安全系统工程

1、采空区遗煤自燃事故数分析摘要： 通过系统安全工程的事故树分析方法，找出了影响采空区遗煤自燃的主要因素，建立了采空区遗煤自燃事故树图，求出了其最小割集、最小径集和各基本事件的结构重要度以及顶上事件发生的概率、概率重要度和临界重要度，并从这几方面全面分析阐述了各基本事件对引起事故发生的影响程度以及它们之间的逻辑关系。针对采空区遗煤自燃事故发生的主要原因提出了所需采取的最简单有效的预防措施，为矿山安全管理提供了可靠的参考依据。关键词： 采空区遗煤自燃事故树分析 事故树图 最小割集 顶上事件发生概率 abstract: through the system safety engineering acc

2、ident tree analysis method, find out the influence of coal combustion goaf left main factors, established the goaf spontaneous accident tree graph yishan coal and its minimum cut set, the path and the basic event of the structure importance on top of the incident and probability importance and proba

3、bility, the critical importance, and from the aspects of comprehensive analysis of the basic event expounded the influence caused by accidents and the logical relationship between them. in goaf coal combustion accident left the main reasons for the proposed to the simple and effective preventive mea

4、sures for mine safety management, provides the reliable references.keywords: spare goaf accident tree analysis of coal combustion accident tree graph of minimum cut set on top of the occurrence probability of event前言国内主要矿山每年都遗留大量的未经处理的采空区，且其数量呈不断增长的趋势，这些未经处理的采空区造成了大量的灾害事故，其中，采空区遗煤自燃就是一种最为典型的事故。采空区遗煤

5、自燃，不仅导致人员伤害、设备损失、影响矿山正常生产、造成矿产资源的浪费、地表环境的破坏，而且采空区的遗煤自燃所产生的影响会给整个矿山带来灾难性的后果。而当前人们在对采空区伤亡事故的研究处理时，往往只注重某些片面的环节，对事故的分析仅仅是对查清其发生的原因后采取相应的措施，所以这种“头痛医头，脚痛医脚”的“事故后处理”方式并不能很好地控制和预防各种事故的发生。本文所采取的事故树分析方法就是一种以系统、综合的观点，运用系统安全工程的方法对采空遗煤自燃事故进行系统安全的分析，着眼于事故的整个过程，找出事故的本质原因，并采取相应措施，做到“防患于未然”。1事故树分析方法概述与基本程序1.1本文涉及的基

6、本概念与公式所谓事故树，就是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树。该事故树遵循逻辑分析原则(即从结果分析原因的原则)，相关事件(节点)之间用逻辑门连接，利用事故树对事故进行预测的方法称为事故树分析，被用于分析的事故树也叫事故树图。作为被分析对象的特定故障事故叫顶上事件；导致顶上事件发生的最初始的原因事件叫基本事件；处于顶上事件与基本事件中间的事件叫中间事件，它们即是造成顶上事件发生的原因，又是基本事件产生的结果旧。事故树分析方法是安全系统工程中进行系统安全分析的核心，是安全评价的基础。它应用数理逻辑方法，从一个可能的事故开始，一层一层逐步寻找引起事故发生的触发事件、直接原因和间接原因，并分析各

7、种事故原因之间的相互逻辑关系，是一种演绎分析方法口。在一个事故树中，导致顶上事件发生的基本事件很多，在采取防止顶上事件发生的措施时应该分清轻重缓急，优先解决那些比较重要的问题，首先消除或控制那些对顶上事件影响重大的基本事件。在事故树分析中，用基本事件重要度来衡量某一基本事件对顶上事件影响的大小，常用的基本事件重要度有结构重要度、概率重要度和临界重要度。基本事件的结构重要度的计算公式如下：1.2事故树分析的基本程序事故树分析虽然根据对象系统的性质、分析目的的不同，分析的程序也不同。但是，一般都有下面的十个基本程序。有时，使用者还可根据实际需要和要求，来确定分析程序。熟悉系统。要求要确实了解系统情

