煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建.docx

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煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建

乌海职业技术学院

煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建

姓名：

袁明

系部：

矿业工程系

专业：

矿井通风与安全

学号：

2008810209

指导教师：

孙有明

2011.5.4

摘要

安全管理水平不高，技术措施实施不到位是我国煤矿发生瓦斯爆炸事故的重要原因。

为预防瓦斯爆炸事故的发生，必须构建完善的预防体系。

因此，本文对煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建、分级开展探讨，并重点研究如何对煤矿瓦斯爆炸事故预防体系进行分级。

首先，本文在介绍瓦斯爆炸的原因和危险源系统特性的基础上，归纳瓦斯爆炸形成事故的演变过程，构建了事故预防系统失效模型。

通过简要分析煤矿安全管理体系，按照决策阶段、实施阶段、评价检验阶段、事故减少策略阶段、反馈阶段五步骤构建瓦斯爆炸事故预防体系，并深入探讨了瓦斯爆炸事故预防子系统这一要素，为本文瓦斯爆炸事故预防体系的分级提供理论基础。

其次，采用模糊综合评价方法建立煤矿瓦斯爆炸事故预防子系统分级数学模型。

并根据层次分析法的基本原理，应用MATLAB计算软件确定安全管理子系统、技术措施子系统各分级指标的权重值。

参考《煤矿安全规程》和《矿山安全法》等相关法律、法规，确定安全管理子系统分级标准和技术措施子系统分级标准。

最后，根据概率论和模糊集理论，建立瓦斯爆炸事故预防体系分级数学模型，并制定分级标准。

依据分级标准，提出煤矿相应整改措施。

最终以陕西某煤矿为例，应用瓦斯爆炸事故预防体系分级数学模型和子系统分级数学模型，确定该矿瓦斯爆炸事故预防体系等级，并根据提出的整改措施进一步完善体系。

目录

1绪论...................................................3

1.1课题研究的背景...................................3

1.2研究的目的和意义.................................5

1.3分级方法研究现状.................................7

1.3.1静态分级方法...................................7

1.3.2动态分级方法...................................9

1.3.3存在的问题.....................................11

1.4研究方法和技术路线...............................13

1.4.1研究方法.......................................13

1.4.2技术路线.......................................14

2煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建.........................16

2.1瓦斯爆炸危险源系统...............................16

2.1.1瓦斯爆炸事故致因分析........................16

2.1.2瓦斯爆炸事故预防系统失效模式................19

2.2事故预防体系的内涵...............................22

2.2.1煤矿安全管理体系分析与启示..................22

2.2.2事故预防体系的概念..........................24

2.3瓦斯爆炸事故预防体系构建.........................25

2.3.1事故预防体系的构建模型......................25

2.3.2瓦斯爆炸事故预防体系要素....................30

2.4本章小结.........................................38

3煤矿瓦斯爆炸事故预防分级指标体系的建立.................40

3.1建立瓦斯爆炸事故预防分级指标体系的目的............40

3.2建立瓦斯爆炸事故预防分级指标体系的原则............41

3.3瓦斯爆炸事故预防分级指标体系分析..................43

3.3.1现有分级指标体系分析........................43

3.3.2分级指标体系的递阶层次分析..................45

3.4瓦斯爆炸事故预防分级指标体系建立..................46

3.4.1安全管理子系统分级指标分析..................46

3.4.2技术措施子系统分级指标分析..................53

3.5瓦斯爆炸事故预防分级指标体系的总体框架............55

3.6本章小结..........................................56

4结论...................................................57

4.1结论..............................................57

4.2展望..............................................58

致谢....................................................60

参考文献.................................................61

附录....................................................64

1绪论

1.1课题研究的背景

近年来，我国的煤炭工业有了很大的发展，虽然安全状况有所好转，但煤矿总体安全形势依然严峻。

矿井开采过程中的冲击地压、瓦斯、粉尘、水灾和火灾等灾害事故，不仅造成人民生命财产的巨大损失和环境灾害，而且制约着矿业生产的发展，甚至影响国民经济的发展和社会的稳定。

