周小祥，陳海英

(重慶交通大學 經(jīng)濟與管理學院，重慶 400074)

0 引言

近年來，全球能源消費結(jié)構(gòu)向清潔能源轉(zhuǎn)變的趨勢十分明顯，但在未來相當一段時期內(nèi)化石能源仍是能源消費絕對主力。煤炭開采作為一個巨復雜系統(tǒng)，瓦斯、頂板、火災、透水等安全事故頻發(fā)，造成了極大的社會不良影響和經(jīng)濟損失。因此，對煤礦安全事故進行危險源分析，建立事故致因模型，構(gòu)建評價預警體系，是煤礦安全管理中的重點。據(jù)統(tǒng)計，瓦斯事故占煤礦事故總數(shù)的35%以上，在重特大瓦斯爆炸事故中，瓦斯礦井的瓦斯爆炸事故占瓦斯爆炸事故總數(shù)的42%以上[1]。目前，針對瓦斯爆炸風險事故，國內(nèi)外學者從概率風險評價、專家系統(tǒng)、多因素算子風險評價、事故致因理論、危險源理論、安全行為管理學理論等出發(fā)對煤礦瓦斯爆炸事故做了細致深入的分析[2-6]。但煤礦瓦斯爆炸事故受諸多危險源的影響并且具有很大的不確定性，各因素間存在一定的層次性和模糊性，傳統(tǒng)的安全檢查表法、可靠性分析法對于全面客觀分析煤礦瓦斯爆炸事故影響機理及危害存在一定的局限性，而魚骨圖作為一種發(fā)現(xiàn)問題“根本原因”的方法，運用不遺漏、不重疊原則將問題層層進行分析，用這種方法分析事故，可以使復雜的原因系統(tǒng)化、條理化[7]，構(gòu)建起事故發(fā)生的因果鏈。

文章利用改進的對吻魚骨圖進行瓦斯爆炸事故致因分析，同時利用模糊數(shù)學原理解決專家評價主觀上的不完備性和模糊性，將兩者結(jié)合，建立起煤礦瓦斯爆炸事故鏈對吻魚骨全息模型，定量分析各個因素的影響權(quán)重，在此基礎上可對危險源進行分級分類管理，并采取針對性的預警措施，從而提高煤礦安全管理水平。

1 瓦斯爆炸事故機理分析

魚骨圖(Fish Bone Fig)又名魚刺圖或特性因素圖，因形狀與魚的骨架相似而得名，是日本東京大學的ISHIKAWA教授設計的一種找出問題潛在影響因素的方法[7]。魚骨圖廣泛應用于生產(chǎn)質(zhì)量管理領域，主要關注于找出潛在可能的問題。在安全風險管理領域，魚骨圖能夠詳細分層地分析安全事故發(fā)生的各種因素，找出風險發(fā)生事故鏈，但一般應用中僅分析了風險因素，對風險損失及其影響缺乏關注，筆者嘗試在進行事故分析時將風險發(fā)生的機理即風險三要素“風險因素—風險事件—風險損失”統(tǒng)籌加以考慮并以圖示進行表示，從而全面深入地查找引發(fā)事件的原因，展示因果關系和風險事件作用過程及其影響，形成改進的對吻魚骨圖。

1.1 瓦斯爆炸條件分析

從化學上看，瓦斯爆炸是一種熱-鏈式反應。當爆炸混合物吸收能量達到一定條件后，反應分子斷裂離解成2個或2個以上的自由基。此類游離基因化學活性強成為反應活化中心并持續(xù)進行反應，最后可能發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應。因此，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來說，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應。雖然煤礦瓦斯爆炸事故影響因素眾多，但就本質(zhì)來看，瓦斯事故的發(fā)生必須具備一定濃度的瓦斯、火源及氧氣3個基本要素[1]。

瓦斯?jié)舛冗_到閾值：研究表明，空氣中的瓦斯?jié)舛确秶?%～16%，就可能引起瓦斯爆炸，其中9.5%爆炸威力最強，7%～8%最易發(fā)生爆炸。造成瓦斯積聚的原因主要有通風不良、冒頂區(qū)瓦斯積聚、盲巷瓦斯積聚以及采掘面瓦斯積聚等。

高溫火源的存在：一般而言，當火源的溫度大于瓦斯燃點溫度650～750 ℃并能持續(xù)一定時間就容易引發(fā)劇烈反應(瓦斯最小點燃能量為0.28 mJ)。煤礦井下高溫火源主要有明火、摩擦撞擊火花、靜電、爆破火焰、電氣火花和煤炭自燃等。

氧氣充足：瓦斯爆炸另一必備條件要求就是空氣中的氧氣含量不低于12%。根據(jù)礦井通風的相關規(guī)定，井下空氣中氧濃度都必須在20%以上，因此，在分析煤礦瓦斯爆炸事故中，一般忽略氧氣含量這個基本要素。

1.2 瓦斯爆炸的發(fā)生機理及危害

瓦斯爆炸即可燃物瓦斯局部被點燃到燃燒快速傳播，短時間內(nèi)發(fā)生急劇的氧化反應，釋放大量能量，并對人員、設備及財產(chǎn)產(chǎn)生重大危害。

瓦斯一旦局部點燃即形成火焰鋒面，火焰鋒面一邊釋放熱量(熱量又加速反應進行)一邊傳播發(fā)展，速度也越來越快，從正常燃燒速度到爆轟式傳播速度，并伴隨高溫(焰面溫度可高達 2 000℃以上)。焰面經(jīng)過之處，造成人體皮膚和呼吸器官受損，電器設備也同時被燒壞，巷道內(nèi)的可燃物被點燃以致發(fā)生火災，進而造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

