事故树分析法在矿井水害防治中的应用

第29卷 第4期 西 安 科 技 大 学 学 报 2009年7月 JOU】 AL OFⅪ AN I『Nn RSⅡ'Y OF SCⅢNCE AND IEC} 10GY V01．29 No．4 July．2009 文章编号：1672—9315(2009)04—0405—05 事故树分析法在矿井水害防治中的应用 许江涛 ．邓寅生 ，文广超 ，许亚坤2，王海宁 (1．河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000；2．河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000； 3．河北中核岩土工程有限责任公司 工程测量处，河北 石家庄050021) 摘 要：利用事故树分析方法，找出了影响矿井突水的主要因素；绘制了矿井突水事故树图，求出 了其最小割集、最小径集和各基本事件的结构重要度；阐述了各基本事件对手l起事故发生的影响 程度，最后通过计算机编程实现 了定性分析和定量分析。针对矿井突水事故发生的主要原因提 出了所需采取的预防措施，为矿区水害防治工作提供了有力支持。 关键词：事故树；矿井水害；定性分析；定量分析 中图分类号：TD 745 ．2 文献标志码：A 0 引 言 近几年来，由于煤矿开采水平的延伸和开采范围的扩大，矿井生产向纵深发展，水患威胁日益严重。 矿井水害已成了严重威胁众多煤矿安全、高效生产的主要因素。因此，弄清矿井发生突水的途径，制定切 实可行的防治水 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 就成为矿井地质、安全部门亟待解决的头等大事。文中将事故树分析方法应用到了 矿井水害防治中，以系统工程方法研究矿井水害问题，从定性、定量两方面对矿井水害进行了分析评价， 最后提出了防治水方案，进而为安全决策提供有效支持。 1 事故树分析方法 1．1 事故树基本概念 事故树分析(Fault Tree Analysis，简称rrA)也称故障树分析，是安全系统工程中的重要分析方法之 一 。 它遵循逻辑学演绎分析的原则，从结果到原因描绘事故发生，并表示各种因素间逻辑关系的逻辑 图，从而对事故进行预测和分析。它是从一个可能的最终事件开始，一层一层地逐步寻找引起的触发事 件、直接原因事件和间接原因事件，直到基本原因事件，并确定各事件相互之间的逻辑关系，从而认识系 统中存在的危险性，发现系统中存在的不安全隐患，以便采取措施，控制事故的发生。运用布尔代数运 算对事故发生的可能性进行推测和判断，为制定相应的措施提供可靠的科学依据，以使企业改进安全生 产状况，更好地实现安全生产⋯。F'I'A既可用于定性分析，又可用于定量分析，不仅能分析出事故的直接 原因，而且能深入揭示事故的潜在原因，是安全评价方法中最常用的一种评价方法[2]。此外，事故树还具 有简明、形象化的特点，用它描述事故的因果关系具有直观、明了，思路清晰、逻辑性强等特点。 1．2 事故树分析的程序 事故树分析的程序，常因评价对象、分析目的、粗细程度的不同而不同，但一般可按如图1所示的程 序进行。 1．3 事故树的定性分析 1)割集和最小割集。在事故树的分析中，我们把引起顶事件发生的基本事件的集合称为割集，也称 收稿日期 ：2009—01—10 基金项目：河南省重大科技攻关项 目(0423032900) 作者简介：许江涛(1984一)，男，河南商水人，硕士研究生，主要从事 GLS应用方面的研究 西 安 科 技 大 学 学 报 2009生 截集或截止集。一个事故树中的割集一般不止一个，在这些割集 中，凡不包含其他割集的叫做最小割集。换言之，如果割集中任 意去掉一个基本事件后就不是割集，那么这样的割集就是最小割 集。 2)径集和最小径集。所谓径集(通集或路集)指的是事故树 中某些基本事件的集合，当这些基本事件都不发生时，顶上事件 必然不发生。所以系统的径集也就代表了系统的正常模式，即系 统成功的一种可能性。最小径集是顶上事件即事故不发生所必 须的最小基本事件的集合，也就是说，事故树中某些基本事件不 发生则事故就不会发生。 1．4 事故树的定量分析 1．4．1 顶上事件发生概率的计算 图 1 事故树分析的一般程序 Fig．1 Program of fault tree analysis 文中采用容斥原理中的逻辑加与逻辑乘的概率计算公式来计算顶上事件发生的概率。 设基本事件 。， ，⋯ 的发生概率分别为q ，g ，⋯，q ，则这些事件的逻辑加与逻辑乘的故障计算 公式如下。 逻辑加(或门连接的事件)的概率计算公式为 g(X u U⋯U )=1一(1一q。) (1一g2)$⋯ (1一g )=1一兀(1一qi)=P0． (1) 式中 g为顶上事件(或门事件)发生的概率函数；Po为或门事件的概率； 为第 个基本事件的概率；rt为 输人事件数。一 逻辑乘(与门连接的事件)的概率计算公式为 g(X1 n X2 f3⋯n X )=q1 g2 ⋯ q =H gi=PA． (2) 式中 g为顶上事件(与门事件)发生的概率函数；PA为与门事件的概率；g 为第 i个基本事件的概率；n 为输人事件数。 1．4．2 结构重要度的计算和排序 如不考虑基本事件发生的难易程度，或假设各基本事件的发生概率相等，仅从事故树的结构上研究 某个基本事件对顶事件的影响程度，称为结构重要度分析。 结构重要度系数是从事故树的结构上分析各基本事件的重要程度，该功能是依据最小割集采用二次 近似求出各基本事件的结构重要度系数，并给出从小到大的排列顺序。计算公式为 ( )=1一H(1一 )． (3) iEPj 式中 置为第i个基本事件；Pj为第．