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1、煤矿瓦斯爆炸危险性评价及煤矿瓦斯爆炸危险性评价及预警系统开发预警系统开发研究研究Research on Risk Evaluation and Forecast System Development of Gas Explosion in Coal Mine桂祥友桂祥友 ( ( 教授，博士教授，博士 ) )贵州大学贵州大学本文主线本文主线1 1 绪论绪论2 2 煤矿瓦斯涌出量预测理论与方法煤矿瓦斯涌出量预测理论与方法3 3 煤矿瓦斯爆炸危险源分析煤矿瓦斯爆炸危险源分析 4 4 煤矿瓦斯爆炸危险性评价理论与方法研究煤矿瓦斯爆炸危险性评价理论与方法研究 5 5 煤矿瓦斯爆炸危险性评价与预警系统开发
2、煤矿瓦斯爆炸危险性评价与预警系统开发 6 6 结论结论煤矿企业内部对瓦斯危险性的辨识、评价研 究不够深入，同时我国煤矿企业瓦斯危险性评价与 预警系统开发和其他行业相比，尚处于初级阶段， 致使目前在煤矿安全生产中难于准确地把握煤矿生 产系统中的重大隐患及薄弱环节，难以采取针对性 的预防措施。 因此，煤矿企业内部如何结合煤矿生产系统 的特点，建立煤矿瓦斯危险性评价的非线性、动态 评价模型、建立有效的评价理论和方法对煤矿瓦斯 危险性评价、如何进行评价程序的计算机实现、建 立计算机瓦斯危险性评价与预警系统已成为是一个 迫切需要解决的新课题。1 1 绪绪 论论 1.1 1.1 问题的提出问题的提出1.2
3、 国内外研究现状与发展趋势 安全评价首先在20世纪30年代出现于保险行 业，20世纪60年代是开始全面、系统地研究企业 、装置和设施安全评价原理与方法的历史阶段。 60年代后期，以概率风险评价(PRA)为代表 的系统安全评价技术得到了研究和开发。随着现 代科技的迅速发展，特别是数学方法和计算机科 学技术的发展，以模糊数学为基础的安全评价方 法得到了发展和投入应用，并拓展了原有的方法 和应用范围，如模糊故障树分析、模糊概率法等 。应用计算机专家系统、预警系统，对生产系统 进行实时、动态的安全评价等。p 国外研究现状与发展趋势 p 国内研究现状与发展趋势 我国煤矿安全评价工作起始于1981年，与其
4、他行业相比，时间上几乎同步，但研究规模、深入程度要 落后于其他（化工、冶金）行业。目前煤矿采用的安 全评价方法，从评价方法的原理与具体算法角度分析 ，大多采用传统的理论方法，或借用其他行业的现有 技术来处理煤矿的特殊问题，均存在一定的局限性， 主要是事故树分析法和安全检查表法（安全评价资质 中心大都采用安全检查表法），其研究内容主要集中 于安全评价的基础性工作，对安全评价的理论和技术 研究等尚不够深入。 安全评价的发展将集中在以下几个方面：p评价技术的研究；p安全评价范畴方面。安全系统的三维结构原理，从 时间维上将安全评价划分为四大类型。即安全预评 价、综合管理现状安全评价、重大危险源评价和事
5、 故原因分析评价；p组织管理方面的研究。政府为主导，组织开展工业 安全评价技术规范和管理标准的研究和制定工作。p本文研究的内容：鉴于我国对煤矿瓦斯爆炸危险性评价与预警系 统的开发研究现状，本文开发了与评价方法相对应 的煤矿瓦斯爆炸危险性评价与预警系统，为煤矿企 业内部能够对瓦斯危险性评价做到准确、科学与快 捷开辟了道路。p本文研究的方法：本文提出了的瓦斯爆炸危险性评价方法（模糊 综合评价法、灰色理论），能对煤矿瓦斯爆炸危险 性进行定量分析，对系统发生危险、危害的可能性 进行危险程度的确定。 1.3 本文研究内容、方法 和意义p 研究意义：本文提出的煤矿瓦斯危险性评价的思路与方法，旨 在建立一种
