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基于模糊事故樹的煤礦瓦斯爆炸事故危險(xiǎn)源分析

文檔作者：李新春，劉全龍，裴麗莎文檔來(lái)源：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月17日
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第46卷第5期
2014年第5期
煤炭工程
COAL ENGINEERING
Vo1．46， No．5
No．5，2014
doi：10．1 1799／ce20l40503 1
基于模糊事故樹的煤礦瓦斯爆炸
事故危險(xiǎn)源分析
李新春，劉全龍，裴麗莎
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇徐州221116)
摘要：文章根據(jù)煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生機(jī)理，建立了煤礦瓦斯爆炸事故樹，并分析得出瓦
斯爆炸事故鏈，進(jìn)而采用模糊事故樹對(duì)事故鏈上各種危險(xiǎn)源的不確定性和在事故產(chǎn)生過(guò)程中的重
要度不一性進(jìn)行分析，在分析模糊重要度計(jì)算方法上，采用中值法來(lái)獲取基本事件的重要程度。
最后，通過(guò)實(shí)例分析檢驗(yàn)了模糊事故樹分析對(duì)于煤礦瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的可行性和科學(xué)性，
從而為煤礦瓦斯爆炸事故及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警提供了新思路。
關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯爆炸事故；模糊事故樹；危險(xiǎn)源；模糊概率；模糊重要度
中圖分類號(hào)：TD712 ．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671—0959(2014)05-0093-04
Analysis on Danger Sources of M ine Gas Explosion
Based on Fuzzy Fault Tree
LI Xin—ehun，LIU Quan—long，PEI Li—sha
(School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)
Abstract：According to the mechanism of the mine gas explosion accident occurred，a fault tree of the mine gas explosion
was established，the gas explosion accident chain was analyzed and a fuzzy fault tree was applied to the analysis on the
uncertainty of each danger source in the accident chain and the inconsistency of the importance during the accident occurred
process． In the analysis on the calculation method of the fuzzy importance， a median method was applied to obtain the
importance of the base accident． Finally the case analysis was applied to verify the feasibility and science of the fuzzy fault
tree to the risk control of the mine gas explosion accident and to provide a new idea to the on—time accurate early warning
of the mine gas explosion．
Keywords：mine gas explosion accident；fuzzy fault tree；danger sources；fuzzy probability；fuzzy importance
目前，國(guó)內(nèi)外煤礦事故預(yù)警管理研究成果大致可分為
三類：一是基于危險(xiǎn)源理論，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者案例
推理等方法構(gòu)建模型進(jìn)行事故預(yù)警；二是定性構(gòu)建煤礦安
全管理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后通過(guò)定量計(jì)算進(jìn)行事故預(yù)警；
三是針對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故致因中瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)進(jìn)行
預(yù)警，通過(guò)預(yù)測(cè)瓦斯?jié)舛葘?shí)現(xiàn)預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生。
通過(guò)對(duì)近年來(lái)發(fā)生的重特大煤礦瓦斯爆炸事故研究后發(fā)現(xiàn)，
影響瓦斯爆炸事故的因素有很多，但是對(duì)于重特大瓦斯爆
炸事故而言，往往是只有幾個(gè)關(guān)鍵因素起著決定性的作用，
因此如何找出瓦斯爆炸事故因素中的關(guān)鍵因素尤為重要。
基于此思想，文章以煤礦瓦斯爆炸事故為研究對(duì)象，引入
事故鏈理論，對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行系統(tǒng)性的事故機(jī)理
與致因分析，建立煤礦瓦斯爆炸事故鏈模型，通過(guò)事故鏈
重要度分析找出事故關(guān)鍵致因因素，在此基礎(chǔ)上對(duì)煤礦瓦
斯爆炸事故預(yù)警進(jìn)行研究，并為控制事故發(fā)生提出事故鏈
斷鏈對(duì)策，為防治煤礦瓦斯爆炸事故提出新的研究思路。
1 煤礦瓦斯爆炸事故鏈
事故鏈理論來(lái)源于安全科學(xué)? ，在許多工業(yè)領(lǐng)域中得
到了有效的應(yīng)用，但是在煤礦安全領(lǐng)域中仍處于研究的初
收稿日期：2013—09—23
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“多因素耦合作用下煤礦事故復(fù)雜性機(jī)理及其風(fēng)險(xiǎn)度量研究”(71271206)
作者簡(jiǎn)介：李新春(1972一)，男，山西朔州人，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院MBA教育中心副主
任、副院長(zhǎng)，研究方向：煤礦復(fù)雜性安全管理，E—mail：lxc—ljx@263．net。
引用格式：李新春，劉全龍，裴麗莎．基于模糊事故樹的煤礦瓦斯爆炸事故危險(xiǎn)源分析[J]．煤炭工程，2014，46
(5)：93—96．
93
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煤炭工程 2014年第5期
步階段。海因里希最早提出的事故因果連鎖理論和國(guó)際民
航組織(ICAO)防止事故手冊(cè)上提出的“事故鏈”概念，在
各自的領(lǐng)域試圖解釋事故發(fā)生的過(guò)程和防止事故的措施。
事故鏈的概念是國(guó)際民航組織(ICAO)防止事故手冊(cè)上提出
的概念，即“大事故極少是由一個(gè)原因引起的，而是由許
多因素像鏈條一樣，把各個(gè)環(huán)節(jié)連接在一起時(shí)發(fā)生的；要
防止事故的發(fā)生，只要將鏈條上的某一環(huán)節(jié)截?cái)嗑涂梢?
