基于事故樹分析法的氣膜式儲煤棚消防安全風險分析

余瑾 鄔元豪, 姚斌

(1.安徽領(lǐng)泰安全科技有限公司 合肥 230027；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室 合肥 230027)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，各式各樣的建筑拔地而起，其中氣膜結(jié)構(gòu)建筑憑借其獨特而優(yōu)越的性能受到廣泛關(guān)注，如山西省某氣膜式儲煤棚如圖1所示。氣膜結(jié)構(gòu)建筑是在作為圍護結(jié)構(gòu)的膜材及室內(nèi)地面之間的整個空間內(nèi)充氣，使膜內(nèi)相對室外存在正壓差，通過空氣正壓把建筑主體支撐起來的一種建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]。氣膜式儲煤棚則是氣膜結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用到煤礦行業(yè)的一種專用建筑形式，它施工周期短、節(jié)能環(huán)保、可拆卸，具有傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)封閉式儲煤棚無法比擬的優(yōu)勢，但國內(nèi)外對于氣膜式儲煤棚的消防安全研究較少，而氣膜式儲煤棚一旦發(fā)生火災(zāi)，蔓延速度很快，撲救難度很大。因此，亟需對氣膜式儲煤棚進行消防安全風險分析并提出相應(yīng)對策。

圖1 山西省某氣膜式儲煤棚

1 氣膜式儲煤棚

1.1 氣膜式儲煤棚簡介

氣膜式儲煤棚是一種封閉式煤礦儲運建筑，一般是由建筑主體、基礎(chǔ)錨固系統(tǒng)、新風增壓系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急備用電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[2]。它的基本原理是在氣膜式儲煤棚內(nèi)充氣，使煤棚內(nèi)外形成一定的壓力差，將氣膜按照原設(shè)計的形狀支撐起來，如圖2所示。氣膜一般會按條形煤場布置，安裝在擋煤墻上部，氣膜經(jīng)過充氣后會矗立在地面上，無梁無柱，形成很大的密閉空間。

圖2 氣膜結(jié)構(gòu)示意

1.2 氣膜式儲煤棚特點

氣膜式儲煤棚剖面如圖3所示，具有以下特點：

圖3 氣膜式儲煤棚剖面示意

(1)遠程智能監(jiān)控。氣膜式封閉煤棚采用遠程智能控制系統(tǒng)，可對棚內(nèi)外溫度、濕度、壓力、風量、燃煤粉塵濃度、車輛進出等進行監(jiān)控管理，確保氣膜式儲煤棚的安全。

(2)節(jié)能環(huán)保。氣膜材料具有較高的透射率，可以減少煤棚內(nèi)的照明能耗；氣膜式儲煤棚是全密閉結(jié)構(gòu)，棚內(nèi)有專業(yè)降塵設(shè)備，排風口有降塵凈化裝置，能有效滿足儲煤棚的綠色環(huán)保要求。

(3)保證生產(chǎn)安全。膜材表面光滑，煤塵無法沉積，降低煤塵爆炸危險性；氣膜結(jié)構(gòu)具有較大的豎向空間，有利于生產(chǎn)安全。

(4)施工周期短。氣膜建筑與傳統(tǒng)建筑相比，少了許多施工步驟，施工周期可縮短很多。

1.3 氣膜式儲煤棚火災(zāi)危險性

對于氣膜式儲煤棚來說，綜合考慮其自然條件、生產(chǎn)過程、物料儲運、設(shè)備運行等方面，認為主要有4個火災(zāi)危險因素：煤堆自燃、煤塵燃爆、瓦斯爆炸、設(shè)備起火。煤在一定條件下，與空氣接觸會發(fā)生氧化反應(yīng)并釋放熱量，從而使煤堆溫度升高，進而加快煤的氧化反應(yīng)，最終發(fā)生自燃。而在煤的儲運過程中，會不可避免地出現(xiàn)煤塵，由于煤塵本身具有燃爆性，當懸浮在空氣中的煤塵積累過多而達到爆炸極限時，遇到能引燃煤塵的熱源就會發(fā)生燃爆。長期堆積的煤堆由于自熱，瓦斯含量相當高，即使還沒發(fā)生自燃，也對外來火種相當敏感[3]，當瓦斯在空氣中達到一定的濃度，遇到點火源極易發(fā)生爆炸。此外，煤棚內(nèi)的電氣設(shè)備發(fā)生故障、漏電、過載、接觸不良及輸煤皮帶和煤粉之間摩擦發(fā)熱等情況，也可能會導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生。