8、况，包括工作程序、各种重要参数、作业情况。必要时画出工艺流程图和布置图。 调查事故。要求在过去事故实例、有关事故统计基础上，尽量广泛地调查所能预想到的事故，即包括已发生的事故和可能发生的事故。 确定顶上事件。所谓顶上事件，就是我们所要分析的对象事件。分析系统发生事故的损失和频率大小，从中找出后果严重，且较容易发生的事故，作为分析的顶上事件。 确定目标。根据以往的事故记录和同类系统的事故资料，进行统计分析，求出事故发生的概率(或频率)，然后根据这一事故的严重程度，确定我们要控制的事故发生概率的目标值。 调查原因事件。调查与事故有关的所有原因事件和各种因素，包括设备故障、机械故障、操作者的失误、管

9、理和指挥错误、环境因素等等，尽量详细查清原因和影响。 画出事故树。根据上述资料，从顶上事件起进行演绎分析，一级一级地找出所有直接原因事件，直到所要分析的深度，按照其逻辑关系，画出事故树。 定性分析。根据事故树结构进行化简，求出最小割集和最小径集，确定各基本事件的结构重要度排序。 计算顶上事件发生概率。首先根据所调查的情况和资料，确定所有原因事件的发生概率，并标在事故树上。根据这些基本数据，求出顶上事件(事故)发生概率。 进行比较。要根据可维修系统和不可维修系统分别考虑。对可维修系统，把求出的概率与通过统计分析得出的概率进行比较，如果二者不符，则必须重新研究，看原因事件是否齐全，事故树逻辑关系是

10、否清楚，基本原因事件的数值是否设定得过高或过低等等。对不可维修系统，求出顶上事件发生概率即可。 定量分析。定量分析包括下列三个方面的内容： 当事故发生概率超过预定的目标值时，要研究降低事故发生概率的所有可能途径，可从最小割集着手，从中选出最佳方案。 利用最小径集，找出根除事故的可能性，从中选出最佳方案。 求各基本原因事件的临界重要度系数，从而对需要治理的原因事件按临界重要度系数大小进行排队，或编出安全检查表，以求加强人为控制。即：求解最小割集 求解最小径集 顶上事件发生概率 结构重要度分析概率重要度分析 临界重要度分析2事故树分析方法在采空区塌陷事故中的应用2.1 采空区遗煤自然事故树的确立2

11、.1.1煤炭自然机理 一百多年来，先后提出阐述煤炭自燃机理学说有多种，其中主要的有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、自由基作用学说、基团作用学说、电化学作用学说、氢原作用学说以及煤氧化合学说等。年苏联学者维谢洛夫斯基(.)等人提出，煤的自燃是氧化过程自身加速发展的结果。这种氧化反应的特点是分子的基链反应。2.1.2 煤的自燃经过的三个时期 煤的自燃发展，一般要经过三个时期，准备时期，又称潜伏时期；自热期；最后进如燃烧期。 潜伏时期。煤自燃的潜伏时期即煤的低温氧化过程，潜伏时期即准备阶段的长短取决于煤的变质程度和外部条件，如褐煤几乎没有准备时期，而烟煤则需要一个相当长的准备时期。 自热

12、期。经过潜伏期，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化产生的热量使煤的温度上升，当温度超过临界温度t6080时，煤的温度急剧增加，氧化加剧，煤开始出现矸馏，生成碳氢化合物、氢气、一氧化碳、二氧化碳等火灾气体，煤呈赤热状态，当到达着火温度以上时便燃着。这一阶段就是煤的自热阶段，又称煤的自热期。 燃烧期。这一时期是煤从低温氧化发展成自燃的最后的一个阶段。主要特征是：空气中氧含量显著减少，二氧化碳的数量倍增，同时由于燃烧不完全和二氧化碳的分解，而产生较多的一氧化碳，巷道中出现浓烈的火灾气味和烟雾，有时还出现明火，火源温度达到1000左右。2.1.3煤炭自燃发火四个条件

13、 煤体要发生自燃必须具备以下四个条件：具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；有大于12%氧含量的空气通过这些碎煤；空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；在上述3个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体可以达到着火温度。只要同时具备上述4个条件，煤炭自燃发火即可发生。但实际中很难找出某两次煤炭自燃发火的发生条件是完全相同的。这样，对煤炭自燃发火的条件就很难作出定量分析。 煤炭自燃经常发生的地点是：有大量遗煤而未及时封闭或封闭不严的采空区（特别是采空区内的联络眼附近和停采线处）；巷道两侧和遗留在采空区内受压的煤柱；巷道内堆积的浮煤或煤巷的冒顶、垮帮处。2.1.4 影响煤炭

