1、煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治对策研究摘 要矿井瓦斯爆炸是矿井五大自然灾害之一，每年给我国煤矿带来了重大人员伤亡和巨大财产损失。本文从人机角度出发，以瓦斯爆炸事故中某些人的不安全行为、机械环境和物的不安全状态为基本事件，建立事故树图。然后进行事故树分析，得到了影响顶事件的最小割集，并通过计算底事件的结构重要度，确定了影响瓦斯爆炸事故的主要因素，并提出了相应的改进措施，对预防瓦斯爆炸事故起到了积极的作用。关键词：事故树分析；安全评价；瓦斯爆炸AbstractThe coal mine gas explosion is one of five natural disasters which has b
2、rought heavy casualties and huge property losses to our country every year. On the view of human and machine factors, it is based on some insecurity behaviors and states about machine environment and objects of gas explosion accident which are the basic incident to establish fault tree chart. Then,
3、the minimum cutset of the fault tree which are analyzed and set up in this paper affect the top accident. By calculating structure importance degree of the basic matter and primary factors, affecting the accident of gas explosion, are confirmed. The relevant improvement measures are put forwarding i
4、n this paper which will be benefit for preventing gas explosion.Keywords: fault tree analysis; safety evaluation; gas explosion前言 瓦斯爆炸是我国煤矿生产中最常见的灾害事故，仅造成大量人员伤亡，而且严重摧毁井巷设施，中断生产，甚至引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次事故。据统计，从2003年至今我国煤矿共发生17人以上的死亡事故36次，共死亡1972人，其中瓦斯爆炸事故29次。共死亡1972人，占17人以上死亡事故总次数的80.56，死亡人数的82.86，给国家造成
5、了巨大的人员伤亡和财产损失。因此，如何在事故发生前就能预见事故发生的可能性，清查事故原因，排除事故隐患，对于预防瓦斯爆炸，减少人员伤亡及财损失十分必要。在煤矿复杂的生产条件下，导致瓦斯爆炸因素许多，如管理因素、施工因素及技术因素等，可能形成瓦斯爆炸的因素复杂多样，这些因素不仅相互交叉，而且往往只能作为定性描述，这给具体的事故分析带来了许多困难。事故树分析法是从特定的事故开始，考察可能引起该事故的各种可能的原因及其相互关系的系统安全分析法，应用这种方法可使事故分析有条不紊地进行，因而在复杂事故分析中有重要作用。所以，运用安全系统工程中的事故树分析法，对采煤面瓦斯爆炸原因进行研究，可以有效地解决这
6、些问题。目 录摘 要 IAbstract II前言 III1. 课题研究背景 11.1我国煤矿安全现状 11.2研究使用的方法 22. 煤矿瓦斯爆炸原因分析 42.1瓦斯的基本知识 42.2瓦斯爆炸事故中人机因素分析 52.3瓦斯爆炸事故树的建立 62.4事故树定性分析： 92.4.1求解事故树最小割集 92.4.2底事件结构重要度分析 112.4.3事故树分析结论 123. 预防瓦斯爆炸措施 133.1 安全技术措施： 133.1.1 控制火源： 133.1.2 防止瓦斯积聚的措施 143.2 安全管理措施 153.3 安全教育措施 174. 煤矿瓦斯利用 194.1 煤矿瓦斯的利用价值 1
7、94.2 国内外瓦斯利用现状 204.3煤矿低浓度瓦斯利用的技术途径 214.3.1煤矿低浓度瓦斯发电技术 214.3.2煤矿低浓度瓦斯浓缩技术 224.3.3低浓度瓦斯燃烧技术 244.3.4矿井乏风瓦斯利用技术 254.4 煤矿低浓度瓦斯利用技术研究前景展望 255. 结束语 27致 谢 28参考文献 291. 课题研究背景1.1我国煤矿安全现状在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70左右，预计到2050年还将占50以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳
8、定、健康发展。 但是我国当前煤矿安全生产形势却是不容乐观，我国95的煤矿开采是地下作业。煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71。瓦斯爆炸是我国煤矿生产中最常见的灾害事故，不仅造成大量人员伤亡，而且严重摧毁井巷设施，中断生产，甚至引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次事故。据统计，因瓦斯爆炸事故造成的死亡人数占全国煤矿矿难全部死亡人数的 80%，因此，瓦斯被称为煤矿事故的”头号杀手”。近几年来，随着开采深度的进一步加大和高强度机械化采掘和集约化生产，自然灾害的威胁更加突出。根据近几年的事故统计表明，煤矿瓦斯爆炸事故呈上升趋势，几乎每年都有死亡人数超过百人以上的事故发生，虽然瓦
9、斯爆炸事故发生的几率小，但是一旦发生事故，所造成的损失和危害程度是十分严重的。 2009年和2010年关于煤矿瓦斯爆炸事故的报道频频见诸媒体。2009年2月22日山西焦煤集团屯兰煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，死亡74人；9月9日，河南平顶山新华四矿瓦斯爆炸事故，76人死亡；11月21日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿瓦斯爆炸事故遇难108人；4月1日，陕西省韩城市泉子沟煤矿发生瓦斯燃烧事故，9人遇难等等，忍不住再一次揭开这个血色沉重的话题。因为，如此严峻的煤矿安全生产形势，引起了人们广泛的担忧。调查显示，我国煤矿平均每人每年产煤321吨，全员效率仅为美国的212%，南非的811%，而百万吨死
10、亡率则是美国的100倍，南非的30倍。据专家估计，我国每年因各类煤矿伤亡事故和职业病造成的直接和间接经济损失达250多亿元。1由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。建国以来，国内科研机构、高等院校围绕煤矿安全技术进行了长期研究，取得了一系列成果。但是，我国煤矿瓦斯防治安全领域还存在许多共性、关键技术难题，需要加强基础研究和科技攻关。只有灾害防治技术取得重大突破，煤矿安全生产局面才能得到根本改善。1.2研究使用的方法事故树分析法(FTA：Fault Tree
11、 Analysis) 是安全系统工程中的重要分析方法， 遵循逻辑学演绎分析的原则，从结果到原因描绘事故发生，并表示各种因素间逻辑关系的逻辑图，从而对事故进行预测和分析。FTA就是对某一种失效状态在一定条件下进行逻辑推理和图形演绎，通过层层深入对可能造成系统事故或导致灾害后果的各种因素（包括硬件、软件、环境、人等）的分析，根据工艺流程、先后次序和因果关系，把所有的失效原因、失效模式用逻辑和或逻辑积的关系绘制成的一个树形结构。再通过事故树的定性和定量分析，判明灾害或功能故障的发生途经和导致灾害、功能故障的各种因素之间的关系，以及系统故障发生概率及其他定量指标(如结构重要度、概率重要度、临界重要度)
12、，并据此采取相应的措施，以提高系统的安全性和可靠性。2 事故树分析方法具有许多的优点：(1)既能找到引起事故的直接原因，又能揭示事故发生的潜在原因，并能概括导致事故发生的各种情况。(2)逻辑性强，灵活性高，适应范围广。既能分析已发生的事故，又能预测发生事故的可能性。它不仅考虑设备及其部件的故障，而且还考虑环境因素和人的失误。FTA的基本程序：(见图一) (1)确定顶上事件。要分析的事件即为顶上事件，对调查的事故进行全面的分析，从中找出后果严重且较易发生事故作为顶上事件。 (2)充分了解生产系统。生产系统是分析对象(事故)的存在条件，要对系统中人、物、管理及环境四大组成因素进行详细的了解。 (3
13、)调查事故，确定所有原因事件。收集事故案例，进行事故统计，从系统中的人、物、管理及环境缺陷中，寻找构成事故的原因。 (4)画出事故树。从顶上事件起，按照演绎(推理)分析方法逐级追究原因，将各种事件用逻辑符号予以连接，构成完整的事故树。 (5)定性分析。根据事故树列出的逻辑表达式，求得构成事故的最小割集(能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合)和防止事故发生的最小径集(即某些事件的集合不发生，则顶上事件不发生的基本事件的集合)，确定出各基本事件的结构重要度排序。 (6)根据分析结果，寻求降低事故概率的最佳方案，以便达到预定概率目标的要求3。 图一:事故树分析方法程序2. 煤矿瓦斯爆炸原因
14、分析2.1瓦斯的基本知识 煤矿瓦斯主要是天然气。主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。 CH4燃烧热为85409500kcal/m3,1m3约相当于1.5kg烟煤。瓦斯爆炸即为CH4燃烧,化学方程式为 CH4+2O2 = CO2+2H2O 在煤矿里它从煤岩裂缝中喷出。矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合
15、的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。煤矿瓦斯爆炸会产生3个致命的危害因素：高温、冲击波、有害气体。高温危害主要是指爆炸冲击波的火焰锋面所造成的危害，火焰锋面是瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和高温气体的总称。冲击波是指由于爆炸时候其他温度骤然升高，必然会引起气体压力的突然增大，所形成的冲击波锋面传播速度大于声速，所到之处造成人员伤亡、设备和通风设施损坏、巷道垮塌。有害气体指的