氣膜式建筑既不同于常規(guī)建筑，也不同于一般的臨時建筑，而是一種無墻、無梁、無柱的充氣式建筑，國家對于此類建筑的防火設(shè)計尚未制定相關(guān)規(guī)范標準[4]。由于氣膜式儲煤棚具有特殊的空間結(jié)構(gòu)和使用功能，煤棚內(nèi)難以采用防火墻、防火門等常規(guī)分隔設(shè)施劃分防火分區(qū)，導(dǎo)致煤棚內(nèi)防火分區(qū)面積過大。當煤棚內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，一旦火源沒有被快速識別和有效撲滅，火焰將會蔓延到整個煤棚內(nèi)，造成嚴重后果。

氣膜式儲煤棚的膜材一般是由高強度的織物基材和聚合物涂層構(gòu)成的復(fù)合材料[5]，本身屬于難燃材料，只有遇到明火時，膜材受火焰熱作用影響，逐漸熱解，產(chǎn)生有毒氣體，當溫度升高到臨界溫度時，氣膜會出現(xiàn)破洞，并有可能伴隨高溫熔滴滴落。因此，當煤堆發(fā)生意外燃燒時，一旦氣膜與煤堆的間距過小，煤堆燃燒的火焰會接觸到氣膜，導(dǎo)致氣膜發(fā)生燃燒破洞。由于氣膜式儲煤棚內(nèi)沒有支撐結(jié)構(gòu)，當氣膜燃燒破洞后，氣膜內(nèi)壓力降低，可能導(dǎo)致氣膜發(fā)生坍塌，從而影響人員的疏散和消防隊員的撲救。

2 事故樹分析法

事故樹分析法是安全系統(tǒng)工程風險評估中的一種重要的評估分析方法，廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)的危險性辨識和評價過程。事故樹分析的主要過程如下：首先確定頂上事件，然后分析出所有可能引起頂上事件發(fā)生的中間事件，最后再找出導(dǎo)致這些中間事件發(fā)生的基本事件，根據(jù)這些事件的因果邏輯關(guān)系繪制出事故樹。通過事故樹分析，可以準確地找出導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因和根本原因，并結(jié)合氣膜式儲煤棚的具體情況，采取相應(yīng)的措施來降低最基本事件發(fā)生的概率，比如定期對電氣設(shè)備和線路進行檢修維護，降低火災(zāi)事故發(fā)生的可能性。同時，也可以制定科學(xué)合理的事故應(yīng)急預(yù)案，以降低事故發(fā)生后造成的各項損失。

2.1 事故樹分析法的應(yīng)用步驟

(1)確定頂上事件。將氣膜式儲煤棚火災(zāi)作為事故樹的頂上事件。

(2)分析頂上事件發(fā)生原因。從氣膜式儲煤棚著火和撲救失敗兩方面來尋找頂上事件發(fā)生的原因，并對這些原因進一步分析，一層一層地找出導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最基本事件。

(3)繪制事故樹。根據(jù)邏輯關(guān)系，用邏輯門和事件符號將頂上事件、中間事件和基本事件由上到下依次連接起來，層層向下，一直到最基本事件。

(4)定性分析。利用最小割集對氣膜式儲煤棚火災(zāi)的直接和間接原因進行分析，并根據(jù)最小徑集確定出防止氣膜式儲煤棚火災(zāi)發(fā)生的優(yōu)選方案。

(5)定量分析。利用結(jié)構(gòu)重要度計算公式，計算出各基本事件在事故樹中的重要度，并根據(jù)重要度排序，找出對頂上事件發(fā)生影響最大的基本事件。

(6)制定事故預(yù)防措施?；诙ㄐ?、定量分析的結(jié)果，按照輕重緩急的原則，有針對性地制定事故預(yù)防措施。

2.2 建立事故樹

根據(jù)氣膜式儲煤棚發(fā)生火災(zāi)的特點，利用事故樹分析法，將“氣膜式儲煤棚火災(zāi)”作為頂上事件，建立氣膜式儲煤棚火災(zāi)事故樹如圖4所示，事故樹中各符號的意義如表1所示。

