基于FTA的煤矿瓦斯防控在高瓦斯隧道中的应用.pdf

文章编号1009 - 4539 2020 06 - 0031 -05 科 技 研 究 基于FTA的煤矿瓦斯防控在高瓦斯 隧道中的应用 牛公却尚 中 铁 十 七 局 集 团 第 一 工 程 有 限 公 司 山 东 青 岛266555 摘 要 针对西南地区存在的众多高瓦斯及煤与瓦斯突出风险隧道的施工实际， 以 新 建 叙 永 -毕 节 铁 路 （ 川滇段） 重难点工程欧家湾隧道为工程背景， 使用事故树分析的理论方法， 借鉴煤矿瓦斯管理办法和经验， 对该隧道穿越C1 煤层高瓦斯段施工过程中的风险因素进行分析， 编制瓦斯事故树形图， 通过确定结构函数和求解最小割集与最小 径集进行定性分析， 得出隧道瓦斯事故的发生须从6 条途径进行防范； 定量分析从基本事件的发生概率、 顶上事件 的发生概率以及基本事件的结构重要度三方面展开， 找出了控制性、 重要和一般的具体影响因素。通过定性和定 量分析分别确定了隧道穿越煤层施工过程煤与瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故的重点防范途径和具体防范内容， 在 防治隧道瓦斯事故时更加具有针对性， 为类似隧道施工安全提供借鉴。 关键词高 瓦 斯 隧 道 事 故 树 分 析 法 基 本 事 件 顶 上 事 件 事 故 防 控 中图分类号TD713; U455 文献标识码A DOI 10. 3969/j. issn. 1009-4539.2020.06.008 Application of FTA-based Coal Mine Gas Prevention and Control in High Gas Tunnel NIU Gongqueshang China Railway 17th Bureau Group l sl Engineering Co. Ltd., Qingdao Shandong 266555, China Abstract In view of the construction practice of high gas and coal and gas prominent risk tunnels existing in the southwest region, the heavy-difficult project of Oujiawan Tunnel of the newl-built Xuyong-Bijie Railway Chuan-Bijie section is taken as the engineering background, and the FTA theoretical is used to draw lessons from the management ways and experience of coal mine gas. The risk factors in the construction of the high gas section of the tunnel through the Cl coal seam are analyzed, the gas accident tree chart is compiled, and the qualitative analysis is made by determining the structural function and solving the minimum cut set and the trail set, and it is concluded that the occurrence of the tunnel gas accident must be prevented from 6 ways. The probability of the occurrence of the top event and the structural importance of the basic event are carried out in three aspects, and the specific influencing factors of control, importance and generality are found. Through qualitative and quantitative analysis, the key prevention routes and specific prevention contents of coal and gas explosion accidents in the construction of the tunnel through the coal seams are determined, which is more targeted in preventing and controlling tunnel gas accidents, it could provide reference for the construction safety