基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的余吾煤礦瓦斯超限事故發(fā)生規(guī)律及對(duì)策研究

柴 沛，楊 明，2，3，毛俊睿，柳 磊

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作454003；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作454003）

隨著我國瓦斯治理技術(shù)的不斷提高，瓦斯爆炸事故正在逐年減少，但瓦斯超限事故在井下作業(yè)過程中卻時(shí)有發(fā)生[1]。針對(duì)此問題，國家煤礦安監(jiān)局也曾明確提出要加強(qiáng)瓦斯零超限目標(biāo)管理。瓦斯超限事故是指在煤礦采掘工作面等作業(yè)地點(diǎn)的瓦斯?jié)舛瘸^《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的濃度值[2]。當(dāng)瓦斯超限事故發(fā)生后，如果不及時(shí)采取措施，就有可能誘發(fā)瓦斯積聚，造成瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等瓦斯事故[3]。因此針對(duì)瓦斯超限事故的問題應(yīng)加以重視，從其事故發(fā)生規(guī)律入手，探尋瓦斯超限原因，制定相應(yīng)措施，以達(dá)到減少事故發(fā)生的目的。近年來，國內(nèi)學(xué)者通常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究事故發(fā)生規(guī)律[4-9]；文獻(xiàn)［1，10－11］通過對(duì)瓦斯超限致因因素的研究，從多個(gè)方面建立了瓦斯超限預(yù)警指標(biāo)體系，并利用不同的數(shù)學(xué)理論建立了基于多指標(biāo)模式的瓦斯超限預(yù)測(cè)模型；任威[12]通過灰色關(guān)聯(lián)分析法篩選出了掘進(jìn)工作面瓦斯超限預(yù)測(cè)的主要指標(biāo)，并利用物元可拓集合理論建立了瓦斯超限危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的物元可拓模型。綜上所述，現(xiàn)階段國內(nèi)學(xué)者針對(duì)瓦斯超限事故已經(jīng)進(jìn)行了大量的深入研究并取得良好進(jìn)展，為瓦斯超限事故治理提供了理論依據(jù)?；诖耍Y(jié)合前人的研究成果，以余吾煤礦2018 年1 月至2019 年8 月期間所發(fā)生的瓦斯超限（預(yù)警）事故為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法從事故發(fā)生班次、預(yù)警時(shí)長及最高濃度等方面對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出瓦斯超限事故發(fā)生規(guī)律及事故致因，并根據(jù)事故發(fā)生規(guī)律提出相應(yīng)的對(duì)策，為解決井下瓦斯超限問題提供指導(dǎo)意見。

1 事故發(fā)生規(guī)律

1.1 事故發(fā)生班次

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，余吾煤礦在此期間瓦斯超限（預(yù)警）事故共計(jì)發(fā)生50 起，其中2018 年28 起，2019 年22起。經(jīng)調(diào)查可知，余吾煤礦采用“三八制”作業(yè)，因此可按照0 點(diǎn)班、8 點(diǎn)班、4 點(diǎn)班對(duì)事故進(jìn)行分類，各班次事故發(fā)生率如圖1。

圖1 各班次事故發(fā)生率Fig.1 Rate of accidents for each shift

由圖1 可以看出，在1 d 的工作時(shí)間中，0 點(diǎn)班事故發(fā)生率最高，相較于事故發(fā)生率最低的4 點(diǎn)班高出12%。其原因是由于0 點(diǎn)班的工作時(shí)間是人體機(jī)能處于疲勞的時(shí)間階段，反應(yīng)能力相較于白天較弱，工作效率相對(duì)較低。因此在針對(duì)班次進(jìn)行防控時(shí)，應(yīng)著重加強(qiáng)針對(duì)0 點(diǎn)班班次的超限隱患排查工作，從事故發(fā)生率最高的班次入手，達(dá)到降低事故發(fā)生的目的。