14、自燃发火的因素 决定矿井或煤层自燃发火危险程度的因素一是煤的自燃发火倾向性，二是地质采矿技术。 影响煤炭自燃的内因 煤的变质程度。各种牌号的煤都有发生自燃的可能，但在褐煤矿井，煤化程度低的一些煤层自燃发火次数要多一点。烟煤矿井以开采煤化程度最低的长焰煤和气煤的自燃危险性较大，贫煤则较少。在煤化程度较高的无烟煤矿井自燃发火较少见。所以可以认为，煤化程度较高的煤，自燃倾向性越小。但决不能以煤化程度作为判定自燃倾向性大小的唯一标志。因为生产实践证明，煤化程度相同的煤有的具有自燃特性，有的却不自燃。 煤的水分。煤中的水分是影响其氧化进程的重要因素，在煤的自热阶段，由于水分的生成与蒸发必然要消耗大量的热

15、。煤体中外在的水分没有全部蒸发之前很难上升到100%，这就是水分大的煤炭难以自燃的原因。但是，煤中的水分又能充填于煤体微小的孔隙中，把氮气，二氧化碳，甲烷等气体排除，当干燥以后对煤的吸附起活化作用。水分的催化作用随煤温的增高而增大。所以地面煤堆在雨雪之后容易发生自燃，井下灌浆灭火，疏干之后自燃现象更为严重。 煤岩成分。煤的岩石化学成分有丝煤、暗煤、亮煤和镜煤。它们有不同的氧化性，其中丝煤含量越多，自燃倾向性就越强；相反，暗煤含量越多，越不易自燃。 煤的含硫量。同牌号的煤中，含硫矿物越多，越易自燃。 煤的孔隙率和脆性。煤炭孔隙率越大，越易自燃。这是因为孔隙率越大，氧气越易渗入煤体内部。变质程度相

16、同的煤，脆性越大，越易自燃。因为煤的脆性大小与该种煤炭是否易于破碎和形成煤粉有关。完整的煤体一般不会发生自燃，一旦呈破碎状态则使煤的吸氧表面积增大，着火点明显降低，使其自燃性显著提高。 煤层瓦斯含量。瓦斯通常是以游离状态和吸附状态存在于煤体中，这两种瓦斯是以压力状态存在的，吸附瓦斯在煤体卸压、温度上升等客观条件影响下，可以产生解吸现象，吸附瓦斯转变成游离瓦斯，具有流动性。因此，处于原始状态的瓦斯或以压力状态存在的瓦斯对侵入煤体中的空气具有抑制作用，是防止煤自燃的有利因素。 影响煤炭自燃的外因 煤炭自燃的外在条件决定于煤炭接触到的空气量和外界的热交换作用，这两个因素与煤层的埋藏条件和其开采方法有

17、着错综复杂的联系，其中外在因素有： 1 地质因素：倾角。煤层倾角越大，自燃危险性就越大。因为开采急倾斜煤层时，煤炭回收率低、采区煤柱易被破坏、采空区不易封锁。煤层厚度。煤是不良导体，煤层越厚，越易积聚热量，所以，厚煤层易发火。地质构造。在有地质构造的地区，自燃危险性加剧。地质构造复杂的地区，包括断层，褶皱发育地带，岩浆入侵地带，自燃发火频繁。这是由于煤层受张力、挤力、裂隙大量发生，煤体破碎，吸氧条件好造成的。 2 开采技术因素 开拓方式。实践经验表明，采用石门，岩巷开拓，少切割煤层少留煤柱时，自燃发火的危险性就降低了。厚煤层开采岩巷进入采区，便于打钻注浆，有利于实现预防性或灭火灌浆。采煤方法。

18、采煤方法对自燃发火的影响主要表现在煤炭回收率的高低、回采时间的长短上。丢煤越多，丢失的浮煤越集中，工作面的推进速度愈慢愈益发现火灾。通风条件。通风因素的影响主要表现在采矿区，煤柱和煤壁裂隙漏风。漏风就是向这些地点供养，促进煤的氧化自燃。采空区面积大，漏风量相当可观，但风速有限，散热作用低。2.2采空区遗煤自燃事故树的确立采空区遗煤自燃：地下煤层的自燃有两个原因，一个是内因，即煤自身引起的。因为煤的主要成分是炭，和空气接触时氧化，氧化时散发热量，若此时空 气流通，热量就会很快散失。一旦空气不流通，热量聚集到一定程度，煤层就会自燃。另一个引发煤层自燃的原因可能是由于矿井下电线短路引起的，电火花点燃

