孫 悅，江澤標(biāo)，彭 鑫，羅朝義，張海清，孫光裕

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基于FTA-AHP方法的煤礦水災(zāi)事故分析

孫 悅1，江澤標(biāo)1，彭 鑫1，羅朝義2，張海清3，孫光裕1

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中國石化貴州分公司，貴州 貴陽 550002；3.中鐵二十局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 710016)

水災(zāi)事故在煤礦事故中占據(jù)著一定的比例，對煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的危害。通過對貴州省水災(zāi)事故典型案例的分析總結(jié)，結(jié)合FTA-AHP法對礦井水災(zāi)事故進(jìn)行分析與研究，分析得出影響事故發(fā)生的相關(guān)因素，構(gòu)建水災(zāi)事故樹模型，并運(yùn)用最小割、徑集對礦井水災(zāi)事故進(jìn)行定性分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行層次分析法研究，建立層次結(jié)構(gòu)體系，確定各事件的相關(guān)指標(biāo)，得出各基本事件的權(quán)重，為礦井水災(zāi)的預(yù)防和控制提供相關(guān)參考。

煤礦水災(zāi)；事故樹；層次分析法

0 引 言

當(dāng)前，我國煤礦生產(chǎn)中，水災(zāi)事故作為一種主要的災(zāi)害事故類型時有發(fā)生。水災(zāi)事故一旦發(fā)生，將導(dǎo)致井下作業(yè)人員的傷亡，設(shè)備損壞及財產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)。因此，對已發(fā)生的礦井水災(zāi)事故進(jìn)行分析，了解事故發(fā)生原因，對于今后的煤礦水災(zāi)事故的預(yù)防可起到十分重要的作用。

貴州省的煤炭資源十分豐富，相當(dāng)于我國南方12個省的總和，名列全國第5位。煤炭作為貴州省的支柱性產(chǎn)業(yè)，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)豐厚，但同時煤礦事故也是經(jīng)常發(fā)生且危害較大，當(dāng)前針對煤炭事故的相關(guān)研究也較多。傅貴，楊春，殷文韜[1]等學(xué)者主要借鑒國外行為安全理論的應(yīng)用經(jīng)驗，并以行為安全“2-4”模型為理論依據(jù)，主要對煤礦重特大水災(zāi)事故中人的不安全動作原因進(jìn)行分析研究。凌標(biāo)燦[2]等學(xué)者分析了煤礦水災(zāi)事故發(fā)生的必要條件，事故相關(guān)類型及因素，并對安全評價內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的探討。仇海生，楊春麗，馬立爽，李旭[3]主要根據(jù)相關(guān)典型事例，編制出水災(zāi)事故樹，對煤礦水災(zāi)事故進(jìn)行了研究。傅貴，楊春[4]主要對煤礦水災(zāi)不安全動作等原因進(jìn)行了研究。王長申，孫亞軍，杭遠(yuǎn)[5]用事故樹方法對復(fù)雜的煤礦突水危險性進(jìn)行專項安全評價。文獻(xiàn)[6?15]主要講述了應(yīng)用事故樹法與層次分析法相結(jié)合的方法在各個領(lǐng)域應(yīng)用的案例。

當(dāng)前，將事故樹法與層次分析法相結(jié)合起來的應(yīng)用較多，并且在各個領(lǐng)域都有涉及，本文在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，主要針對貴州省近10年比較突出的礦井水災(zāi)事故，并應(yīng)用FTA-AHP方法進(jìn)行分析研究，首先進(jìn)行事故樹分析，事故樹分析為層次分析法機(jī)構(gòu)體系各層構(gòu)建提供事件因素，層次分析法又可計算出各事件的對應(yīng)權(quán)重，并對礦井水災(zāi)事故進(jìn)行分析。

1 貴州水災(zāi)事故實例

就貴州省近10年煤礦發(fā)生的事故來說，水災(zāi)在總事故中所占比例不容小覷，其中晴隆縣中營鎮(zhèn)新橋煤礦“6.17”重大透水事故，平塘縣牛棚煤礦“7·2”重大突水事故這兩個事故是相對較大的事故。

2009年6月17日，晴隆縣中營鎮(zhèn)新橋煤礦發(fā)生透水事故，造成9人死亡4人失蹤。事故的主要原因是在發(fā)現(xiàn)明顯透水預(yù)兆的情況下，未采取探放水措施并違章安排工人在受水害威脅區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，使老窯積水透入井下導(dǎo)致事故發(fā)生。

2011年7月2日，平塘縣牛棚煤礦“7·2”重大突水事故，造成2人死亡21人困于井下，此次事故是近10年來貴州最大的一次礦井水災(zāi)事故。事故主要原因是事故前持續(xù)降雨使航龍河水陡漲，地表水通過斷層、裂隙、巖溶管道、老硐等導(dǎo)水通道導(dǎo)入井下，使東部采空區(qū)積水量、水位上升、水壓增大，大量積水引發(fā)突出而造成事故。

