煤矿井下避难硐室安全评价研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人或集体已 经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位 或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了致谢。 学位论文作者签名日期 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名 年月日 论文题目 煤矿井下避难硐室安全评价研究 专业 安全技术及工程 硕 士 生 姚 壮（签名） 指导教师 邓 军（签名）____________ 摘要 我国煤矿事故每年死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿事故死亡总数， 安全生 产形势仍相当严峻。目前我国正在强制推行紧急避险系统。当井下发生紧急情况时， 紧 急避险系统可以为遇险人员安全避险提供保障生命的设施、设备、措施。暂行规定要求 优先建设避难硐室。避难硐室由于产品特殊，各个矿山地质条件、巷道分布、人员分布 等因素各不相同，需要因地制宜地进行相关设计工作，由于进入紧急避险系统生产的企 业背景各异，避难硐室的设计、建设以及功能设施的安装单位各自独立。因此，对避难 硐室安全性的评价具有重要的实际意义。 本文在分析国内外研究现状的基础上， 结合近两年来我国煤矿紧急避险系统推行过 程中的问题，提出避难硐室安全评价的重要性。针对山西某煤矿井下避难硐室应用安全 评价理论，结合煤矿避难硐室系统的特点，提出基于灰色关联层次分析法的避难硐室安 全评价； 依据暂行规定和相关部门避难硐室验收标准， 构建避难硐室安全评价指标体系； 采用层次分析法确定各层次各指标的权重， 运用灰色关联理论建立避难硐室安全评价模 型，对该矿避难硐室进行有效评价。 评价应用表明将灰色关联和层次分析法应用于避难硐室安全评价，充分利用层次 分析法和灰色理论相结合的优势， 克服了传统安全评价法的不足及相关部门制定的验收 标准主观性强等局限性，将科学计算方法与专家经验相结合，得到更加准确地安全评价 结果，为矿山企业建设紧急避险系统、加强紧急避险系统相关管理提供依据，同时也为 安全监察部门现场验收工作参考，找出煤矿企业避难硐室需要改进的缺陷，为矿井作业 人员的生命安全与健康提供有力的保障，对提高我国煤矿企业紧急避险系统，乃至安全 避险六大系统安全管理水平，保护广大矿工的生命安全，构建和谐社会，具有重要的现 实意义。 关 键 词避难硐室；安全评价；指标体系；层次分析法；灰色关联分析法； 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject ResearchResearchResearchResearch onononon safetysafetysafetysafety assessmentassessmentassessmentassessment ofofofof coalcoalcoalcoal minemineminemine refugerefugerefugerefuge chamberchamberchamberchamber SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty SafetySafetySafetySafety technologytechnologytechnologytechnology andandandand EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName YaoYaoYaoYao ZhuangZhuangZhuangZhuang（SignatureSignatureSignatureSignature） InstructorInstructorInstructorInstructor DengDengDengDeng JunJunJunJun（SignatureSignatureSignatureSignature）______________ ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT The annual number of casualties in coal mining accidents in China far outnumbers the average in other countries, which leads to safety in production very unreliable. The high attention paid on the safety in coal mining by the government results in a mandatory emergency system. This system provides the facilities and procedures for the miners when emergency occurs. The temporary regulations authorize a priority in building refuge chamber. The design and construction work of chamber, due to the diversified geological conditions and layouts of alleys and personnel in different mining areas, requires field studies. On the other hand, since the enterprises that produce the emergency system have different backgrounds, the companies that design the functions of refuge chamber are independent, therefore, safety assessment of coal mine refuge chamber has important practical significance. This paper, based on the previous peer researches and the problems in the emergency system in recent years in China, states the importance of security assessment to refuge chamber. It first presents the general