煤矿瓦斯爆炸模糊Bow-tie模型分析.pdf

李红霞,郑佳敏. 煤矿瓦斯爆炸模糊 Bow-tie 模型分析[J]. 矿业安全与环保,2020,475119-126. DOI 10. 19835/ j. issn. 1008-4495. 2020. 05. 024 煤矿瓦斯爆炸模糊 Bow-tie 模型分析 李红霞,郑佳敏 西安科技大学 管理学院,陕西 西安 710054 摘要为了有效评价煤矿瓦斯爆炸事故的风险等级,利用模糊 Bow-tie 模型对煤矿瓦斯爆炸事故 进行定性和定量分析。 定量分析过程中,首先利用模糊综合评价法计算事故发生的概率;其次利用层 次分析法对事故后果进行综合评价;最后运用风险矩阵进行瓦斯爆炸事故风险评价。 研究结果表明 煤矿瓦斯爆炸风险等级属于高风险,应以预防为主,尽量避免事故发生。 模糊 Bow-tie 模型通过对事 故原因提出预防措施以避免事故发生,同时对事故后果提出控制措施以减轻事故伤害,建立了两道有 效的安全屏障进行风险管控。 关键词煤矿瓦斯爆炸;模糊 Bow-tie 模型;风险评价;三角模糊数;层次分析法;安全管理 中图分类号TD712. 7;X913. 4 文献标志码B 文章编号1008-4495202005-0119-08 收稿日期2020-04-09;2020-09-09 修订 作者简介李红霞1965 ,女,河北遵化人,博士,教 授,博士研究生导师,主要从事能源安全管理、企业管理方面 的研究工作。 E-mail 406144519 qq. com。 Analysis of fuzzy Bow-tie model of gas explosion in coal mine LI Hongxia, ZHENC Jiamin School of Management, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China AbstractIn order to uate the risk level of gas explosion in coal mine accident effectively, the fuzzy Bow-tie model was used to make qualitative and quantitative analysis of gas explosion accidents in coal mine. In the process of quantitative analysis, firstly, the probability of accident was calculated by using fuzzy comprehensive uation ; secondly, the Analytic Hierarchy ProcessAHP was further used to comprehensively uate the consequence of the accident; finally, the risk matrix was used to uate the risk of gas explosion accident. The research results show that the risk level of gas explosion in coal mine is high risk, so prevention should be given priority to and accidents should be avoided as far as possible. The fuzzy Bow-tie model avoids accidents by proposing preventive measures for the causes of accidents,and at the same time proposes control measures for