6、全新的瓦斯爆炸危险性评价模式，建立一个 全新的、快速反应的瓦斯爆炸危险性评价与预警系统， 这将为煤矿安全管理决策提供快捷和科学的决策信息， 及时预测、控制事故、减少事故损失。通过计算机程序 实现，对煤矿作好瓦斯爆炸危险性评价、事故预防、指 导煤矿安全生产具有重要的理论意义。 2 2 煤矿瓦斯涌出量预测理论与方法煤矿瓦斯涌出量预测理论与方法 2.1 2.1 煤矿瓦斯涌出量预测煤矿瓦斯涌出量预测 矿井瓦斯涌出量,其大小不仅取决于煤层瓦斯含量，而且与一系列的瓦斯地质条件和开采技术条件有关。同 一煤层即使瓦斯含量相同，但由于采掘布置和采煤方法 、采掘工艺、采掘时间的不同，瓦斯含量相同的层，由 于煤层的
7、特征和含煤岩系中各煤层组合关系的不同，瓦 斯涌出量也有差异。因此矿井瓦斯涌出量是一个多因素 影响的参数，且是一个动态变化过程。建井过程中，煤层巷道掘进时瓦斯涌出量统计 分析资料表明：瓦斯主要来源于煤壁涌出，而煤壁 瓦斯主要取决于煤壁的暴露时间和裂隙发育程度， 其规律为，与普通掘进工作面的瓦斯涌出一样，综 合机械化掘进工作面的瓦斯由两部分组成，即巷道 煤壁和掘进落煤瓦斯涌出。p煤壁瓦斯涌出量随暴露时间的增长而衰减；p煤壁瓦斯涌出量随暴露面积(或长度)的增大而增加 ；p巷道接近构造影响带或裂隙发育带时，瓦斯涌出量 会突然增高。2.2 煤矿瓦斯涌出规律2.3 煤矿瓦斯涌出量预测方法的选择以下介绍几种
8、常用的预测方法。p 判断预测法：p 专家评估法：p 市场调查法：p 情景分析法：p 回归分析法：p 灰色预测方法：2.4 预测理论和预测方法 2.4.1 模糊预测方法煤矿瓦斯事故危险性风险的综合评价是一个比较典型的涉及多因素的综合判断问题，其结论也存在着模糊 性，只能用一个数值区域来表示，多级模糊综合评判法 能够较好地处理多因素、模糊性及主观判断等问题，因 此，多级模糊综合评判法是危险系统风险评价的有效方 法。为了得到综合评价结果，首先要确定各评价指标的 权重，即确定各评价指标的相对重要性。然后根据实际 情况给出各方案的单指标评价值。最后，要将单指标的 评价值按其权值综合起来，得到各方案的综合
9、评价值。2.4.2 灰色预测方法在一个相对时期内瓦斯涌出量主要随时间变化，因此，根据矿井通风报表，可以有效地预测且排除 煤矿井下生产过程中的瓦斯涌出量，并在矿井瓦斯爆 炸前能够及时地采取切实可行的措施，防止事故发生 和发展、准确地预测煤矿井下的瓦斯涌出量。而灰色 系统则可以不考虑上述因素的影响，只是利用有限信 息（已有的瓦斯涌出资料），借助灰色灾变预测模型 进行研究，来预测矿井未来瓦斯涌出量大小和灾害时 间，即简便又直观。3 煤矿瓦斯爆炸危险源分析 3.1 煤矿瓦斯爆炸危险源系统结构分析 3.1.1 瓦斯爆炸危险源系统的性质 p动态性；p非线性；p评价单元的复杂性。3.1.2 瓦斯爆炸三类危险
10、源概述p 瓦斯固有危险源，如瓦斯涌出量（第一类危险源）； p 存在引燃瓦斯的点火源（第二类危险源）； p 环境中氧气的浓度大于12（第二类危险源）； p 瓦斯浓度处于爆炸极限范围内（第二类危险源）； p 管理缺陷（第三类危险源）。3.1.3 瓦斯爆炸事故中第三类危险源分析安全管理方面存在的问题可以概括为两方面，一是管理决策和管理方式失误，二是管理系统存在 严重缺陷，与瓦斯危险源诱发事故有关的主要表现 ：p不严格执行煤矿安全规程中关于预防瓦斯的规 定，致使瓦斯积聚；p未按操作规程进行电气等易产生火花设备的操作规 定进行操作；p通风系统缺陷，不能有效排除生产过程中涌出的瓦 斯；p在处理诸如排放瓦斯
11、等危险现象的过程中，违章指 挥和违章操作；p在处理瓦斯爆炸事故过程中，出现违章指挥，致使 瓦斯爆炸事故的伤亡人数增加，事故波及范围扩大 ；p处理其他事故中，忽视瓦斯因素，诱发瓦斯爆炸事 故。3.2 3.2 煤矿瓦斯爆炸事故机制分析煤矿瓦斯爆炸事故机制分析3.2.1 矿井瓦斯爆炸事故图3.2.2 矿井瓦斯的存在状态、性质及危害瓦斯通常以游离状态（自由状态）和吸附状态（结 合状态）存在于煤体之中。瓦斯无色、无味、无臭，常 积聚在巷道的顶部，上山掘进面及顶板冒落空洞中。瓦 斯本身无毒，但不能供人呼吸，瓦斯不助燃，但与空气 混合达到一定浓度后，遇到高温火焰时能够燃烧或爆炸 。在压力不变的情况下，当瓦斯
