煤礦瓦斯爆炸模糊Bow-tie模型分析

李紅霞，鄭佳敏

(西安科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710054)

根據(jù)煤礦事故調(diào)查，瓦斯、頂板、機(jī)電事故發(fā)生時(shí)，造成的死亡率較高，其中煤礦瓦斯事故死亡人數(shù)占煤礦死亡人數(shù)的比例較大[1-3]。因此，對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行深入研究，開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并制訂安全措施，對(duì)煤礦的安全管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行了深入研究。LI Min等提出了一種利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)定量評(píng)估地下煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)的方法，確定了煤礦瓦斯爆炸事故中最重要的危險(xiǎn)因素是風(fēng)扇故障和電氣故障[4];黃冬梅結(jié)合灰色系統(tǒng)理論和層次分析法提出了灰色—層次(G-A)評(píng)價(jià)模型，確定了煤礦瓦斯爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[5];王海榮等通過(guò)引入風(fēng)險(xiǎn)偏好，為煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)建了一個(gè)新的基于Vague集的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提供了更加客觀合理的決策[6];李樹(shù)磚等通過(guò)構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸事故的解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)，深入探究了瓦斯爆炸影響因素中的深層因素和表層因素[7];柳茹林等在應(yīng)用事故樹(shù)分析煤礦瓦斯爆炸事故的基礎(chǔ)上引入層次分析法(FTA-AHP)，將事故原因進(jìn)行了重要度排序[8]。由此可見(jiàn)，前人已經(jīng)運(yùn)用各種模型對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行了研究，但多數(shù)只是單一的分析事故原因或事故后果，缺乏全面性。

Bow-tie模型是揭示事故原因、安全屏障和可能的事故后果之間因果關(guān)系的有效方法[9]，是事故樹(shù)、事件樹(shù)和“瑞士奶酪模型”的結(jié)合，能夠更加完整直觀地表示事故發(fā)生的全過(guò)程，并可進(jìn)行相關(guān)定性分析。將Bow-tie模型和模糊理論結(jié)合，對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行定性與定量分析，為煤礦瓦斯爆炸事故分析提供一種更為全面的方法。

基于此，首先通過(guò)探究煤礦瓦斯爆炸事故原因和可能導(dǎo)致的后果，構(gòu)建瓦斯爆炸事故樹(shù)和事件樹(shù)；進(jìn)一步構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸Bow-tie模型；根據(jù)Bow-tie模型進(jìn)行定量分析，分別對(duì)事故原因發(fā)生概率進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，對(duì)事故結(jié)果進(jìn)行層次分析，對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，從而提出Bow-tie模型中的預(yù)防與控制措施，為煤礦瓦斯爆炸事故建立安全屏障。

1 煤礦瓦斯爆炸事故分析

1.1 煤礦瓦斯爆炸基本條件分析

礦井瓦斯爆炸是一種熱—鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(也叫鏈鎖反應(yīng))，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)。所以瓦斯爆炸的基本條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣[10]。

瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)：瓦斯爆炸具有一定的濃度范圍，瓦斯在空氣中遇到火后會(huì)引起爆炸的濃度范圍一般稱(chēng)為瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸界限為5%～16%。氧氣體積分?jǐn)?shù)：如果空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)減小，瓦斯爆炸的界限就會(huì)縮小，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)減小到12%以下時(shí)，那么瓦斯混合氣體就不會(huì)爆炸。引火溫度：瓦斯的引火溫度是瓦斯被點(diǎn)燃的最低溫度，通常認(rèn)為瓦斯的引火溫度為650～750 ℃[11]。