通過對相關(guān)礦井水災(zāi)事故案例的分析，對導(dǎo)致礦井水災(zāi)事故的原因有了初步了解，并繪制事故樹，進(jìn)行層次分析法分析，提出相應(yīng)對策措施。

2 煤礦水災(zāi)事故樹分析

事故樹分析法(FTA)，是一種演繹的系統(tǒng)安全分析方法。它是從要分析的特定事故開始即頂上事件，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因，即事故樹的底事件(基本事件)為止。

2.1 構(gòu)造事故樹

通過對平塘縣牛棚煤礦“7·2”重大突水事故，晴隆縣中營鎮(zhèn)新橋煤礦“6.17”重大透水事故等相關(guān)典型事故原因的分析，總結(jié)引發(fā)煤礦水災(zāi)事故發(fā)生的主要因素，并繪制出事故樹分析圖，如圖1所示，圖中相關(guān)序號為事故樹的基本事件，名稱如表1所示。

圖1 礦井水災(zāi)事故樹

表1 基本事件表

2.2 最小割集分析

最小割集是能引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件集合。對圖1事故樹利用布爾代數(shù)法化簡所得的結(jié)果為：

T=A1·A2·A3=(A4+A5)·(X18+A6+A7)·(X24+A8)=(A9+A10+

A11+A12+A13)·(X18+X19·X20+X21+X22+X23)·

(X24+A14+A15+A16)=……

由計算可得，最小割集數(shù)量為1105個，分別為：{X1,X18,X24}；{C1,X8,X18,X24}；{X4,X18,X24} {X2,X18, X24}；……{X16,X20,X43}；{X17,X19,X43}；{X17, X20,X43}。最小割集反映了整個系統(tǒng)的危險性，最小割集數(shù)量越多，反映系統(tǒng)危險性越高。

2.3 成功樹和最小徑集分析

成功樹即事故樹的反事件，成功樹能成功防范事件。根據(jù)礦井水災(zāi)事故樹來構(gòu)建礦井水災(zāi)成功樹，由布爾代數(shù)法計算其成功樹所得結(jié)果為：

T′=A1′+A2′+A3′=A4′+A5′+X18′·A6′·A7′+X24′·A8′=

A9′·A10′·A11′·A12′·A13′+X18′·(X19′+X20′)X21′·X22′·X23′+

X24′·A14′·A15′·A16′=X1′·X2′·X3′·X4′·X5′·X6′·X7′·(C1′+

X8′·X9′·X10′)·X11′·X12′·X13′·X14′·X15′·X16′·X17′+

X18′·X19′·X21′·X22′·X23′+X18′·X20′·X21′·X22′·X23′+

X24′·X25′·X26′·X27′·X28′·X29′·X30′·X31′·X32′·X33′·(X34′+

X35′+X36′+X37′+X38′+X39′+X40′+X41′)·X42′·X43′

根據(jù)計算可得其最小徑集的數(shù)量為12個。最小徑集代表了系統(tǒng)的安全性，為控制事故提供了依據(jù)，從最小徑集中發(fā)現(xiàn)了預(yù)防礦井水災(zāi)的途徑有12條。

2.4 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度分析是從事故樹結(jié)構(gòu)上入手分析各基本事件的重要程度。本文主要用最小割集、最小徑集這兩種方法分別來判斷排序。

(1) 最小割集結(jié)構(gòu)重要度。根據(jù)最小割集來判斷結(jié)構(gòu)重要度大小排序為：

I[X18]=I[X19]=I[X20]=I[X23]>I[X21]=I[X22]>

I[C1]>I[X24]=I[X25]=I[X26]=I[X27]=I[X28]=

I[X29]=I[X30]=I[X31]=I[X32]=I[X33]=I[X42]=

I[X43]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]=

I[X7]=I[X11]=I[X12]=I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]=

I[X17]>I[X8]=I[X9]=I[X10]>I[X34]=I[X35]=I[X36]=

I[X37]=I[X38]=I[X39]=I[X40]=I[X41]。

(2) 最小徑集結(jié)構(gòu)重要度。根據(jù)最小徑集來判斷結(jié)構(gòu)重要度大小排序為：

I[X18]=I[X19]=I[X20]=I[X23]>I[X21]=I[X22]>I[X24]=

I[X25]=I[X26]=I[X27]=I[X28]=I[X29]=I[X30]=I[X31]=

I[X32]=I[X33]=I[X42]=I[X43]>I[X34]=I[X35]=I[X36]=

I[X37]=I[X38]=I[X39]=I[X40]=I[X41]>I[X1]=I[X2]=

I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]=I[X7]=I[X11]=I[X12]=I[X13]=

