基于安全系统事故树分析的煤炭自燃预防

2022-11-23

前言

从系统工程的观点来看, 矿井是一个复杂的大系统, 它由采、掘、机、运、通等子系统组合而成;每个子系统都分别影响着大系统, 且子系统之间又互相联系与影响。只有将系统的观点运用于矿山生产的安全管理上, 才能全面地观察、分析和解决问题。

安全系统分析是采用系统工程的原理和方法, 识别、分析、评价系统中的危险性, 并根据其结果调整工艺、设备、操作、管理、生产周期和投资等因素, 使系统可能发生的事故得到控制, 并使系统达到最佳安全状态。

一、矿井自燃安全状况

矿井煤炭自燃发火是煤矿生产的主要灾害之一, 是煤矿安全生产的隐患。对于自燃发火的原因, 传统的分析方法已为我们提供了许多有益的经验, 但有些建立在经验基础上的传统方法, 难以用来解决现代生产过程中出现的带有综合性原因的灾害问题;因此, 要系统的、全面的查明自燃灾害的发生原因和可能发生的途径, 以及对煤矿安全生产的影响, 就必须引进与应用现代管理的新方法, 将传统的实践经验分析与事故树分析法相结合, 找出产生煤炭自燃发火的原因及可能途径, 提出预防事故发生的合理对策。

某矿一直采用倾斜分层、煤皮假顶回收老巷煤的采煤方法, 回采率低于60%。该矿煤层平均厚度12米, 顶底板均属软岩, 矿压较大。煤的最短发火期为18天, 自然发火期为一个月。自投产以来总发火次数654次, 最高年份达110次/年、发火率为2.05次/万吨。

该矿的采煤方法较为落后, 工作面推进速度慢、采空区留煤量多且封闭不及时, 是造成煤炭自然发火的一个原因。

由于回采工作面太短、煤柱、联络巷、探煤巷过多, 增加了煤层的破坏程度并产生了过多的应力集中, 也使得通风产生较大压差并增加了压能的消耗, 使得自燃的次数不断增加。

利用传统的分析方法, 虽可找出引起自燃的基本事件, 但无法知道是所有基本事件同时发生, 还是某些事件组合就能引起自燃, 而哪些事件最重要更无法确定。因此, 必须按照基本事件间的逻辑关系, 建立事故树进行分析;通过对事故树的最小割集与最小径集以及结构重要度的分析计算, 才可找出由哪些基本事件组合可使顶上事件 (事故) 发生及影响程度, 为有效地控制或减少事故提供定性与定量的依据。

二、安全系统事故树分析

1. 建立事故树模型

事故树分析法把不希望发生的事件作为顶上事件 (Top Event) , 用规定的逻辑符合表示, 然后找出导致上一层事件发生的所有直接因素, 并逐次深入直至找到根本源及基本事件 (事故树的底事件) 为止。图1为煤炭自然发火事故树分析图。

2.最小割集与最小径集

最小割集与最小径集都是事故树的分析方法。最小割集是导致顶上事件发生的必要基本事件组合, 表示同时发生哪些事件和差错时, 才会产生事故, 即表示整个系统的危险性。最小径集是使顶上事件不发生的必要基本事件的组合, 可说明不同时发生哪些事件和差错时, 就不会引起事故的发生, 即表示系统的安全性。事故树复杂时, 分析容易出错, 因此需要进行简化。现用布尔代数对图1进行简化:

(1) 最小割集

分解上式, 可得最小割集80个:

(2) 最小径集

对事故树偶的安全树用布尔代数简化出来的结果就是最小径集。利用最小径集与最小割集的对偶性, 把事故树的与门改为或门, 或门改为与门, 则各类事件的发生就改为不发生, 由此得到了与事故树相对偶的安全树, 见图2。

安全树的最小割集即为事故树的最小径集:

得到6组最小径集:

3. 结构重要度

基本事件结构重要度是表示各基本事件的发生, 对影响顶上事件 (事故) 发生的重要度。对重要程度高的事件在整改时加以优先考虑, 能更快地提高整个系统的可靠性。

由基本事件在最小径集中出现的次数以及组合情况, 可求解出基本事件的结构重要度的排列顺序如下:

三、评价与对策

最小割集能表示系统的危险性。因为每个最小割集都为顶上事件发生的一种可能, 求出了各组最小割集, 就明确了顶上事件的所有可能途径, 这就为事故预测、预防、调查提供了依据。事故树的最小割集组数越多, 系统的危险性就越大。基本事件少的最小割集比基本事件多的最小割集危险性要大。最小径集可表示系统的安全性。因为每个最小径集都为顶上事件不发生的可能, 所有, 对每个最小径集内基本事件的控制, 都是防止事故的方案, 从而实现系统安全。

最小割集说明该矿自然发火的可能途径有80组, 对于每一种可能的途径, 只要使其中任一基本事件不发生, 就可避免由该集造成的自然发火。

1.

加快工作面推进速度就可消除X4这一基本事件, 随之而来就可消除8种带有X4这一基本事件的割集所引起的自然发火路径。

2.

加强对煤炭自燃的预测预报工作, 提高瓦检人员的技术素质, 加强管理, 发现自燃的早期预兆应及时处理;同时必须提高工作面的回采率, 减少遗煤量;以控制X1或X2使其不能发生, 就可避免80种引起自燃的可能途径。

3.

改进落后的采煤方法, 加快工作面的推进速度, 减少遗煤量, 并同时进行预注浆等防火措施;以避免因回采率底、采空区空顶时间长等造成的另外56种引起自燃的途径。

4.

X19是结构重要度中较有影响的因素, 可引起40种自燃途径, 因此必须采取有效措施:改善通风系统, 尽量缩短风流路线, 维护巷道的完好率, 以降低井巷风阻。

如果事故树中与门多, 定性分析可从求最小割集入手。如果或门多, 则宜从求最小径集入手, 找出控制事故的最好方案。控制或消除基本事件少的最小径集集中的基本事件, 其安全经济效益最高。最小径集只有6组, 分析它要简单的多, 同时结合基本结构重要度大小的排列顺序, 就可有目的、有重点、有顺序地提出整改措施, 使大家对自然发火的原因有更清楚的认识。

结语

该矿对系统进行评价后, 根据分析的结果, 落实了整改措施:进行厚煤层放顶煤开采, 配套预注阻化剂防火, 并加强了对火灾预兆的处理, 使得自然发火率下降近90%, 年自燃次数不超过10次, 取得了较满意的效果。

显而易见, 将安全系统事故树分析与实践经验相结合, 可以查出问题的全部所在, 解决极为复杂的现实问题, 提高矿井安全管理水平, 最大限度的保障安全生产, 减少灾害事故的发生率。

摘要：在系统安全分析中, 应用最广泛的是事故树分析法。本文研究了煤矿生产中所存在的煤炭自然发火安全事故问题, 根据事故致因理论, 通过对自然发火事故的统计分析, 应用危险性预先分析技术, 对煤炭自然发火中可能的事故原因进行了辨识;其次, 建立了煤炭自然发火事故树以及与其相对应的安全树;进而提出安全预防对策措施, 消除煤炭自然发火安全隐患, 确保煤矿安全生产。

关键词：事故树,煤炭自燃,安全隐患,预防,应用