1.2 煤礦瓦斯爆炸原因分析

瓦斯爆炸的主要原因：一是瓦斯積聚；二是氧氣體積分?jǐn)?shù)大于等于12%；三是高溫引爆火源。其中瓦斯積聚主要是因?yàn)橥咚巩惓Ｓ砍龊屯L(fēng)不良造成的；引爆火源主要有明火、電氣火花、爆破火花、摩擦撞擊火花、靜電火花等。在一般礦井中，氧氣體積分?jǐn)?shù)都會(huì)大于12%，因此分析爆炸原因時(shí)一般無(wú)須特地考慮氧氣體積分?jǐn)?shù)。此外，還需要考慮人為因素，例如違章放炮、瓦斯檢測(cè)人員脫崗、假檢漏檢等。通過(guò)綜合分析2003年蘆嶺“5·13”煤礦瓦斯爆炸事故，2016年“10·31”重慶煤礦瓦斯爆炸事故和2019年山西晉中平遙峰巖煤焦集團(tuán)二畝溝煤礦“11·18”重大瓦斯爆炸事故[12-14]，總結(jié)出30個(gè)基本事件，以瓦斯爆炸事故作為頂上事件，繪制煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)，如圖1所示。煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)中各個(gè)事件符號(hào)含義如表1 所示。

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)

表1 煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)各符號(hào)含義

1.3 煤礦瓦斯爆炸潛在后果分析

煤礦瓦斯爆炸會(huì)產(chǎn)生許多危害，例如：瓦斯爆燃產(chǎn)生高溫，造成煤礦起火，使人員受傷或死亡；產(chǎn)生爆炸沖擊波，引發(fā)瓦斯連續(xù)爆炸，并且可能揚(yáng)起巷道沉積煤塵，造成粉塵爆炸；會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)人體有傷害的氣體。此外，瓦斯爆炸還可能破壞通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)設(shè)備和各種設(shè)施，誘發(fā)巷道頂部坍塌，造成更大災(zāi)難。其潛在后果可劃分為 4個(gè)等級(jí)：無(wú)事故、一般事故、重大事故和特別重大事故。建立的煤礦瓦斯爆炸事件樹(shù)如圖2所示。

圖2 煤礦瓦斯爆炸事件樹(shù)

2 模糊Bow-tie模型定性分析

澳大利亞昆士蘭大學(xué)首先提出Bow-tie模型，在阿爾法鉆井平臺(tái)爆炸事故中，殼牌公司首次利用Bow-tie模型分析該事故。目前，Bow-tie模型已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中作為安全管理和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的工具被廣泛應(yīng)用[15-17]。

Bow-tie模型是一種便于使用的風(fēng)險(xiǎn)管理工具，高度可視化的特點(diǎn)使人們可以很直觀地了解事故的起因和后果，通過(guò)設(shè)置事故發(fā)生前的預(yù)防措施和事故發(fā)生后的控制措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，從而降低事故發(fā)生的概率，以及事故后果的嚴(yán)重程度。Bow-tie模型主要包括事故(頂級(jí)事件)、事故原因(危險(xiǎn)源)、事故后果，以及安全屏障，通過(guò)事故樹(shù)分析探究事故原因，事件樹(shù)分析研究事故后果，最后借鑒瑞士乳酪模型加入兩道安全屏障。Bow-tie模型框架如下頁(yè)的圖3所示。

圖3 Bow-tie模型框架

根據(jù)以上分析，結(jié)合事故樹(shù)和事件樹(shù)，可以得出煤礦瓦斯爆炸事故Bow-tie模型，如圖4所示。

圖4 煤礦瓦斯爆炸Bow-tie模型

3 煤礦瓦斯爆炸模糊Bow-tie模型定量分析

3.1 煤礦瓦斯爆炸事故原因分析

模糊Bow-tie模型是結(jié)合了傳統(tǒng)的Bow-tie模型與處理不確定性問(wèn)題的模糊理論，并在事故樹(shù)分析中引入三角模糊數(shù)的概念，利用三角模糊數(shù)計(jì)算出頂上事件發(fā)生的模糊概率[18-19]。

3.1.1 邀請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行基本事件評(píng)價(jià)

