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试验研究 煤矿瓦斯特征与风险评价 王文超 5
煤矿瓦斯特征与风险评价
王文超
中国矿业大学能源与安全工程学院 江苏省徐州市 221008
摘 要 该文根据事故致因理论 结合煤矿瓦斯爆炸的特征 对煤矿瓦斯的辨识作了一定的研究探讨 给出了瓦
斯爆炸风险性的半定量评价模型和瓦斯爆炸事故危险度的计算方法 所建立的模型可以量化矿井瓦斯爆炸可能
性 为防止瓦斯爆炸提供量化指标
关键词 瓦斯 危险源 辩识 风险评价
中图分类号 TD 712 文献标识码 A
The Discussions on Characteristics and Risk Assessment of the Gas in Mines
Wang Wenchao
China University of Mining and Technology Xuzhou Jiangsu 221008
Abstract Based on the principle of accident cause and the characteristics of gas explosion the analysis on gas
identification is carried out in this paper. The semi-quantification model of risk assessment on gas explosion and the
calculation method of danger degree are obtained, which can quantify the possibility of gas explosion and provide the
guideline of preventing gas explosion
Key words gas danger source identification risk assessment
1 引言
风险评价又叫危险评价或系统安全评价 目前使用的风险评价方法多达几十种 归纳起来主要有指
数评价方法 概率风险评价方法 安全综合评价方法 数值模拟方法 人工智能方法和神经网络方法等
常用的风险评价方法有相当大的经验成分 即从系统论的观点建立一个风险评价模型 从而去分析评价
煤矿瓦斯爆炸重大危险源以及瓦斯爆炸的发生概率 很少对危险源评价进行系统的研究 我国煤矿企业
安全生产状况十分严峻 重大恶性事故时有发生 百万吨死亡率是美国的 倍以上 是除中国以外世
100
界其它采煤国家死亡人员总数的 倍 重大恶性事故的频繁发生 造成了人民生命和国家财产的巨大损
5
失 对煤矿瓦斯重大危险源辩识与风险评价的要求与提高迫在眉睫
2 煤矿瓦斯重大危险源特征
煤矿的重大危险源主要是瓦斯 瓦斯主要以甲烷为主的有害气体构成的煤层气 在煤体或围岩中以
游离状态和吸着状态存在 瓦斯爆炸是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在火源诱发下发生迅猛的氧化
还原反应并伴随有强烈力学效应的现象 其方程式概括为 CH + 2O = CO
+ 2H O
4 2 2 2
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5% 16% 当瓦斯浓度低于5 % 时其遇火不爆炸 但能在火焰外围形成燃烧层 当瓦斯
浓度为9.5% 时其爆炸威力最大 瓦斯浓度在16% 以上时其失去爆炸性 但在空气中遇火仍会燃烧
当然 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
入等因素影响 煤矿井下瓦斯在不同浓度下危险程度是不同的 按照 煤矿安全规程 规定 瓦斯浓度
低于1 % 时是安全状况 高于1 % 时必须采取措施予以处理
瓦斯的引火温度即点燃瓦斯的最低温度 一般认为 瓦斯的引火温度为650 750 但因受瓦斯
浓度 火源性质及混合气体压力等因素影响而变化 当瓦斯含量在7% 8% 时最易引燃 当混合气体
压力增高时 引燃温度降低 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
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6 煤 矿 爆 破 2005 年第3 期总第70 期
火源的存在 是引起瓦斯爆炸的必要条件之一 0.28mJ 的点燃能量就足以引起瓦斯爆炸 因此 瓦斯
爆炸的点燃源是最难控制的因素
空气中的含氧量是影响瓦斯爆炸的另一个重要因素 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 空气混合气体失去爆炸性 这一性质对井下