為進(jìn)一步分析瓦斯超限事故的階段性特征，將1 d 的工作時(shí)段按每1 h 為時(shí)間間隔對(duì)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用控制圖法[13]對(duì)期間發(fā)生的瓦斯超限（預(yù)警）事故做進(jìn)一步分析。以瓦斯超限（預(yù)警）事故起數(shù)為考察指標(biāo)，各控制線計(jì)算公式如下：

式中：CL、UCL、LCL 分別為中心控制線、控制上限、控制下限；xi為第i 個(gè)時(shí)間段內(nèi)瓦斯超限（預(yù)警）事故起數(shù)；n 為統(tǒng)計(jì)時(shí)間段總數(shù)。

當(dāng)瓦斯超限（預(yù)警）事故起數(shù)處于控制上、下限以內(nèi)，則表明事故的發(fā)生仍處于可控范圍，一旦超過了控制上限，則表示超出了可控范圍，如果低于控制下限，則表示瓦斯超限（預(yù)警）事故的發(fā)生已經(jīng)得到了有效控制。根據(jù)計(jì)算可以得出，瓦斯超限（預(yù)警）事故的中心控制線CL=2.17，控制上限UCL=5.11，控制下限LCL=-0.78（取LCL=0），瓦斯超限事故控制限圖如圖2。

圖2 瓦斯超限事故控制限圖Fig.2 Gas over-limit accident control chart

由圖2 可以看出，在1 d 工作時(shí)間內(nèi)，瓦斯超限（預(yù)警）事故的發(fā)生都處于控制上、下限內(nèi)，表明事故整體都處于可控范圍，但在0 點(diǎn)班內(nèi)的01:00—02:00時(shí)間段和06:00—07:00 時(shí)間段內(nèi)事故起數(shù)趨近于控制上限。

因此在針對(duì)0 點(diǎn)班制定瓦斯超限（預(yù)警）事故防控措施時(shí)，應(yīng)著重加強(qiáng)這2 個(gè)時(shí)間段內(nèi)的管控措施，對(duì)易發(fā)生預(yù)警的地點(diǎn)安排專人進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)超限隱患及時(shí)處理，避免其超過控制上限。

根據(jù)圖2 對(duì)每班次事故發(fā)生的階段性特征進(jìn)行分析可以看出，在每班次開始時(shí)事故起數(shù)都有1 段上升趨勢(shì)，且在每班次的前2 h 內(nèi)達(dá)到峰值，然后開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出開工時(shí)事故起數(shù)多的規(guī)律。這是因?yàn)樵谶@2 h 內(nèi)工作人員剛剛完成交接班工作，尚未進(jìn)入工作狀態(tài)，安全防范意識(shí)松懈，同時(shí)上一班次作業(yè)中存在的瓦斯超限隱患未交接到位也是造成開工時(shí)事故起數(shù)多的問題之一。在工作人員逐漸進(jìn)入工作狀態(tài)后，即每班次的第2～第4 h 內(nèi)，事故發(fā)生率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在這一時(shí)間段內(nèi)，工作人員身心完全沉入工作中，針對(duì)隱患問題能夠很快發(fā)現(xiàn)并解決，使得超限事故起數(shù)隨著時(shí)間的推移不斷下降。在經(jīng)過4 h 的工作后，即每班次的第4～第6 h 內(nèi)，工作人員的體力及精力已經(jīng)有了很大的消耗，在進(jìn)行設(shè)備操作及隱患排查工作中極易出現(xiàn)失誤，因此造成這一時(shí)間段內(nèi)超限事故又有所上升。在每班次的最后2 h，即收工階段，此時(shí)段的工作人員逐漸退出工作狀態(tài)，對(duì)這一班次中造成的超限隱患進(jìn)行排查，為交接班做準(zhǔn)備，因此在這一時(shí)間段內(nèi)事故起數(shù)又出現(xiàn)下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出收工時(shí)事故起數(shù)少的規(guī)律。