所邀請(qǐng)的專(zhuān)家應(yīng)來(lái)自煤礦瓦斯研究相關(guān)領(lǐng)域，最好是研究通風(fēng)、瓦斯涌出、瓦斯積聚、防火或安全管理等相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家，同時(shí)根據(jù)這些專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)、研究方向等賦予權(quán)重。因此邀請(qǐng)了2位煤礦領(lǐng)域的安全專(zhuān)家對(duì)基本事件進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于2位專(zhuān)家資歷與研究領(lǐng)域都相近，因此給2位專(zhuān)家賦予一樣的權(quán)重W=(0.5，0.5)。

3.1.2 評(píng)價(jià)語(yǔ)集模糊化

進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)要構(gòu)建隸屬度函數(shù)，三角模糊函數(shù)就是其中比較常見(jiàn)的一種，可以表示為：

(1)

式中：M為指定論域X上的模糊數(shù)集；μM(x)為x對(duì)模糊數(shù)集M的隸屬度函數(shù)；l為三角模糊數(shù)的下限；m為三角模糊數(shù)里最可能的值；u為三角模糊數(shù)的上限。

所以模糊數(shù)可以表示為M=(l，m，n)。如表2所示，事件發(fā)生概率被劃分為11個(gè)等級(jí)，把專(zhuān)家們對(duì)每個(gè)基本事件的評(píng)價(jià)性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的三角模糊數(shù)。

表2 評(píng)價(jià)語(yǔ)言集與三角模糊數(shù)對(duì)照

3.1.3 模糊數(shù)聚合(FPS)

在得到專(zhuān)家們的評(píng)價(jià)結(jié)果后，還需要將每個(gè)事件的三角模糊數(shù)進(jìn)行合并，即模糊數(shù)聚合[20]，這里采用的是加權(quán)平均法：

(2)

3.1.4 去模糊化

所有的基本事件評(píng)價(jià)都是三角模糊數(shù)，為了方便分析，需要將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)確定值，較為常見(jiàn)的有最大最小集合法[21]和加權(quán)平均法，這里采用前者：

FM=[FMR+1-FML]/2

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：FM為模糊數(shù)M的模糊概率；FML為模糊數(shù)M的左模糊概率；FMR為模糊數(shù)M的右模糊概率；fmax為最大模糊集；fmin為最小模糊集；sup為取上確限。

3.1.5 模糊失效概率(FFR)

基本事件的發(fā)生概率由真實(shí)概率和模糊概率組成，為保證兩者的一致性，需要將兩者轉(zhuǎn)化為模糊失效概率。轉(zhuǎn)化公式如式(8)所示，其中F為模糊失效概率：

(8)

式中k=2.301[(1-FM)/FM]1/3。

由式(2)～(8)可以計(jì)算得到每個(gè)基本事件的模糊總數(shù)及模糊失效概率，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3 可以計(jì)算出事故樹(shù)的頂上事件的概率為2.47%，即瓦斯爆炸事故發(fā)生的概率為2.47%。

表3 基本事件的模糊總數(shù)及模糊失效概率

3.2 煤礦瓦斯爆炸事故后果分析

首先根據(jù)Bow-tie模型中事故后果部分構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，從人員、聲譽(yù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等層面去分析瓦斯爆炸所帶來(lái)的后果，將瓦斯爆炸后果作為目標(biāo)層構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，得到事故后果影響程度的排序。

3.2.1 建立“瓦斯爆炸后果”遞階層次結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)建的“瓦斯爆炸后果”遞階層次結(jié)構(gòu)模型共分為3層，分別是目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，如圖5 所示。