密闭火区的管理有很大影响 在密闭火区内往往积存大量瓦斯 且有火源存在 如果有新鲜空气进入
就可能发生爆炸 因此 在启封火区时更应格外慎重 必须在火熄灭后才能启封
3 煤矿瓦斯重大危险源的风险评价模型
3.1 煤矿瓦斯爆炸的危险性因素分析和事故模型的建立
事故致因理论认为 瓦斯爆炸事故是由于物的不安全状态和人的不安全行为所引起的 它是物质
环境 行为等诸因素的多元函数 具体地说 影响事故是否发生及事故过程和结果的因素主要有五项
人 物 环境 管理和事故处置 图 描述了五项元素的事故树模型 用安全系统工程的内容分析 主
1
要是研究 人 机 环境 系统 解决这些基本因素如何作用而形成事故 造成损失
事 故
管理的原因
机的不安全 事
事故处理
条件 故
处
管 理 置
人的 环境的 情
不安全因素 不安全因素 况
人 物 环境
1 2
图 事故致因逻辑图 图 瓦斯爆炸 人 机 环境 系统图
人 机和环境这三个因素在同一管理背景中相交叉时才可能发生事故 人的不安全因素是事故的重
要致因 环境的不安全因素是事故的直接原因 是促成事故发生 提高事故机率或扩大事故的破坏程度
的因素 机的不安全条件是构成事故的物质基础 图 是危险因素组成的瓦斯爆炸 人 机 环境 系
2
统图 图中两圆交叉部分为事故低频率发生区 而三圆相交部分为事故高频率发生区
管理的原因即管理的缺陷 它有技术缺陷 劳动组织不合
理 现场工作缺乏 安全规程不到位 教育培训不够 人员选 确认危害
择和使用不当等等 管理上的缺陷是事故的间接原因 是事故
的直接原因得以生存的条件 在管理的大背景下 人 机 环 评估风险 健
境三个子系统联系构成了安全系统工程的研究对象 康
风险评估资料文件的建立 和
事故处置情况包括
安
1 对事故的异常征兆是否做出正确的判断和反应 全
2 一旦发生事故 是否能迅速地采取有效措施 防止事 执行控制测量 审
查
态恶化和扩大
确认危害
3 抢救措施和对负伤人员的急救措施是否妥当
显然 人 物 环境 管理和事故处置五项因素对事故的
控制测量的有效监控和检查
发生和发展起着制约作用 是在事故发生过程中出现的 对事
故的影响范围具有重要作用 3
图 风险评估的流程
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试验研究 煤矿瓦斯特征与风险评价 王文超 7
瓦斯爆炸的 人 机
环境 系统的风险发生机率计算与风险评估
3.2 — —
一般而言 瓦斯爆炸的 人 机 环境 系统的风险评估和控制包含六个阶段 如图 在某种环
3
境条件下进行作业时 总是具有一定程度的潜在危险 影响危险性的主要因素有三个 一是发生事故或
危险事件的可能性 二是暴露于危险环境中的时间 三是发生事故后可能产生的后果 因此 某种作业
条件的危险性为事故或危险事件发生的可能性 暴露于危险环境中的时间长短 事故或危险事件后
L E
果 三者的乘积 即系统的可控危险度
C
D L·E·C 1
由表1 3 可以得出 最大的系统可控危险度D =10000
为了研究煤矿瓦斯爆炸事故的危害 寻找系统的薄弱环节以及系统安全性的技术途径 在对瓦斯爆
炸的 人 机 环境 系统进行分析的基础上 根据科学性 系统性 可行性和可比性的原则 建立危
险源风险评价模型 本文根据矿井瓦斯爆炸的特点和以往事故原因的分析 参照其他行业的评估方法
提出煤矿瓦斯爆炸重大危险源风险评价模型方程
H = K·D / 6000 2
式中 为危险源系统的风险度 危险度 0 ≤1 为系统不安全系数 为系统的可控危险度
H H K D
很明显 有了危险源系统的风险度 我们便可得出瓦斯爆炸可能性的大小 为使人们对计算得出
H
的风险度 有一个比较明确的认识 用自然语言描述的危险源系统的风险度见表5
H
1 2
表 事故或危险事件发生的可能性分值 表 暴露于危险环境分值
事故或危险事件发生的可能性 分值L 暴露于危险环境的情况 分值E
完全会被预料到 10 连续暴露于潜在危险环境 10
相当可能 6 逐日在工作时间内暴露 6
不经常 但可能 3
每周一次或偶然的暴露 3
完全意外 极少可能 1
可以设想 但绝少可能 0.5 每月暴露一次 2
极不可能 0.2 每年几次出现在潜在危险环境 1
实际上不可能 0.1 非常罕见的暴露
0.5
3 4
表 事故后果分数值 表 危险等级的划分
可能结果 分值C 危险分数 危险等级及安全对策
大灾难 许多人死亡 100 >320 极其危险 停产整改
灾难 数人死亡 40
160~320 高度危险 立即整改
非常严重 一人死亡 15
70~159 显著危险 及时整改
严重 严重伤害 7
重大 致残 3 20~69 可能危险 需要注意
引人注目 需要救护 1 <20 稍有危险 一般可接受
5
