事故树在分析瓦斯爆炸事故中的应用

摘要 本文介绍了事故树分析法及其特点，论述了事故树分析法在分析矿井瓦斯爆炸事故中的应用，并根据矿井瓦斯爆炸的一些典型实例进行分析，概括出了导致瓦斯爆炸的基本事件，应用事故树分析中的最小割集和结构重要度，对矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故进行了研究。结果表明，严格控制瓦斯浓度，杜绝一切火源，是预防矿井瓦斯爆炸的基本途径，这对指导煤矿安全生产具有重要意义。 关键词 事故树：瓦斯爆炸；事故分析；应用

1.概述

事故树分析是美国贝尔电话研究所的沃特森(Watson)在20世纪60年代提出和发展起来的一门技术，主要用于分析事故的原因和评价事故风险，我国在20世纪80年代初引入，至今应用领域越来越广泛，并成为分析预测与预防事故的重要方法。

瓦斯灾害是煤矿五大自然灾害中最严重的灾害之一，而瓦斯爆炸在瓦斯灾害中占很大比例，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁井巷设施，终断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次灾害。据统计，1990～1999年的10年间，我国煤矿共发生3人以上的死亡事故4002次，共死亡27459人，其中瓦斯事故2767次，共死亡20625人，占3人以上死亡事故总次数的69.14％，死亡人数的75.01％，给国家带来了巨大的人员伤亡和财产损失。

在煤炭生产过程中，由于煤层地质条件复杂，安全的制约因素多，事故隐患也较多，导致瓦斯爆炸有许多因素，如管理因素，施工因素及技术因素等，这些因素不仅相互交叉，而且往往只能作为定性描述，不能方便地用于分析瓦斯爆炸的原因，这给具体的事故分析带来了困难。

事故树分析目前已成为定性和定量预测与预防事故的主要方法。通过事故树进行定性、定量的系统安全分析，就可使事故分析有条不紊地进行，因而在复杂事故分析中概括出导致事故发生的基本事件，并找出安全评价的指标，提出防范事故的措施，以保证安全生产顺利进行。

2.事故树的编制

事故树编制过程是以顶上事件开始，逐级往下找出基本事件，每个下部事件是上部事件形成的原因，上部事件是下部事件发生的结果，因此，正确编制事故数是进行事故树分析的基础。

根据瓦斯爆炸理论，发生瓦斯爆炸必须具备3个基本条件：一是瓦斯积聚(浓度一般5％～16％)，二是氧气的供给(氧含量12％以上)，三是引爆火源(一般650℃～750℃以上)，三者必须同时存在缺一不可。其中供氧条件在通常条件下是自然满足的，因而在大多数条件下只要一定浓度的瓦斯及引爆火源的同时存在，瓦斯爆炸就必然发生。

据国内外矿井瓦斯爆炸事故统计资料表明，矿井内的任何地点都有发生瓦斯爆炸的可能性，但90％以上的瓦斯爆炸发生在采掘工作面，其中，煤巷掘进工作面发生的瓦斯爆炸事故的总次数要大于采煤工作面发生的瓦斯爆炸事故总次数。因此，根据我国所发生的多次掘进工作面瓦斯爆炸事故的调查(具体见表1)，编制掘进工作面瓦斯爆炸事故树(具体见图1)。

表1 矿井瓦斯事故基本事件表

基本事件

代号

基本事件

代号

基本事件

代号

瓦斯爆炸事故

T

地质构造

X₆

充填物不合格

X15

瓦斯积聚

A1

瓦斯突出

X₈

炸药不合格

X17

供氧

X₂₄

冒顶

X₉

短间隔放炮

X18

引爆火源

A₂

放炮

X₇

放明炮

X19

通风不良

A₃

电火花

A₅

放湖炮

X16

设计风量低

X₃

电缆损坏

X10

其他明火

A7

串连通风

X₄

漏电

X11

吸烟

X20

风简脱节

X₅

电器失爆

X12

摩擦火花

X21

风机故障

X1

带电检修

X13

撞击火花

X23

停电

X2

开关损坏

X14

静电

X22

异常涌出

A₄

放炮火花

A₆

风机停转

A8

瓦斯达到爆炸浓度

X₂₅

与火源相遇

X26

3.事故树的分析

事故树分析(Fault Tree Analysis，简称FTA)又称故障树分析，是安全系统工程最重要的分析方法之一。事故树是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树，利用该图，既可以找到引发事故的直接原因，又能揭示发生事故的潜在因素，从而为安全决策提供有效途径。

定性分析是事故树分析的核心内容。其目的是分析某类事故的发生规律及特点，找出控制该事故的可行方案，并从事故树结构上分析各基本原因事件的重要程度，以便按轻重缓急分别采取对策。

3.1化简事故树

事故树图形似倒立着的树，树中的节点具有逻辑判别性质。树的“根部”顶点节点表示系统的某一个事故，树的“梢"底部节点表示事故发生的基本原因，树的“树叉”中间节点表示由基本原因促成的事故结果，又是系统事故的中间原因。事故因果关系的不同性质用不同逻辑门表示。这样画成的一个“树"用来描述某种事故发生的因果关系，称之为事故树。

3.2事故树的最小割集分析

事故树的定性分析(最小割集)，引起顶上事件发生的基本事件的集合叫割集，一个事故树中割集一般不止一个，在这些割集中，凡不包括其他割集的叫最小割集。它在事故树分析中占有重要地位，是顶上事件(事故)发生的本质原因，也就是说表示顶上事件发生原因的集合，因而最小割集越多，系统的危险性越大。其步骤是建立事故的布尔表达式，并划为最简析标准式，求出割集集合。

利用布尔代数求取事故树的最小割集：

在瓦斯爆炸事故树中，任何一组最小割集的基本事件同时发生，顶上事件就必然发生，说明顶上事件发生的途径有126个。

3.3事故树的最小径集分析

径集是系统可靠性工程的概念，又称通集，即如果事故树中某些基本事件不发生，则顶上事件不发生，这些基本事件的集合称为径集，最小径集是顶上事件不发生所必须的最低限度的基本事件集合。根据掘进工作面瓦斯爆炸事故树图1，编制成功树(具体见图2).

4. 结束语

(1)从掘进工作面瓦斯爆炸事故树分析来看，最小割集有126组，数量较多，表明矿井掘进工作面瓦斯爆炸有126种可能途径，充分说明该事件的可能性与危险性很大，其中任一最小割集kI中的全部基本事件发生，则会引起掘进工作面瓦斯爆炸。

(2)由结构重要度分析结果知，基本事件X25，X26结构重要度最大，其重要性在系统中占首位，所以，应选择控制瓦斯浓度，消除瓦斯环境中的火源，作为预防瓦斯爆炸的主要措施。

(3)采取阻止瓦斯爆炸的直接方法是“破坏”其中的某些基本事件，使其失去造成事故危险的条件。煤矿采煤面瓦斯爆炸是一个危险性较大的系统，综合其他分析可以得到，为确保煤矿安全生产，除将瓦斯浓度控制在其爆炸范围内，杜绝一切火源是最重要的。

(4)利用事故树分析法的逻辑关系，将各隐患因素有机结合在一起，找出系统全部可能失效的关键环节，有利于从静态和动态分析，预测问题，节约大量时间，人力，财力，从而更加有效制定安全措施，确保安全生产，避免灾害的发生，给企业带来更大的经济效益。