安全系统工程课设完整版

掘进工作面瓦斯爆炸事故

第一章概述

煤矿主要在地下作业,地质条件复杂多变,经常受到瓦斯、水、火、煤尘、顶板等灾害的威胁,因此是事故多发的高危行业之一。煤矿掘进工作面是矿井事故多发地点，据统计，在瓦斯爆炸事故中，约60—70％发生在掘进工作面。一般掘进工作面避灾、救灾条件简单，如果发生瓦斯爆炸事故，往往损失严重。随着煤矿的采深逐渐加大，地质条件复杂多变，瓦斯赋存状况更加复杂，掘进工作面瓦斯爆炸事故是由多种因素共同作用的结果，因此掘进工作面瓦斯爆炸事故的防治越来越困难。

控制掘进工作面瓦斯爆炸事故的发生是目前煤矿安全生产工作中迫切需要解决的课题。然而,任何一起事故的发生都可分成5个要素:伤害(损失),意外事件(事故),加害物体(质),直接原因,间接原因。预防事故发生的关键就是在中途切断这5个要素之间的联系。为有效预防掘进工作面瓦斯爆炸事故的发生，笔者采用安全系统工程中的事故树分析法，对掘进工作面瓦斯爆炸原因进行研究，评价出各系统的可靠性与安全性,以确保事故隐患研究的正确性,并提出相应的预防措施，确保掘进工作面的安全施工。

第二章事故危害性分析

2.1瓦斯爆炸原因的分析

a．通风不良

煤矿井下的任何地点都有瓦斯爆炸的可能性，但大部分瓦斯爆炸发生在瓦斯煤层的采掘工作面，其中又以掘进工作面为最多，约占70％左右。这主要是掘进巷道多数位于煤层的新开拓区，由于它是首先揭露煤层，一般说单位面积瓦斯涌出量比采煤面多，而且又未构成通风系统，再者掘进工作面局部通风机管理制度不严，安装局部通风机位置不当或局部通风机供风不足，巷道贯通掘进放炮时，没有排净贯通的工作面瓦斯，使瓦解积聚达到爆炸浓度。b．按引火源分析

煤巷掘进多使用电气设备并经常放炮，如果电气设备防爆性能不良或不按规定放炮，就容易发生电火花或爆炸火焰，引起爆炸。还有井下明火、电气火花、煤炭自燃、赤热的安全灯罩、吸烟及摩擦产生的火花等都能引起瓦斯爆炸。

c．思想麻痹

思想上的麻痹，导致管理上的松懈，进而引发违章作业和违章指挥。统计表明，往往瓦斯涌出量小的矿井，瓦斯爆炸事故却多于瓦斯涌出量大的矿井。

(2)瓦斯爆炸造成的危害

矿内瓦斯爆炸的有害因素是，高温、冲击波和有害气体。

焰面是巷道中运动着的化学反应区和高温气体，其速度大、温度高。从正常的燃烧速度（1～2.5m/s）到爆轰式传播速度（2500m/s）。焰面温度可高达2150～2650°C。焰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。

冲击波锋面压力由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时可达100大气压。其传播速度总是大于声速，所到之处造成人员伤亡，设备和通风设施损坏，巷道垮塌。

瓦斯爆炸后生成大量有害气体，某些煤矿分析爆炸后的气体成份为O26％～10％，N282％～88％，CO24％～8％，CO2％～4％。如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。

2.3 瓦斯爆炸的化学反应过程

瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化

反应的过程。最终的化学反应式为：

CH

4 + 2O

2

= CO2 + 2H2O

如果煤矿井下O2不足，反应的最终式为：

CH4 + O2 = CO + H2 +H2O

矿井瓦斯爆炸是一种热-链反应过程。当爆炸混合物吸收一定能量后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基。这类游离基具有很大的化学性，成为反应连续进行的活动中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两个以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展成为燃烧或爆炸式的化学反应。