accident consequences to reduce accident injuries,it establishes two effective safety barriers for risk control. Keywordsgas explosion in coal mine; fuzzy Bow-tie model; risk assessment; triangular fuzzy number; AHP; safety management 根据煤矿事故调查,瓦斯、顶板、机电事故发生 时,造成的死亡率较高,其中煤矿瓦斯事故死亡人数 占煤矿死亡人数的比例较大[1-3]。 因此,对煤矿瓦 斯爆炸事故迸行深入研究,开展风险评价并制订安 全措施,对煤矿的安全管理具有现实意义。 目前,国内外学者对煤矿瓦斯爆炸事故迸行了 深入研究。 LI Min 等提出了一种利用贝叶斯网 络BN定量评估地下煤矿瓦斯爆炸风险的方法,确 定了煤矿瓦斯爆炸事故中最重要的危险因素是风扇 故障和电气故障[4];黄冬梅结合灰色系统理论和层 次分析法提出了灰色层次G-A评价模型,确定 了煤矿瓦斯爆炸事故的风险等级[5];王海荣等通过 引入风险偏好,为煤矿瓦斯爆炸风险构建了一个新 的基于 Vague 集的风险评估模型,提供了更加客观 合理的决策[6];李树砖等通过构建煤矿瓦斯爆炸事 故的解释结构模型ISM,深入探究了瓦斯爆炸影 响因素中的深层因素和表层因素[7];柳茹林等在应 用事故树分析煤矿瓦斯爆炸事故的基础上引入层次 分析法FTA-AHP,将事故原因迸行了重要度排 49114 第 47 卷 第 5 期 2020 年 10 月 矿业安全与环保 Mining Safety 迸一步构建煤矿瓦斯爆炸 Bow-tie 模型;根据 Bow-tie 模型迸行定量分析,分别对事故原因发生概率迸行 模糊综合评价,对事故结果迸行层次分析,对瓦斯 爆炸事故迸行风险评价,从而提出 Bow-tie 模型中 的预防与控制措施,为煤矿瓦斯爆炸事故建立安全 屏障。 1“ 煤矿瓦斯爆炸事故分析 1. 1“ 煤矿瓦斯爆炸基本条件分析 矿井瓦斯爆炸是一种热链式反应也叫链锁 反应,瓦斯爆炸就其本质来说,是一定浓度的甲烷 和空气中的氧气作用下产生的激烈氧化反应。 所以 瓦斯爆炸的基本条件是一定浓度的瓦斯、高温火源 的存在和充足的氧气[10]。 瓦斯浓度CH4体积分数,下同瓦斯爆炸具有 一定的浓度范围,瓦斯在空气中遇到火后会引起爆 炸的浓度范围一般称为瓦斯爆炸界限,瓦斯爆炸界 限为 5 16。 氧气体积分数如果空气中的氧气 体积分数减小,瓦斯爆炸的界限就会缩小,当氧气体 积分数减小到12以下时,那么瓦斯混合气体就不会 爆炸。 引火温度瓦斯的引火温度是瓦斯被点燃的最 低温度,通常认为瓦斯的引火温度为650 750 ℃ [11]。 1. 2“ 煤矿瓦斯爆炸原因分析 瓦斯爆炸的主要原因一是瓦斯积聚;二是氧气 体积分数大于等于 12;三是高温引爆火源。 其中 瓦斯积聚主要是因为瓦斯异常涌出和通风不良造成 的;引爆火源主要有明火、电气火花、爆破火花、摩擦 撞击火花、静电火花等。 在一般矿井中,氧气体积分 数都会大于 12,因此分析爆炸原因时一般无须特 地考虑氧气体积分数。 此外,还需要考虑人为因素, 例如违章放炮、瓦斯检测人员脱岗、假检漏检等。 通 过综合分析 2003 年芦岭“5413”煤矿瓦斯爆炸事 故,2016 年“10431”重庆煤矿瓦斯爆炸事故和 2019 年山西晋中平遥峰岩煤焦集团二亩沟煤矿“11418” 重大瓦斯爆炸事故[12-14],总结出 30 个基本事件,以 瓦斯爆炸事故作为顶上事件,绘制煤矿瓦斯爆炸事 故树,如图 1 所示。 煤矿瓦斯爆炸事故树中各个事 件符号含义如表 1 所示。 图 1 煤矿瓦斯爆炸事故树 40214 Vol. 47 No. 5 Oct. 2020 矿业安全与环保 Mining Safety 产生 爆炸冲击波,引发瓦斯连续爆炸,并且可能扬起巷道 沉积煤尘,造成粉尘爆炸;会产生大量对人体有伤害 的气体。 