situation of refuge chamber with real examples in the mines. Then this paper introduces the safety assessment theory of refuge chamber based on Grey Relational Analytic Hierarchy Process, combining with the coal mine refuge chamber in Shanxi and the characteristics of coal mine refuge chamber system . It establishes the refuge chamber Security uation index system under the Interim Provisions and the criteria from relative departments. Finally, it analyzes the safety assessment of coal mine refuge chamber model effectivly with the weights of each indicator derived from AHP and safety assessment of coal mine refuge chamber model which is established by the GRA. The assessment application shows that the application of Grey Relational Analytic Hierarchy Process in the safety assessment in refuge chamber makes full use of the advantages of combining Grey Relational Analytic Hierarchy Process, it overcomes the deficiencies in traditional ways and the limitation brought by the subjectivity of the relative departments criteria, it combines the scientific approaches and experiences and comes up with more accurate results, which provides reliable foundations to the establishment of and management on emergency system. In addition, it works as a reference for the Safety supervision departments’inspection to the chamber, which strongly guarantees the miners safety and health. This has a profound meaning on establishing the harmonious society. KeyKeyKeyKey wordswordswordswordsrefuge chamber； safety assessment；analytic hierarchy process （AHP）； Grey Relational AnalysisGRA；index system； ThesisThesisThesisThesisApplication research 目录 目 录 1 绪论................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景............................................................................................................. 1 1.2 研究的目的和意义.............................................................................................. 3 1.3 国内外研究现状与发展趋势............................................................................. 3 1.3.1 紧急避险系统的研究与进展................................................................... 3 1.3.2 安全评价的研究与发展.......................................................................... 5 1.4 研究内容和技术路线......................................................................................... 7 1.4.1 研究内容.................................................................................................. 7 1.4.2 技术路线.................................................................................................. 8 2 山西某煤矿避难硐室概况............................................................................................ 9 2.1 矿井概况............................................................................................................. 9 2.2 避难硐室概况................................................................................................... 10 2.2.1 避难硐室位置及支护............................................................................. 