摘要:運(yùn)用系統(tǒng)安全學(xué)原理和事故致因理論，結(jié)合煤礦瓦斯爆炸的 特點(diǎn)，給出了瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)性的半定量評價(jià)模型，對煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)作了初步的研究。通過事前對瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行可靠性評價(jià)，將對瓦斯爆炸預(yù)防和礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞:瓦斯爆炸;不安全系數(shù);可靠性;風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

煤炭是我國第一大能源，占一次性能源的70%左右。由于我國煤炭分布范圍廣泛，埋藏地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭生產(chǎn)一直受到各種災(zāi)害，如瓦斯、火災(zāi)、水災(zāi)、煤塵及冒頂?shù)鹊耐{，其中尤以瓦斯爆炸事故后果最為嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國采礦企業(yè)每年因傷亡事故所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)20億元人民幣。如果能在事前對瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行正確評價(jià)，將對瓦斯爆炸預(yù)防和安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前煤礦風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法存在相當(dāng)大的經(jīng)驗(yàn)成分，很少對危險(xiǎn)源評價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)建立了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，來分析評價(jià)煤礦瓦斯爆炸重大危險(xiǎn)源以及瓦斯爆炸的發(fā)生概率。
1煤礦瓦斯爆炸的特征及危害
1.1瓦斯爆炸的形成條件
煤礦瓦斯爆炸的重大危險(xiǎn)源主要是甲烷，瓦斯爆炸的必要條件有:①甲烷積聚超限且濃度達(dá)到5%一15%;②空氣中氧含量大于12%;③引燃引爆熱源必須大于甲烷最小點(diǎn)燃溫度650-750℃。在一般的礦井條件下，氧濃度是滿足的，只要積聚的瓦斯達(dá)到爆炸濃度范圍，同時(shí)具有引燃熱源，就有發(fā)生瓦斯爆炸事故的可能。
煤礦井下瓦斯在不同濃度下危險(xiǎn)程度是不同的，根據(jù)2005年3月國家煤礦安全監(jiān)察局頒布的《煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)五十條》，現(xiàn)將瓦斯積聚嚴(yán)重程度分為以下4種狀態(tài)，并予以處理。如表1所示。

瓦斯的引燃溫度為650 -750℃，最低點(diǎn)燃能量為0. 28 m J，明火、煤炭自燃、電弧(4 000℃)、電氣火花、赤熱的金屬表面、吸煙、撞擊火花、磨擦火花，甚至靜電產(chǎn)生的火花等煤礦井下所能遇到的絕大多數(shù)火源都足以引燃瓦斯。所以，考察火源嚴(yán)重程度主要是看該火源在危險(xiǎn)的瓦斯環(huán)境下暴露的頻率。如表2所示。

1.2瓦斯爆炸的危害
礦井瓦斯爆炸是受限空間的爆炸，它的傳播和影響范圍特別大，往往造成重大的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。分析其危害主要為:高溫、沖擊波和有害氣體。
高溫。瓦斯爆炸會產(chǎn)生高溫的焰面。焰面是巷道中運(yùn)動著的化學(xué)反應(yīng)區(qū)和高溫氣體，其速度大、溫度高。正常的燃燒速度為1－2.5 m/s,爆轟時(shí)傳播速度可達(dá)2 500 m /s。焰面溫度高達(dá)2 150－2 650℃。焰面經(jīng)過之處，人被燒傷或大面積燒傷，可燃物被點(diǎn)燃而發(fā)生火災(zāi)。
沖擊波。瓦斯爆炸會產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，沖擊波鋒面壓力可由幾個(gè)大氣壓到20個(gè)大氣壓，前向沖擊波疊加和反射時(shí)可達(dá)100個(gè)大氣壓。其傳播速度總是大于聲速，所到之處會造成人員傷亡、設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施損壞、巷道跨塌。
有害氣體。瓦斯爆炸后生成大量的有害氣體，某些煤礦分析爆炸后的氣體成分為:O2濃度6%-10%; N2濃度82%-88%;CO2濃度4%-8%; CO濃度2%-4%。如果有煤塵參與爆炸，CO的生成量更大，往往成為人員大量傷亡的主要原因。

2煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型
2.1瓦斯爆炸的“人一機(jī)一環(huán)境”系統(tǒng)
事故致因理論認(rèn)為:人、機(jī)(物)和環(huán)境這3個(gè)因素在同一時(shí)間和空間兩兩相遇時(shí)才可能發(fā)生事故。圖1是危險(xiǎn)因素組成的瓦斯爆炸人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)圖，圖中兩圓交叉部分為事故易發(fā)生區(qū)，而3個(gè)圓相交部分為事故高發(fā)區(qū)。

2.2瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型
為了研究煤礦瓦斯爆炸事故的危害，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及系統(tǒng)安全性的技術(shù)途徑，在對瓦斯爆炸的“人一機(jī)一環(huán)境’，系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、可行性和可比性的原則，建立危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。同時(shí)根據(jù)礦井瓦斯爆炸的特點(diǎn)和以往事故原因的分析，參照其他行業(yè)的評估方法，提出煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型方程：H＝KD /6 (1)
式中H—危險(xiǎn)源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度;H的范圍:0 K—系統(tǒng)不安全系數(shù);
D—系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度。
為使H的值標(biāo)準(zhǔn)化即處在0和1之間所以將KD的值再除以6。
很明顯，有了危險(xiǎn)源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度H，便可得出瓦斯爆炸可能性的大小?，F(xiàn)用自然語言去描述危險(xiǎn)源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度H，見表3。