表 危险源系统的风险度的对照表
瓦斯爆炸可能性 绝对可能 极可能 非常可能相当可能较大可能 有可能较小可能 很少可能 极少可能 不可能
风险度 值 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
H
3.3 系统不安全系数 的确定
K
根据系统论的观点 系统不安全系数是人 机 环境不安全系数的交集 应按照概率论的方法去计
算 但为简便起见 现采用下面方法估算 即
K
K = P1 + P2 + P3 / 3 3
式中 P1 为人的不安全系数 P2 为机的不安全系数 P3 为环境的不安全系数
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8 煤 矿 爆 破 2005 年第3 期总第70 期
由于瓦斯爆炸破坏性很强 事故现场难以保护 很难收集相关的资料 因此瓦斯爆炸基本事件具有
模糊性 也就是说 人 机 环境的不安全系数具有模糊性 所以 我们可对某煤矿的人 机 环境的
不安全系数作自然语言判断 然后采用Delphi 法将这些自然语言数字化 得到人 机 环境的不安全
系数 对一基本事件的危险程度 可用自然语言集 严重 中等 一般 中的一个值表示 根据特
A = { }
尔斐方法 将自然语言集 大致映射成相应的数值集
A C = {0.6 0.3 0.1}
对人的因素进行评价时 主要对人的素质 包括技术素质 文化程度和安全管理水平等进行评估
对机的不安全状态因素 主要评估主要生产设备完好率及安全可靠性 仪器仪表完好率及安全可靠性
通风系统及其安全可靠性 瓦斯监测系统及有效性 电气防爆及防静电能力 电力及压气系统的安全可
靠性 必要的安全投入
对环境的不安全条件因素进行分析 导致瓦斯爆炸的环境因素包括矿井内部环
境和社会环境 由干社会环境对评估系统的影响已在人 机 物 的因素中有所体现 故只对内部环境
因素进行分析 包括 作业场所的安全出口 作业场所的风速 风量 有害气体和粉尘的浓度 作业场
所的温度 瓦斯的抽放情况 地质构造情况 消防管路情况 隔爆设施情况
通过上面的评估标准 可以给出人 机 环境的不安全程度的自然语言 从而得出P1 P2 P3 的
值 继而算出系统不安全系数K 6
表 伤亡人员损失工作日
3.4 瓦斯爆炸事故严重度的计算
损失工作日 经济损失T2
评价事故的严重程度必须有一个可靠的参数来进 伤亡状况 日/人 万元/人
行度量 在此 本文依据安全经济学的基本理论 以事 死亡N1 6000 20
故的经济损失为标准来进行评价 我国进行安全评价 重伤N2 3000 10
时 事故的严重度标准将死亡 人的经济损失定为
1 20 轻伤N3 100 0.3333
万元 又据GB8441 86 企业职工伤亡事故处理指南
的规定 总结出伤亡人员的损失工作日和经济损失如表 则事故的严重度合成公式为
6
T = T1 + T2 = T1 + 6000 N1 +3000 N2 +100 N3 / 300 4
式中 T 为事故严重度 万元 T1 为事故造成的直接经济损失 万元 T2 为人员伤亡造成的经济损失
万元 N1 为事故中的死亡人数 N2 为事故中的重伤人数 N3 为事故中轻伤的人数
4 结束语
进行瓦斯爆炸辩识和风险评价 不仅可以减少和控制生产过程中的危险源 降低发生事故风险 提
高本质安全程度和安全生产 还可以为企业建立职业安全健康管理体系奠定良好的基础 并且提供科学
依据 本文根据安全系统工程学 事故致因理论 结合煤矿瓦斯爆炸的特点 对煤矿重大危险源的辨识
作了一定的研究探讨 给出了瓦斯爆炸风险性的半定量评价模型和瓦斯爆炸事故危险度的计算方法 所
建立的模型已通过具体案例分析证明是可行的 它可以量化矿井瓦斯爆炸可能性 为防止瓦斯爆炸提供
量化指标 并可以对瓦斯爆炸发生的原因作出明确的认定 从而进行积极的预防和监控 然而 由于瓦
斯爆炸是一种强烈的气体燃烧动力现象 其中涉及到爆轰物理 化学反应动力学 燃烧学及流体力学等
多方面的知识 由于这一现象的复杂性
当前仍有许多领域还处于研究探讨之中
参考文献
1 俞启香 矿井瓦斯防治 徐州 中国矿业大学出版社 1992
2 张甫仁 景国勋 矿山重大危险源评价及瓦斯爆炸事故伤害模型建立的若干研究. 工业安全与环保 2002
3 程伟 煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术 徐州 中国矿业大学出版社 2003
4 林柏泉 周延 刘贞堂 安全系统工程 徐州 中国矿业大学出版社 2005
5 林柏泉 安全学原理 北京 煤炭工业出版社 2002
6 中华人民共和国煤炭工业部 防治煤与瓦斯突出细则 北京 煤炭工业出版社 1995
7 王金波 陈宝智 徐竹云 系统安全工程.沈阳 东北工学院出版社 1992