19、瓦斯，然后使整个煤层自燃。不过，煤层自燃最关键的问题是空气流通。所以采空区遗煤自燃为顶上事件，首先确定导致采空区遗煤自燃的原因，然后对各个原因逐步细分，直到找到基本事件为止。根据这一思路，建立的事故树图:采空区遗煤自燃事故树图2.3事故树的定性分析2.3.1求最小割集和最小径集 （1）最小割集的概念。割集是指由事故树某些基本事件构成的集合，且当集合中的某些事件都发生时，顶事件必然发生。最小割集是指如果割集中任意除去一个基本事件就不再事割集，则称该割集为最小割集。 （2）最小径集的概念。径集是指事故树某些基本事件的集合，当这些基本事件都不发生时，顶事件必不发生。最小径集是指如果在某个径集中任意去

20、掉一个基本时间爱你，它就不再是径集，则称这个径集叫最小径集。（3）最小割集与最小径集在事故树分析中的作用 最小割集与最小径集的主要作用： (1）最小割集表示系统的危险性； (2)最小径集表示系统的安全性； (3)最小割集能直观地、概略地告诉人们，哪种事故模式最危险，哪种稍次，哪种可以忽略； (4)利用最小径集可以经济地、有效地选择采用预防事故的方案； (3)利用最小割集和最小径集可以直接排出结构重要度顺序； (6)利用最小割集和最小径集计算顶上事件的发生概率和定量分析根据布尔代数运算法则可以得到事故树的最小割集为5个。求最小径集时，首先作出事故树的对偶树成功树图，然后求出成功树的最小割集，它们

21、就是事故树的最小径集，得到事故树的最小径集。最小割集和最小径集统计集合内容最小割集k1 x1，x2 ，x3 ， x4， 事件的名称是：有自燃倾向破坏状态的煤；有较好的蓄热条件；有适当的风量；共存时间大于自燃发火期；k2 x5 ，事件的名称是：井下线路短路；k3 x6 ，事件的名称是：电机车漏电；k4x7 ，事件的名称是：摩擦产生电火花；k5 x8 ，事件的名称是：撞击产生电火花；最小径集p1 x1，x5，x6 ，x7 ，x8; 事件名称是：有自燃倾向破坏状态的煤；井下线路短路；电机车漏电；摩擦产生电火花；撞击产生电火花；p2 x2，x5，x6 ，x7 ，x8; 事件名称是：有较好的蓄热条件；井

22、下线路短路；电机车漏电；摩擦产生电火花；撞击产生电火花；p3 x3，x5，x6 ，x7 ，x8，事件名称是：有适当的风量；井下线路短路；电机车漏电；摩擦产生电火花；撞击产生电火花；p4 x4，x5，x6 ，x7 ，x8，事件名称是：共存时间大于自燃发火期；井下线路短路；电机车漏电；摩擦产生电火花；撞击产生电火花；2.3.2求结构重要度结构重要度分析的概念：是从事故树结构上分析各基本事件的重要程度，即不考虑各基本事件的发生概率，或者说假定各基本事件的发生概率都相等的情况下，分析各基本事件的发生对顶事件发生所产生的影响程度。基本事件结构重要度越大，它对顶事件的影响程度就越大；反之亦然。结构重要度计

23、算：i(1)=0.05，有自燃倾向破坏状态的煤的结构重要度是:0.05i(2)=0.05，有较好的蓄热条件的结构重要度是:0.05i(3)=0.05，有适当的风量的结构重要度是:0.05i(4)=0.05，共存时间大于自燃发火期的结构重要度是:0.05i(5)=0.2，井下线路短路的结构重要度是:0.2i(6)=0.2，电机车漏电的结构重要度是:0.2i(7)=0.2，摩擦产生电火花的结构重要度是:0.2i(8)=0.2，撞击产生电火花的结构重要度是:0.2结构重要度顺序为：i(5)=i(6)=i(7)=i(8)i(1)=i(2)=i(3)=i(4)事件名称是：井下线路短路=电机车漏电=摩擦产

