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基于事故树分析的矿井火灾危险性评价

2024-06-03 99 上传者：管理员

摘要：针对矿井生产条件，采用事故树分析方法，对矿井火灾危险性进行全面评价，通过构建事故树模型分析矿井火灾事故的成因、发展路径及后果，识别关键危险节点和风险因素，结合矿井实际生产情况对火灾危险性进行定量评估，提出了针对性的防控措施。研究结果表明，事故树分析方法能够有效识别矿井火灾的危险源和潜在风险，为矿井火灾预防和安全管理提供有力的支持，此结果对于提高矿井火灾危险性评价的准确性和有效性及促进矿井安全生产具有重要意义。

关键词：
事故树
危险性评价
矿业工程
矿井火灾
矿山安全生产技术
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系统安全分析是安全系统工程的核心内容之一，通过识别和评估作业场所中可能存在的有害因素和隐患可以帮助企业识别潜在的风险和危险，制定有效的安全措施和管理策略，提升作业场所的安全性和可靠性，降低事故与伤害的发生[1]。煤矿是一个危险性较高的行业，矿井火灾是一种极具破坏性和危险性的灾害，一旦发生不仅会引起矿井资源损失，还会造成矿井生产安全事故及人员伤亡[2]。矿井火灾安全评价不仅能够对矿井的生产环境、安全管理、消防设施等进行全面分析和评估，及时发现潜在的火灾风险[3,4],还可以加强矿井的安全管理，提高员工的火灾防范意识，确保矿井生产的安全和稳定[5]。

某矿井生产能力为1.2 Mt/a, 矿井设有混合提升斜井和一个回风斜井，两井筒兼做安全出口，矿井的开拓准备回采工程均已具备。矿井回风水平标高为+817 m, 运输水平标高为+767 m, 阶段垂高50 m, 井下布置一个双翼采区，以主井为界。西翼采区长890 m, 东翼采区长650 m, 主采2号煤层，3、7、8、13、15号煤层尚未揭露。矿井为低瓦斯矿井，通风系统前期为中央分列式，后期为分区式，由混合斜井进风，斜风井回风，风井井口标高为+1015.3 m。矿井容易时期负压为237.5 Pa, 困难时期负压为457.4 Pa, 所需风量20 m3/s, 主扇工作方式为抽出式。主扇风机配备两台，一台工作一台备用。煤层具有自燃发火倾向，当煤层氧化程度达到60%时易自燃，发火期3-6月。矿区水文地质条件简单，属大陆性干旱-半干旱气侯区，具有降水少、蒸发大及昼夜和冬夏温差大的特点。据气象站资料，历年年最大降水量为337.3 mm, 蒸发量1659.4 mm, 潮湿系数KB为0.203,应划属湿度过低带内。植被非常稀疏，区域内的地表径流赖以冰雪融水、雨水及沿途裂隙泉水补给，无地表发育水体。矿床位于当地侵蚀基准面和地下水位以下，附近无其他地表水体，亦无充水断层和烧变岩的存在。矿床直接充水岩层是富水性很微弱的煤系地层。据区域资料显示，钻孔单位涌水量远小于0.1 L/(s.m),现有矿坑总排水量仅50～90 m3/d, 预测+700 m水平的矿坑系统涌水量仅为131.41～236.54 m3/d, 远远小于5000 m3/d, 故该矿床水文地质类型确定为碎屑岩孔隙裂隙水类、水文地质条件简单的煤矿床。目前矿区生活饮用水及工业用水全部依靠水车从40 km外拉运，常备2罐车水作为应急所用。

1、煤层自燃防治评价

1.1 煤层自燃特性

井田内共见有可采煤层6层，煤层平均总厚10.29 m, 其中2号煤层为主采煤层，是井田内较稳定的煤层，位于上部层位，煤层厚度7.09～4.0 m, 平均厚度5.49 m, 结构简单，有透镜状泥岩夹矸1层，厚0.20 m, 煤层稳定，全区可采。煤层顶板为粉砂岩，底板为粉细砂岩，距离其下3号煤层22.27 m。

对煤层煤样进行着火点测试可以看出，井田内2号煤层的燃点降低值(ΔT)小于20 ℃,氧化程度60%,为最易自燃煤，测试结果见表1。

表1 煤着火点试验结果

1.2 自燃预测

测定2号煤层的变质阶段为0级变质阶段。该井田内主要可采煤层属低变质程度的长烟煤，煤质牌号为41号长焰煤。从井田内测试成果分析，以中灰-低灰、低硫-特低硫、低磷-中磷、中-高发热量为特征。区内煤层变质程度低，煤层中的镜质组易于氧化，丝质组份与镜质组份掺杂时容易自燃，说明煤层容易自燃火烧。因此在煤矿开拓开采过程中应及时清理井中残煤，封闭采空区，防止矿井火灾。

1.3 瓦斯爆炸风险研判

根据煤尘爆炸鉴定成果，火焰长度400±50 mm, 有煤尘爆炸危险性。收集矿山资料可知，该矿井瓦斯相对涌出量为2.81 m3/t, 二氧化碳相对涌出量为3.04 m3/t, 确定矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。随着开采深度加深，井下瓦斯涌出量将有增大之势。瓦斯爆炸的条件包括充足氧浓度、瓦斯积聚及高温火源，而井下明火、电气火花、摩擦、撞击、放炮产生的火花等通常为产生瓦斯爆炸的导火索。

该矿井以前及周边开采相同煤层的矿井均未发生过煤炭自燃，但实验室测试显示，煤层具有自燃发火倾向。当煤层氧化程度达到60%时易自燃，发火期3～6个月。按照《煤矿安全规程》规定，应装备监测自燃发火的传感器并采取相应的预防措施。