圖4 氣膜式儲煤棚火災(zāi)事故樹

表1 事故樹中符號的意義

(1)利用布爾代數(shù)法求最小割集

TG=A1·A2=(B1+B2+B3+B4)(B5+B6)=(X1X2+X3X4+X5X6+X7+X8+X9+X10)(X11X12+X13+X14+X15)=X1X2X11X12+X1X2X13+X1X2X14+X1X2X15+X3X4X11X12+X3X4X13+X3X4X14+X3X4X15+X5X6X11X12+X5X6X13+X5X6X14+X5X6X15+X7X11X12+X7X13+X7X14+X7X15+X8X11X12+X8X13+X8X14+X8X15+X9X11X12+X9X13+X9X14+X9X15+X10X11X12+X10X13+X10X14+X10X15

(1)

計算得到28個最小割集，如表2所示。

表2 最小割集

(2)利用布爾代數(shù)法求最小徑集

TJ=A1+A2=B1B2B3B4+B5B6=(X1+X2)(X3+X4)(X5+X6)(X7X8X9X10)+(X11+X12)(X13X14X15)=X1X3X5X7X8X9X10+X1X4X5X7X8X9X10+X2X3X5X7X8X9X10+X2X4X5X7X8X9X10+X1X3X6X7X8X9X10+X1X4X6X7X8X9X10+X2X3X6X7X8X9X10+X2X4X6X7X8X9X10+X11X13X14X15+X12X13X14X15

(2)

計算得到10個最小徑集，如表3所示。

表3 最小徑集

(3)結(jié)構(gòu)重要度分析

基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)采用估算法進行：

(3)

可得

I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=1/24-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1=7/8

I(7)=I(8)=I(9)=I(10)=1/23-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1=7/4

I(11)=I(12)=1/24-1+1/24-1+1/24-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1=11/8

I(13)=I(14)=I(15)=1/23-1+1/23-1+1/23-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1=11/4

因此得到結(jié)構(gòu)重要度順序為：I(13)=I(14)=I(15)>I(11)=I(12)>I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=I(10)

2.3 事故樹分析

(1)最小割集分析

最小割集是引起頂上事件發(fā)生所必需的、具有最低限度的基本事件集合，當一個最小割集中所有事件在同一時間和同一地點發(fā)生時，頂上事件就會發(fā)生。如在最小割集K26中，當輸煤皮帶摩擦生熱著火和自動滅火設(shè)備失效同時發(fā)生時，就會引起氣膜式儲煤棚發(fā)生火災(zāi)。因此，集合中的事件數(shù)量越少，頂上事件越容易發(fā)生；集合中的事件數(shù)量越多，頂上事件越難發(fā)生[6]。而事故樹中最小割集的數(shù)量，也決定了頂上事件發(fā)生的可能性，最小割集的數(shù)量越多，頂上事件發(fā)生的可能性越高。根據(jù)計算，此事故樹一共有28組最小割集，說明頂上事件發(fā)生的可能性很大，有28種原因會引起氣膜式儲煤棚發(fā)生火災(zāi)。為了預(yù)防氣膜式儲煤棚火災(zāi)發(fā)生，可以對這些最小割集中的基本事件進行分析，找出氣膜式儲煤棚發(fā)生火災(zāi)的直接和間接原因，并根據(jù)最小割集中所有事件都發(fā)生才能引起頂上事件發(fā)生的特點，來制定火災(zāi)防護對策。例如在最小割集K1中，一共有4個基本事件(X1、X2、X11、X12)，分別代表：煤塊堆放過多、通風受限、工作人員疏忽和火災(zāi)探測報警系統(tǒng)失效，只要控制其中任意一個事件不發(fā)生，頂上事件就不會發(fā)生。