12、浓度达到43时，氧气 浓度就会被冲淡到12，人就会感到呼吸困难；当瓦斯 浓度达到57时，氧气浓度就会降到9，这时人若误 入其中，短时间就会缺氧窒息而死。 3.2.3 瓦斯爆炸的实质瓦斯爆炸的实质，就是一定数量的瓦斯与空气中的 氧气进行剧烈化学反应。在这个过程中能产生巨大的冲击 波和响声，可使沿途巷道支架和设备受到损坏，人员出现 伤亡。瓦斯爆炸有十分严重的危害性和破坏性，为煤矿各 种灾害之一。3.2.4 瓦斯爆炸的基本条件瓦斯爆炸必须具备三个基本条件，缺一不可。一 是空气中瓦斯浓度达到516；二是要有温度为 650750的引爆火源；三是空气中氧含量不低于 12。3.2.5 瓦斯爆炸界限瓦斯爆炸是
13、有一定浓度范围的，只有在516 这个浓度范围内，瓦斯才能爆炸，这个范围称为瓦 斯爆炸界限。当瓦斯浓度低于5时，只能燃烧，不 能爆炸；当瓦斯浓度高于16时，只能有一部分的瓦 斯与氧气发生反应，因所生成的热量还会被多余的瓦 斯和周围介质吸收而降温，所以也不能爆炸。3.2.7 影响瓦斯爆炸的主要因素及原因p影响瓦斯爆炸的因素很多、很复杂，其主要因素有 ：(1)可燃性气体的混入；(2)爆炸性煤尘的混入；(3)惰性气体的混入；(4)混合气体的初始温度（即爆炸发生前混合气 体的温度）；(5)瓦斯浓度与引火温度；(6)混合气体的压力。p引起瓦斯爆炸的主要原因：瓦斯爆炸由3个方面的因素促成的，即瓦斯积聚 、引
14、爆火源和管理工作不善、某些人员的失职。 3.2.8 井下容易发生瓦斯爆炸的地点井下任何地点都有发生瓦斯爆炸的可能， p掘进工作面 p回采工作面上隅角 3.2.9 瓦斯爆炸的危害p 爆炸产生高温。 p 爆炸产生高压。 p 爆炸产生大量有害气体。 p 瓦斯爆炸发生后，在爆炸产生的高温、高压的作用下 ，爆源附近的气体以极大的速度向四周扩散，形成巨大 的正向冲击。 煤矿瓦斯爆炸危险性评价理论与方法研 究 4.1 模糊综合评价原理 4.1.14.1.1多级模糊综合评判方法的基本原理（略）多级模糊综合评判方法的基本原理（略） 4.1.24.1.2危险因素及其权重的确定危险因素及其权重的确定1)确定评价指标
15、的权重(1)“穷尽成对比较法”确定各因素的权重；(2)层次分析法确定评价指标的权重。2)评价指标的处理各评价因素的权重分配或重要性排序。确定权系 数的计算结果列于表4.1中。表4.1 指标权重计算及一致性检验分析结果因素 权值 基础指标 权值 一致性检验 固有危险源因 素U1 （第一类危险 源）0.1851 瓦斯涌出量u11 机电设备 的失爆率u12 瓦斯动力系数u13 地质因素u14 瓦斯含量u15 火源u16 0.33310.07740.12020.12020.12020.2389CI固有0.0056RI固有1.2100CR固有0.0046CI诱发0.0093RI诱发1.0700CR诱发0
16、.0087 诱发因素U2 （第二类危险 源）0.2822 采区照明u21 通风系统u22 噪声条件u23 信号u24 设备布置u25 0.11690.42230.23390.15780.0681 CI人0.0042RI人1.1400CR人0.0030CI二级0.0042RI二级0.5800 人的因素U3 （第三类危险 源）0.5287员工的技能和经验u31 员工的职业责 任感u32 员工的总体水平u33 员工培训的全面性u34 管理干部监察水平u35 员工对避灾的熟悉程度u36 规程标准化执行水平u370.12500.12500.12500.12500.25000.12500.1250 CR二级0.0072CI综合0.0032RI综合1.2670CR综合0.0025一致性均满意 4.1.3 4.1.3 隶属度及其隶属函数的确定隶属度及其隶属函数的确定要确定因素集中每一因素隶属于的程度，可以借 鉴模糊控制中常用的
