基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究

第28卷第2期岩石力学与工程学报Vol.28No.22009年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2009收稿日期：2008–09–12；修回日期：2008–12–10基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400)；煤炭资源与环境科学技术创新引智基地资助项目(B07028)，江苏省博士后科研支助计划项目(0801029B)作者简介：王长申(1970–)，男，博士，1994年毕业于焦作矿业学院水文地质与工程地质专业，主要从事矿井水文地质、环境科学等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究王长申1，2，孙亚军1，2，杭远1，2(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221008；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)摘要：基于事故致因理论建立煤矿突水事故模型。煤矿突水事故危险源被分为突水水源、突水通道、突水诱因和应急失效4类；建立煤矿突水事故树模型，并提出基于事故树方法的煤矿突水危险性专项评价方法。以杨庄矿及其周边6个地方煤矿为例，识别周边地方煤矿可能诱发杨庄矿发生地表洪水、太原组灰岩水等突水的4类突水事故危险源，并以此建立杨庄矿突水事故树模型，求最小割集评价最危险突水路径，利用最小径集优化最有效防治措施。研究结果表明，有306种可使杨庄煤矿发生煤矿突水的基本事件组合，防止杨庄矿突水事故发生的有效途径是加强监管，杜绝地方煤矿穿层、越界等违规操作。事故树方法可以完成复杂煤矿突水危险性专项安全评价。关键词：采矿工程；矿井突水；事故致因理论；事故树分析；最小割集；危险性评价中图分类号：TD163文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)02–0298–08APPLICATIONOFFAULTTREEANALYSISTORISKASSESSMENTOFPOTENTIALWATER-INRUSHHAZARDSINCOALMININGWANGChangshen1，2，SUNYajun1，2，HANGYuan1，2(1.SchoolofResourcesandEarthSciences，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China)Abstract：Water-inrushisoneofthemostdifficultlypredictedandcontrolledminingaccidents.Onthebasisofaccident-causingtheory，theconceptualmodelofminewater-inrushisdeveloped；andtherisksourcesofminewater-inrushareclassifiedintoinrushwater-sources，inrushpassages，inrush-inducedfactorsandsalvagefailure.Basedonfaulttreeanalysis，thefaulttreemodelofminewater-inrushisconstructedandthemethodtoassesstheriskofwater-inrushisproposed.TakingYangzhuangMine，akeystate-ownedcoalmine，forexample，fourtypesofrisksourcesofwater-inrushfromsixsouthern-surroundinglocalminesareanalyzed；andthewater-inrushfaulttreemodelofYangzhuangMineisconstructed.Theleastcut-settofindoutthemostdangerouswater-inrushpathsisderived；andtheleastpath-settooptimizethemosteffectivewater-inrushcontrollingwayispresented.Theresultshowsthatthereare306kindsofpossiblewater-inrushcasesforYangzhuangMine；andthemosteffectivewayforcontrollingwater-inrushhazardsistostrictlyprohibitthelocalminesexceedingtheirpermittedandauthorizedboundaries.Itshowsthatthefaulttreeanalysiscanbeeffectivelyusedinsafetyassessmentofminewater-inrushaccidents.Keywords：miningengineering；water-inrushhazards；accidentcausingtheory；faulttreeanalysis；leastcut-set；riskassessment第28卷第2期王长申，等.基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究•299•1引言我国矿井多数都属于矿井水文地质条件复杂类型[1，2]。自20世纪70年代以来，共有250多个矿井被淹，1700多人死亡，经济损失高达350多亿元人民币[3]。