基于FTA方法的煤与瓦斯突出危险性评价

第21卷
我国大多数煤矿地质构造复杂，628个国有重点煤矿中，高瓦斯和瓦斯突出矿井占49.2%；在煤矿重特大事故中，瓦斯事故死亡人数占72.3%[1]。

煤与瓦斯突出（下文简称突出）已成为我国煤矿主要的自然灾害[2]。

事故树分析也称作故障树分析（Fault Tree
Analysis ），简称FTA 。

事故树分析是20世纪60年代
美国贝尔实验室的T.J.Watson 等，在图论基础上发展起来的逻辑分析方法[3][4]。

它是一种从结果到原因描述事故的有向逻辑树图，其最大优点是可以分
析事故深层与本质原因。

目前，我国还没有成熟的煤矿突出事故模型和有效评价复杂条件下的煤矿突出专项危险评价方法。

本文建立了煤矿突出事故概念模型与事故树基本模型，并以大兴煤矿为例，建立该矿突出事故树模型，基于FTA 方法深入评价该矿潜在突出危险。

1煤矿突出事故模型
依据突出综合假说[1]，煤矿突出事故的发生是地
应力、煤层瓦斯与煤体特性三者综合作用的结果。

煤层瓦斯抽放设计不合理或不及时等人为失误催生突出事故。

煤矿突出事故概念模型如图1所示。

在图1中，造成突出事故的危险条件包含三类：危险源分为高压瓦斯和复杂煤体，瓦斯能量以其在煤体中的压力和相对含量来表示，煤体复杂性
基于FTA 方法的煤与瓦斯突出危险性评价研究
郑仰发1，鞠文君1，朱广轶2
（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013；2.沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳110044）
摘要：
煤与瓦斯突出事故已被广泛研究，基于FTA 方法的突出专项危险评价极少被涉及。

依据煤与瓦斯突出综合假说和事故因果理论，本文提出了煤与瓦斯突出概念模型；基于FTA 方法构建突出事故树基本模型。

以大兴煤矿为工程实例，结合地质构造因素与突出事故树基本模型，建立了大兴矿突出事故树模型，通过最小割集、最小径集与结构重要度的计算，来评价该矿突出路径、危害程度及防治措施，完成煤与瓦斯突出危险专项评价。

关键词：
事故树分析；地质构造；煤与瓦斯突出；危险评价中图分类号：TD713文献标志码：B 文章编号：1004-4051（2012）zk-0509-03
Application of FTA method on hazard assessment for coal and gas outburst
ZHENG Yang-fa 1,JU Wen-jun 1,ZHU Guang-yi 2
(1.Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Beijing 110016,China; 2.School of Architecture and
Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)
Abstract:Although there has been a great deal of attention paid to accidents of coal and gas outburst,little attention has been paid to its special hazard assessment based on FTA method.Conceptual model of coal and gas outburst is presented according to comprehensive hypothesis of coal and gas outburst and the accidents ’causality theory,and based on FTA method,basic fault tree model of outbursts is constructed.Taking Daxing Mine for engineering example,its fault tree model of outburst is established by combining geological-tectonic factors with the basic fault tree model of outbursts.After calculating the minimum cut set,the minimum path set and the structural importance degree,the mine ’s outburst path,endangerment degree,measures for prevention are evaluated to complete the special hazard assessment of coal and gas outburst.
Key words :FTA;geological structures;coal and gas outburst;hazard assessment
收稿日期：2012-05-19
作者简介：
郑仰发（1986-），男，山东台儿庄人，博士研究生，2008年毕业于山东科技大学；主要研究方向：采矿工程支护理论、技术与防灾减灾研究，E-mail ：zhengyangfa@ 。

第21卷增刊
2012年8月中国矿业
CHINA MINING MAGAZINE
Vol.21,zk
August 2012
中国矿业
第21卷
以其普氏强度和煤层结构来表征；地质构造及应力场作为控制因素，在煤炭开采中造成地应力重分布，它构成瓦斯能量意外释放的动力辅助条件；煤层瓦斯抽放措施失效，加重了突出事故的破坏性和损失。

2突出事故树基本模型2.1
煤矿突出事故树基本模型
要防治突出，首先了解可能导致突出发生的危险特征和因素是必要和关键的。

在前面突出事故概念模型基础上，在不考虑巷道类型与井巷采掘方式的影响下，以煤与瓦斯突出事故为顶上事件，建立两级煤矿突出事故树基本模型，如图2所示。

图2突出事故树基本模型
图2中，煤矿突出事故(F)是由煤体结构特性
(A)、地质构造及应力场(B)、瓦斯分布(C)共同造成
的，它们与顶上事件为逻辑与门关系，构成煤矿突出事故树的第一层次。

在该事故树第二层次中，A 1、
A 2与中间事件A 为逻辑与门关系；
B 1、B 2、B 3、B 4与
中间事件B 及C 1、C 2、C 3与中间事件C 均为逻辑或门关系。