2.4瓦斯爆炸的因素

发生瓦斯爆炸必须同时具备的3个基本条件是瓦斯积聚、供氧及引爆火源。其中供氧条件在通常情况下是自然满足的，因而在大多数条件下只要一定浓度的瓦斯

及引爆火源同时存在，瓦斯爆炸就必然发生。根据瓦斯爆炸理论并通过对我国所发生的多次采煤工作面瓦斯爆炸事故的调查，总结引起瓦斯爆炸事故的基本事件如表2所示，

表2事故树事件名称代码概率一览表

第三章事故树编制

3.1事故树分析法实质

事故树分析法(FaultTreeAnalysis,简称FTA)是安全系统工程中的重要分析方法之一,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。它是从一个可能的最终事件开始,一层一层地逐步寻找引起的触发事件,直接原因事件和间接原因事件,直到基本原因事件,并确定各事件相互之间的逻辑关系,从而认识系统中存在的危险性,发现系统中存在的不安全隐患,以便采取措施,控制事故的发生。运用布尔代数运算对事故发生的可能性进行推测和判断,为制定相应的措施提供可靠的科学依据,以使企业改进安全生产状况,更好地实现安全生产。

3.2事故树的建立

在此以掘进工作面瓦斯爆炸事故为例说明事故树的建立。掘进工作面瓦斯爆炸事故树(事件)表见表1。

根据表1的掘进工作面瓦斯爆炸事故树(事件)，运用事故树分析法构造的掘进工作面瓦斯爆炸事故树模型见图1。

事故树顶端事件是“掘进工作面瓦斯爆炸”(T),瓦斯爆炸的直接原因是“爆炸性瓦斯”(A1)与“引爆火源”(A2)的存在,只有两者相遇时(即满足条件a)才能引起瓦斯爆炸。爆炸性瓦斯是“瓦斯积聚”(B1)达到爆炸浓度时(即满足条件a1)才有爆炸性,而瓦斯积聚的原因有“局部通风机断电停风”(X1),“串联通风”(X2),“供风能力不足”(X3),“局部通风机打循环风”(X4)。掘进工作面火源只有达到爆炸能量时(即满足条件a2)才会成为“引爆火源”(A2)。引起掘进工作面火源的原因有“放炮火源”(X5),“电火花”(X6),“明火”(X7)。

4 事故树分析

4.1 为了运用布尔代数运算对事故树进行定性和定量评定,需对事故树进行简化,略去各失效事件的定义用事件代号代替。条件与门旁的条件和与门下的事件是逻辑积的关系,因此可把“条件”看成是一个基本事件直接放在该与门之下。条件或门旁的“条件”,或门下的事件也是逻辑积的关系,因此它的等效变换是在该条件或门上再加一个与门,“条件”视作该与门下的一个基本事件。限制门旁的“条件”和限制门下的事件也是逻辑积的关系,因此它等效于条件与门。简化后的事故树图2.

图2简化后的事故树图

第四章事故树分析

4.1最小割集的求取

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。根据掘进工作面瓦斯爆炸事故树，运用布尔代数法求事故树的最小割集，结构代数式为：

T=A1?A2?a=B1?a1?A2?a=(X1+X2+X3+X4)?a1?(X5+X6+X7)?a2?a=a?a1?a2?X1?X5+a?a1?a2?X1?X6+a?a1?a2?X1?X7+a?a1?a2?X2?X5+a?a1?a2?X2?X6+a?a1?a2?X2?X7+a?a1?a2?X3?X5+a?a1?a2?X3?X6+a?a1?a2?X3?X7+a?a1?a2?X4?X5+a?a1?a2?X4?X6+a?a1?a2?X4?X7

根据结构代数式T的展开式可得到12个最小割集,即引起掘进工作面瓦斯爆炸的“可能途径”有12种。

K1={a,a1,a2,X1,X5},K2={a,a1,a2,X1,X6},K3={a,a1,a2,X1,X7},K4={a,a1,a2,X2,X5},K5={a,a1, a2,X2,X6},K6={a,a1,a2,X2,X7},K7={a,a1,a2,X3,X5},K8={a,a1,a2,X3,X6},K9={a,a1,a2,X3,X7} ,K10={a,a1,a2,X4,X5},K11={a,a1,a2,X4,X6},K12={a,a1,a2,X4,X7}。

4.3 成功树的建立

根据德?摩根定律:(A+B)′=A′?B′和(A?B)′=A′+B′。把事故树的顶端事件和底部事件分别取逆事件,即变各类事件发生为不发生,同时把事故树中的与门变为或门、或门