我国的煤矿事故是所有工伤事故中最为严重的，其造成

的死亡人数仅次于公路交通，在各种人为显性灾害中居第二位，而煤矿事故中尤以瓦斯事故最为突出，是我国矿业发展中待解决的重大问题。

我国1991—2007年间煤矿事故死亡人数见表1．1。

煤矿瓦斯是矿井重大危险源之一，给煤矿安全生产带来重大的事故隐患。

据国家安监总局最新统计，我国瓦斯事故占到煤矿事故的80％以上，造成的伤亡事故占到特大事故伤亡人数的九成。

瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、窒息三种形式，其中瓦斯爆炸给煤矿带来的危害极大，严重威胁着井下人员的生命和矿井设备、设施的

全

。

在我国矿井中，瓦斯爆炸在瓦斯灾害中占很大比例，不仅造成大量人员伤亡，而且瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井。

近年统计也表明，煤矿事故，特别是群死群伤事故，接近2／3都是由瓦斯爆炸造成的。

图1．1是我国近年来煤矿瓦斯爆炸事故的人员伤亡状况。

根据瓦斯爆炸事故统计图可以看出，2001,-,2005年间，瓦斯爆炸事故死亡人数及其占煤矿事故总死亡人数的比值，整体呈下降趋势。

近两年，瓦斯爆炸事故死亡人数及其占煤矿事故总死亡人数的比值呈上升趋势。

从总体上看，煤矿瓦斯爆炸事故多为3人以上的重大、特大事故。

针对这种严峻的安全形势，传统的安全管理方法已不能满足煤矿的需要。

因此，积极贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，将“关口前移”，有效预防事故发生，是当前煤矿安全管理工作的重点。

然而，分析目前的煤矿安全管理工作，主要存在以下几方面的问题：

①难于及时发现事故隐患；②事故隐患的存储和处理手段落后；③作业场所的安全情况难以把握；④安全管理的实时性和动态性不足；⑤难以对管理人员的安全工作进行评价和规范。

为了解决这些问题，保障煤矿安全生产，必须采用可靠的安全管理方法和有效的安全技术措施，准确定位煤矿安全管理工作，使安全管理适应煤矿安全工作新形势的需要。

如何采取有效的安全管理方法和经济可行的安全技术措施，是当前煤矿事故预防工作的核心，是摆在安全管理人员面前的一项较复杂的工作。

因此，分析当前煤矿预防瓦斯爆炸事故的安全管理和技术措施，构建事故预防体系，并提出科学的分级方法，对增强煤矿的事故预防能力，提高安全管理水平具有重大作用。

基于上述考虑，进行“煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建与分级”研究，对完善煤矿事故预防体系，提高安全管理水平，具有重要的现实意义。

1.2研究的目的和意义

针对目前瓦斯爆炸事故频发的现状，做好事故预防工作是当前的重中之重。

然而，不少煤矿的事故预防工作很不到位，这也是事故多发的原因之一。

因此，构建事故预防体系，并对其进行分级是非常有必要的。

一是可以改善煤矿安全管理。

通过对事故预防体系进行分级，可以发现安全管理机制与生产经营机制匹配上的缺陷，揭示体系中存

在的问题，采取相应的改进措施，进而改善煤矿的安全管理。

二是可以加强安全技术对策。

通过事故预防体系分级，可以发现煤矿瓦斯爆炸事故预防过程中，人、机、环境系统安全匹配上的缺陷，为加强安全技术对策提供依据。

本文是在分析、构建煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的基础上展开进一步分级的工作。

对瓦斯爆炸事故预防体系进行系统的探讨，可以加深对我国煤矿事故预防状况和安全管理工作的认识。

同时，根据事故预防体系的不同级别和分级过程中发现的薄弱环节，可以提出有针对性的安全设计策略和管理措施。

分级方法在矿井危险源等级划分、煤矿应急救援预案分级中的应用较为成熟，众多的安全专家、学者在这些领域做了大量的研究，相对于这些领域来说，针对瓦斯事故预防体系的分级研究较少，且煤矿生产系统复杂，各类危险源特点不同，分级方法不能通用。