10 2.2.2 避难硐室建设工程................................................................................. 12 2.2.3 硐室功能设施......................................................................................... 17 2.2.4 避难硐室管理制度................................................................................ 28 2.3 本章小结............................................................................................................ 29 3 煤矿井下避难硐室安全评价模型.............................................................................. 30 3.1 煤矿井下避难硐室安全评价方法的选择....................................................... 30 3.2 避难硐室安全评价指标体系的建立............................................................... 33 3.2.1 评价指标体系建立原则......................................................................... 33 3.2.2 阶梯层次结构......................................................................................... 34 3.2.3 避难硐室安全评价指标体系................................................................. 35 3.3 确定评价指标权重向量 W................................................................................38 3.4 确定比较数据序列与标准数据序列的关联度................................................ 40 3.4.1 确定参评序列和标准序列..................................................................... 40 3.4.2 原始数据序列无量纲化处理................................................................. 40 3.4.3 计算关联系数和关联度......................................................................... 41 3.5 评价分析............................................................................................................ 41 3.6 本章小结............................................................................................................ 42 4 评价结果与分析.......................................................................................................... 43 西安科技大学硕士学位论文 II 4.1 确定避难硐室安全评价指标权重.................................................................... 43 4.1.1 准则层评价指标权重计算.................................................................... 43 4.1.2 避难硐室位置及支护评价指标权重计算............................................ 44 4.1.3 避难硐室建设工程评价指标权重计算................................................ 46 4.1.4 避难硐室功能设施评价指标权重计算................................................. 48 4.1.5 避难硐室管理制度评价指标权重计算................................................. 51 4.2 计算避难硐室各指标的关联度........................................................................ 53 4.2.1 确定标准序列和参评数据序列............................................................. 54 4.2.2 无量纲化处理......................................................................................... 54 4.2.3 计算关联系数和关联度......................................................................... 55 4.3 评价分析............................................................................................................ 57 4.4 本章小结............................................................................................................ 57 5 结论与展望.................................................................................................................. 