了”。用事故鏈理論來(lái)分析具體的災(zāi)害、事故有多種方法，
目前應(yīng)用最廣泛的方法是事故樹分析法及其派生的定性、
定量分析法。
最小割集是事故樹定性分析中的重要內(nèi)容。在事故樹
分析中，把能使頂上事件發(fā)生的基本事件集合叫做割集；
如果割集中任意基本事件不發(fā)生就會(huì)造成頂事件不發(fā)生，
即割集中包含的基本事件對(duì)引起頂事件發(fā)生不但充分而且
必要，則該割集叫做最小割集，也稱之為一條事故鏈 ’ 。
由此可知，若要找到煤礦瓦斯爆炸事故的所有事故鏈，只
需找出煤礦瓦斯事故樹的所有最小割集。根據(jù)煤礦瓦斯爆
炸事故發(fā)生機(jī)理，構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸事故樹如圖1所示，
其中，圖1中事件編號(hào)的含義見表1。
圖1 瓦斯爆炸危險(xiǎn)源事故樹
表1 瓦斯爆炸事故樹中各事件編號(hào)的含義
編號(hào) 含義 編號(hào) 含義 編號(hào) 含義
To 瓦斯爆炸事故 x3 局部通風(fēng)機(jī)隨意開停 x21 瓦斯監(jiān)測(cè)人員不足
M- 瓦斯積聚達(dá)到爆炸極限 X4 密閉損壞 x22 未按規(guī)定排放
Mz 瓦斯積聚 x5 風(fēng)筒漏風(fēng) x23 瓦斯排放人員不足
M3 通風(fēng)不良 x6 風(fēng)筒脫節(jié) x2 井下吸煙
M 局部通風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn) x7 風(fēng)筒距工作面過(guò)長(zhǎng) x25 井下焊接起火
M5 風(fēng)筒缺陷 x8 通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整不當(dāng) x26 炸藥不合格
M 掘進(jìn)面瓦斯積聚 x9 通風(fēng)設(shè)施質(zhì)量不好 xz 放炮器失爆
M 采掘面瓦斯積聚 x—o 局部通風(fēng)機(jī)安裝不當(dāng) xzs 雷管不合格
M8 上隅角瓦斯積聚 x 一 冒頂區(qū)瓦斯積聚 xz 爆破丁操作不當(dāng)
M。 瓦斯監(jiān)測(cè)失效 xl2 盲巷瓦斯積聚 x o 摩擦撞擊火花
M-o 瓦斯排放處理不當(dāng) x．3 掘進(jìn)面瓦斯大 x3l 靜電
M - 引爆火源 x 掘進(jìn)面供風(fēng)不足 x32 煤炭自燃
Ml2 明火 x s 采掘面供風(fēng)不足 X33 設(shè)備失爆
M 3 爆破火焰 x 6 上隅角風(fēng)速低 x34 電纜損壞
MI4 電氣火花 xI7 采空區(qū)瓦斯大 x35 電器接線不當(dāng)
x0 氧氣 x 8 瓦斯假檢、漏檢 x36 帶電檢修
x， 通風(fēng)機(jī)故障 x-9 瓦斯報(bào)警斷電儀失靈 X37 開關(guān)短路
xz 隨意停電 xz0 瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障 x38 瓦斯涌出異常
在得到煤礦瓦斯爆炸事故樹的基礎(chǔ)上，如圖1所示，
瓦斯爆炸危險(xiǎn)源事故樹的布爾表達(dá)式如下：
= M 1XoM l1
= ( 眠 。) ．
= [( + + +? l7+ 8)
( 18+ 19+ 2【】+ 1)( 2+X23)] MIl
= ( 1+ + +? + 17+ 8)
( l8+ l9+ 0+ 1)( 2+ 3) ( + 5+? 6)
通過(guò)分解上式即可求出最小割集如下：
C1= { 。， 18， 2， ，X24}
C ： { 。， ， ：， ， }
C3= {Xl， l8，X22，Xo，X26}
94
C4= {X1，Xl8，X22，Xo，X27
C5= {Xl，X18，X22，Xo，Xz8
C ={ ， ． ， ：， ，
C7= { l， 18， 2， ， 30
C ={ ， 。， ， ， 。
C9= { l，X? 2，Xo，X32
Cl0= {XI，X18，X22，Xo，X33
C1l： {X1， 18，X22，Xo， 34
Cl2= { l，X X22，Xo，X35
C ，= { ， 。s， ， ，
C14={X1，Xl8，X22，Xo，X37
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2014年第5期 煤炭工程