该基本模型为复合成因的煤矿突出模型，根据瓦斯分布特点，可分为瓦斯压力超限或瓦斯含量超
标引起的突出事故，需要根据煤矿具体检测结果构建模型。

同时，通过对事故树中各中间、基本事件的进一步分解丰富，可以实现复杂矿区、特殊成因的煤矿突出事故树建模及安全评价。

2.2突出事故树模型定性分析
定性分析包括最小割集、最小径集和结构重要
度分析[2]。

最小割集是导致顶上事件发生的最起码的基本事件的组合集。

分析最小割集意义在于：评价煤矿突出路径；通过分析最危险突出途径提出预防措施。

最小径集是使事故不发生的最低限度的基本事件的集合。

分析最小径集目的在于：通过最小
径集数量评价系统安全性；通过最小径集中基本事件的数量，评价煤矿突出防治难易程度。

结构重要度是在不考虑基本事件发生概率或假定各基本事件的发生概率相等的情况下，基本事件发生对顶上事件所产生的影响程度[2]。

分析意义在于确定突出防治措施的优先顺序和提出突出防治优选方案。

求得最小割集后，则可依据式（1）求出各基本事件的结构重要度系数[4]。

I i =1-仪1-1
2
N ij
-1
仪仪
（1）
式中，I i 为第X i 个基本事件的结构重要度系数；N ij 为第i 个基本事件所在K j
内的基本事件总数
（K j 指第j 个最小割集）。

3工程实例
3.1
大兴矿地理与地质概况
大兴煤矿位于铁法煤田的西南部，北与大隆矿
相接，东与小南矿相邻，西以F 55、F 56断层为界，南到煤层最低可采边界，井田为北北东向展布的向斜盆地构造，矿区内共有33条断层，多为正断层。

岩浆活动频繁，勘探钻孔中见火成岩者占其总数的
77.7%，煤层赋存于侏罗系的阜新组中。

大兴矿从建
井时期到投产至今，共发生四次大型突出（不包括
煤层压出与倾出）事故[5]。

3.2大兴矿突出事故树建模
据前面突出事故树基本模型和大兴矿区地质
构造与煤体条件，建立三级大兴矿突出事故树模型，如图3所示。

突出事故树顶层以大兴矿突出事故(F)作为顶上事件，各基本事件与其上层中间事件都属于逻辑或门关系。

该事故树的底层包括15个基本事件，其中，中间事件地质构造及应力场包括9个基本事件；煤体结构特性包括4个基本事件；瓦斯分布包括2个基本事件。

图1
煤矿突出事故概念模型
510
第21卷
郑仰发，等：基于FTA 方法的煤与瓦斯突出危险性评价研究3.5最小径集计算与防治措施分析
将大兴矿突出事故树变成了“成功树”，求解成
功树的最小割集，得事故树最小径集。

大兴矿非突出成功树结构函数表达式为：
F ’=A ’+B ’+C ’
=(X 1’X 2’)+(X 3’X 4’)+(X 14’X 15’)+(X 5’X 6’X 7’X 8’X 9’X 10’X 11’X 12’X 13’)
（4）
因此，突出事故树存在最小径集4组：｛X 1’,X 2’｝，｛X 3’,X 4’｝，｛X 11’,X 12’｝，｛X 5’,X 6’,X 7’,X 8’,X 9’,X 10’,X 11’,X 12’,X 13’｝上述结果表明：前三个最小径集代表防治突出的最短路径，具体措施是提高煤体强度；或是改善煤层结构；或是严格控制瓦斯含量至标准上限之下。

对于数十平方公里的采煤区而言，提高煤体强度或改善煤层结构是不客观的。

严格控制瓦斯含量
确是最行之有效、也是最经济的一种客观措施。

将瓦斯从煤层内集中抽放并储存，这不仅防止突出灾害的发生，还可提供瓦斯气体能源，一举双效。

3.6结构重要度分析
据式（1）计算各基本事件的结构重要度系数：
I 1=0.99183=I 2=I 3=I 4=I 14=I 15
I 5=0.65639=I 6=I 7=I 8=I 9=I 10=I 11=I 12=I 13
则各基本事件结构重要度排序为：
I 1=I 2=I 3=I 4=I 14=I 15>I 5=I 6=I 7=I 8=I 9=I 10=I 11=I 12=I 13
排序结果说明：煤质状况、煤层结构及瓦斯分布的基本事件结构重要度相同且最大。

