掘进工作面瓦斯爆炸事故第一章概述煤矿主要在地下作业,地质条件复杂多变,经常受到瓦斯、水、火、煤尘、顶板等灾害的威胁,因此是事故多发的高危行业之一。
煤矿掘进工作面是矿井事故多发地点，据统计，在瓦斯爆炸事故中，约60—70％发生在掘进工作面。
一般掘进工作面避灾、救灾条件简单，如果发生瓦斯爆炸事故，往往损失严重。
随着煤矿的采深逐渐加大，地质条件复杂多变，瓦斯赋存状况更加复杂，掘进工作面瓦斯爆炸事故是由多种因素共同作用的结果，因此掘进工作面瓦斯爆炸事故的防治越来越困难。
控制掘进工作面瓦斯爆炸事故的发生是目前煤矿安全生产工作中迫切需要解决的课题。
然而,任何一起事故的发生都可分成5个要素:伤害(损失),意外事件(事故),加害物体(质),直接原因,间接原因。
预防事故发生的关键就是在中途切断这5个要素之间的联系。
为有效预防掘进工作面瓦斯爆炸事故的发生，笔者采用安全系统工程中的事故树分析法，对掘进工作面瓦斯爆炸原因进行研究，评价出各系统的可靠性与安全性,以确保事故隐患研究的正确性,并提出相应的预防措施，确保掘进工作面的安全施工。
第二章事故危害性分析2.1瓦斯爆炸原因的分析a．通风不良煤矿井下的任何地点都有瓦斯爆炸的可能性，但大部分瓦斯爆炸发生在瓦斯煤层的采掘工作面，其中又以掘进工作面为最多，约占70％左右。
这主要是掘进巷道多数位于煤层的新开拓区，由于它是首先揭露煤层，一般说单位面积瓦斯涌出量比采煤面多，而且又未构成通风系统，再者掘进工作面局部通风机管理制度不严，安装局部通风机位置不当或局部通风机供风不足，巷道贯通掘进放炮时，没有排净贯通的工作面瓦斯，使瓦解积聚达到爆炸浓度。
b．按引火源分析煤巷掘进多使用电气设备并经常放炮，如果电气设备防爆性能不良或不按规定放炮，就容易发生电火花或爆炸火焰，引起爆炸。
还有井下明火、电气火花、煤炭自燃、赤热的安全灯罩、吸烟及摩擦产生的火花等都能引起瓦斯爆炸。
c．思想麻痹思想上的麻痹，导致管理上的松懈，进而引发违章作业和违章指挥。
统计表明，往往瓦斯涌出量小的矿井，瓦斯爆炸事故却多于瓦斯涌出量大的矿井。
(2)瓦斯爆炸造成的危害矿内瓦斯爆炸的有害因素是，高温、冲击波和有害气体。
焰面是巷道中运动着的化学反应区和高温气体，其速度大、温度高。
从正常的燃烧速度（1～2.5m/s）到爆轰式传播速度（2500m/s）。
焰面温度可高达2150～2650°C。
焰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。
冲击波锋面压力由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时可达100大气压。
其传播速度总是大于声速，所到之处造成人员伤亡，设备和通风设施损坏，巷道垮塌。
瓦斯爆炸后生成大量有害气体，某些煤矿分析爆炸后的气体成份为O26％～10％，N282％～88％，CO24％～8％，CO2％～4％。
如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。
2.3 瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。
最终的化学反应式为：CH4 + 2O2= CO2 + 2H2O如果煤矿井下O2不足，反应的最终式为：CH4 + O2 = CO + H2 +H2O矿井瓦斯爆炸是一种热-链反应过程。
当爆炸混合物吸收一定能量后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基。
这类游离基具有很大的化学性，成为反应连续进行的活动中心。