『个最小径集；rti为在第_『个最小径集中基本事件的总数；置 ∈Pi为属 于符号，如Xi∈Pj表示Xi属于最小径集pj之中事件；H 为表示后面的因式连乘。 2 事故树分析在矿井突水防治中的应用 结合试点矿区的实际情况并经过详细的调查，按照事故树分析流程(图1)，绘制得到矿井突水事故树 (图2)。 矿井突水事故树具体绘制步骤如下：①确定顶上事件为矿井突水事故 ，它是要分析的对象事件即能 让系统失效事件；②调查与事故有关的所有原因事件A和各种因素 ；③从顶上事件开始，按照演绎法，运 用逻辑推理，一级一级找出所有直接原因事件，直到最基本的原因事件为止；④按照逻辑关系，用逻辑门 连接输入输出关系(即上下层事件)，绘制出事故树。 2．1 矿井突水事故树的最小割集和最小径集 根据最小割集的定义，运用布尔代数法求得 T=A】半A2木A3=(A4十A5+A6+A7)木A2水A3=(Xl木X2术A9+(墨 + +Alo)+Xl0：l=Al1+ 】5+ 16 第4期 许江涛等：事故树分析法在矿井水害防治中的应用 + I7)}A2枣A3=(Xt女X2木( + 五)+ +瓦 +墨 + + +Xlo爿c XIl木Xl2木Xl3宰Xl4+ l5+ 16+ l7) Xl8 jI Xl9} t}( + + + )。 即此矿井突水事故树有44组最 小割集，分别是：{ 置。 。， l }，{ l0 ll l2 l3 l4 lB l9 。 }，{ 。 X。s置 。 }，{ ，s t }，{ 。 。s 。 。 。 ，}，{置 。。 。9 }，⋯ 一{ 。B 。9 。 }，{ 。。 ，， 。 }，{ 。 墨 lB 19 。 1 5}，{五 X18 X19 。 }，{ 。。 。， ， }， { 。 墨 。。 。， 。 }．每一个 最小割集都表示顶事件发生的一种 可能，事故树中有几个最小割集，顶 事件发生就有几种可能l4]。从这个 意义上讲，最小割集越多，说明系统 排水能力不足 — 电 不 水仓容量不足 XI9 X2l X∞ X x 图2 矿井突水事故树 Fig．2 Fault tree of mine flood 的危险性越大。本突水事故树有44个最小割集，说明可以导致矿井突水的途径很多，本矿区矿井突水的 危险性还是很大的。 求最小径集采用的方法为矩阵法。利用它与最小割集的对偶性，首先作出与事故树对偶的成功树 (即将事故树中的与门替换成或门，将或门替换成与门得到的树)。具体步骤是，首先求出事故树的布尔 特征径集，然后用布尔代数进行化简，最后求出最小径集[5]。经过计算，此矿井突水事故树有 19组最小 割集，分别是：{ 讫 ，。 。 。 。，}，{ 。}，{ }，{ 五 。 。 五 ，}，⋯⋯{ 瓦 墨 。： 。5 。 ，}，{ 墨 ， 墨，}，{X 墨X6马 墨 X- 。，五 。，}，{ ： 。， 。 。，}，{ 瓦 五 五， 。 五 。 }，{ 蜀 - l5 l6 l7}。 2．2 矿井突水事故树的结构重要度 -8] 由矿井突水事故树的最小径集及公式(3)得到各基本事件的结构重要度(表1)。 表1 矿井突水基本事件结构重要度L(i) Tab．1 Important level of structure of mine flood hIsic event 序号 名称 结构重要度 序号 名称 结构重要度 岩层富水 0．022 727 272 727 I4 测量定向错误 0．OO9 O9O 909 091 岩层导水性好 0．022 727 272 727 l5 裂隙带透水 0．015 151 5l5 152 设计不合理 0．O1l 363 636 364 l6 井口低于当地水位 0．015 151 515 152 过度开采煤柱 0．011 363 636 364 Xt7 钻孔封闭不严 0．015 l5l 5l5 152 水压过大 0．015 151 515 152 l8 水泵功率小 0．153 030 303 03 隔水层阻水能力差 0．015 151 515 152 l9 水仓容量不足 0．153 030 303 03 局 断层发育 0．015 151 515 152 。 电力不足 0．153 030 303 03 褶曲发育 0．015 151 515 152 I 设备故障 0．153 030 303 03 岩溶陷落柱发育 0．015 IS1 515 152 2 防水预案不完善 0．038 257 575 758 lo 老空区富水 0．009 O9O 909 091 3 工人缺乏安全常识 0．038 257 575 758 l 无 施工方案 围墙砌筑施工方案免费下载道路清表施工方案下载双排脚手架施工方案脚手架专项施工方案专项施工方案脚手架 0．OO9 O9O 909091 x24 没有探放水 0．038 257 575 758 I2 未按设计施工 0．OO9090 909 091 5 探放水失败 0．038 257 575 758 Xl3 施工质量低劣 0．OO9 O9O 909091 西 安 科 技 大 学 学 报 2009血 结构重要度顺序为：，(18)=，(19)=I(20)=，(21)>，(22)=I(23)=，(24)=t(25)>，(1)=，(2)> ，(5)=，(6)=I(7)=，(8)=I(9)=，(15)=J(16)=j(17)>j(3)=j(4)>J(1o)=j(11)=J(12)=j(13) =，(14)． 由此可知矿井突水事故中，基本事件 。。， 。。， ， 的结构重要度最大。这意味着 ，。(水泵功率 小)、 ，(水仓容量不足)、 (电力不足)、 。(设备故障)对顶事件(矿井突水事故)的影响程度最大，应 该首先着重解决这几个方面的不足。 定性分析和定量分析的编程从略。 