变为与门,这样就把事故树变为成功树。与简化后的事故树对应的成功树如图3。

4.4 最小径集的求取

最小径集是顶端事件不发生最低限度的基本事件的集合。最小径集表示防止事故的途径,反映系统的安全性。根据掘进工作面瓦斯爆炸成功树，得到成功树的结构代数式为：

T ′=A1′+A2′+a ′=B1′+a1′+a2′+X5′?X6′?X7′+a ′=X1′?X2′?X3′?X4′+a1′+a2′+X5′?X6′?X7′+a ′

根据结构代数式T ′的展开式可得到5个成功树的最小割集,也就是原事故树的最小径集,表示不使掘进工作面瓦斯爆炸事故发生的“可能途径”有5种:

P1={X1′,X2′,X3′,X4′},P2={a1′},P3={a2′},P4={X5′,X6′,X7′},P5={a ′}。

4.5 事故发生的原因分析

根据最小割集的求取,每个最小割集都是顶端事件发生的一种途径,任何最小割集中的基本事件全部发生都会导致顶端事件的发生即引起瓦斯爆炸。如T 展开式中a ?a1?a2?X1?X5项,当X1(局部通风机断电停风)发生,则发生瓦斯积聚;满足条件a1即瓦斯浓度达到爆炸浓度,则瓦斯具有爆炸性;当X5(放炮火源)满足条件a2即达到爆炸能量成为引爆火源;引爆火源与爆炸性瓦斯相遇满足条件a 时则必然导致T 发生(瓦斯爆炸)。

5 安全技术措施

根据最小径集的求取,只要事故树的最小径集中有一个最小径集不发生,顶端事件就不会发生。根据T ′展开式说明预防掘进工作面瓦斯爆炸的途径有以下5个:

(1) 若X1′?X2′?X3′?X4′不发生，事故(T)就不会发生。矿井应选择合理的通风系统，科学管理通风，并消除井下串联风和循环风，使井下保持足够的风量和风速，避免瓦斯积聚，使掘进工作面瓦斯体积分数达到《煤矿安全规程》的要求。

(2) 使a1′不发生。应加强掘进工作面瓦斯浓度检测，准确掌握瓦斯体积分数的变化，是防止掘进工作面瓦斯爆炸的重要手段。掘进工作面要配备一定数量的瓦斯检验员和瓦斯自动监控设备，矿井要认真执行《煤矿安全规程》的相关规定。掘进工作面应该有及时处理瓦斯超限的措施。如果掘进工作面瓦斯体积分数超限，必须采取有效措施，及时处理超限瓦斯，保证掘进工作面的安全。

(3) 若X5′?X6′?X7′不发生,就不会出现火源,瓦斯爆炸事故就不会发生。严禁掘进工作面工人携带引火物下井，并加强井下火区管理，严禁掘进工作面明火和明电照明。掘进工作面电器设备要具有良好的防爆性能，加强电器设备的安全管理，

完善掘进工作面电器

设备的保护措施，防止电缆的破损，检修电器设备时严禁带电作业。掘进工作面必须使用合格的煤矿许用炸药和电雷管，严格按照《煤矿安全规程》装药和放炮，严格执行“一炮三检”的放炮制度。

(4) 使a2′不发生,应采取与使X5′?X6′?X7′不发生的相同措施。

(5) 使a′不发生。认真落实“安全第一，预防为主”的方针，采取有效措施，治理和控制掘进工作面瓦斯爆炸的隐患。加强干部职工的安全技术培训制度，提高职工的安全技术素质，建立健全各种规章制度，杜绝违章指挥、违章作业，并加大安全检查力度。

6 结论

(1)通过求出事故树的最小割集，就可以知道事故发生的最少途径有多少个。由于一个最小割集就是事故发生的一个途径，如果事故树的最小割集越少，说明导致事故发生的可能途径就越少，系统的危险性就越小；相反，事故树的最小割集越多，说明导致事故发生的可能途径就越多，系统的危险性就越大。如果最小割集中包括的基本事件个数越多，说明发生事故的可能性越小。反之则事故发生的可能性就越大，因此对这些基本事件要重点控制和改善。