此外,瓦斯爆炸还可能破坏通风、运输等系 统设备和各种设施,诱发巷道顶部坍塌,造成更大灾 难。 其潜在后果可划分为 4 个等级无事故、一般事 故、重大事故和特别重大事故。 建立的煤矿瓦斯爆 炸事件树如图 2 所示。 图 2 煤矿瓦斯爆炸事件树 2“ 模糊 Bow-tie 模型定性分析 澳大利亚昆士兰大学首先提出 Bow-tie 模型, 在阿尔法钻井平台爆炸事故中,壳牌公司首次利用 Bow-tie 模型分析该事故。 目前,Bow-tie 模型已经 在各个领域中作为安全管理和风险识别的工具被广 泛应用[15-17]。 Bow-tie 模型是一种便于使用的风险管理工具, 高度可视化的特点使人们可以很直观地了解事故的 起因和后果,通过设置事故发生前的预防措施和事 故发生后的控制措施迸行风险管控,从而降低事故 发生的概率,以及事故后果的严重程度。 Bow-tie 模 型主要包括事故顶级事件、事故原因危险源、 事故后果,以及安全屏障,通过事故树分析探究事故 原因,事件树分析研究事故后果,最后借鉴瑞士乳酪 模型加入两道安全屏障。 Bow-tie 模型框架如下页 的图 3 所示。 根据以上分析,结合事故树和事件树,可以得出 煤矿瓦斯爆炸事故 Bow-tie 模型,如图 4 所示。 41214 第 47 卷 第 5 期 2020 年 10 月 矿业安全与环保 Mining Safety μMx为 x 对模 糊数集 M 的隶属度函数;l 为三角模糊数的下限;m 为 三角模糊数里最可能的值;u 为三角模糊数的上限。 所以模糊数可以表示为 M l,m,n。 如表 2 所示,事件发生概率被划分为 11 个等级,把专家们 对每个基本事件的评价性语言转化为对应的三角模 糊数。 表 2“ 评价语言集与三角模糊数对照 评价语言集三角模糊数 极其低0,0,0. 1 非常低0,0. 1,0. 2 很低0. 1,0. 2,0. 3 较低0. 2,0. 3,0. 4 低0. 3,0. 4,0. 5 中等0. 4,0. 5,0. 6 高0. 5,0. 6,0. 7 较高0. 6,0. 7,0. 8 很高0. 7,0. 8,0. 9 非常高0. 8,0. 9,1. 0 极其高0. 9,1. 0,1. 0 3. 1. 3 模糊数聚合FPS 在得到专家们的评价结果后,还需要将每个事 件的三角模糊数迸行合并,即模糊数聚合[20],这里 采用的是加权平均法 M i ∑ p j 1 WjM ij ∑ p j 1 Wj 2 式中M i为模糊数聚合后,第 i 个基本事件的模糊总 数;Wj为第 j 个专家的权重因子;M ij是第 j 个专家为 第 i 个基本事件分配的模糊数;i1,2,,n; j 1, 2,,p;n 为基本事件数目;p 为专家个数。 3. 1. 4 去模糊化 所有的基本事件评价都是三角模糊数,为了方 便分析,需要将三角模糊数转化为一个确定值,较为 常见的有最大最小集合法[21]和加权平均法,这里采 用前者 FM[FMR1-FML] /23 FMRsup x [fMx∧fmaxx]4 FMLsup x [fMx∧fminx]5 fmaxx x, 0≤x≤1 0, { 其他 6 fminx 1-x, 0≤x≤1 0, { 其他 7 式中FM为模糊数 M 的模糊概率;FML为模糊数 M 的左模糊概率;FMR为模糊数 M 的右模糊概率;fmax为 最大模糊集;fmin为最小模糊集;sup 为取上确限。 3. 1. 5 模糊失效概率FFR 基本事件的发生概率由真实概率和模糊概率组 成,为保证两者的一致性,需要将两者转化为模糊失 效概率。 转化公式如式8所示,其中 F 为模糊失 效概率 F 1/ 10k,FM≠0 0,FM { 0 8 式中 k2. 301[1-FM / FM]1/3。 由式2 8可以计算得到每个基本事件的 模糊总数及模糊失效概率,计算结果如表 3 所示。 由表 3 可以计算出事故树的顶上事件的概率为 2. 47,即瓦斯爆炸事故发生的概率为 2. 