在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两个以上的游离基。
这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展成为燃烧或爆炸式的化学反应。
2.4瓦斯爆炸的因素发生瓦斯爆炸必须同时具备的3个基本条件是瓦斯积聚、供氧及引爆火源。
其中供氧条件在通常情况下是自然满足的，因而在大多数条件下只要一定浓度的瓦斯及引爆火源同时存在，瓦斯爆炸就必然发生。
根据瓦斯爆炸理论并通过对我国所发生的多次采煤工作面瓦斯爆炸事故的调查，总结引起瓦斯爆炸事故的基本事件如表2所示，表2事故树事件名称代码概率一览表第三章事故树编制3.1事故树分析法实质事故树分析法(FaultTreeAnalysis,简称FTA)是安全系统工程中的重要分析方法之一,遵循逻辑学演绎分析的原则,从结果到原因描绘事故发生,并表示各种因素间逻辑关系的逻辑图,从而对事故进行预测和分析。
它是从一个可能的最终事件开始,一层一层地逐步寻找引起的触发事件,直接原因事件和间接原因事件,直到基本原因事件,并确定各事件相互之间的逻辑关系,从而认识系统中存在的危险性,发现系统中存在的不安全隐患,以便采取措施,控制事故的发生。
运用布尔代数运算对事故发生的可能性进行推测和判断,为制定相应的措施提供可靠的科学依据,以使企业改进安全生产状况,更好地实现安全生产。
3.2事故树的建立在此以掘进工作面瓦斯爆炸事故为例说明事故树的建立。
掘进工作面瓦斯爆炸事故树(事件)表见表1。
根据表1的掘进工作面瓦斯爆炸事故树(事件)，运用事故树分析法构造的掘进工作面瓦斯爆炸事故树模型见图1。
事故树顶端事件是“掘进工作面瓦斯爆炸”(T),瓦斯爆炸的直接原因是“爆炸性瓦斯”(A1)与“引爆火源”(A2)的存在,只有两者相遇时(即满足条件a)才能引起瓦斯爆炸。
爆炸性瓦斯是“瓦斯积聚”(B1)达到爆炸浓度时(即满足条件a1)才有爆炸性,而瓦斯积聚的原因有“局部通风机断电停风”(X1),“串联通风”(X2),“供风能力不足”(X3),“局部通风机打循环风”(X4)。
掘进工作面火源只有达到爆炸能量时(即满足条件a2)才会成为“引爆火源”(A2)。
引起掘进工作面火源的原因有“放炮火源”(X5),“电火花”(X6),“明火”(X7)。
4 事故树分析4.1 为了运用布尔代数运算对事故树进行定性和定量评定,需对事故树进行简化,略去各失效事件的定义用事件代号代替。
条件与门旁的条件和与门下的事件是逻辑积的关系,因此可把“条件”看成是一个基本事件直接放在该与门之下。
条件或门旁的“条件”,或门下的事件也是逻辑积的关系,因此它的等效变换是在该条件或门上再加一个与门,“条件”视作该与门下的一个基本事件。
限制门旁的“条件”和限制门下的事件也是逻辑积的关系,因此它等效于条件与门。
简化后的事故树图2.图2简化后的事故树图第四章事故树分析4.1最小割集的求取最小割集是导致顶端事件发生的最起码的基本事件的集合。
最小割集表示发生事故的途径,反映系统的危险性。
根据掘进工作面瓦斯爆炸事故树，运用布尔代数法求事故树的最小割集，结构代数式为：T=A1・A2・a=B1・a1・A2・a=(X1+X2+X3+X4)・a1・(X5+X6+X7)・a2・a=a・a1・a2・X1・X5+a・a1・a2・X1・X6+a・a1・a2・X1・X7+a・a1・a2・X2・X5+a・a1・a2・X2・X6+a・a1・a2・X2・X7+a・a1・a2・X3・X5+a・a1・a2・X3・X6+a・a1・a2・X3・X7+a・a1・a2・X4・X5+a・a1・a2・X4・X6+a・a1・a2・X4・X7根据结构代数式T的展开式可得到12个最小割集,即引起掘进工作面瓦斯爆炸的“可能途径”有12种。