近几年，随着越来越多的矿井进入深部开采阶段，矿井水文地质条件更加复杂，同时为了提高煤炭开采率、降低煤炭开采成本、减少水资源浪费，煤矿突水事故又呈现频率上升、危害增大的趋势。据不完全统计，自2000年以来的几年里共发生重特大突水事故473起，死亡及失踪人数达到2635人[3]。“危险性评价”，也称作“安全评价”，是利用系统工程方法对拟建或已有工程、系统可能存在的危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，并提出相应安全对策措施，以期达到工程和系统的安全运行[4]。在20世纪60年代，欧美等发达国家形成了以安全评价为目的、以系统工程为工具的安全系统工程理论；其危险识别、风险评价与控制是安全系统工程的主要内容。20世纪80年代初期，安全系统工程方法首先引入我国机械、冶金、航天等部门[4～9]。其中，较早地将更多安全系统工程方法介绍并应用于煤矿安全评价的是沈斐敏[5]。他系统介绍了事故树分析(faulttreeanalysis，FTA)、管理失误和风险树分析(MORT)、安全检查表(SCL)等评价方法及其在矿井火灾事故、瓦斯事故、冒顶事故、水灾事故及综合安全评价中的运用。2003年，我国颁布了《煤矿安全评价导则》[4]，煤矿水害是煤矿安全评价中的一项重要内容。目前，煤矿安全评价主要是通过矿井生产系统调查、专家打分/评分和安全检查表法等对矿井安全进行安全综合评价[4～7，10]。常用全检查表法的实质是依据《煤矿安全规程》、《矿井水文地质规程》等标准与规范法对矿井防治水技术与管理系统的质量进行评价，目的是评价煤矿是否具备安全生产所必需的生产条件。我国还没有成熟的煤矿突水事故模型和有效评价复杂或特殊条件下的煤矿突水危险性的专项安全评价方法。事故树分析(FTA)是20世纪60年代美国贝尔实验室的T.J.Watson等在图论基础上发展起来的逻辑分析法[4～6]，是一种从结果到原因描述事故的有向逻辑树图。其最大优点是可以分析事故深层原因，也是我国普遍使用的安全评价方法[5，6]。纪常伟等[11]基于事故树和神经网络建立航天器的智能诊断模型；丁彩红等[12]利用事故树最小割集和基本事件的结构重要度排序进行航天器故障定位；袁昌明[13]讨论了事故树中最小割集、最小径集的计算算法。基于煤矿突水原理与事故致因理论建立突水事故模型，本文提出基于事故树方法的煤矿突水事故树模型；以杨庄矿及其6个周边地方煤矿为工程背景，确定突水事故危险源，基于事故树法评价了由于周边6个周边地方煤矿开采引起的杨庄矿潜在突水危险。2煤矿突水事故模型依据煤矿突水原理和能量意外释放与人为失误理论，煤矿突水事故的发生是由于不合理生产过程使地表或地下水系统能量向井巷工程的意外释放造成的。不合理采矿活动是能量意外释放的诱因，不合理排水与安全救助措施加重了突水事故的灾害性，煤矿突水事故概念模型如图1所示。图1煤矿突水事故概念模型Fig.1Conceptualmodelofminewater-inrush在图1中，煤矿突水事故危险源可分为4类：第一类是突水水源，其能量以势能为主，地下水、地表水或老窑水水位、水压、水量表明危险物能量大小。第二类是突水通道，断层、陷落柱等天然突水通道及顶底板采动裂隙、人为钻孔等人为突水通道是能量释放途径；二者构成矿井水能量意外释放的物质条件，使矿井处于“不安全状态”。第三类突水诱因，即生产过程中技术、管理和操作漏洞、不安全行为非正常涌水量增加煤矿突水事故突水诱因突水水源突水通道不安全状态能量意外释放排水与应急措施失效•300•岩石力学与工程学报2009年失误等“不安全行为”，它们是导致突水水源能量增高、天然突水通道活化、人为突水通道形成、非正常涌水量增加的人为“突水诱发因素”。第四类是排水与应急措施失效，它们将非正常涌水恶化成了造成生命和财产损失的突水事故。煤矿突水类型多种多样[2]，上述4类危险源又包括若干直接或间接因素，矿井突水是煤矿安全事故中最难预测与防治、危害最大的事故。3煤矿突水事故树模型3.1突水事故树模型目前，在煤矿防治水领域，所能预测的主要是煤矿正常涌水量和最大涌水量[2]，而煤矿突水机制与预测技术仍不成熟。虽然煤矿突水是煤矿安全中的重要安全事故，但是煤矿安全评价主要是对煤矿安全系统的综合评价，也不能完成煤矿突水危险性的专项评价。在前面煤矿突水事故模型和突水危险源分类基础上，以煤矿突水为顶上事件(T)，建立了两级煤矿突水事故树基本模型，如图2所示。图2煤矿突水事故树模型Fig.2Faulttreemodelofwaterinrushforcoalmining在图2中，煤矿突水(顶上事件T)是由于非正常涌水量增加(A1)、超过排水能力(A2)以及应急失效(A3)造成的，三者是造成煤矿突水事故的必要条件，与顶上事件(T)为逻辑与门关系，构成煤矿突水事故树的第一层次。在煤矿突水事故树的第二层次中，矿井充水水源积聚(B1)、充水通道活化(B2)和充水诱因(B3)是矿井非正常涌水量增加(A1)的必要条件，它们与A1为逻辑与门关系；非正常涌水超过煤矿防治水系统泵水能力(B4)和水仓能力(B5)是造成矿井排水能力不足(A2)的必要条件，与A2为逻辑与门关系；防治水技术(B6)和管理(B7)缺陷与失误是造成煤矿突水事故应急失效(A3)的充分条件，其与A3为逻辑或门关系。该基本模型是单成因(类型)的煤矿突水事故树模型，根据突水水源的不同，可分析地表水充水、孔隙水充水、裂隙水充水、老窑水充水和岩溶水充水引起的煤矿突水事故；根据突水通道不同，可分析断层突水、陷落柱突水等煤矿突水事故。同时，可通过对事故树中各中间和基本事件的进一步分解实现复杂矿井、复杂成因的煤矿突水事故评价。3.2突水事故树模型定性分析方法煤矿突水事故树直观、清晰地反映了突水事故发生的因果关系，定性分析包括最小割集、最小径集和结构重要度分析。最小割集是导致顶上事件发生的最起码/基本事件组合，是系统发生故障的充要条件[4～6]。最常用的求最小割集方法是布尔代数化简法和行列式法。分析煤矿突水事故树最小割集的目的在于：(1)最小割集数量越多，煤矿突水可能性越大