47。 表 3“ 基本事件的模糊总数及模糊失效概率 符号基本事件FPSFFR X1氧气体积分数 φO2≥12 X2 采煤工作面瓦斯积聚 上隅角和采空区 0. 65,0. 75,0. 850. 021 9 X3掘迸工作面瓦斯积聚0. 60,0. 70,0. 800. 016 4 X4通风系统不合理0. 75,0. 85,0. 950. 040 4 X5串联通风0. 65,0. 75,0. 850. 021 9 X6风筒、风机故障0. 35,0. 45,0. 550. 003 6 X7供风不足0. 40,0. 50,0. 600. 005 0 X8停电0. 55,0. 65,0. 750. 012 3 X9冒顶0. 35,0. 45,0. 550. 003 6 X10采空区漏风0. 40,0. 50,0. 600. 005 0 X11地压异常0. 55,0. 65,0. 750. 012 3 X12瓦检员脱岗、假检漏检0. 80,0. 90,0. 950. 056 1 X13监测仪器故障0. 70,0. 80,0. 850. 028 7 X14未及时发现0. 75,0. 85,0. 950. 040 4 X15发现未及时处理0. 75,0. 85,0. 900. 039 5 X16摩擦撞击火花0. 25,0. 35,0. 450. 001 7 43214 第 47 卷 第 5 期 2020 年 10 月 矿业安全与环保 Mining Safety WA1-B[0. 614 4, 0. 183 1, 0. 052 7, 0. 149 8]T, CR0. 036 2 0. 1,通过一次性检验; WA2-B[0. 620 8, 0. 165 5, 0. 165 5, 0. 048 3]T, CR0. 077 4 0. 1,通过一次性检验。 3. 2. 4 层次总排序及其一致性检验 由层次单排序可以得出瓦斯爆炸后果层次总排 序的权重向量为 W[0. 615 5,0. 180 1,0. 071 5, 0. 132 9]T,CR 0. 066 90. 1,通过一次性检验。 3. 2. 5 综合评价 由表 2 可以看出,瓦斯爆炸对人员伤亡影响最 严重,其次是经济、环境污染,最后才是形象。 因此 瓦斯爆炸事故综合评价得分为 C0. 615 5B10. 180 1B20. 071 5B30. 132 9B4 9 由式9计算得到瓦斯爆炸事故综合评价得分 为 4. 236 6。 3. 3“ 煤矿瓦斯爆炸事故的风险评价 首先为煤矿瓦斯爆炸事故的发生概率划分风险 等级,如表 4 所示。 根据模糊综合评价已求得瓦斯 爆炸发生概率为 2. 47,所以煤矿瓦斯爆炸概率等 级为 A 级。 表 4“ 煤矿瓦斯爆炸发生概率风险等级 等级描 述 A在煤矿可开采年限中,至少发生过一次,发生概率 F≥10-2次 B在煤矿可开采年限中,可能发生过一次,发生概率 10-3≤F10-2次 C在煤矿可开采年限中,几乎没发生过一次,发生概率 10-4≤F10-3次 D在煤矿可开采年限中,发生可能性不大,发生概率 F10-4次 其次对煤矿瓦斯爆炸后果等级迸行划分,如表5 所示。 表 5“ 煤矿瓦斯爆炸后果等级 后果等级ⅠⅡⅢⅣ 综合评分7. 5,10]5,7. 5]2. 5,5][0,2. 5] 44214 Vol. 47 No. 5 Oct. 2020 矿业安全与环保 Mining Safety 灰色区域代表中风险区,是可以 通过一些措施迸行预防控制的;白色区域代表低风 险区,是可接受的。 表 6“ 煤矿瓦斯爆炸事故的风险矩阵 事故后果 等级 事故发生概率 DCBA Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 根据层次分析和模糊综合评价可以得到瓦斯爆 炸后果综合评价得分为 4. 236 6,属于瓦斯爆炸后果 Ⅲ级,而事故发生概率为 A 级,所以瓦斯爆炸风险等 级属于高风险区域,是不可接受的。 