因此，建立瓦斯爆炸事故预防分级体系，对于提高煤矿安全管理水平，加强安全技术对策，预防瓦斯爆炸事故具有重大的意义。

在理论上，通过煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的界定和分级，有利于完善和发展煤矿安全管理基础理论，有利于规范瓦斯爆炸事故预防体系的分级标准，使煤矿瓦斯爆炸事故预防体系得到完善。

实践上，通过煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的分级研究，可以为今后煤矿事故预防体系分级方法的选择提供一种参考。

采用数学方法对安全管理和技术措施进行分级，可以查找煤矿在事故预防方面的不足，揭示瓦斯爆炸事故预防体系运行中存在的问

题。

它有利于煤矿安全生产责任制和分级管理负责制的落实，有利于加强瓦斯爆炸事故的预防控制，有利于及时检查消除隐患，保障安全，是预防事故、确保安全生产最行之有效的方法之一。

1.3分级方法研究现状

在煤矿，分级方法的应用包括以下几方面：

煤矿重大事故危险及危险性分级、煤矿危险源分级、矿山作业场所分级、煤与瓦斯突出矿井等级划分、煤矿安全管理分级、煤矿企业安全文化体系分级等。

目前，应用的分级方法主要有两种，一种是分级的标准不变或分级结果不随参加分级的危险源数目多少而变化，即静态分级方法；另一种是危险源数目发生变化或分级的标准是可变的或两者皆可变，即动态分级方法。

1.3.1静态分级方法

在很多情况下，静态分级的方法主要是以打分方式来进行的，如美国道化学公司的火灾、爆炸指数法，ICI蒙德火灾、爆炸、毒性指数法，日本劳动省基准局制定的化工企业六阶段评价法以及我国的机械工厂危险程度分级方法，化工厂危险程度分级法、冶金工厂危险程度分级法以及工厂危险程度分级等方法

。

这些危险源分级方法，有利于政府部门建立对危险源的监控机制。

虽然打分法操作起来比较简便，但受主观因素的影响，不同的人所打出的分数有很大的差异，危险性等级划分的尺度很难把握，势必影响危险分析的准确性

。

道化学公司火灾爆炸指数评价法是以物质系数为基础，再考虑工艺过程中其他因素（如操作方式、工艺条件、设备状况、物料处理、

安全装置情况等）的影响，来计算每个单元的危险度数值，然后按数值大小划分危险度级别。

整个分析过程对管理因素考虑较少。

1964年美国DOW化学公司发表了DOW化学火灾、爆炸指标法第一版。

1966年修订为第二版。

1973年美国化学工程师协会沿用DOW化学公司的方法，编写了教科书，于是形成了内容更为成熟的第三版。

以后经过不断修改完善，陆续发表了第四版（1976）、第五版（1980）、第六版（1987）和第七版（1994）。

英国ICI公司的MOND工厂，在DOW化学公司的火灾、爆炸指数法的基础上，增加了毒性指数，提出了ICI／MOND火灾、爆炸、毒性指数法。

日本劳动省基准局针对化工企业火灾、爆炸事故频繁发生的实际情况，制定了化工企业六阶段评价法，要求新建化工企业在计划、设计阶段进行安全性评价。

该评价方法按6个阶段进行，属于多级过滤式的安全评价方式。

它的6个阶段是：

①有关资料的准备和研究；②利用安全检查表进行定性评价；③对第一类危险源的定量评价；④研究安全对策；⑤根据事故资料再评价；⑥利用ETA及FTA方法对重大危险源进行详细的定量评价。