58 5.1 结论................................................................................................................... 58 5.2 展望................................................................................................................... 58 致谢.................................................................................................................................. 60 参考文献.......................................................................................................................... 61 附录 1............................................................................................................................... 64 附录 2............................................................................................................................... 65 附录 3............................................................................................................................... 71 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 我国是世界产煤大国之一，煤炭在国内的一次能源消费比例中依然占有重要地位。。 然而当前我国年煤矿事故死亡人数，远远超过其他产煤国年煤矿事故死亡总数，煤矿安 全生产面临的形势非常严峻。 图 1.11990-2012 中国煤矿事故死亡人数统计 我国煤炭 95以上是井工开采，安全生产是煤矿企业第一要务和第一效益，煤矿重 大事故 90以上是由于管理上出现纰漏所致[1]。在应对煤矿安全威胁面前，人类控制自 然的能力有限，多数情况下人们唯一的对策是迅速撤离危险区域[2]。根据事故统计和救 援经验，矿井第一现场因爆炸、坍塌等瞬间死亡人员比例不到 10，绝大部分是因爆炸 等造成周围氧气耗尽、高浓度有毒有害气体、逃生路线阻断无法撤到安全区或不能及时 升井所致， 救援案例证明紧急避险设施具有对保护矿工生命和提高应急救援能力的作用 [3]。 2011 年 11 月 3 日，河南省义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿发生一起重大冲击 地压事故，造成 10 人死亡。据查，该矿 21221 下巷掘进工作面发生冲击地压，巷道发 生严重的挤压垮冒，将正在该巷作业的矿工封堵或掩埋其中，经过全力救援，到 11 月 5 日 11 时 40 分左右，前后三批共 65 人脱险升井，造成 10 人死亡，64 人受伤[4]。 以义马千秋煤矿为例，如果井下紧急避险系统建设完善，在掘进工作面安放可移动 式救生舱，矿工有丰富的紧急避险经验，在事故发生后进入救生舱避难，同时同地面调 度室进行通信联络。为救援工作赢得时间和一定的主动性，将事故的损失降到最小。 西安科技大学硕士学位论文 2 2010 年 8 月 5 日，智利圣诃塞铜矿发生严重塌方事故，33 名被困矿工全部获救， 井下避难硐室为事故救援成功发挥了决定性作用，特别在第 1 个救援钻孔打通前的 17 天里，矿工的基本生存条件全部由避难硐室提供，这也再次说明建设紧急避险系统的必 要性[5]。 国发〔2010〕23 号、安监总煤装〔2010〕146 号文要求所有煤矿都要安装“六大系 统”，最为困难的就是紧急避险系统[6]。 煤矿井下紧急避险系统是指在煤矿井下发生紧急情况下， 为遇险人员安全避险提供 生命保障的设施、设备、措施组成的有机整体。紧急避险系统建设的内容包括为入井人 员提供自救器、建设井下紧急避险设施、合理设置避灾路线、科学制定应急预案等[7]。 国家安全生产监督管理总局于 2011 年 1 月 13 日至 14 日，在北京召开的全国安全 生产工作会议上，确定 2011 年全国安全生产要突出抓好八项重点工作中的第四项以先 进适用科研成果的推广应用为有效途径，大力推进安全生产科技进步。在矿山企业强制 推行井下防灾避险“六大系统”。2013 年 2 月 1 日国家安全监管总局、国家煤矿安监局联 合发布关于加快推进煤矿井下紧急避险系统建设的通知， 2013 年是各煤矿推进建设安全 紧急避险系统的关键之年。 紧急避险设施主要包括永久避难硐室、临时避难硐室、可移动式救生舱[7]。暂行规 定要求可移动式救生舱应符合相关规定，并取得煤矿矿用产品安全标志。获取安标的过 程比较复杂，需要经过技术审查，安全性能检验，真人综合防护性能试验，相关工业试 验以及专家评审等程序，其各项指标满足相关技术要求。救生舱作为定型产品，单台单 证，每台舱都要进行相关核查，可靠性稳定性较强。 避难硐室由于产品特殊， 各个矿山地质条件、 巷道分布、 人员分布等因素各不相同， 需要因地制宜地进行相关设计工作，由于进入紧急避险系统生产的企业背景各异（有些 是生产仪器仪表的，有些是生产矿业用具的，还有些原来从事房地产开发、民营医院、 通信设备甚至文化产业的企业） ，避难硐室的设计、建设以及功能设施的安装单位各自 独立，项目安装施工情况比较混乱，种种原因导致产品质量参差不齐，各地相关部门制 定的验收标准各异，处于单一分模块的研究，主观性较强，有一定的局限性，不能很好 地客观描述避难硐室的实施中的问题。 安全评价[8]指运用定量或定性的方法，对建设项目或生产经营单位存在的职业危险 因素和有害因素进行识别、分析和评估，找出事故隐患，然后消除或减少危险性，使危 险降低到人们可以接受的水平。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与预测， 并根据可能导致事故风险 的大小，提出相应的安全对策措施，已达到工程、系统安全的过程。安全评价应贯穿于 工程、系统的设计、建设、运行和退役整个生命周期的各个阶段。