K1={a,a1,a2,X1,X5},K2={a,a1,a2,X1,X6},K3={a,a1,a2,X1,X7},K4={a,a1,a2,X2,X5},K5={a,a1, a2,X2,X6},K6={a,a1,a2,X2,X7},K7={a,a1,a2,X3,X5},K8={a,a1,a2,X3,X6},K9={a,a1,a2,X3,X7} ,K10={a,a1,a2,X4,X5},K11={a,a1,a2,X4,X6},K12={a,a1,a2,X4,X7}。
4.3 成功树的建立根据德・摩根定律:(A+B)′=A′・B′和(A・B)′=A′+B′。
把事故树的顶端事件和底部事件分别取逆事件,即变各类事件发生为不发生,同时把事故树中的与门变为或门、或门变为与门,这样就把事故树变为成功树。
与简化后的事故树对应的成功树如图3。
图34.4 最小径集的求取最小径集是顶端事件不发生最低限度的基本事件的集合。
最小径集表示防止事故的途径,反映系统的安全性。
根据掘进工作面瓦斯爆炸成功树，得到成功树的结构代数式为：T′=A1′+A2′+a′=B1′+a1′+a2′+X5′・X6′・X7′+a′=X1′・X2′・X3′・X4′+a1′+a2′+X5′・X6′・X7′+a′根据结构代数式T′的展开式可得到5个成功树的最小割集,也就是原事故树的最小径集,表示不使掘进工作面瓦斯爆炸事故发生的“可能途径”有5种:P1={X1′,X2′,X3′,X4′},P2={a1′},P3={a2′},P4={X5′,X6′,X7′},P5={a′}。
4.5 事故发生的原因分析根据最小割集的求取,每个最小割集都是顶端事件发生的一种途径,任何最小割集中的基本事件全部发生都会导致顶端事件的发生即引起瓦斯爆炸。
如T展开式中a・a1・a2・X1・X5项,当X1(局部通风机断电停风)发生,则发生瓦斯积聚;满足条件a1即瓦斯浓度达到爆炸浓度,则瓦斯具有爆炸性;当X5(放炮火源)满足条件a2即达到爆炸能量成为引爆火源;引爆火源与爆炸性瓦斯相遇满足条件a时则必然导致T发生(瓦斯爆炸)。
5 安全技术措施根据最小径集的求取,只要事故树的最小径集中有一个最小径集不发生,顶端事件就不会发生。
根据T′展开式说明预防掘进工作面瓦斯爆炸的途径有以下5个:(1) 若X1′・X2′・X3′・X4′不发生，事故(T)就不会发生。
矿井应选择合理的通风系统，科学管理通风，并消除井下串联风和循环风，使井下保持足够的风量和风速，避免瓦斯积聚，使掘进工作面瓦斯体积分数达到《煤矿安全规程》的要求。
(2) 使a1′不发生。
应加强掘进工作面瓦斯浓度检测，准确掌握瓦斯体积分数的变化，是防止掘进工作面瓦斯爆炸的重要手段。
掘进工作面要配备一定数量的瓦斯检验员和瓦斯自动监控设备，矿井要认真执行《煤矿安全规程》的相关规定。
掘进工作面应该有及时处理瓦斯超限的措施。
如果掘进工作面瓦斯体积分数超限，必须采取有效措施，及时处理超限瓦斯，保证掘进工作面的安全。
(3) 若X5′・X6′・X7′不发生,就不会出现火源,瓦斯爆炸事故就不会发生。
严禁掘进工作面工人携带引火物下井，并加强井下火区管理，严禁掘进工作面明火和明电照明。
掘进工作面电器设备要具有良好的防爆性能，加强电器设备的安全管理，完善掘进工作面电器设备的保护措施，防止电缆的破损，检修电器设备时严禁带电作业。
掘进工作面必须使用合格的煤矿许用炸药和电雷管，严格按照《煤矿安全规程》装药和放炮，严格执行“一炮三检”的放炮制度。