近年来，随着非线性科学的发展，许多非线性科学的方法，如神经网络、分形、混沌、自组织临界性理论等，也已广泛地应用于危险源分级

。

自然界中的很多危险源系统都具有自组织临界性特点，如森林火灾系统、地震灾害系统等。

研究灾害系统时，由于灾害系统非常复杂，很难在研究的开始就建立模型。

通常研究是从统计数据入手，用灾害损失来衡量事故的规模，对灾害事故的“频率．损失"分布和灾

害损失的Zipf图进行分析，看它们是否具有稳定的幂律关系，并进一步验证这种幂律关系是否稳定，因为稳定的幂律关系对应着自组织临界性。

“频率．损失一分布的斜率可能对应着某一危险级别的危险源系统。

自Brookhaven实验室的Bak等人提出自组织临界性概念以来，自组织临界性的研究已引起了人们广泛的兴趣。

利用自组织临界性可望解释灾害系统中的分形、混沌等重要现象。

目前，国内外已有不少学者应用分形、混沌等方法来研究危险源的危险程度。

通常用于危险源分级的神经网络模型是基于BP算法的神经网络，由大量神经元组成的非线性自适应神经网络系统可表现出类似于人脑的学习、归纳、推理和判断的特征，具有学习、记忆和计算以及人工智能处理功能，故运用神经网络可建立危险源分级模型。

用于危险源静态分级的神经网络模型的拓扑结构由网络的层数、各层的神经元数目、神经元之间的连接方式及权值等组成。

输入层参数为危险源特性指标向量，若干个隐含层，输出层参数为危险源危害等级向量。

运用训练好的BP网络可对检验样本（危险源）进行推理判别，来确定其危险程度的分级结果。

也有部分文献利用遗传算法来优化BP网络的结构和神经元之间的权值。

目前，静态分级方法应用于海上救助分级、公共建筑安全性能评价、建筑消防安全分级、矿山安全生产危险性综合评价等方面，且各分级方法有不同程度的发展。

1.3.2动态分级方法

动态分级是按某种原则反复进行分级和修改，直到分级满足某种

规则为止。

分级的研究对象是全体同类危险源，其包含的元素的数目极大。

要研究总体的元素不可能也不现实，只能根据抽样的部分去建立分级的标准。

分级的标准不是一成不变的，可随样本数目进行动态调整，也可依据危险源等级划分数目的改变而进行动态调整。

危险源动态分级方法可以对参加分级的n（n≥1）个危险源划分为1-n个危险级别，这有利于企业管理者进行危险源的管理或项目投资方进行投资决策等。

危险源动态分级的常用方法有：

DT动态分级法、具有自组织模式聚类功能的无教师监督学习的神经网络方法、可拓方法等。

国际上最早提出动态分级的方法始于岩石稳定性分类，即DT法。

这是由我国学者林韵梅教授提出。

这种方法是基于聚类分析原理进行的分级方法，与传统的分级法的最大区别是它揭示了分级三要素，即分级判据、分级档数和分级界限之间的内在规律。

因此，近年来一些学者引入到危险评价中，实现对危险源的动态分级。

用于危险源分级的基本思想是：

首先对原始样本进行初始分级，计算每级样本的重心，并将计算的重心作为初始分级的标准；计算每一样本到各级重心的距离，并按最近距离原则，将该样本划入最近的一个级别中：

重新计算各级样本作为新的分级标准：

仿照迭代法的思路，反复调整每个样本所属级别，计算新重心，并比较前后两次求得的重心是否相同，如完全相同，则分级结束

。

具有自组织模式聚类功能的无教师监督学习的神经网络可发现样本在空间的分布规律。

钟茂华、陈宝智

探讨了具有自组织模式聚

类功能的无教师监督学习的神经网络动态分级方法的算法、网络结构以及动态分级的实现。

设P为警戒线，用以检验样本与模式之间的分级情况。

参加分级的样本数目或警戒线P变化，可实现危险源动态分级。

p取值较大，则分级数目小；p小则划分的级别数目较大。

若把危险源划分为某一级数，随着参加分级的样本数目变化，某一样本的危险级别将得到动态调整。

程序设计中可通过控制P的取值，或者随分级的样本数目增大，使危险源的动态分级得以实现。

在N维空间中，危险模式离绝对安全样本距离最大的危险源，其危险性最大，属于一级危险源，其次为二级危险源，依次类推。

当前，动态分级方法多应用于围岩分级，由于动态分级方法操作较困难，且要求掌握的信息量较大，需要一套完善、规范的分级标准，然而煤矿生产系统的复杂性，造成信息掌握存在一定的困难。

