礦井瓦斯爆炸安全性評價方法研究

到目前為止，煤炭仍然是中國的主要能源，占單一能源的70%左右。我國煤炭年產量已近12億噸。由于我國煤炭分布范圍廣泛,埋藏地形復雜,煤炭生產一直受到各種災害,如瓦斯、涌水、火災、煤塵及冒頂等的威脅,其中尤以瓦斯爆炸事故后果最為嚴重。如果能在事前對瓦斯爆炸的危險性進行正確評價,將對瓦斯爆炸預防和礦井生產具有重要的現實意義。對礦井瓦斯爆炸危險性分析方法很多,而以事故樹分析(FaultTreeAnalysis)應用最廣。由于定量分析中基本事件的概率難以確定以及定量分析計算的復雜性,目前主要采用定性分析。作者在基本事件概率研究的基礎上,利用微機技術實現了礦井瓦斯爆炸危險性的定量分析。1事故樹的計算要進行礦井瓦斯爆炸危險性定量分析必須要進行如下的工作:礦井瓦斯爆炸基本事件的選擇;基本事件概率的確定;事故樹最小割集的計算和定量分析。定量分析的內容有:頂上事件概率、各基本事件的概率重要度和各基本事件的臨界重要度的計算。下面簡單介紹礦井瓦斯爆炸危險性定量分析的理論基礎。1.1運行樹分析圖的確定首先找出礦井瓦斯爆炸的中間事件和基本事件,根據各事件間邏輯關系,得出事故樹分析圖。1.2割集數目or在事故樹分析圖基礎上,采用“自上而下替代法”來求解最小割集。即“或門(OR)增加割集數目,與門(AND)增加割集內基本事件數目”,從頂上事件開始,將每個門下的事件逐一進行替代,直到所有的門均由基本事件代替為止,在割集中所有基本事件均不相同的為最小割集。1.3專家對基本事件m的概率基本事件概率計算采用Delphi方法,即專家評分方法。基本事件m的概率按下式計算:pm=n∑i=1RiCm(1)pm=∑i=1nRiCm(1)式中pm表示基本事件m的概率,n為專家數,Ri為第i個專家的相對權重,Cm為第i個專家對基本事件m的評分。1.4-1qe.2qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe3+-1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe22qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe12qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe1qe頂上事件概率采用如下計算式:Q=(qE1+qE1+qE1+?+qEΚ)-(qE1qE2+qE1qE3+qE1?+qE(Κ-1qEΚ)+(qE1qE2qE3+?+qE(Κ-2qE(Κ-1)qEΚ-?+(-1)Κ-1qE1qE2?qEΚ(2)Q=(qE1+qE1+qE1+?+qEK)?(qE1qE2+qE1qE3+qE1?+qE(K?1qEK)+(qE1qE2qE3+?+qE(K?2qE(K?1)qEK??+(?1)K?1qE1qE2?qEK(2)式中:Q為頂上事件概率;K為最小割集數;qEj為第j個最小割集發生的概率,qEj=lΠi=1qi(j=1,2???k);1為第j個最小割集的基本事件數;qi為基本事件概率。由于上式是布爾代數運算,在計算概率積時,要消除重復概率因子。1.5概率重要性概率重要度IP(i)用來判斷各基本事件變化對頂上事件發生概率變化的影響大小。采用如下計算式:Ιp(i)=?Q?qi(3)1.6基本事件的重要度臨界重要度Ic(i)是采用相對變化率的比值來衡量基本事件的重要度。