C20l6：{X38，X21，X23，Xo，X37{
由上可知煤礦瓦斯爆炸事故的最小割集數(shù)為2016，即
共有2016條事故鏈。
2 事故鏈模糊事故樹分析
煤礦瓦斯爆炸事故鏈系統(tǒng)中存在著大量信息模糊的基
本事件，因此很難精確描述事故系統(tǒng)的不可靠性，要解決
這一難題，就必須解決信息模糊問(wèn)題。模糊數(shù)學(xué)恰巧是處
理模糊信息的一種定量方法，它通過(guò)隸屬度函數(shù)將模糊信
息定量化，完美的解決了帶有模糊性和不確定性的基本事
件的發(fā)生概率量化難題，因而文章引入了改進(jìn)的模糊數(shù)學(xué)
事故樹分析法。模糊事故樹的模型種類較多，主要分為三
角型模糊事故樹、梯型模糊事故樹、正態(tài)型模糊事故樹、
拋物型模糊事故樹等H J。文章在選擇模糊事故樹模型對(duì)煤
礦瓦斯爆炸事故鏈進(jìn)行研究時(shí)，考慮到事故的特點(diǎn)和三角
型模糊數(shù)的數(shù)學(xué)意義明確、靈活使用性強(qiáng)、易于煤礦企業(yè)
進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的特性，故選用三角型模糊事故樹進(jìn)行事故
鏈分析研究。
2．1 頂上事件的模糊概率
頂上事件的發(fā)生概率反映了事故鏈的不安全程度。頂
上事件模糊概率求解公式較多，因?yàn)槊旱V瓦斯爆炸事故樹
的特點(diǎn)為最小徑集數(shù)少且每個(gè)最小徑集中沒(méi)有重復(fù)的基本
事件，所以文章采用最小徑集法，求頂上事件模糊概率如
下：
Q( )=兀 (1一n? (1一mti))，
(1一兀? (1一m。))，(1一n? (1一m ))](1)
式中，P為最小徑集的個(gè)數(shù)；J為最小徑集的序數(shù)；，
為最小徑集中基本事件的序數(shù)；X 為最小徑集中第i個(gè)基
本事件；X ∈P，為第i個(gè)基本事件屬于第 個(gè)最小徑集P ；
m 為第i個(gè)基本事件發(fā)生概率的核值；m m 分別為第i
個(gè)基本事件發(fā)生概率的下限值與上限值。
2．2 模糊重要度分析
在傳統(tǒng)的事故樹分析法中，基本事件的概率重要度是
指，在只有第i個(gè)事件由正常狀態(tài)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)時(shí)，頂事
件發(fā)生概率的變化率：
Ag Eq(t)]= =g[1 ，q( )J_g[of'g( )](2)
V 、 ，
式中，i為基本事件的序數(shù)；q (t)為第i個(gè)基本事件的
發(fā)生概率；q(t)為頂上事件的發(fā)生概率。
當(dāng)事故樹的基本事件用模糊數(shù)來(lái)描述時(shí)，仍然假設(shè)基
本事件的狀態(tài)為0或者1，但因無(wú)法獲取基本事件發(fā)生概率
的精確值，所以采用模糊數(shù)描述。這樣可以借助上述方法
所給出的重要度的概念，來(lái)定義一個(gè)類似的用于度量基本
事件對(duì)頂事件“貢獻(xiàn)”大小的指標(biāo)，即模糊重要度。
在模糊重要度分析研究中，有兩種方法最為廣泛，即
中值法和重心法。這兩種方法皆可進(jìn)行模糊重要度分析，
但是從大量文獻(xiàn)中看，在煤礦瓦斯爆炸事故的研究中，因
為事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)由最小徑集法表示，所以中值法應(yīng)用
在模糊重要度分析中其靈敏度并不會(huì)受影響，而且就計(jì)算
量而言，中值法要比重心法小得多，所以文章決定用中值
法來(lái)進(jìn)行模糊重要度分析。在用模糊事故樹對(duì)事故系統(tǒng)的
可靠性進(jìn)行分析時(shí)，需假設(shè)基本事件的發(fā)生概率的可能性
函數(shù)為正有界閉模糊數(shù)。煤礦瓦斯事故基本事件重要度計(jì)
算如下 J：
定義1：令S = L(x)dx，S2=』：R( )dx，S=S1+S2，
則s表示模糊數(shù)曲線下區(qū)域的面積，存在點(diǎn)m：，使經(jīng)過(guò)該
點(diǎn)的分界線能將模糊數(shù)曲線下的區(qū)域分割為左右兩塊面積
相等的區(qū)域，則點(diǎn)m 稱為該模糊數(shù)A的中位數(shù)。
定義2：令有界閉模糊數(shù) 、 的中位數(shù)分別為m