瓦斯爆炸還產(chǎn)生強烈的沖擊波。沖擊波由于速度大于音速，其鋒面壓力由幾個大氣壓到20個大氣壓，加之前向沖擊波疊加和反射作用導致氣壓更強。沖擊波所到之處造成人員創(chuàng)傷、設施設備損壞、冒頂、巷道損壞坍塌等，并可造成二次傷害。

瓦斯燃爆還將導致井下空氣成分發(fā)生變化，生成大量有害氣體(主要是一氧化碳)，成為瓦斯爆炸事故人員大量傷亡的主要因素之一。

1.3 瓦斯爆炸事故對吻魚骨圖

以大同煤礦集團四臺煤礦為例，分析瓦斯爆炸風險事故鏈機理，結(jié)合對瓦斯爆炸鏈鎖反應的本質(zhì)分析和文獻[9-12]，構(gòu)建了瓦斯爆炸事故對吻魚骨圖事故鏈全息模型，如圖1所示。從圖中可以看出，煤礦瓦斯爆炸事故受多種因素影響，同時也產(chǎn)生火焰鋒面、沖擊波和有害氣體等危害，一旦事故發(fā)生將造成重大損失。

2 瓦斯爆炸危險源風險定量分析模型

為利用層次分析法確定基本權(quán)重，引入九級標度法進行度量標度，提高兩兩比較形成初始互補判斷矩陣Rij，見表1。并利用模糊數(shù)學對不確定性因素處理的優(yōu)勢，進一步得到模糊判斷矩陣。

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故風險對吻魚骨圖

表1 九級標度

Rij=(rij)n×n,rij=1-rji

(1)

步驟1 求取模糊一致性矩陣

(2)

(3)

先對初始互補判斷矩陣求行的和，然后利用公式(3)進行改造，求取模糊一致性矩陣，此種改造解決了判斷矩陣一致性問題，符合實際中對風險多因素的邏輯處理，最大限度地避免了主觀因素對風險判斷結(jié)果的不利影響。

步驟2 求取各因素權(quán)重

(4)

(5)

利用公式(2)得到瓦斯爆炸危險源評價各指標的權(quán)重，并根據(jù)不同層指標的權(quán)重利用公式(5)最終得出相對于目標層的各個權(quán)重值。得出權(quán)重值后，可對單個指標權(quán)重進行排序，從而找到系統(tǒng)關鍵核心指標，進而采取有針對性的管控舉措。

3 實例分析

以大同煤礦集團四臺煤礦為例，應用上述模型和方法對瓦斯爆炸事故進行全面分析。分別邀請一線工人、安全管理人員、行業(yè)專家對危險源因素進行分析，并對危險源不可靠度進行打分和比較，得出該礦瓦斯爆炸事故影響因素及其事故樹,如圖2所示。因為打分具有主觀性和模糊性，因此采用第2部分建立的模糊層次分析法確定權(quán)重，經(jīng)統(tǒng)計計算，得到指標權(quán)重，見表2。

從表2可以看出，瓦斯檢測不準確X19、瓦斯排放施工人員不足X23、冒頂區(qū)瓦斯?jié)舛瘸轝11、瓦斯排放不符合規(guī)定X22、掘進工作面瓦斯?jié)舛却骕13、瓦斯監(jiān)測員不足X21等風險因素指標權(quán)重位居前列，是該礦瓦斯安全管理的核心和關鍵要素，需要特別有針對性地采取措施：加強對瓦斯抽放、檢測相關人員業(yè)務知識和安全知識的培訓考核，做到保障到位、按章操作、責任心強；加強對儀器設備的校準和維護，確保儀器設備正常運行和精度準確，提升設備的可靠性；加強對重點區(qū)域如冒頂區(qū)、掘進工作面的瓦斯?jié)舛葯z測和排放處理，確保井下作業(yè)環(huán)境的作業(yè)安全。以此為基礎，結(jié)合對事故最底層危險源(X1,X2,…,X38)風險發(fā)生可能性、危險源重要程度以及事故損失，可以將上述危險源分為4個等級來進行管理和控制，見表3，風險值排序越靠前，等級越高，表示越需優(yōu)先控制。

圖2 瓦斯爆炸事故風險事故鏈模型

表2 各指標含義及綜合權(quán)重

4 結(jié)論

(1)通過建立煤礦瓦斯爆炸事故風險對吻魚骨圖全息模型，能夠比較直觀地展示瓦斯爆炸事故機理，即瓦斯爆炸危險源—風險事件—風險損失，為后續(xù)開展量化研究和有針對性的預警措施奠定了基礎。對吻魚骨圖具有直觀性、系統(tǒng)性、層次性、綜合性等基本特點，對于全面分析事故原因和其影響以及事故發(fā)生過程是一種較好的分析方法。

(2)模糊數(shù)學方法能夠較為方便地用于處理煤礦瓦斯爆炸事故多因素影響定量評價，并在一定程度上克服了人員主觀評價的局限性，特別是通過模糊一致性改造，避免了矩陣計算過程中判斷矩陣不一致問題，較好地保證了權(quán)重系數(shù)的準確性和客觀性，實際計算中具有簡便性和實用性特點。

表3 瓦斯爆炸事故危險源風險等級劃分

(3)通過定性定量分析，可以將煤礦瓦斯爆炸危險源進行分級分類管理，從而制定有針對性的管控和預警措施，對于煤礦現(xiàn)場安全管理具有一定的借鑒意義。