即用基本事件發生概率變化率與頂上事件發生概率變化率的比值來確定基本事件的重要度,采用如下計算式:Ιc(i)=qiQΙp(i)(4)2試驗計算的應用礦井瓦斯爆炸危險性定量分析涉及大量的數值運算,對基本事件較多的情況很難由手工獲得結果,特別是最小割集的計算。我們利用計算機技術,編寫了礦井瓦斯爆炸危險性定量分析的軟件包,其具有事故樹分析圖自動生成,最小割集求解,頂上事件概率、各基本事件的概率重要度和各基本事件的臨界重要度計算等功能,并能打印事故樹分析圖和各計算結果。根據上述的理論基礎,采用結構化程序設計,部分模塊流程圖如圖1和圖2所示。3確定各評價單元一般來說礦井各個采煤(掘進)工作面,相互間是相對獨立的,不考慮二次事故,可將它們視作一些相互獨立的評價單元。可將其劃分為機采、炮采、機掘和炮掘等4個評價單元分別進行定量分析。下面以某礦井炮采面為例進行瓦斯爆炸危險性定量分析。3.1炮點基本事件大量事故案例表明,礦井瓦斯爆炸事故由礦井地質條件、開采技術條件、礦井生產過程中的組織和個人因素等造成。瓦斯爆炸必須具備兩個條件:瓦斯積聚和火源。經過對煤礦現場調研,80年代至90年代150起煤礦瓦斯爆炸案例分析及科研院所專家的咨詢確定炮采面瓦斯爆炸的中間事件和基本事件。其中間事件為:通風狀況、開采工藝、瓦斯檢查、地質因素、明火、放炮火焰、電器火花和安全管理。基本事件如表1所示。根據中間事件與基本事件之間的關系,利用自行編制的軟件包自動生成事故樹分析圖。3.2專家權重的確定由于瓦斯爆炸破壞性很強,事故現場難以保護,這給事后分析事故原因帶來困難,因此歷次事故真正原因不是很準確;又由于長期以來我國對設備故障率未作統計分析,很難收集這方面資料。因此瓦斯爆炸基本事件具有模糊性。在此采用請有關專家對瓦斯爆炸影響程度作自然語言判斷,然后采用Delphi法將這些自然語言數字化,根據各專家判斷并考慮各專家的權重得到各基本事件概率。對某一基本事件的影響程度,可用自然語言集A={很大,大,一般,小,很小}中的一個值表示。根據Delphi方法,將自然語言集A映射成相應的數值集C={0.35,0.26,0.19,0.12,0.08}。為了使專家意見盡可能與實際情況一致,應選擇多層次、多結構的專家。在專家的選擇上考慮了職稱、學歷、本專業工作年限、年齡和所從事的工作的5個方面的因素,每個因素又細分為3-6個級別。采用判斷矩陣法來確定各因素的權重,最后計算出各專家的權重。根據公式(1)計算出各基本事件的概率如表1中所示。3.3炸的最小割集采用自行開發的軟件包計算的炮采面瓦斯爆炸的最小割集如表2所示。定量分析結果,包括頂上事件概率、各基本事件的概率重要度和各基本事件的臨界重要度如表1所示。3.4炮采面瓦斯爆炸發生概率通過以上分析,可以看出炮采面瓦斯爆炸的最小割集數多達864,即炮采面發生瓦斯爆炸的可能性有864種途徑。但雖然有如此多的途徑,但真正發生爆炸的可能性還是較小,其概率僅為:0.12(頂上事件概率)。從表1可以發現X101,X102,X1033個基本事件概率在所有基本事件中不是最大的,且X102和X103的概率最小,但它們的概率重要度和臨界重要度卻最大,也就是說它們對炮采面瓦斯爆炸發生概率的變化影響最大。因此基本事件概率并不能反映爆炸可能性大小,而基本事件的概率重要度和臨界重要度卻能反映爆炸可能性。如果采取有效措施減少這3個事件的概率會有效地降低礦井瓦斯爆炸的可能性。4礦井瓦斯爆炸概況通過研究,得出以下結論:1)礦井瓦斯爆炸定量分析十分必要,具有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,可以找出對瓦斯爆炸發生影響最大的基本事件;2)經過對煤礦現場調研、80年代至90年代150起煤