24、生电火花=撞击产生电火花有自燃倾向破坏状态的煤=有较好的蓄热条件=有适当的风量=共存时间大于自燃发火期。2.4事故树的定量分析2.4.1事故树定量分析 一 定量分析的目的：（1）是在给定基本事件发生概率的情况下，求出顶上事件发生的概率；（2）是计算每个基本事件对顶上事件发生概罕的影响程度。 二、顶上事件及其发生概率的计算 (1)求某系统事故树各基本事件概率积之和； (2)求各基本事件概率和； (3)顶上事件发生概率的近似计算。 三 概率重要度分析 概率重要度分析是为分析基本事件发生概率的变化对顶上事件发生概率以多大影响。概率重要度系数通过概率重要度系数的算法可知：一个基本事件的概率重要度如何，

25、并不取决于它本身的概率值大小，而是与它所在最小割集中其他基本事件的概率积的大小及它在各个最小割集中重复出现的次数有关。 四 临界重要度分析 临界重要度系数从敏感度和概率双重角度衡量各基本事件的重要程度， 五 结构重要度 当基本事件发生概率均为1/2时，概率重要度系数等于结构重要度系数。利用这一性质，可以用量化的手段准确求出结构重要度系数。 六 三种重要度作用及相互关系 三种重要度系数中，结构重要度系数从事故树结构上反映基本事件的重要程度，概率重要度系数反映基本事件概率的增减对顶上事件发生概率影响的敏感度，临界重要率系数从敏感度和自身发生大小双重角度反映基本事件的重要程度。结构重要度系数反映了某

26、一基本事件在事故树结构中所占的地位，而临界重要度系数从结构及概率上反映了改善某一基本事件的难易程度，概率重要度系数则起着一种过度作用，是计算两种重要度系数的基础。2.4.2 顶上事件发生的概率首先根据经验为每个基本事件赋值，各基本事件发生的概率为q1=0.015，q2=0.009，q3=0.007，q4=0.006，q5=0.002，q6=0.001，q7=0.004，q8=0.002，则顶上事件发生的概率是：0.0089860056192.4.3 概率重要度x1的概率重要度是：0.000000374599事件名称：有自燃倾向破坏状态的的概率重要度是：0.000000374599x2的概率重要

27、度是：0.000000624331事件名称：有较好的蓄热条件的概率重要度是：0.000000624331x3的概率重要度是：0.000000802712事件名称：有适当的风量的概率重要度是：0.000000802712x4的概率重要度是：0.000000936497事件名称：共存时间大于自燃发火的概率重要度是：0.000000936497x5的概率重要度是：0.992999994336事件名称：井下线路短路的概率重要度是：0.992999994336x6的概率重要度是：0.997999994341事件名称：电机车漏电的概率重要度是：0.997999994341x7的概率重要度是：0.99799

28、999433事件名称：摩擦产生电火花的概率重要度是：0.99799999433x8的概率重要度是：0.99799999433事件名称：撞击产生电火花的概率重要度是：0.99799999433概率重要度顺序为：ig(6)ig(7)=ig(8)ig(5)ig(4)ig(3)ig(2)ig(1)事件名称是：电机车漏电摩擦产生电火花=撞击产生电火花井下线路短路共存时间大于自燃发火有适当的风量有较好的蓄热条件有自燃倾向破坏状态的。2.4.4 临界重要度x1的临界重要度是：0.000000625304事件名称：有自燃倾向破坏状态的的危险重要度是：0.000000625304x2的临界重要度是：0.0000

29、00625304事件名称：有较好的蓄热条件的危险重要度是：0.000000625304x3的临界重要度是：0.000000625304事件名称：有适当的风量的危险重要度是：0.000000625304x4的临界重要度是：0.000000625304事件名称：共存时间大于自燃发火的危险重要度是：0.000000625304x5的临界重要度是：0.221010321257事件名称：井下线路短路的危险重要度是：0.221010321257x6的临界重要度是：0.111061581381事件名称：电机车漏电的危险重要度是：0.111061581381x7的临界重要度是：0.444246325518事件名称：摩擦产生电火花的危险重要度是：0.444246325518x8的临界重要度是：0.222123162759事件名称：撞击产生电火花的危险重要度是：0.222123162759临界重要系数顺序为：cg(7)cg(8)cg(5)cg(6)cg(2)=cg(4)=cg(1)cg(3)事件名称是：摩擦产生电火花撞击产生电火花井下线路短路电机车漏电有较好的