針對(duì)這一規(guī)律，應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)工作人員的安全教育，提高其開工前的工作積極性；同時(shí)加大對(duì)每班次收工時(shí)的隱患排查力度，盡量減少隱患遺留問題；對(duì)井下工作人員的時(shí)間安排應(yīng)盡量分配合理，避免出現(xiàn)長時(shí)間高體力消耗作業(yè)，使工人們能夠長期保持較好的精神狀態(tài)，減少操作失誤；同時(shí)對(duì)部分耗體力的工作應(yīng)考慮增加作業(yè)人數(shù)，進(jìn)行輪班工作。

1.2 事故發(fā)生地點(diǎn)

由于井下環(huán)境復(fù)雜，而且煤礦事故的發(fā)生具有典型的地點(diǎn)依賴特征[14]。因此不同地點(diǎn)發(fā)生超限事故的可能性也存在差異性。所以從余吾煤礦瓦斯超限（預(yù)警）事故的發(fā)生地點(diǎn)對(duì)事故發(fā)生規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在50 起瓦斯超限（預(yù)警）事故中，發(fā)生在掘進(jìn)工作面內(nèi)的共計(jì)44 起，其中發(fā)生在煤巷掘進(jìn)40 起，巖巷掘進(jìn)4 起，總占比88%；回采工作面內(nèi)共計(jì)4 起，占比8%；回風(fēng)大巷共計(jì)2 起，占比4%，說明瓦斯超限事故一般發(fā)生在掘進(jìn)工作中，尤其是在運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷等煤巷掘進(jìn)中。

因此在制定井下瓦斯超限防治措施時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)工作的監(jiān)控管理。尤其是在煤巷掘進(jìn)工作中，應(yīng)嚴(yán)格控制割煤速度及割煤路線，時(shí)刻注意前方煤體情況，避免因割煤速度快引起片幫或高頂?shù)纫馔獍l(fā)生，造成煤體垮落涌出大量瓦斯而引發(fā)瓦斯超限。

2 瓦斯超限（預(yù)警）時(shí)長

2.1 預(yù)警時(shí)長及最高預(yù)警濃度耦合

根據(jù)井下實(shí)際情況，傳感器預(yù)警時(shí)長與最高預(yù)警濃度兩者之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此將瓦斯超限（預(yù)警） 事故按照預(yù)警時(shí)長分為小于5 min、5～30 min、大于30 min 3 類，按照預(yù)警最高濃度分為小于1%、1%～3%、大于3% 3 類，預(yù)警時(shí)長與預(yù)警最高濃度耦合分析如圖3。

圖3 預(yù)警時(shí)長與預(yù)警最高濃度耦合分析Fig.3 Coupling analysis of warning duration and warning maximum concentration

由圖3 可知，傳感器預(yù)警時(shí)長與預(yù)警最高濃度之間存在很明顯的耦合特征。38 起瓦斯超限事故發(fā)生時(shí)長在5 min 之內(nèi)，37 起事故發(fā)生時(shí)預(yù)警最高濃度在1%以下，29 起瓦斯超限事故發(fā)生時(shí)間都在5 min 之內(nèi)，且預(yù)警最高濃度都在1%以下。因此針對(duì)此類短時(shí)長、低預(yù)警濃度瓦斯超限（預(yù)警）事故應(yīng)制定相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，使傳感器一旦發(fā)生預(yù)警，能夠快速的降低瓦斯?jié)舛戎抵翗?biāo)準(zhǔn)值以下。結(jié)合井下實(shí)際情況，可對(duì)巷道內(nèi)負(fù)壓通風(fēng)管道進(jìn)行改造，當(dāng)預(yù)警發(fā)生后，快速打開負(fù)壓通風(fēng)管道使其成為臨時(shí)抽出式通風(fēng)，以達(dá)到降低巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊哪康摹?/p>

2.2 長時(shí)間預(yù)警事故致因

瓦斯超限是造成瓦斯積聚的主要因素之一，當(dāng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛乳L時(shí)間處于超限狀態(tài)，就有可能造成瓦斯積聚引起瓦斯爆炸事故，因此針對(duì)長時(shí)間預(yù)警事故也應(yīng)制定相應(yīng)防控措施，防止其不斷積聚。