在正常开采条件下，大兴矿的瓦斯抽放系统是矿区防突系统的核心组成部分，最优的突出防治措施是通过技术管理、教育、法规等手段杜绝瓦斯抽放失效的发生。

3.3地质构造及应力场对突出的影响
地质构造是构造应力的作用结果，地质构造包
括褶曲、断层与火成岩侵入带等。

断层与褶曲构造控制了岩浆侵人带的分布，岩浆活动又促使断层与褶曲构造复杂化。

古构造应力场对煤层结构形成与分布起重要作用，古构造运动过程形成了褶曲、断层构造，火成岩结构与分布现状；从而决定了瓦斯的生成与赋存。

现今构造应力场对煤体强度、断层构造活动性有一定影响；对瓦斯的运移、存储更有决定作用。

因此，构造应力场对突出事故具有核心控制作用，80%～95%的突出事故集中在地质构造变化带就证明了该结论。

3.4最小割集计算与突出路径分析大兴矿突出事故树结构函数表达式为：F=A ·B ·C=A 1·A 2·(B 1+B 2+B 3)·C
（2）
利用布尔代数化简法求事故树的最小割集：
F =(X 1+X 2)(X 3+X 4)(X 5+X 6+X 7+X 8+X 9+X 10+X 11+X 12+X 13)(X 14+X 15)
=(X 1X 3X 5X 14)+(X 1X 3X 5X 15)+…+(X 1X 4X 13X 15)+(X 2X 3X 5X 14)+(X 2X 3X 5X 15)+…+(X 2X 4X 13X 15)
（3）
因此，得到各最小割集如下：
｛
X 1,X 3,X 5,X 14｝，｛X 1,X 3,X 5,X 15｝，…,｛X 1,X 4,X 13,
X 15｝，｛X 2,X 3,X 5,X 14｝，｛X 2,X 3,X 5,X 15｝，…,｛X 2,X 4,X 13,X 15｝。

式（3）中包含72个最小割集，即大兴矿在煤炭开采影响下存在72种突出路径或突出模式，防治难度很大。

每个突出路径由四个基本事件组成。

从最小割集结果可以得出：瓦斯含量超限与煤体破坏是该矿突出事故发生的直接原因；地质构造及应力场对大兴矿各种突出灾害的发生起推动控制作用。

其中与火成岩因素相关的有44组，这与四次突出都发生于火成岩侵入变质煤带相吻合。

图3大兴矿突出事故树模型
（下转第516页）
511
中国矿业第21卷
（上接第511页）
4结论
1）根据煤矿突出综合假说和事故因果理论，构建突出事故概念模型。

结合FTA方法建立煤矿突出事故树基本模型，可以直观、清晰地分析复杂煤矿突出事故的直接原因与深层原因。

2）地质构造是构造应力的作用结果，古构造应力场对煤层结构形成与分布起重要作用。

古构造运动过程形成了褶曲、断层构造、火成岩结构与分布现状；从而决定了瓦斯的生成与赋存。

现今构造应力场对煤体强度、断层构造活动性有一定影响；对瓦斯的运移、存储更有决定作用。

因此，构造应力场对突出事故具有核心控制作用。

3）依据基本模型与大兴矿煤体地质特性建立大兴矿突出事故树图，大兴矿可能形成突出路径72种。

与火成岩因素相关的突出路径44种，由瓦斯抽放失效的人为因素造成的突出路径36种，防治大兴矿突出的成功路径4种。

目前最紧迫的防治措施是检测该矿区煤质煤层的确切性质，在此基础上，加强监管与教育，防止因瓦斯抽放失效造成突出事故，确保瓦斯抽放系统的正常有效运行。

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由图6中可以看出，当井下一个巷道发生泥石流时，会产生一个漏斗状的泥石流通道，进而使得其上面的分层都有发生泥石流的危险。

通过初步的模拟圈定，我们可以看到在上面一个分层主要由2个较大的泥石流“漏斗”：一个是位于巷道中心上方长约8m、宽约8m的较大的通道，另外一个是位于巷道左帮正上方宽约5m、长约3m的通道。

由于泥石流“漏斗”的形成为水的渗流和剥蚀以及黄泥的涌入提供了直达出矿口的通道，使得在漏斗口范围内的泥石流，都有发生泥石流的危险。

5结论
1）通过对金山店铁矿历年泥石流的调查分析以及现场取样研究，可以发现以下规律：泥石流均发生在雨季且多发生在粉矿地段；泥石流发生时，其试样的含水率一般在15%以上。

2）井下泥石流的形成过程，大致分为非饱和土吸水、蠕变滑移和流动三部分。

而在井下泥石流形成过程中，出现的悬顶突然垮冒为其提供了动力条件，同时也使得隔水层瞬时破坏而导致地表水大量涌入。

因此，防治粉矿段的悬顶问题是预防泥石流的有效手段。

3）在泥石流扩散范围方面，利用Surfer软件可以明显看到，当出矿巷道采用菱形布置，某一巷道出现泥石流时，该巷道上一分段的相邻两个巷道都有出现泥石流的危险，而其余巷道出现泥石流的几率则相对较小。

参考文献
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