I[X14]=I[X15]=I[X16]=I[X17]>I[C1]>I[X8]=I[X9]=I[X10]。

通過結(jié)構(gòu)重要度的分析不難看出，X18水倉未清理、X19施工質(zhì)量低劣、X20鉆孔位置誤穿老空區(qū)、巷道，X23井巷置于不良地質(zhì)條件中，這些事件其結(jié)構(gòu)重要度最大，在系統(tǒng)中占的位置比例較大。因此在預(yù)防礦井水災(zāi)事故中要對水倉及時清理，要嚴(yán)控施工質(zhì)量關(guān)卡，在實際施工過程中要嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行施工，同時提前勘探好礦井周圍的水文地質(zhì)條件，確保井巷位置處于合適的地質(zhì)體中。

3 煤礦水災(zāi)事故層次分析

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法(簡稱AHP)是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。通過礦井水災(zāi)事故樹分析得到層次分析結(jié)構(gòu)體系，礦井水災(zāi)事故作為目標(biāo)層，礦井積水超過安全范圍、涌入通道排水能力不足、防排水設(shè)施故障、管理不嚴(yán)格、防水措施失效作為準(zhǔn)則層，(準(zhǔn)則層中各因素構(gòu)建判斷矩陣i，共計有5個判斷矩陣)并將上述事故樹中各基本事件作為指標(biāo)層的各影響因素，構(gòu)建了礦井水災(zāi)事故層次結(jié)構(gòu)體系(見圖2)。

3.2 判斷矩陣一致性檢驗

采用1~9標(biāo)度法構(gòu)建相關(guān)判斷矩陣，經(jīng)過一系列的計算，得出相應(yīng)的判斷矩陣的各項相關(guān)指標(biāo)，其最大特征值，隨機(jī)一致性指標(biāo)，一致性指標(biāo)以及一致性比率相應(yīng)數(shù)值如表2所示，顯而易見，本文中所有的CR值均小于0.10，因此認(rèn)為層次分析法所得到的排序結(jié)果是具有滿意的一致性的。

3.3 權(quán)重

經(jīng)過相關(guān)的計算，礦井水災(zāi)事故的基本事件權(quán)重都有一個比較清晰的結(jié)果，各事件權(quán)重數(shù)值如表3 所示。

如表3所示，1到5為層次結(jié)構(gòu)分析體系中的準(zhǔn)則層，各判斷矩陣所對應(yīng)的各基本事件的相應(yīng)權(quán)重經(jīng)過計算所得。通過權(quán)重可以得出各事件的重要度，各事件對引發(fā)上層事件及總事件所占的比重。

3.4 結(jié)果分析

從層次分析法的分析結(jié)果來看，大氣降水和老窯積水是當(dāng)前引發(fā)礦井積水的主要原因。在實際的煤礦生產(chǎn)過程中，應(yīng)對煤礦所在地的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了解，對降水量大的地方應(yīng)做好防治水措施，提前預(yù)防；對于大氣降水所引發(fā)的采空區(qū)積水的防范尤其重要。保安煤柱的規(guī)范留設(shè)對礦井水災(zāi)的預(yù)防起著重要作用，對礦井內(nèi)設(shè)計的各類保安煤柱，一定要按規(guī)范設(shè)計并嚴(yán)格保護(hù)。同時應(yīng)對礦井配備相應(yīng)的探放水設(shè)備，從而有利于預(yù)防礦井水災(zāi)的發(fā)生。

圖2 礦井水災(zāi)事故層次結(jié)構(gòu)體系

表3 礦井水災(zāi)事故基本事件權(quán)重值

表4 判斷矩陣各項指標(biāo)

4 總 結(jié)

(1) 通過分析平塘縣牛棚煤礦“7·2”重大突水事故，晴隆縣中營鎮(zhèn)新橋煤礦“6.17”重大透水事故等相關(guān)事故，得出影響礦井水災(zāi)發(fā)生的相關(guān)因素，在此基礎(chǔ)上繪制出事故樹。

(2) 通過對礦井水災(zāi)的事故樹分析，從最小割集中得出引發(fā)煤礦水災(zāi)的原因有1105個，從最小徑集可以看出預(yù)防礦井水災(zāi)發(fā)生的途徑有12條。

(3) 通過層次分析法對礦井水災(zāi)進(jìn)行了定量分析，研究了各基本原因事件對礦井水災(zāi)事故的影響程度，對加強(qiáng)預(yù)防水災(zāi)事故的發(fā)生具有一定指導(dǎo)意義。

(4) 在生產(chǎn)工作中，要及時發(fā)現(xiàn)問題及時整改，把事故消滅在萌芽之前。

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(2018?09?25)