因此，目前应用动态分级方法对煤矿事故预防体系进行分级

的可能性较小。

1.3.3存在的问题

事实上，要进行煤矿瓦斯爆炸事故预防体系分级，最重要的就是要正确辨识、分析煤矿中存在的重大危险源。

煤矿瓦斯爆炸事故预防体系分级是一项十分复杂的技术性工作，需要系统地收集在设计、运行中及其他与之有关的资料和信息。

其中，煤矿危险源是一个非常关键的信息。

事故预防体系等级高低，是否适用于煤矿，这些评价都是建立在对煤矿危险源及其预防情况充分掌握的基础上。

因此，重大危险源的危险性分析和评估对事故预防体系的分级结果有着至关重要

的作用。

然而，随着危险源分级方法的不断发展、创新，事故预防体系也需要一种适用性较强的分级方法对其进行分级。

但由于二者本身存在许多相似点和相异点，给分级方法的选择和应用造成困难。

因此，目前最重要的是搞清楚二者的关系。

其一，事故预防体系分级与危险源分级相比，二者的分级／评价对象不同。

危险源分级实际上就是对危险源的危险性进行安全评价（也称风险评价）。

它是落实“安全第一，预防为主"安全生产方针的重要技术保障，是安全生产监督管理的重要手段。

分级评价工作以国家有关安全生产的方针、政策和法律、法规、标准为依据，以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程的原理和方法，运用定量和定性的方法对建设项目或生产经营单位存在的危险、有害因素进行识别、分析和评价，提出预防、控制、治理对策措施，为建设单位或生产经营单位预防事故的发生，为政府主管部门进行安全生产监督管理提供科学依据。

而事故预防体系分级主要是管理性的分级，是针对事故的潜在隐患风险进行分级。

从总体上来看，危险源分级可以作为事故预防体系分级的基础性和前导性工作。

在采取安全管理措施和安全技术措施之前，通过对煤矿瓦斯爆炸危险源的危险性分级评估，来制定相应的煤矿年度灾防计划；在煤矿实施安全管理措施和安全技术措施后，通过对人、机、环境系统安全匹配缺陷和安全管理机制与生产经营机制匹配缺陷的辨识，对瓦斯爆炸事故预防体系的等级划分，来评估煤矿的事故预防能力，查找不足之处，进一步改善煤矿安全管理。

其二，就危险源分级而言，国内尚未建立风险的判别标准，也缺乏事故发生概率等数据库的支持，量化的定量风险分析（QRA）计算目前尚无法进行。

因此，目前所做的危险源分级更多的是以为政府和管理者提供安全防范措施为主。

事故预防体系分级是以辨识煤矿安全管理机制与生产经营机制匹配的缺陷为主，并提出整改措施。

这不仅需要分析体系要素，建立分级指标体系，得出定性评价的结果，更重要的是依据分级评价标准，对事故预防体系进行等级划分，得到一个定量的分析评价结果。

总之，二者都是了控制并减少煤矿事故损失，提高煤矿的综合安全管理水平

。

综上所述，事故预防体系分级与危险源分级略有不同，但在分级方法上，都是采用定性与定量相结合的方法。

目前的分级方法主要有安全检查表法、指数评价法、概率风险危险性评价方法、综合安全评价方法（FsA）、事故树（故障树）分析法（FTA）、事件树分析法（ETA）、模糊综合评价法、灰色系统理论评价法、基于数据库和人工智能理论上的安全评价方法等陟¨】。