16、是，瓦斯爆炸之后生成大量的有害气体，他是造成人员伤亡的主要原因4。瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气5。 (1)瓦斯浓度 瓦斯爆炸有一定的浓度范围，把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为516 ，当瓦斯浓度低于5时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为95时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。 (2)引火温度 瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯
17、的引火温度为650750。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在7一8时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、违章放炮、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。所以，在有瓦斯的矿井中作业，必须严格遵照煤矿安全规程的有关规定。 (3)氧的浓度 实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火
18、源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12以上，就可能发生爆炸。因此，对火区应严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。2.2瓦斯爆炸事故中人机因素分析本文从人机角度出发，以瓦斯爆炸事故中某些人的不安全行为、环境因素和物的不安全状态三个方面为落脚点，分析瓦斯爆炸原因6。人的不安全行为：(1)没及时处理聚集瓦斯；(2)没按时检测；(3)吸烟；(4)电器接
19、火工艺不合要求；(5)电缆接线方法不良；(6)局部通风机管理不善。机械环境和物的不安全状态： (1)警报断电仪失灵； (2)警报断电仪位置不当； (3)采空区瓦斯大； (4)采空区瓦斯涌出； (5)上隅角风速低； (6)风量不足； (7)放炮起火； (8)电焊气焊； (9)大功率灯泡； (10)撞击摩擦； (11)火区火源； (12)设备失爆； (13)变压器电机开关内短路； (14)电压高绝缘击穿短路； (15)电缆受机械损伤； (16)瓦斯达到爆炸浓度；(17)火源与达到爆炸浓度的瓦斯相遇2.3瓦斯爆炸事故树的建立根据顶上事件确定原则，事故树分析是把所研究系统的最不希望发生状态作为分析的顶
20、上事件，然后寻找直接导致这一顶上事件发生的全部直接因素，并逐次下推，一直追查到那些不需要再深究的因素为止。图为事件类型表和瓦斯爆炸事故树。 事件类型表符号事件类型符号事件类型T采煤工作面瓦斯爆炸X8上隅角风速低 F1瓦斯聚集X9放炮起火F2火源X10吸烟F3上隅角聚集 X11电焊气焊F4瓦斯漏检X12大功率灯泡F5明火X13撞击摩擦F6电气起火X14火区火源F7电气短路X15设备失爆X1没及时处理聚集瓦斯 X16电器接火工艺不合要求X2风量不足 X17电缆接线方法不良X3没按时检测X18电缆受机械损伤X4警报断电仪失灵X19变压器电机与开关内短路X5警报断电仪位置不当X20电压高绝缘击穿短路X
21、6采空区瓦斯大X21瓦斯达到爆炸浓度X7采空区瓦斯涌出X22火源与达到爆炸浓度的瓦斯相遇 表1 事件类型 2.4事故树定性分析2.4.1求解事故树最小割集最小割集是导致顶端事件发生的最起码的基本事件的集合。最小割集表示发生事故的途径, 反映系统的危险性。事故树定性分析目的，即通过找出事故树的所有最小割集，发现系统故障或导致指定顶事件发生的全部可能原因，并定性地识别系统的薄弱环节。采用布尔代数化简法求出事故树的所有最小割集，事故树函数结构方程为：T=X22X21(X6X7X8+X1+X2+X3+X4+X5)(X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X
22、20)进一步化简可知，事故树的最小割集有72个，依次为：K1=X22；X21；X6；X7；X8；X9 K2=X22；X21；X6；X7；X8；X10K3=X22；X21；X6；X7；X8；X11 K4=X22；X21；X6；X7；X8；X12 K5=X22；X21；X6；X7；X8；X13K6=X22；X21；X6；X7；X8；X14K7=X22；X21；X6；X7；X8；X15 K8=X22；X21；X6；X7；X8；X16K9=X22；X21；X6；X7；X8；X17K10=X22；X21；X6；X7；X8；X18 K11=X22；X21；X6；X7；X8；X19K12=X22；X21；X
23、6；X7；X8；X20，K13=X22；X21；X1；X9 K14=X22；X21；X1；X10K15=X22；X21；X1；X11K16=X22；X21；X1；X12K17=X22；X21；X1；X13K18=X22；X21；X1；X14K19=X22；X21；X1；X15K20=X22；X21；X1；X16K21=X22；X21；X1；X17K22=X22；X21；X1；X18K23=X22；X21；X1；X19 K24=X22；X21；X1；X20，K25=X22；X21；X2；X9K26=X22；X21；X2；X10K27=X22；X21；X2；X11K28=X22；X21；X2；X1