m 22，如果ml：m ，那么認(rèn)為模
糊數(shù)A1>A2。
定義3：令事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為f( 。， ， ，? ，
)，其中， 為基本事件i，其發(fā)生的概率可能性分布為
有界閉模糊數(shù)，可記作q 。頂上事件發(fā)生概率可能性分布
為Q(T)=八q ，q ，q，，?，q )=(mf，m，m )，其中位
數(shù)記作m：；當(dāng)基本事件 的發(fā)生概率為0時(shí)，則頂上事件
發(fā)生概率可能性分布為：
Q(T) =-廠(q1，q2，q3，? ，q 一。，0，q +l，? ，q )=
(m m ，m )，此時(shí)其中位數(shù)記作m 。令S ： 一m ，
則稱S 為基本事件的模糊重要度。
如果S >Js，，則說(shuō)明基本事件 對(duì)事故系統(tǒng)的失效概
率影響比 ，大，若要提高事故系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)該首先降
低基本事件 的不可靠性。
3 實(shí)例分析
文章以同煤集團(tuán)四臺(tái)礦為例，應(yīng)用上述方法對(duì)瓦斯爆
炸事故基本事件的不可靠性進(jìn)行打分¨ ”]。因?yàn)閷＜掖蚍?
具有主觀性和模糊性，因此用三角模糊數(shù)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在
三角模糊數(shù)(1，m，r)中，m表示該作用強(qiáng)度最可能的值，
z表示該作用強(qiáng)度最保守的值，r表示該作用強(qiáng)度最樂(lè)觀的
值。統(tǒng)計(jì)處理后，得到各基本事件的模糊概率見表2。
根據(jù)頂上事件模糊概率計(jì)算可得到煤礦瓦斯爆炸事故
頂上事件的發(fā)生概率為(0．000159，0．015256，0．141829)，
其意義為：在這一時(shí)間段內(nèi)煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生可能性
分布在0．1589％ ～14．1829％之間，其最可能的發(fā)生概率是
1．5256％ ，相對(duì)較低，由表3可知其所對(duì)應(yīng)的預(yù)警等級(jí)為
三級(jí)，較危險(xiǎn)。
應(yīng)用中值法進(jìn)行基本事件模糊重要度分析，得到各基
本事件的模糊重要度值見表4。
由表4可知模糊重要度值最大的5個(gè)基本事件分別為：
瓦斯監(jiān)測(cè)人員不足(x：2)、瓦斯假檢漏檢(x。 )、瓦斯監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)故障(X )、瓦斯報(bào)警斷電儀失靈(x )和未按規(guī)定排
放瓦斯(X ，)，這5個(gè)基本事件就是事故鏈的關(guān)鍵因素，得
到關(guān)鍵因素后，企業(yè)需要根據(jù)關(guān)鍵因素，制定事故鏈“斷
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鏈”對(duì)策并實(shí)施 ，有效降低事故的發(fā)生概率，預(yù)防事故
發(fā)生。
表2 四臺(tái)礦瓦斯爆炸事故基本事件發(fā)生概率
萋森 發(fā)生概率 姜 發(fā)生概率
Xl (o．O1，o．025，0．04) X2o (0．0035，0．0425，0．0815)
x2 (0．0288，0．05，0．0712) X21 (0．0035，0．0425，0．0815)
X3 (0．0475，0．1125，0．1775) X22 (0．1，0．1，0．1)
X4 (0．0131，0．1375，0．2619) X23 (0，0．11，0．6124)
X5 (0，0．0325，0．0769) x24 (0 019，0．045，0．0815)
X6 (0．0395，0．0525，0．0655) x25 (0．0698，0．1025，0．1352)
X7 (0．0148，0．0475，0．0802) X26 (0．0531，0．0975，0．1419)
X8 (0．0249，0．0538，0．0826) X27 (0．0176，0．0425。0．0674)
X9 (0，0．08，0．2037) X28 (0．0288，0．05，0．0712)