2.2.1系統(tǒng)不安全系數(shù)K的確定
根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，系統(tǒng)不安全系數(shù)應(yīng)該是人、機(jī)、環(huán)境的不安全系數(shù)的交集，本應(yīng)按照概率論的方法去計(jì)算，但為簡便起見，現(xiàn)采用下面的方法去估算K，即:
K＝(P1+P2+P3)/3 (2)
式中P1—人的不安全系數(shù);
P2—機(jī)的不安全系數(shù);
P3—環(huán)境的不安全系數(shù)。
(1)系統(tǒng)的不安全系數(shù)具有模糊性。瓦斯爆炸破壞性很強(qiáng)，事故現(xiàn)場難以保護(hù)，因此歷次事故的真正原因不是很準(zhǔn)確;加之長期以來我國對設(shè)備故障率未作系統(tǒng)分析，很難收集這方面的資料。因此瓦斯爆炸基本事件具有模糊性。也就是說人、機(jī)、環(huán)境的不安全系數(shù)具有模糊性。所以，我們可對某煤礦的人、機(jī)、環(huán)境的不安全系數(shù)作自然語言判斷，然后采用特爾斐(Delphi)法將這些自然語言數(shù)字化，得到人、機(jī)、環(huán)境的不安全系數(shù)P1、P2、P3。
對一基本事件的的危險(xiǎn)程度，我們可用自然語言集A＝{嚴(yán)重，中等，一般}中的一個(gè)值表示。根據(jù)特爾斐(Delphi)方法，我們將自然語言集A大致映射成相應(yīng)的數(shù)值集C={0.6,0.3,0.1}。
(2)對人、機(jī)、環(huán)境的不安全系數(shù)P, ’PI ’P3的評估方法。
對人的因素進(jìn)行評價(jià)時(shí)，主要對人的素質(zhì)進(jìn)行評估。評估時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面:①領(lǐng)導(dǎo)安全意識及管理者接受安全教育和培訓(xùn)情況;②管理者的安全管理水平;③對安全技術(shù)、安全教育的資金投入情況;④安全機(jī)構(gòu)及人員配備情況;⑤職工安全教育和培訓(xùn)情況;⑥職工自救能力;⑦安全部門的職能是否得到有效發(fā)揮。
對機(jī)的不安全狀態(tài)因素分析。導(dǎo)致瓦斯爆炸的機(jī)的因素很多，評估時(shí)主要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行評估:①通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性;②生產(chǎn)設(shè)備安全可靠性；③儀器儀表完好率及安全可靠性;④瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)及其有效性;⑤電氣防爆及防靜電能力;⑥電力系統(tǒng)的安全可靠性;⑦安全投入資金的多少。
對環(huán)境的不安全狀態(tài)因素分析。導(dǎo)致瓦斯爆炸的環(huán)境因素比較復(fù)雜，評估時(shí)主要參照以下幾個(gè)方面:①瓦斯的抽放情況;②作業(yè)場所的溫度濕度;③有害氣體和粉塵的濃度;④作業(yè)場所的風(fēng)速、風(fēng)量;⑤作業(yè)場所的安全出口;⑥地質(zhì)構(gòu)造情況;⑦消防管路情況;⑧防爆、隔爆設(shè)施的情況。
通過上面的評估標(biāo)準(zhǔn)，我們可以給出人、機(jī)、環(huán)境的不安全程度的自然語言，從而得出P1 ,P2,P3的值，繼而我們可算出系統(tǒng)不安全系數(shù)K的值。
2.2.2系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)度D的估算
風(fēng)險(xiǎn)度的值為事故概率與事故后果的乘積，由于煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中與生產(chǎn)安全有關(guān)的因素較多，本文中風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算采用格雷哈母提出的LE C法，即:
D=LEC (3
式中D—風(fēng)險(xiǎn)度;
L—發(fā)生事故的概率;
E—作業(yè)場所人員密度;
C—事故嚴(yán)重度。
(1)發(fā)生事故概率L的確定。確定發(fā)生事故的概率時(shí)，為簡化評價(jià)過程，可采取半定量方法。首先對導(dǎo)致瓦斯積聚的可能因素進(jìn)行分析，然后對引燃瓦斯爆炸的可能因素進(jìn)行分析。根據(jù)瓦斯爆炸的條件，氧氣濃度的因素在井下各作業(yè)地點(diǎn)是滿足要求的，評估時(shí)可不予考慮。綜合以上兩種可能因素得到10種有效的組合方式，然后按照不同組合方式的可能性給予不同的指標(biāo)。

(2)作業(yè)場所人員密度E的確定。根據(jù)作業(yè)場所人員的多少，給予E不同的值，確定方法如表5。

(3)事故嚴(yán)重度C的確定。瓦斯爆炸的后果是造成人員傷亡、設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施損壞及巷道的垮塌。為簡化計(jì)算，對C值不再分級，取值為1。

3結(jié)論
在礦井瓦斯爆炸研究中，建立定量的分析模型，對礦井瓦斯爆炸進(jìn)行定量分析是十分必要的，它可以量化礦井瓦斯爆炸的可能性，為防止瓦斯爆炸提供量化指標(biāo)。并可以對瓦斯爆炸發(fā)生的原因作出明確的認(rèn)定，從而進(jìn)行積極的預(yù)防和監(jiān)控。