24、2K29=X22；X21；X2；X13K30=X22；X21；X2；X14K31=X22；X21；X2；X15K32=X22；X21；X2；X16K33=X22；X21；X2；X17K34=X22；X21；X2；X18K35=X22；X21；X2；X19 K36=X22；X21；X2；X20，K37=X22；X21；X3；X9 K38=X22；X21；X3；X10K39=X22；X21；X3；X11K40=X22；X21；X3；X12K41=X22；X21；X3；X13K42=X22；X21；X3；X14K43=X22；X21；X3；X15K44=X22；X21；X3；X16K45=X22；X
25、21；X3；X17K46=X22；X21；X3；X18K47=X22；X21；X3；X19 K48=X22；X21；X3；X20，K49=X22；X21；X4；X9K50=X22；X21；X4；X10K51=X22；X21；X4；X11K52=X22；X21；X4；X12K53=X22；X21；X4；X13K54=X22；X21；X4；X14K55=X22；X21；X4；X15K56=X22；X21；X4；X16K57=X22；X21；X4；X17K58=X22；X21；X4；X18K59=X22；X21；X4；X19 K60=X22；X21；X4；X20，K61=X22；X21；X5；X9
26、K62=X22；X21；X5；X10K63=X22；X21；X5；X11K64=X22；X21；X5；X12K65=X22；X21；X5；X13K66=X22；X21；X5；X14K67=X22；X21；X5；X15K68=X22；X21；X5；X16K69=X22；X21；X5；X17K70=X22；X21；X5；X18K71=X22；X21；X5；X19 K72=X22；X21；X5；X20。2.4.2底事件结构重要度分析结果重要度是指不考虑基本事件自身的发生概率，仅从结构上分析各个基本事件对顶上事件发生所产生的影响程度。通过事故树定性分析后，确定了系统的薄弱环节，计算事故树的结构重要度系
27、数并对系数进行排序，就可知道底事件对顶事件的影响大小，其顺序就是对系统可靠性影响大小的顺序。结果重要度的分析有多种方法，这里采用二次公式7求解，公式如下： 式中：I(i)第i个底事件的结构重要度系数； kj最小割集总数； nj第i个底事件所在的最小割集kj的底事件总数； xikj第i个底事件属于第j个最小割集。依据上述公式，可得：各底事件的结构重要度系数排序为：2.4.3事故树分析结论从上面事故树的结构重要度分析结果可以看出，基本事件X21 、X22结构重要度最大， 其重要性在系统中占首位, 其次是X1、X2、X3、X4、X5 。由最小割集分布可见，若X21、X22任一基本事件不发生，则事故就
28、不发生。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. 预防瓦斯爆炸措施根据伤亡事故的致因理论得知，造成事故的主要原因是人的不安全行为和物的不安全状态，他们的背景是管理上有缺陷。要预防事故的发生，必须从这三个方面进行控制，采取安全技术措施，安全管理措施和安全教育措施，并将三者有机结合，才能取得预期效果。3.1 安全技术措施瓦斯爆炸事故主要是在采掘的过程中由于瓦斯积聚和引火源共同作用导致的事故，并且大量的瓦斯爆炸事故研究表明，发生瓦斯爆炸必须具备3个条件：(1)空气中氧气体积分数12 % -20 %；(2)有足以能引爆瓦斯的火源；(3)瓦斯体积分数处于爆炸极限内(
29、5 % -16 %) ，并且需要三者同时具备。在井下环境中，氧气浓度在生产作业区域是具备的，也就是说只要后两者同时具备，在生产区域就能发生瓦斯爆炸。所以在研究瓦斯爆炸事故中，防止瓦斯爆炸的安全技术措施重点是控制火源及瓦斯。3.1.1 控制火源(1) 杜绝井下火源，防止明火 禁止在井口、通风机房周围20m以内使用明火、吸烟或用火炉取暖。井下禁止使用电炉或灯泡取暖。 严禁携带烟草、点火物和穿化纤衣服人井；严禁携带易燃物品入井，必须带入井下的易燃品要经总工程师批准。 不得在井下和井口房内从事施焊作业。如必须在井下进行施焊作业时，每次都必须制定安全措施，报经矿长批准，并遵守煤矿安全规程有关规定。回风巷
30、不准施焊作业。 严禁在井下存放汽油、煤油、变压器油等。井下使用的棉纱、布头、润滑油等，必须放在有盖的。铁桶内，严禁乱扔乱放和洒在巷道、硐室或采空区内。 防止煤炭氧化自燃，加强火区检查与管理，定期采样分析，防止复燃。 (2) 防止出现爆破火焰 严格爆破器材和爆破工艺管理，井下严禁使用产生火焰的爆破器材和爆破工艺。井下爆破作业，必须使用煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管。 炮眼深度和装药量要符合“作业规程”规定；炮泥装填要满、要实，并坚持使用水泡泥。禁止放明炮、糊炮。 禁止使用明接头或裸露的爆破母线；爆破母线与发爆器的联结要牢固，防止产生电火花；爆破员尽量在进风流中启动发爆器。严格执行“一炮三检”制度。(3)防止出现电火花 井口和井下电气设备必须有防雷和防短路保护装置；采取有效措施防治井下杂乱电流。 加强机电设备及供电线路的管理，完善机电设备的各类保护措施，定期进行检查维修。不准使用失爆的机电设备。井下严禁带电作业。 局部通风机开关
