必要的，它可以量化礦井瓦斯爆炸的可能性，為防止瓦斯爆炸提供量化指標。并可以對瓦斯爆炸發(fā)生的原因作出明確的認定，從而進行積極的預(yù)防和監(jiān)控。
參考文獻:
[1]胡學(xué)義.煤礦瓦斯爆炸危險源評估方法初探[J].勞動保護科學(xué)技術(shù)，2000.
[2]林柏泉，周延.安全系統(tǒng)工程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.
[3]張甫仁，景國勛.礦山重大危險源評價及瓦斯爆炸事故傷害模型建立的若干研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2002.
[4]李志憲.瓦斯爆炸事故易發(fā)性評價模型及防治對策 [J].科技大觀，2001.
[5]李安貴.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社.
[6]張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.
[7]張國順.燃燒爆炸危險安全技術(shù)[M].徐州:中國電力出版社，2003.
作者簡介:賀曉剛(1983-)，男，河南鞏義人，中國礦業(yè)大學(xué)能源與安全工程學(xué)院2005級碩士研究生，主要從事安全技術(shù)及工程方面的研究。