3 结 论 1)从最小割集来看，共有4J4组，表明导致顶上事件发生有44种可能途径，如果其中任一最小割集的 元素全部发生，则可造成顶上事件的发生。每一个最小割集都是系统的一个失效模式，最小割集越多，说 明导致顶端事件发生的可能途径就越多，系统的危险性就越大。最小割集中包括的基本事件个数越少， 发生事故的可能性就越大。因此对这些基本事件要重点控制和改善。 2)控制最小径集中的基本事件都不发生，就可使顶端事件不发生。从最小径集来看，共有 19组，通 过求出的 19组最小径集就可知道控制哪几个基本事件使顶端事件不发生。最小径集中包括的基本事件 越少越容易控制，反之则难以控制。 3)依靠基本事件发生的概率求出顶上事件发生概率，如果超过预定的安全标准，说明有事故发生的 危险，则必须采取适当的措施，使其降至安全数值以下。 4)结构重要度的大小，说明了各基本事件在系统中所占的地位和重要程度。结合客观实际，抓住主 要矛盾，即可制定出有的放矢的预防措施来。|)jf。。(水泵功率小)、X ，(水仓容量不足) (电力不足)、 (设备故障)结构重要度很大，应该重点预防此类事件发生。 参考文献 References [1] 张景林，崔国璋．安全系统工程[M]．北京：煤炭工业出版社，2002． ZHANG Jing-lin，CUI Guo—zhang．Safety system engineering[M]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，2002． [2] 汪元辉．安全系统工程[M]．天津：天津大学出版社，2006． WANG Yuan-hui．Safety system engineering[M]．Tianjin：Tianjin University Press，2006． [3] 王恩元，柏发松．事故树分析软件的编制及其应用[J]．煤矿安全，1996，(6)：16—20． WANG En—yuan，BAI Fa．song．The programming and application offault tree analysis soft[J]．Safety in Coal Mines，1996， (6)：16—20． [4] 冯治斌．基于事故树分析法的矿井水灾安全评价[J]．中州煤炭，2003，(4)：43—44． FENG Zhi．bin．The safety estimation of mine flood based on fault tree analysis[J]．Zhongzhou Coal，2003，(4)：43—44． [5] 赵广兴，高新春，张建国，等．事故树分析法在煤矿专项安全评价中的应用[J]．中国煤炭，2005，(7)：63-65． ZHAO Guang-xing，GAO Xin-chun，ZHANG Jian—guo．Application of accidents tree analysis method in coal-mine special safe- ty evaluation[J]．China Coal，2005，(7)：63—65． [6] 陈文学，曹庆贵，单国文．事故树分析系统设计与老空区透水分析[J]．工业安全与环保，2004，30(11)：33—35． CHEN Wen—xue，CAO Qing·gui，SHAN Guo—wel1．VrA system design and analysis On permeability of waste area[J]．Indus— trial Safety and Dust Control，2004，30(11)：33—356． [7] 施式亮．瓦斯爆炸事故树的微机分析模型及应用程序[J]．西安矿业学院学报，1995，15(2)：113—117． SHI Shi．1iang．Micro-computer analysis models and appleeation p~garam of methane explosion fault tree[J]．Journal of Xi an Mining Institute，1995，15(2)：ll3—117． [8] 冯利军，郭晓山．人工神经网络在矿井突水预报中的应用[J]．西安科技大学学报，2003，23(4)：369—371． FENG Li-jun，GUO Xiao—shan．The application of artificial neural network theory to mine water inrush prediction[J]．Journal 0f Xi an University of Science and Technology，2003，23(4)：369—371． 第4期 许江涛等：事故树分析法在矿井水害防治中的应用 Application of fault tree analysis in mine flood preventing and controlling XU Jiang．tao ，DENG Yin．sheng ，WEN Guang．chao ，XU Ya．kun ，WANG Hai．ning。 (1．School ofSurveying and Land Information Engineering ，ttenan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China； 2．Institute ofResource and Environment，ttenan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；3．