(2)最小徑集分析

最小徑集是使頂上事件不發(fā)生所必需的、具有最低限度的基本事件集合，當最小徑集中的所有事件都不發(fā)生時，頂上事件就不會發(fā)生[7]。它也表示系統(tǒng)的安全性，最小徑集的數(shù)量越多，系統(tǒng)越安全。在事故預(yù)防時，可以通過控制最小徑集的發(fā)生來防止頂上事件的發(fā)生。根據(jù)計算，此事故樹一共有10組最小徑集，表示防止氣膜式儲煤棚發(fā)生火災(zāi)的方案共有10種，對這些方案進行分析，并選取最容易實現(xiàn)的方案。例如在最小徑集P10中，若X12、X13、X14、X15不發(fā)生，則頂上事件不會發(fā)生，即如果能夠控制“火災(zāi)探測報警系統(tǒng)失效”“自動滅火設(shè)備失效”“企業(yè)專職消防隊伍裝備配置不足” “氣膜發(fā)生坍塌”都不發(fā)生，就可以避免氣膜式儲煤棚火災(zāi)發(fā)生。

(3)基本事件結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度是基于事故樹的結(jié)構(gòu)，在不考慮各基本事件發(fā)生概率的情況下，分析和判斷每個基本事件的發(fā)生對頂上事件的影響程度[8]。由于此事故樹邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基本事件數(shù)量眾多，計算出的部分基本事件結(jié)構(gòu)重要度存在一定差異，在制定火災(zāi)防護對策時，應(yīng)優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大的事件，遵循輕重緩急、經(jīng)濟有效的原則，實現(xiàn)系統(tǒng)安全的目標[9]。在該事故樹中可以看出，結(jié)構(gòu)重要度最大的是X13、X14和X15，對應(yīng)的基本事件為自動滅火設(shè)備失效、企業(yè)專職消防隊伍裝備配置不足和氣膜發(fā)生坍塌。根據(jù)以上分析結(jié)果，有針對性地展開火災(zāi)防控工作，可有效預(yù)防氣膜式儲煤棚火災(zāi)發(fā)生。

3 結(jié)語

基于事故樹分析法，通過最小割集分析、最小徑集分析和基本事件結(jié)構(gòu)重要度分析，對氣膜式儲煤棚的消防安全風險進行分析，計算得出了事故樹的最小割集、最小徑集和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，確定了 “自動滅火設(shè)備失效”“企業(yè)專職消防隊伍裝備配置不足”“氣膜發(fā)生坍塌”等基本事件是引發(fā)頂上事件發(fā)生的主要原因事件。根據(jù)分析結(jié)果以及氣膜建筑抵御火災(zāi)能力薄弱的特點，從人、機的角度提出以下建議，使氣膜式儲煤棚沿著科學(xué)、安全的方向發(fā)展，為煤礦企業(yè)進行火災(zāi)防控提供有效參考。

(1)完善企業(yè)安全管理制度，加強員工安全教育，定期對消防設(shè)備設(shè)施進行維保檢測，確保自動噴水滅火系統(tǒng)的可靠性。

(2)定期開展企業(yè)專職消防隊伍業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)，密切結(jié)合氣膜式儲煤棚的實際，制定滅火與救災(zāi)預(yù)案,并按照標準配齊滅火裝備器材。

(3)設(shè)置防火隔離帶，在空間上形成非物理隔斷的防火分區(qū)以控制火災(zāi)蔓延，合理控制煤堆間的防火間距和煤堆與氣膜的間距。

(4)選用優(yōu)良性能的膜材，科學(xué)合理確定氣肋直徑、跨度、高度和膜內(nèi)氣壓。在儲煤棚膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置壓強報警裝置，當膜內(nèi)外壓差≤1/2 安全生產(chǎn)狀態(tài)內(nèi)外壓差時，裝置啟動報警。

(5)設(shè)置大空間火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和電控消防炮系統(tǒng)，通過消防控制室進行遠程控制，或通過現(xiàn)場控制盤進行現(xiàn)場控制。

(6)設(shè)置瓦斯、煤塵自動檢測報警裝置和排放設(shè)備，有效控制儲煤棚內(nèi)瓦斯、煤塵含量，并加強對電氣設(shè)備的安裝使用管理，消除一切電氣火災(zāi)隱患。

氣膜式儲煤棚的消防安全性與氣膜的設(shè)置高度以及氣膜膜材的選型等有很大關(guān)系，可進一步針對不同膜材的氣膜，研究火焰和高溫煙氣對其設(shè)置在不同高度時的熱作用，確定氣膜受熱發(fā)生燃燒時的破洞溫度和燃燒特性，再根據(jù)實驗得到的結(jié)果，科學(xué)合理地采取改進措施，提高氣膜式儲煤棚的消防安全性。