(2)事故树最小径集中的基本事件都不发生，那么顶端事件就不会发生。通过求出事故树的最小径集，就可以知道控制哪几个基本事件使顶端事件不发生。事故树最小径集中包括的基本事件越多，那么事故就越难控制，反之就越容易控制。

第五章预防掘进工作面瓦斯爆炸措施

5.1 消除或避免管理缺陷

（1）煤矿企业领导必须高度重视牢固树立“安全第一”的思想，确实把安全工

作放在首位，坚持“以人为本”，充分发挥人在安全生产中的作用。强化以“安

全第一，预防为主”为其唯一价值观的正面安全文化场，提高从业人员的安全

角色意识和安全角色能力，形成对安全生产特别是“一通三防”的全员全方位、

全过程管理。减少或消除人的不安全行为和物的不安全状态以及由人的不安全行

为而造成的物的不安全状态和不安全的生产作业环境，从而消除或避免企业安

全管理缺陷和管理失职。

（2）建立健全并从组织制度、基础条件、教育培训、管理机制、奖惩激励五个

方面认真落实好各项安

全生产规章制度和操作规程，从组织制度上消除或避免管理缺陷和管理失职。5.2杜绝井下火源

5.2.1 防止明火

（1）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。

（2）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。

（3）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。回风巷不准施焊作业。

（4）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。（5）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。5.2.2 防止出现爆破火焰

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）严格执行：“一炮三检”制度。

5.2.3 防止出现电火花

（1）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。

（2）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。杜绝“鸡爪子”、“羊尾巴”和明接头。

（3）局部通风机开关要设风电闭锁、瓦斯电闭锁装置、检漏装置等。

（4）发放的矿灯要符合要求；严禁在井下拆开、敲打和撞击灯头和灯盒。

5.2.4 其他引火源的治理

（1）矿井中使用的如塑料、橡胶、树脂等高分子材料制品，其表面电阻应低于

规定值。

（2）禁止一切非生产需要的火源入井；对生产中可能出现的热源严加管理，防止热源产生或限定其引燃瓦斯的能力。

5.3 防止瓦斯积聚的措施

（1）严格执行“以风风产，监测监控，先抽后采”的瓦斯治理方针。

（2）矿井通风是防止瓦斯积聚的基本措施。有效稳定的和连续的通风是稀释和排出井下瓦斯的保证。必须按要求建立和完善矿井通风系统，保证工

作面有足够的风量；加强局部通风管理、风筒管理；强化对巷道贯通、石门揭煤、采掘工作面过地质构造带、工作面停复产、盲巷排放瓦斯、开起火区或密闭等的通风安全管理，使井下瓦斯浓度符合《规程》要求。

（3）严格执行瓦斯检查制度。并严格遵守《规程》的有关规定。

（4）严格执行《规程》中有关瓦斯浓度的规定和瓦斯超限和局部瓦斯积聚。（5）对于采用通风方法不能解决瓦斯超限问题的矿井或工作面，必须进行瓦斯抽放。

第六章结论

（1）基本事件，从瓦斯爆炸事故树来看。，充分说明事故的可能性与危险性都很大。其中每一组最小割集都只含有两个基本事件。只要任意一组最小割集发生就会引起采煤工作面瓦斯爆炸。

（2）从瓦斯爆炸成功树可看出，只要每个最小径集的基本事件都不发生，就能控制事故不发生。系统中最小径集越少，则系统越不安全，采煤工作面瓦斯爆炸只有两个最小径集，说明采煤工作面是一个相对不安全的系统。求出了系统的全部最小径集，就知道有几种控制系统事故的方案，即可以拟订2种处理方案，这2种途径均使事故可能不发生。从这2个最小径集中可以看出，事件最少的是P

，

1为控制瓦斯爆炸的最优途径。

所以应视P

1

（3）由危险重要度分析得知，随意关电、摩擦火花、矿灯出火等都是在采煤

工作面最危险的行为。而这些都可以通过加强人员的管理而控制的。

综合以上分析可知，为确保煤矿安全生产，除将瓦斯浓度控制在其爆炸范围（5％～16％）内，杜绝一切火源是最重要的。同时，还要加强瓦斯检查力度，严防瓦斯聚集。此外，事故树中的基本事件不一定就是终极事件，有时还应根据具体的情况和要求对其进行更深入的分析。