X10 (0．0138，0．0263，0．0387) X29 (0，0．02，0．0412)
Xl1 (0，0．235，0．7086) X30 (0，0．045，0．09)
XI2 (0．012，0．0388，0．0655) X3l (0．0395，0．0525，0．0655)
Xl3 (0，0．2625，0．7294) X32 (0．01，0．04，0．07)
X14 (0．0031，0．0475，0．0919) x” (0．0081，0．0425，0．0769)
xl5 (0．0266，0．125，0．2234) x34 (0．0176，0．0425，0．0674)
X16 (0．0266，0．125，0．2234) x35 (0．0198，0．0525，0．0852)
X” (0．0211，0．0825，0．1439) X36 (0．0038，0．0363，0．0687)
Xl8 (0，0．25，0．7475) x37 (0．0185，0．0575，0．0965)
xl9 (0．0233，0．06，0．0967) x38 (0．0148，0．0475，0．0802)
表3 四臺(tái)礦瓦斯爆炸事故預(yù)警等級(jí)劃分表
表4 煤礦瓦斯爆炸事故基本事件模糊重要度分析
基本事件 模糊重要度 基本事件 模糊重要度
Xl 0．001161 X2o 0．131099
X， 0．0o1191 X2l 0．131099
X 0．0o1274 X22 0．134621
X4 0．001313 X23 0．102531
X 0．0ol171 X24 0．061407
X6 0．001194 X25 0．028316
X 0．oo1188 X26 0．028457
X8 0．001196 X27 0．026311
X9 0．001238 X28 0．026438
Xl0 0．001162 X29 0．025615
XI1 0．001696 X30 0．026853
XI2 0．001177 X3l 0．026321
X13 0．001770 X32 0．026358
Xl4 0．001187 X33 0．026530
Xls 0．001293 X34 0．026311
Xl6 0．001293 X35 0．026779
Xl7 0．001233 X36 0．026309
Xl8 0．001784 X37 0．027077
Xi9 0．133339 X38 0．026634
96
“斷鏈” 是指將事故鏈中的某個(gè)或某幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)控
制住，保證這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，即使事故鏈
中其他環(huán)節(jié)失效，也不會(huì)導(dǎo)致整條事故鏈?zhǔn)?，從而?shí)現(xiàn)
事故預(yù)防。制定事故鏈的“斷鏈” 對(duì)策，是一項(xiàng)結(jié)合專家
知識(shí)、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和煤礦實(shí)際情況，涉及管理與技術(shù)兩個(gè)層
面的工作，它是預(yù)防事故發(fā)生的關(guān)鍵步驟，可以直接決定
事故預(yù)防效果。
4 結(jié)語(yǔ)
文章基于事故鏈?zhǔn)嚼碚?，?duì)煤礦瓦斯爆炸事故的危險(xiǎn)
源進(jìn)行研究。首先，運(yùn)用事故鏈?zhǔn)嚼碚摰姆治龇椒ā?
故樹分析法構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸事故樹模型；其次，通過(guò)定
性分析得到煤礦瓦斯爆炸事故鏈集合；然后，用改進(jìn)后的
模糊事故樹法進(jìn)行定量分析，即測(cè)算事故鏈不安全程度與
基本事件模糊重要度，從而得到煤礦瓦斯爆炸事故危險(xiǎn)源
的預(yù)警等級(jí)及影響事故鏈的關(guān)鍵因素，提出針對(duì)事故鏈關(guān)
鍵因素的“斷鏈” 對(duì)策，通過(guò)控制關(guān)鍵因素的不可靠性來(lái)
降低事故鏈的不安全程度，達(dá)到預(yù)防事故的目的。
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(責(zé)任編輯張寶優(yōu))

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