2、矿井火灾防治单元评价

2.1 矿井火灾危害

井下部分支护材料，如部分电缆、设备、各类油料、炸药都是可燃物，若遇火源则可能燃烧。而井下的爆破作业、机械摩擦、电流短路、烧焊及其他明火等都可能是引火的热源，一旦井下可燃物遇火源燃烧，将造成井下风流紊乱，引起风量分配的变化，导致瓦斯爆炸，造成人员伤亡及财产损失。矿井火灾事故可能发生在矿井的任何地点，易出现在回采工作面、掘进工作面、机电硐室、火药库及安有机电设备的巷道或工作面内，这是矿井安全管理的重点。

2.2 矿井火灾事故树的构造

矿井火灾事故具有突发性和意外性，常会造成严重后果。矿井火灾的发生需要3个条件，即有可燃物、有引燃火源或蓄热环境、人员处于火灾区。现采用事故树分析方法，建造事故树，分析可能导致事故发生的基本原因事件间的关系，求出最小割(径)集和各基本事件及结构重要度，为预防矿井火灾提供依据[6]。

矿井火灾事故树如图1所示。

图1 矿井火灾事故树

1)最小割集求解。

该事故树结构函数式为：

由事故树的结构函数式可知，该事故树共有4个最小割集，即有4种途径导致顶上事件(矿井火灾事故)的发生。4组最小割集分别为：

2)结构重要度分析。

3)结论。

该事故树的最小割集为4个，说明可能导致事故发生的可能性不大。只要加强预防措施，事故是可以避免的。最小割集共4个，其为控制顶上事件(矿井火灾事故)的发生提供了4个方面的选择。由于每个割集中包含的基本事件数不同，从利于控制和预防角度考虑，选择控制割集X1(火药)基本事件的发生作为矿井火灾事故预防重点。

3、自燃预防措施

开拓开采措施。工作面推进方向由采区边界向石门方向推进，工作面进、回风巷距离采空区较远，漏风小，对防止自燃发火有利。生产中应提高工作面煤的回收率，减少架后丢煤。回采工作面采用全部垮落法管理顶板，顶板不自行冒落时按要求人工强制放顶，使采空区较好的充填。采空区冒落后产生裂隙与地表导通，使工作面漏风，易发生煤层自燃，因此地面应进行回填堵漏，用黄土和黄泥灌浆，使采空区充填实，防止采空区漏风。回采顺序为先采上层煤后采下层煤，上层煤采过1.5个月后下分层方可进行回采。

通风措施。矿井配备氮气防灭火系统，提高矿井的抗灾能力。配备束管监测系统，便于及时掌握火区内的气体成份。回采工作面采完后及时封闭采空区，加强对采空区密闭的检查维护，防止漏风。定期检查矿井反风设施，以便在井下发生火灾时能迅速有效的进行反风。加强对井下通风巷道的维护，出现高冒区时，及时清理浮煤，加强支护。

监控、监测措施。配备安全监控和束管监测系统，便于及时撑握火区内的气体成份。做好工作面的防灭火预测、预报工作，定期检查回采工作面进、回风巷和工作面出煤点等地点煤壁的温度，发现高温点及时进行处理。加强对风流中一氧化碳的检测，及时预报并处理出现的问题。

瓦斯防治措施。建立瓦斯防治安全制度，严格执行瓦斯防治方面的各项制度，所有瓦检员必须持证上岗，严格执行定期培训复训，加强责任教育。要定期对瓦斯检测设备的探头进行标校，及时补充和更换受损的传感器，确保监控系统功能正常。定期检查和维护瓦斯防治单元的设备，严格做好用电设备管理，及时发现并处理故障，确保设备的正常运行。制定通风计划，按计划进行配风，采掘作业地点的风量均应大于通风设计的风量，使其能够稀释有害气体、供应新鲜氧气、维持正常气候环境功能。加强瓦斯防治教育，提高工人的瓦斯防治意识和应急处理能力。

4、结论

对矿井煤的自燃预测及分析测试表明，2号煤层氧化程度达到60%,煤层具有自燃发火倾向。采用事故树方法开展煤自燃安全评价，分析结果显示，该矿山发生火灾事故的可能性较小。从利于控制和预防的角度考虑，选择控制割集X1(火药)基本事件的发生作为矿井火灾事故预防的重点。针对分析结果，从开拓开采、通风、监测预警等方面提出火灾防治具体措施，为矿山安全生产提供有效的理论支持。

参考文献:

[1]林建广,雷明.以事故统计分析为基础的安全事故预控管理模式研究[J].矿业工程,2017,15(06):48-51.

[2]杨洋,颜爱华,王国栋,等.基于FAHP-MODM煤矿防灭火系统可靠性综合评价[J].煤炭工程,2023,55(09):116-121.

[3]李庭斌,郑宝鑫.矿井防灭火技术研究与应用[J].中国煤炭,2022,48(S1):148-152.

[4]杨夺,王珊珊.矿井内因火灾事故的事故树分析[J].煤炭技术,2010,29 (10):97-99.

[5]王允,王玉国,张辛亥.白石崖煤矿综采面火灾危险性及防治措施[J].陕西煤炭,2012,31(05):46-47,50.

[6]李峰鸽,刘小开.煤矿生产系统安全评价体系的构建及其应用[J].黑龙江科学,2023,14(18):83-85,89.

基金资助:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2021D01B34);

文章来源:常治国,耿新宇.基于事故树分析的矿井火灾危险性评价[J].黑龙江科学,2024,15(10):114-116.