对工程、系统进行安 1 绪论 3 全评价即是企业、生产经营单位搞好安全生产的重要保证，也是政府安全监察管理的需 要。 自 2004 年以来，安全评价被广泛的应用到我国煤矿安全管理工作，经过评价人员、 评价对象和监管部门的共同努力，到目前为止，我国煤矿安全评价工作已得到了社会的 认可，并逐步成为煤矿企业进行安全管理的要依据。 1.2 研究的目的和意义 我国目前正在强制推行紧急避险系统。当井下发生紧急情况时，紧急避险系统可以 为遇险人员安全避险提供保障生命的设施、设备、措施。研究煤矿井下紧急避险系统， 对提高煤矿井下紧急避险能力，减少事故伤亡，促进煤矿安全生产具有十分重要的意义 [9]。暂行规定要求优先建设避难硐室。 随着安全生产法制建设的不断深入，煤矿安全评价工作也逐步得到了普及和完善。 推动我国煤矿安全评价工作的发展， 将对我国煤炭企业的安全管理水平及事故预防能力 的提高起到积极的促进作用。同时，开展煤矿安全评价，可以扭转煤矿安全生产的被动 局面， 使煤矿安全管理工作更加科学化、 制度化， 也是实现煤矿安全生产的必由之路[10]。 本文结合煤矿生产实际，对煤矿井下避难硐室各个系统安全因素进行分析，确定安全评 价内容，选择评价方法，建立避难硐室安全评价指标体系及评价模型，为矿山企业建设 紧急避险系统、加强紧急避险系统相关管理提供依据，同时也为安全监察管理部门现场 验收工作参考，找出煤矿企业避难硐室需要改进的缺陷，为矿井作业人员的生命安全与 健康提供有力的保障，对提高我国煤矿企业紧急避险系统，乃至安全避险六大系统安全 管理水平，保护广大矿工的生命安全，构建和谐社会，具有重要的现实意义。 1.3 国内外研究现状与发展趋势 1.3.1 紧急避险系统的研究与进展 （1）国外紧急避险系统的研究现状及发展 澳大利亚、南非、加拿大、美国等国家研究井下紧急避险理论较早，最初应用在金 属矿，研究内容集中在避难设施功能、布置原则、效果评价及实施方式，为灾害事故发 生后遇灾人员无法及时撤离或避险路线被阻时提供一个安全的避难场所， 延长救援时间 [11]。澳大利亚、美国均能独立生产避险设施，Mine ARC，Kennedy 等公司居于行业前 列。 加拿大 1928 年 Hollinger 矿发生火灾（死亡 39 人）后，出现了利用压缩空气通过 面罩供氧的初、级避难硐室（密封起来的废弃巷道） ，后来又出现 CO 和 CO2有害气体 处理系统，20 世纪 70 年代避难硐室在金属矿山得到广泛应用，现被法律强制建立[12]。 西安科技大学硕士学位论文 4 南非 20 世纪 70 年代就出现避难所，澳大利亚自 2000 年一直使用可移动式救生舱，两 国立法要求所有金属矿山都要设立安全硐室[13]。 美国初期在井下利用水泥建造避难隔离墙， 或在巷道顶板和两帮上悬挂隔离屏障形 成隔离空间，这一原始避险理论持续了一个多世纪。针对 20062007 年煤炭行业的多 发事故，美国国家研究会在应急管理国家能力建设报告上提出要为矿工提供“被动和主 动”保护，要求采矿企业装备紧急避险系统[14]。同年矿山安全与健康监察局MSHA颁布 实施了矿山改善和新应急反应法 The MINER Act of 2006 ，提出 3 种井下紧急避险 技术标准，突出避难硐室（救生舱）和应急通信在避险救援中的作用，要求加强避难技 能培训，MSHA 认为这一措施可使事故后矿工生命挽救率提高 25～75[15]。 （2）国内紧急避险系统的研究现状及发展 紧急避险原是司法上的概念，为了使国家、公共利益、本人或他人的人身、财产和 其他权利免受正在发生的危险，迫不得已采用的损害另一较小合法利益的行为，体现了 国家、公共、公民利益的一致性。紧急避险理论引入煤矿较晚，在整体设计阶段一般不 涉及，个别煤矿在采、掘工作面等易发生突出区域布置简易硐室，没有隔热、防爆、 食 品与通信等功能[16]。 智利矿难救援中井下避难所发挥重要作用，拉动国家安全避险“六大系统”建设。关 于救生舱的研究列入国家“十一五”科技支撑计划，在煤矿进行了试点[ [ [ [17 171717][ ][ ][ ][18181818] ] ] ]，紧急避险系 统最为困难[19]，国家安全监管总局连续出台指导性文件[20]，有学者提出避险设施布置原 则，优先布置避难硐室[21]。 辽宁工程技术大学的丁延龙在矿井灾害事故避灾系统研究中提出在井下建立避灾 硐室，当灾害事故发生时，如避灾路线行不通时，或矿工来不及逃生时，可以进入避灾 硐室进行避难[22]。 西安科技大学的王丽在煤矿井下避灾硐室研究中系统的介绍了避灾硐室相关原理 及设计方案[23]。 国家安全生产应急救援指挥中心的高广伟， 张禄华在煤矿井下移动救生舱的设计思 路一文中简述了矿用救生舱在国内外的研究与应用现状，， 分析了我国现阶段有关企业单 位研制煤矿井下移动救生舱时，在功能定位、舱内设施、检测检验、使用与维护等方面 的几个问题[24]。 山西潞安环能集团公司常村煤矿于 2008 年建成我国煤矿行业首个永久避难硐室， 采用地面钻孔直通避难硐室，具备完善的逃生中转、安全避险、应急救援等综合防灾抗 灾救灾能力。国家煤矿安全监察局于 2010 年 5 月 19 日在潞安环能集团公司召开“潞安 现场会”，总结并促进全国煤矿安全紧急避险系统建设工作。 1 绪论 5 1.3.2 安全评价的研究与发展 （1）国外安全评价研究现状 安全评价技术最初出现于 20 世纪 30 年代，是随着保险业的发展而发展起来的。 保 险公司为客户承担各种风险，必然要收取一定的费用，而收取费用的多少是根据所承担 风险的大小决定的。因此，就产生了一个衡量风险大小的问题，这个衡量风险程度的过 程就是当时美国保险协会所从事的风险评价。 随着系统安全理论的发展和应用，安全评价在 20 世纪 60 年代得到了很大的发展， 全面、系统地研究企业、装置和设施的安全评价原理和方法正是从这一时期兴起的[25]。 1961年美国Watson在研究民兵式导弹发射控制系统之安全性评价时提出了FTA （事 故树分析）方法，对以后的安全评价发展推动很大。 1964 年美国道化学公司（DOW开发出了火灾爆炸指数评价方法，开创了化工生产 危险度（半）定量评价的历史。在第一版以后，经过不断修改改进，陆续推出了第二版 （1966） 、第三版（1972） 、第四版（1976） 、第五版（1980） 、第六版（1987） 、第七版 （1994） 。 1976 年英国帝国化学公司ICI蒙德分公司MOND，在吸取道化学公司评价方法优 点的基础上发展的一种新的火灾、爆炸、毒性指数评价方法蒙德评价法。同年， 日 本公布了化工厂安全评价指南 ，又称化工企业六步骤安全评价法。在此基础上前苏 联提出了化工过程危险评价方法。上述方法均为指数法，主要是针对化工企业评价而发 展起来的，在评价原理上无质的变化，仍然遵循了道化学公司以及系统内危险和危险能 量为评价对象的原则，而且这些方法仍然在不断的发展和完善之中[26]。 1976 年，英国生产安全管理局HAS对 Canvey 岛以及