圖5 “瓦斯爆炸后果”遞階層次結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

分別構(gòu)造“瓦斯爆炸后果”判斷矩陣U-A、“社會(huì)影響”判斷矩陣A1-B和“企業(yè)影響”判斷矩陣A2-B。

3.2.3 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

通過(guò)Matlab進(jìn)行矩陣計(jì)算，得出3個(gè)判斷矩陣的權(quán)重向量，以及一致性檢驗(yàn)情況如下：

WU-A=[0.833 3, 0.166 7]T，CR=0<0.1，通過(guò)一次性檢驗(yàn)；

WA1-B=[0.614 4, 0.183 1, 0.052 7, 0.149 8]T，CR=0.036 2< 0.1，通過(guò)一次性檢驗(yàn)；

WA2-B=[0.620 8, 0.165 5, 0.165 5, 0.048 3]T，CR=0.077 4 < 0.1，通過(guò)一次性檢驗(yàn)。

3.2.4 層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

由層次單排序可以得出瓦斯爆炸后果層次總排序的權(quán)重向量為:

W=[0.615 5,0.180 1,0.071 5, 0.132 9]T，CR=0.066 9<0.1，通過(guò)一次性檢驗(yàn)。

3.2.5 綜合評(píng)價(jià)

由表2可以看出，瓦斯爆炸對(duì)人員傷亡影響最嚴(yán)重，其次是經(jīng)濟(jì)、環(huán)境污染，最后才是形象。因此瓦斯爆炸事故綜合評(píng)價(jià)得分為：

C=0.615 5B1+0.180 1B2+0.071 5B3+0.132 9B4

(9)

由式(9)計(jì)算得到瓦斯爆炸事故綜合評(píng)價(jià)得分為4.236 6。

3.3 煤礦瓦斯爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

首先為煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生概率劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表4所示。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)已求得瓦斯爆炸發(fā)生概率為2.47%，所以煤礦瓦斯爆炸概率等級(jí)為A級(jí)。

表4 煤礦瓦斯爆炸發(fā)生概率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

其次對(duì)煤礦瓦斯爆炸后果等級(jí)進(jìn)行劃分，如表5 所示。

表5 煤礦瓦斯爆炸后果等級(jí)

結(jié)合表4～5可以得到煤礦瓦斯爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，如表6所示。表6中黑色區(qū)域代表高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，是不可接受的；灰色區(qū)域代表中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，是可以通過(guò)一些措施進(jìn)行預(yù)防控制的；白色區(qū)域代表低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，是可接受的。

表6 煤礦瓦斯爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)矩陣

根據(jù)層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)可以得到瓦斯爆炸后果綜合評(píng)價(jià)得分為4.236 6，屬于瓦斯爆炸后果Ⅲ級(jí)，而事故發(fā)生概率為A級(jí)，所以瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，是不可接受的?，F(xiàn)實(shí)中瓦斯爆炸會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡與嚴(yán)重的財(cái)物損失，一旦發(fā)生，后果嚴(yán)重，這與評(píng)價(jià)結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)相符合，所以煤礦瓦斯爆炸要以預(yù)防為主，盡量避免該事故發(fā)生。

4 對(duì)策與措施

通過(guò)Bow-tie模型分析瓦斯爆炸事故原因和事故后果，最后針對(duì)原因分析和后果分析提出對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施和控制措施，建立安全屏障，盡量避免事故發(fā)生，同時(shí)減輕事故造成的后果，達(dá)到瓦斯爆炸事故分析的最終目的。

4.1 預(yù)防措施

由風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析可知，煤礦瓦斯爆炸是高風(fēng)險(xiǎn)事故，要盡量避免事故的發(fā)生，因此該類(lèi)事故要以預(yù)防為主。通過(guò)對(duì)煤礦瓦斯爆炸模糊Bow-tie模型的事故原因分析，可采取以下措施來(lái)預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

4.1.1 防止瓦斯積聚

1)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，防止瓦斯在采煤工作面積聚，必須保持風(fēng)路暢通，同時(shí)要保證掘進(jìn)工作面合理的進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)路線，避免形成串聯(lián)通風(fēng)。還應(yīng)該及時(shí)處理采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚。