Engineering Surveying 肋 n，Nuclear Industry ofChina Geotechnical Engineering CO．，LTD，鼽 加增 050021，China) Abstract：We find the main influencing factor of mine flood，draw the Fault Tree chart，obtain the min- imum cut sets，the minimum path set，the structure important degree of every basic event and expound the effect degree of each basic event on the occurrence of the fault by using Fault Tree AnMysis method． At last．realize the qualitative and quantitative an alysis by using the computer programming． e pre· ventative measures were proposed in view of the main causes for the mine flood，providing reliable sup· port to the mine flood preventing an d controlling． Key words：fault tree；mine flood；qualitative ananlysis；quantitative analysis Biography：XU Jiang—tao，Candidate for M．D．，Jiaozuo 454000，P．R．China，Tel：0086—136o3441969，E-mail：gisxit@ qq．corn (上接第399页) [7] 郝迎吉，周玉清，陈佳立．一种基于单片机的多路数据收发器的研制[J]．工矿自动化，2005，(1)：7-9． HAO Ying-ji，ZHOU Yu-qing，CHEN Jia-li．Development of a kind of muhichannel data transmitter and receiver based on sin~e-chip microcomputer[J]．Industry and Mine Automation，2005，(1)：7—9． [8] 林韵梅．实验岩石力学——模拟研究[M]．北京：煤炭工业出版社，1984． LIN Yun-mei．Experiment rock mechanics：simulate studying[M]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，1984． [9] 钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制[M]．修订本．北京：煤炭工业出版社，1991． QIAN Ming·gao，LIU Ting-cheng．Roof pmss~e and ground control[M]．Revised．Beijing：China Coal Industry Publishing House，1991． The support applicability in shallow seam mining covered by thick soil ZHANG Jie (College ofEnergy Science and Engineering， art University ofScience and Technology，Xi art 710054，China) Abstract：The support applicability in Yu—shu-wan shallow seam mining is studied，the law of rock de— stroy is drawn through simulation materials experiment．The simulation materials experiment indicates that the first weighting step is 70—75 m，the first weighting step is bigger，the reason is combinatorial key strata to be formed in shallow seam mining．The change coefficient of support load is 1．21，the sup— port can balance the load of the rock and can meet the requirement of normal mining．Th rough the study the importan t science basis for Yu·shu·wan mining is provided． Key words：Yushuwan mine；thick soil covered；shallow seam ；support applicability Biography：ZHANG Jie，Ph．D．，Xi an 710054，P．R，China，Tel：0086—13991969464，E·mail：zhangjie655@163．corn