关于煤矿瓦斯爆炸事故预防体系等级划分的分析评价标准与方法，是本文研究的重点内容，将在下面进行详细的论述。

1.4研究方法和技术路线

1.4.1研究方法

本文主要采用定性研究和定量研究相结合的方法。

本文拟通过理论分析，构建由安全管理和技术措施二者构成的瓦斯爆炸事故预防体系。

在对煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的分级指标进行分析的基础上，

采用模糊数学方法，建立瓦斯爆炸事故预防体系分级模型，来实现对整个瓦斯爆炸事故预防体系的分级，揭示煤矿瓦斯事故预防中存在的问题，提出有针对性的措施。

1.4.2技术路线

进行“煤矿瓦斯爆炸事故预防体系构建与分级"的研究，需要解决以下几个问题：

①如何构建煤矿瓦斯爆炸事故预防体系?

②煤矿瓦斯爆炸事故预防体系包括哪些要素?

③煤矿瓦斯爆炸事故预防体系是否存在缺陷受哪些因素的影响?

④采用何种方法对其进行分级?

⑤针对分级的结果，提出哪些有针对性的意见?

要解决这些问题，本文拟通过定性分析，构建煤矿瓦斯爆炸事故预防体系；根据模糊综合评判方法、模糊集理论和概率论建立分级数学模型，对整个体系进行分级。

具体内容归纳如下：

（1）认真分析煤矿瓦斯爆炸事故预防体系并构建体系模型。

煤矿瓦斯爆炸事故预防体系包括安全管理措施、技术措施两个子系统。

通过对两个子系统进行定性分析，建立事故预防体系模型。

（2）建立煤矿瓦斯爆炸事故预防分级指标体系。

分析煤矿瓦斯爆炸事故预防体系与煤矿生产经营机制匹配的影响因素。

在瓦斯爆炸事故预防体系分析的基础上，根据分级指标体系的递阶层次，建立瓦斯爆炸事故预防分级指标体系。

（3）建立煤矿瓦斯爆炸事故预防子系统分级数学模型。

根据模糊综合评价方法的基本原理，建立事故预防子系统数学模型，并在广泛咨询相关专家意见的基础上，利用层次分析法和MATLAB计算软件确定

待评价指标的权重值。

（4）建立煤矿瓦斯爆炸事故预防体系分级数学模型。

根据模糊集理论和概率论，结合瓦斯爆炸事故预防子系统分级数学模型，建立瓦斯爆炸事故预防体系分级数学模型，并确立事故预防体系分级标准。

（5）应用建立的数学模型，对陕西某矿瓦斯爆炸事故预防体系进行分级，验证该分级方法的适用性，同时提出相应的整改措施，进一步完善煤矿的事故预防体系。

根据以上分析，本文采用的技术路线如图1．2所示

2煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的构建

煤矿事故是由事故预防体系不完善造成的

。

有效控制事故的前提就是必须完善事故预防体系。

事故预防体系是控制煤矿重大危险源，预防重大事故发生的系统化的管理措施和技术措施，也是本文研究的对象。

本文的首要工作就是明确界定煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的要素。

本章将简要分析煤矿瓦斯爆炸事故发生的原因和体系失效模式，为瓦斯爆炸事故预防体系模型的构建提供理论基础；提出煤矿瓦斯爆炸事故预防体系的概念；按照决策阶段、实施阶段、评价检验阶段、事故减少策略阶段、反馈阶段5个阶段构建瓦斯爆炸事故预防体系，并深入探讨瓦斯爆炸事故预防体系的要素。

2.1瓦斯爆炸危险源系统

2.1.1瓦斯爆炸事故致因分析

（1）瓦斯爆炸的物理因素

瓦斯爆炸需要同时具备三个物理条件：

一是要有瓦斯源的存在，瓦斯源的浓度在5％～16％；二是要有引爆的火源存在；三是要有足够的氧气参与爆炸反应，一般空气中氧气浓度在12％以上。

只