長時(shí)間預(yù)警事故匯總及原因分析見表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，長時(shí)間預(yù)警事故共計(jì)發(fā)生5 次，可以看出：在這5 次事故中，其中有3 次是由事故發(fā)生時(shí)工作面配風(fēng)量不足，無法達(dá)到瓦斯稀釋的要求引起瓦斯超限。因此在制定長時(shí)間預(yù)警事故預(yù)防措施時(shí)應(yīng)著重針對(duì)工作面配風(fēng)量不足制定相關(guān)措施。如在進(jìn)行風(fēng)筒更換作業(yè)時(shí)提前對(duì)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測(cè)，并在更換完畢后對(duì)接口部分進(jìn)行檢查，避免漏風(fēng)情況的發(fā)生；盡量避免長時(shí)間作業(yè)，縮短工作面無風(fēng)時(shí)間；明確調(diào)節(jié)風(fēng)窗開閉狀態(tài)，在進(jìn)行調(diào)整時(shí)應(yīng)提前向調(diào)度室報(bào)告；針對(duì)風(fēng)量較低的巷道，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)量的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)向調(diào)度室報(bào)告。

表1 長時(shí)間預(yù)警事故匯總及原因分析Table 1 Summary and cause analysis of long - time warning accidents

3 瓦斯超限事故致因類型

根據(jù)對(duì)事故發(fā)生規(guī)律的研究分析，在瓦斯超限（預(yù)警）事故致因中涉及到多種不同的作業(yè)類型，其大致可分為瓦斯管路延伸、風(fēng)筒接換作業(yè)、割煤作業(yè)、鉆孔作業(yè)、傳感器安裝位置、調(diào)節(jié)風(fēng)窗開關(guān)狀態(tài)6 大類。同時(shí)在一起超限事故中有可能會(huì)涉及到2種及2 種以上的作業(yè)類型，因此可以根據(jù)不同作業(yè)類型對(duì)事故致因進(jìn)行分類，不同類型事故起數(shù)如圖4。

圖4 不同類型事故起數(shù)Fig.4 Number of accidents for different types

由圖4 可以看出，在余吾煤礦發(fā)生的瓦斯超限（預(yù)警）事故中，大多數(shù)事故集中在割煤作業(yè)、風(fēng)筒接換作業(yè)和鉆孔作業(yè)3 種作業(yè)類型，其中又以割煤作業(yè)導(dǎo)致的瓦斯超限事故起數(shù)最多，共計(jì)23 起，占比39.66%。而其他3 種類型的超限事故起數(shù)較少，在這3 種作業(yè)類型中，事故起數(shù)最多的為瓦斯管路延伸作業(yè)，共計(jì)發(fā)生5 起，占比8.62%。因此本節(jié)主要從割煤作業(yè)、風(fēng)筒接換作業(yè)和鉆孔作業(yè)3 種作業(yè)類型入手，對(duì)事故發(fā)生原因進(jìn)行歸類分析，從不同方面探尋事故發(fā)生原因，達(dá)到減少事故發(fā)生的目的。

根據(jù)圖4，分別對(duì)風(fēng)筒接換作業(yè)、割煤作業(yè)、鉆孔作業(yè)3 種作業(yè)類型的超限致因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。其中風(fēng)筒接換作業(yè)中大致可分為3 種致因類型，違章作業(yè)、人為因素和環(huán)境因素。其中違規(guī)作業(yè)包括在作業(yè)過程中未正確進(jìn)行反壓邊、風(fēng)筒未提前懸掛等操作造成漏風(fēng)、風(fēng)筒折彎等現(xiàn)象引起供風(fēng)量不足。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，由違規(guī)作業(yè)引起的瓦斯超限（預(yù)警）事故最多，共計(jì)6 起，占風(fēng)筒作業(yè)類型事故數(shù)的66.67%，占總事故數(shù)的10.34%，由人為因素引起的事故2起，占比22.21%，由管理因素引起的事故共1 起，占比11.12%。