of similar tunnels. Key words high gas tunnel； fault tree analysis FTA ； basic event； top event； accident prevention and control 收稿日期2 0 1 9 - 0 6 - 1 0修回稿件2020 -0 2 -2 4 基金项目 中铁十七局集团有限公司科技研发计划项目（2017-32 作者简介 牛公却尚（ 1987 - ,男， 青海互助人， 工程师， 主要从事铁路隧 道及桥梁工程施工技术管理与技术研究；E-mail 631863866 qq. com 1引言 本研究依托新建叙永至毕节铁路（ 川滇段） 二 标欧家湾隧道穿越c i煤层施工过程为背景， 以事 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 202006 31 科技研究 故树分析法（F T A作为研究手段， 对隧道瓦斯事故 包括掌子面煤与瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故） 发生的影响因素进行分析总结， 为类似隧道施工安 全管理提供借鉴。 2工程概况 欧家湾隧道属于高瓦斯隧道， 洞 身D2K213 570 D2K213 985段穿越煤系地层， 属于高瓦斯 段落。隧道区地层从新至老依次为 第四系残坡积 层（ 6 kg/m X26 干钻产生火花 X27 爆破产生火花 X28 静电火花， 材料表面电阻高于安全限值 X29 洞内使用的棉纱、 布头、 润滑油等乱扔、 乱放或扔在隧道内并且未及时清运 X30 带电维修施工机具、 电气设备， 开关接触不良或损坏 X31 人工检测不准确 X32 仪器故障导致检测结果不准 X33 开挖岩面凹凸 X34初支表面凹凸 X35掌子面局部坍塌处瓦斯积聚X36 洞室内瓦斯积聚 X37 断面变化处瓦斯积聚 X38 超前钻孔内瓦斯积聚 X39加深炮孔处瓦斯积聚X40 防水板台车瓦斯积聚 X41 二衬台车处瓦斯积聚 X42 风机停风超时 X43 风带漏风严重 X44 香烟、 打火机 X45 电子设备 X46 化纤衣物 X47 开挖机械 X48 电气设备 X49 运输车辆 X50 电缆线路破皮 X51 照明设备损坏 X52 挖掘机 X53 装载机 X54 出渣车辆 X55 混凝土机械 X56 衬砌台车 X57 开挖台架 X58 防水板台车 X59 切割机 X60 角磨机 X61 防水板焊接 X62 焊接作业--- - 4 . 2 事故树分析 4 . 2 . 1 定性分析4 . 2 事故树分析 4 . 2 . 1 定性分析 事故树的分析分为定性分析和定量分析。 （ 1结构函数 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 202006 33 科技研究_ 根据图2 可知隧道瓦斯事故树具有6 2 个相互 独立的基本事件， 且用沿来表示各基本事件， 基本 事件的状态用〇与 1 表示， 1 表示该基本事件发生， 〇表示该基本事件未发生;用表示顶事件T的状 态变量， 也取用〇与 1 两种状态， 〇与 1 的表示意义 与基本事件相同。根据事故树的编制过程可知顶 事件T的最终状态变量取决于基本事件的状态， 基 本事件作为自变量， 顶事件作为因变量， 存在函数 失 系 式 为 中 FXi，i l， 258;FZi称为事 故树的结构函数[8]。 2最小割集 最小割集（G的含义是引起顶上事件T发生最 小基本事件的组合， 其数量多少代表了整个系统的 危险性大小； 因A2 中B2 事件只要在通风系统正常 时即可发生， 为正常事件[9]， 故根据瓦斯隧道事故 树形图可知其布尔表达式为 T Al A2 B4 B5 a B1 B2 B 3 B4 B5 a B1 B3 [ X5 X17 X18 ---X25] [a XI ---X4X31 X43 X26 X30 X44 X62] A1 共有21个基本元素，A2 共 有 4 1 个基本元 素， 通过布尔代数运算可得引起隧道煤与瓦斯突出 事故的基本事件组合共有117组 ， 引起隧道瓦斯爆 炸事故的基本事件组合共有408组 ， 故该顶上事件 T具有525个最小割集， 具体见表3。525个最小割 集表示引起隧道瓦斯事故的可能性有525种。 表3隧1瓦斯事故基本事件组合 隧道煤与瓦斯 突出事故 隧道瓦斯爆炸事故 基本事 件组合 Xm Xn 基本事 件组合 117组 m 5 .“1 7 ; fi 1825 408组 1 ,2 ,3 ,4 ,3 1 -4 3； 9 26,27,28,29,30,44---62 3最小径集 最小径集（J是防止顶上事件T发生的基本事 件的组合， 每个最小径集代表了一种防止事故发生 的方案， 即代表了系统的安全程度。 