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛龋雇咚節(jié)舛冉档偷健睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定的濃度以下,即采掘工作面的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中不超過(guò)0.5%，回風(fēng)風(fēng)流中不超過(guò)1%，礦井總回風(fēng)流中不超過(guò)0.75%[22]，發(fā)現(xiàn)隱患要及時(shí)上報(bào)處理。

3)控制煤層及采空區(qū)的瓦斯異常涌出，在瓦斯含量大的煤層，要及時(shí)按規(guī)定抽放瓦斯。

4.1.2 防止引爆火源

1)嚴(yán)格控制火源，規(guī)定地點(diǎn)不能出現(xiàn)明火，例如井房口、瓦斯抽放站等。

2)規(guī)范放炮制度，按照標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行，拒絕違章放炮。

3)礦井下的所有電氣設(shè)備要符合《煤礦安全規(guī)程》的防爆防漏電規(guī)定[22]。

4)在井下設(shè)備表面涂抹特殊涂料，防止因摩擦撞擊而造成的火花及靜電火花。

4.1.3 加強(qiáng)員工安全意識(shí)

由模糊綜合評(píng)價(jià)可以看出，因?yàn)閱T工脫崗，假檢漏檢發(fā)生的概率比較高，以及因?yàn)檫`規(guī)操作不當(dāng)發(fā)生的事故也比較常見(jiàn)。主要是因?yàn)閱T工缺乏安全意識(shí)，責(zé)任心不強(qiáng)，因此要加強(qiáng)對(duì)員工的安全意識(shí)培養(yǎng)，可以通過(guò)安全講座、安全培訓(xùn)及安全標(biāo)語(yǔ)宣傳等方式進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)還要完善制度，加強(qiáng)安全管理執(zhí)行力，杜絕違章事故的出現(xiàn)。

4.2 控制措施

如果預(yù)防措施未起到作用而導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生，則應(yīng)通過(guò)控制措施去盡力降低事故帶來(lái)的傷害，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故原因并立即按照應(yīng)急預(yù)案處理。通過(guò)對(duì)煤礦瓦斯爆炸模糊Bow-tie模型的事故后果細(xì)化分析，可采取以下措施來(lái)降低瓦斯爆炸事故的損害程度。

1)及時(shí)溝通和上報(bào)，進(jìn)行人員營(yíng)救，減少人員傷亡。

2)及時(shí)維修設(shè)備，降低經(jīng)濟(jì)損失。

3)及時(shí)對(duì)瓦斯爆炸事故造成的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行處理，減輕環(huán)境污染程度。

4)及時(shí)成立調(diào)查組，匯報(bào)事故調(diào)查結(jié)果并向社會(huì)公布，對(duì)傷亡人員進(jìn)行有效補(bǔ)償。

5 結(jié)論

1)綜合運(yùn)用Bow-tie模型結(jié)合事故樹(shù)與事件樹(shù)對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行了深入全面分析。相較于單一的事故樹(shù)或事件樹(shù)分析，Bow-tie模型更加全面、直觀地揭示了事故原因及結(jié)果，定性分析的同時(shí)也為定量分析打好了基礎(chǔ)，同時(shí)也為煤礦瓦斯爆炸事故分析提供了一種新的方法。

2)在傳統(tǒng)Bow-tie模型中引入三角模糊數(shù)，避免了預(yù)測(cè)過(guò)程中由專(zhuān)家打分帶來(lái)的偶然性及主觀性。同時(shí)三角模糊數(shù)也解決了煤礦瓦斯爆炸事故中數(shù)據(jù)的不確定性問(wèn)題，使很多難以量化的變量實(shí)現(xiàn)了定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變，為煤礦瓦斯爆炸事故的研究、預(yù)防等提供了定量化數(shù)據(jù)。

3)通過(guò)模糊Bow-tie模型分析，不僅僅可以找出事故發(fā)生的原因,以及可能造成的后果，更重要的是根據(jù)事故原因和事故后果建立起的安全屏障，這些預(yù)防和控制措施有利于防止同類(lèi)事故發(fā)生。