在割煤作業(yè)中可分為割煤速度快、割煤路線錯(cuò)誤以及進(jìn)刀方式不適3 種類型，這3 種類型都有可能造成煤體垮落使大量瓦斯涌出造成瓦斯超限，其中又以割煤速度過快引起的瓦斯超限（預(yù)警）事故最多，共18 起，占割煤作業(yè)類型事故數(shù)的78.26%，占總事故數(shù)的31.03%；由未調(diào)整割煤路線引起的事故共2 起，占比17.39%；由進(jìn)刀方式不適引起的事故共3 起，占比21.74%。

在鉆孔作業(yè)中可分為鉆孔位置不適、退鉆過程以及瓦斯噴孔3 種類型，鉆空位置不適主要包括鉆孔布置不均勻以及鉆孔有效控制距離不足等；退鉆過程主要包括強(qiáng)制退鉆、停鉆時(shí)間過長以及未開啟防噴孔裝置等；瓦斯噴孔主要包括未及時(shí)增加卸壓孔以及防噴孔裝置失效等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鉆孔作業(yè)類型中，由鉆孔位置不當(dāng)引起的瓦斯超限（預(yù)警）事故最多，共8 起，占鉆孔作業(yè)類型事故數(shù)的50%，占總事故數(shù)的13.79%，由退鉆過程失誤引起的超限事故共5 起，占比31.25%，占總事故數(shù)的8.62%。

根據(jù)以上分析，在預(yù)防井下瓦斯超限事故時(shí)，應(yīng)著重針對(duì)割煤作業(yè)進(jìn)行防治，嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)方式，加強(qiáng)對(duì)操作人員的實(shí)操培訓(xùn)，避免出現(xiàn)由于割煤速度過快引起片幫等意外情況，造成瓦斯異常涌出引起瓦斯超限；在進(jìn)行風(fēng)筒作業(yè)時(shí)應(yīng)制定嚴(yán)格的規(guī)章制度并保證井下工作人員能夠嚴(yán)格執(zhí)行，在安裝風(fēng)筒時(shí)進(jìn)行反壓邊等一系列防止風(fēng)筒漏風(fēng)的安全措施，同時(shí)還要保證作業(yè)時(shí)間不能過長，避免工作面長時(shí)間無風(fēng)；在進(jìn)行鉆孔布置時(shí)，應(yīng)保證其有效控制距離足夠且布置均勻，避免出現(xiàn)鉆孔堵死的現(xiàn)象發(fā)生，在退鉆過程中要開啟防噴孔裝置并避免長時(shí)間停鉆。

4 結(jié) 論

1）通過對(duì)事故發(fā)生班次分析得出0 點(diǎn)班事故發(fā)生率最高，同時(shí)在0 點(diǎn)班中又以01:00—02:00 時(shí)間段和06:00—07:00 時(shí)間段事故發(fā)生率最高，但事故整體處于可控范圍內(nèi)。

2）通過對(duì)事故發(fā)生地點(diǎn)分析可以得出瓦斯超限事故主要發(fā)生在掘進(jìn)過程中，其中煤巷掘進(jìn)事故發(fā)生率明顯高于巖巷掘進(jìn)。

3）通過對(duì)傳感器預(yù)警時(shí)長與最高預(yù)警濃度的耦合分析可以得出大多數(shù)瓦斯超限事故都以預(yù)警時(shí)長短、預(yù)警濃度低為主，可以通過制定相應(yīng)的應(yīng)急處置措施對(duì)此類事故進(jìn)行控制。而針對(duì)長時(shí)間預(yù)警事故則應(yīng)注意工作面供風(fēng)量的問題。

4）造成瓦斯超限（預(yù)警）事故發(fā)生的致因類型主要有風(fēng)筒接換作業(yè)、鉆孔作業(yè)、割煤作業(yè)、瓦斯管路延伸、傳感器安裝位置以及調(diào)節(jié)風(fēng)窗開關(guān)狀態(tài)6 大類，而事故發(fā)生主要集中在風(fēng)筒作業(yè)、割煤作業(yè)以及鉆孔作業(yè)3 種類型。