求取事故树的最小径集时采用对偶树法， 得出 隧道瓦斯事故树对偶树的最小割集为 r A1， A2f B4, B5， ） （Blf B21 B3， ） [X5 X6 X\T X18 X19,- - - 34 X25， ） ] [X I， X2, X3, . X4, _ X31， .X43， ） B2, X26, . X27, X28, . X29, . X30, X44,. X62， ） ] K1 K2 . K3 K4 K5 K1 . K3 K1 -K4 K1 - K5 K2 -K3 K2 -K4 K2 -K5 事故树的最小径集为 J1 K1K3 {X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9, X10, X I1, X12, X13, X14, X15, X16, X17, X31, X32, X33, X34, X35, X36, X37, X38, X39, X40, X41, X42, X43 | J2 K1K4 | X5,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12, X13,X14,X15,X16,X17,B2| J3 K1K5 | X5 ，X6 ，X7 ，X8，X9 , X10，X I1，X12， X13, X14, X15, X16, X17, X26, X27, X28, X29, X30, X44, X45, X46, X47, X48.X49, X50, X51, X52, X53, X54, X55 , X56, X57, X58, X59, X60, X61, X62| J4 K2K3 - | X I, X2 , X3 , X4 , X18, X19, X20, X21, X22, X23, X24, X25 , X31, X32, X33, X34, X35, X36, X37, X38, X39, X40, X41,X42,X43| J5 K2K4 |X18,X19,X20,X21,X22,X23,X24, X25,B2[ J6 K2K5 | X18，X19，X20, X21, X22, X23, X24， X25,X26, X27, X28, X29, X30, X44, X45 , X46, X47, X48, X49, X50, X51, X52, X53, X54, X55, X56, X57, X58, X59,X60,X61,X62 可以看出对偶树共有6 个最小割集， 即事故树最 小径集为6 组 ， 表明系统的安全性较低且要防止隧道 瓦斯事故必须从上述6 条途径进行考虑。 4 . 2 . 2定 量 分 析 事故树的定量分析包括基本事件的发生概率、 顶 上事件的发生概率以及基本事件的结构重要度分析。 1 基本事件的发生概率 基本事件的发生概率作为事故树定量分析的 前提条件。 2 顶上事件的发生概率 顶上事件的发生概率建立在基本事件发生的 基础之上， 可以通过最小割集和最小径集的计算方 法来求得。由于隧道瓦斯事故树中的最小割集之 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 202006 科技研究 间包含有重复的基本事件， 则说明最小割集之间相 交 ， 此时计算顶上事件的发生概率需要考虑到最小 割集基本事件相交的情况， 计算公式如下 n T j J u/,3 /“422/“6 9/“7 /“8 /“25 3/“26 /J27 々（ 62 2。 通过上述排序可以得知基本事件X I对顶上事件 的发生影响最大，X2 其次，X5 、X3 、X4 对顶上事件的发 生具有很重要的影响，X6 对顶上事件的发生具有一定 的影响， 剩余基本事件对顶上事件的影响较小。 5结束语 对隧道瓦斯事故进行事故树分析， 得出以下 结论 1 该隧道瓦斯事故树中含有16个或门符号、 2 个与门符号， 表明隧道瓦斯事故极易发生。 2 对事故树进行定性分析发现该事故树中共 有 525个最小割集， 其中煤与瓦斯突出事故117个 、 瓦斯爆炸事故4 0 8个， 表明发生煤与瓦斯突出事故的 可能性为107种， 发生瓦斯爆炸事故的可能性为408 种， 发生隧道瓦斯事故的可能性共有5 2 5种。如此多 的最小割集数量反映出系统是极其危险的;而最小径 集有6 个 ， 表明解决瓦斯事故有6 种途经， 只需采取6 种途径中的一种即可避免隧道瓦斯事故的发生。 3对事故树进行定量分析表明， 在工程实践 中判断基本事件的发生概率主要依靠经验取值与 现实中事件发生频率的估算， 而顶上事件的发生概 率则是基于基本事件的发生概率而得出。本文给出 了计算顶上事件发生概率的方法， 只需知道基本事件 的发生概率即可得出顶上事件的发生概率。基本事 件的结构重要度分析结果表明了每一基本事件对顶 上事件影响的重要程度， 可知基本事件X I、X2 、X3 、 X4 对隧道瓦斯爆炸事故的发生影响较大，X5 对煤与 瓦斯突出事故的发生影响较大， 在防止隧道瓦斯事故 的措施制定时可以更加具有针对性。 参考文献 [ 1 ] 俞文生， 王少飞， 陈建忠.事故树分析法在公路隧道防 火 安 全 中 的 应 用[■]公 路 交 通 技 术， 2009 3 130 -131. 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