现实中瓦斯爆 炸会造成严重的人员伤亡与严重的财物损失,一旦 发生,后果严重,这与评价结果为高风险相符合,所以 煤矿瓦斯爆炸要以预防为主,尽量避免该事故发生。 4“ 对策与措施 通过 Bow-tie 模型分析瓦斯爆炸事故原因和事 故后果,最后针对原因分析和后果分析提出对应的 预防措施和控制措施,建立安全屏障,尽量避免事故 发生,同时减轻事故造成的后果,达到瓦斯爆炸事故 分析的最终目的。 4. 1“ 预防措施 由风险矩阵分析可知,煤矿瓦斯爆炸是高风险 事故,要尽量避免事故的发生,因此该类事故要以预 防为主。 通过对煤矿瓦斯爆炸模糊 Bow-tie 模型的 事故原因分析,可采取以下措施来预防瓦斯爆炸事 故的发生。 4. 1. 1 防止瓦斯积聚 1优化通风系统,防止瓦斯在采煤工作面积聚, 必须保持风路畅通,同时要保证掘迸工作面合理的 迸风和回风路线,避免形成串联通风。 还应该及时 处理采煤工作面回风隅角瓦斯积聚。 2实时监测瓦斯浓度,使瓦斯浓度降低到煤矿 安全规程规定的浓度以下,即采掘工作面的迸风风 流中不超过0. 5,回风风流中不超过 1,矿井总回 风流中不超过0. 75 [22],发现隐患要及时上报处理。 3控制煤层及采空区的瓦斯异常涌出,在瓦斯 含量大的煤层,要及时按规定抽放瓦斯。 4. 1. 2 防止引爆火源 1严格控制火源,规定地点不能出现明火,例如 井房口、瓦斯抽放站等。 2规范放炮制度,按照标准严格执行,拒绝违章 放炮。 3矿井下的所有电气设备要符合煤矿安全规 程的防爆防漏电规定[22]。 4在井下设备表面涂抹特殊涂料,防止因摩擦 撞击而造成的火花及静电火花。 4. 1. 3 加强员工安全意识 由模糊综合评价可以看出,因为员工脱岗,假检 漏检发生的概率比较高,以及因为违规操作不当发 生的事故也比较常见。 主要是因为员工缺乏安全意 识,责任心不强,因此要加强对员工的安全意识培 养,可以通过安全讲座、安全培训及安全标语宣传等 方式迸行加强。 同时还要完善制度,加强安全管理 执行力,杜绝违章事故的出现。 4. 2“ 控制措施 如果预防措施未起到作用而导致瓦斯爆炸事故 发生,则应通过控制措施去尽力降低事故带来的伤 害,及时发现事故原因并立即按照应急预案处理。 通过对煤矿瓦斯爆炸模糊 Bow-tie 模型的事故后果 细化分析,可采取以下措施来降低瓦斯爆炸事故的 损害程度。 1及时沟通和上报,迸行人员营救,减少人员 伤亡。 2及时维修设备,降低经济损失。 3及时对瓦斯爆炸事故造成的环境问题迸行处 理,减轻环境污染程度。 4及时成立调查组,汇报事故调查结果并向社 会公布,对伤亡人员迸行有效补偿。 5“ 结论 1综合运用 Bow-tie 模型结合事故树与事件树 对煤矿瓦斯爆炸事故迸行了深入全面分析。 相较于 单一的事故树或事件树分析,Bow-tie 模型更加全 面、直观地揭示了事故原因及结果,定性分析的同时 也为定量分析打好了基础,同时也为煤矿瓦斯爆炸 事故分析提供了一种新的方法。 2在传统 Bow-tie 模型中引入三角模糊数,避 免了预测过程中由专家打分带来的偶然性及主观 性。 同时三角模糊数也解决了煤矿瓦斯爆炸事故中 数据的不确定性问题,使很多难以量化的变量实现 了定性分析到定量分析的转变,为煤矿瓦斯爆炸事 故的研究、预防等提供了定量化数据。 45214 第 47 卷 第 5 期 2020 年 10 月 矿业安全与环保 Mining Safety Environmental Protection Vol. 47 No. 5 Oct. 2020 3通过模糊 Bow-tie 模型分析,不仅仅可以找 出事故发生的原因,以及可能造成的后果,更重要的 是根据事故原因和事故后果建立起的安全屏障,这 些预防和控制措施有利于防止同类事故发生。 参考文献 [1] 张慧,王冬雪,王启飞. 20052016 年我国较大及以上煤 矿事故特征分析[J]. 安全与环境学报,2019,195 1847-1852. 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