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基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

文檔作者：王長(zhǎng)申1，2，孫亞軍1，2，杭遠(yuǎn)1，2 文檔來(lái)源： 1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年01月29日
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第28 卷第 2 期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.28 No.2
2009 年2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2009
收稿日期：2008–09–12；修回日期：2008–12–10
基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2007CB209400)；煤炭資源與環(huán)境科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新引智基地資助項(xiàng)目(B07028)，江蘇省博士后科研支
助計(jì)劃項(xiàng)目(0801029B)
作者簡(jiǎn)介：王長(zhǎng)申(1970–)，男，博士，1994 年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，主要從事礦井水文地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)等方面的研究工
作。E-mail：cougar3wcs@163.com
基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究
王長(zhǎng)申1，2，孫亞軍1，2，杭遠(yuǎn)1，2
(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)
摘要：基于事故致因理論建立煤礦突水事故模型。煤礦突水事故危險(xiǎn)源被分為突水水源、突水通道、突水誘因和
應(yīng)急失效4 類；建立煤礦突水事故樹(shù)模型，并提出基于事故樹(shù)方法的煤礦突水危險(xiǎn)性專項(xiàng)評(píng)價(jià)方法。以楊莊礦及
其周邊6 個(gè)地方煤礦為例，識(shí)別周邊地方煤礦可能誘發(fā)楊莊礦發(fā)生地表洪水、太原組灰?guī)r水等突水的4 類突水事
故危險(xiǎn)源，并以此建立楊莊礦突水事故樹(shù)模型，求最小割集評(píng)價(jià)最危險(xiǎn)突水路徑，利用最小徑集優(yōu)化最有效防治
措施。研究結(jié)果表明，有306 種可使楊莊煤礦發(fā)生煤礦突水的基本事件組合，防止楊莊礦突水事故發(fā)生的有效途
徑是加強(qiáng)監(jiān)管，杜絕地方煤礦穿層、越界等違規(guī)操作。事故樹(shù)方法可以完成復(fù)雜煤礦突水危險(xiǎn)性專項(xiàng)安全評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：采礦工程；礦井突水；事故致因理論；事故樹(shù)分析；最小割集；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào)：TD 163 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000–6915(2009)02–0298–08
APPLICATION OF FAULT TREE ANALYSIS TO RISK ASSESSMENT OF
POTENTIAL WATER-INRUSH HAZARDS IN COAL MINING
WANG Changshen1，2，SUN Yajun1，2，HANG Yuan1，2
(1. School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2. State
Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，
Jiangsu 221008，China)
Abstract：Water-inrush is one of the most difficultly predicted and controlled mining accidents. On the basis of
accident-causing theory，the conceptual model of mine water-inrush is developed；and the risk sources of mine
water-inrush are classified into inrush water-sources，inrush passages，inrush-induced factors and salvage failure.
Based on fault tree analysis，the fault tree model of mine water-inrush is constructed and the method to assess the
risk of water-inrush is proposed. Taking Yangzhuang Mine，a key state-owned coal mine，for example，four types
of risk sources of water-inrush from six southern-surrounding local mines are analyzed；and the water-inrush fault
tree model of Yangzhuang Mine is constructed. The least cut-set to find out the most dangerous water-inrush paths
is derived；and the least path-set to optimize the most effective water-inrush controlling way is presented. The
result shows that there are 306 kinds of possible water-inrush cases for Yangzhuang Mine；and the most effective
way for controlling water-inrush hazards is to strictly prohibit the local mines exceeding their permitted and
authorized boundaries. It shows that the fault tree analysis can be effectively used in safety assessment of mine
water-inrush accidents.
Key words：mining engineering；water-inrush hazards；accident causing theory；fault tree analysis；least cut-set；
risk assessment第28 卷第 2 期王長(zhǎng)申，等. 基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究 ? 299 ?
1 引言
我國(guó)礦井多數(shù)都屬于礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜類
型[1，2]。自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，共有250 多個(gè)礦
井被淹，1 700 多人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)350 多億元
人民幣[3]。近幾年，隨著越來(lái)越多的礦井進(jìn)入深部
開(kāi)采階段，礦井水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，同時(shí)為了
提高煤炭開(kāi)采率、降低煤炭開(kāi)采成本、減少水資源
浪費(fèi)，煤礦突水事故又呈現(xiàn)頻率上升、危害增大的
趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2000 年以來(lái)的幾年里共發(fā)
生重特大突水事故473 起，死亡及失蹤人數(shù)達(dá)到
2 635 人[3]。
“危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”，也稱作“安全評(píng)價(jià)”，是利用
系統(tǒng)工程方法對(duì)擬建或已有工程、系統(tǒng)可能存在的
危險(xiǎn)性及其可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，
并提出相應(yīng)安全對(duì)策措施，以期達(dá)到工程和系統(tǒng)的
安全運(yùn)行[4]。在20 世紀(jì)60 年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家
形成了以安全評(píng)價(jià)為目的、以系統(tǒng)工程為工具的安
全系統(tǒng)工程理論；其危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制是
安全系統(tǒng)工程的主要內(nèi)容。20 世紀(jì)80 年代初期，
安全系統(tǒng)工程方法首先引入我國(guó)機(jī)械、冶金、航天
等部門[4～9]。其中，較早地將更多安全系統(tǒng)工程方
法介紹并應(yīng)用于煤礦安全評(píng)價(jià)的是沈斐敏[5]。他系
統(tǒng)介紹了事故樹(shù)分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA)、管
理失誤和風(fēng)險(xiǎn)樹(shù)分析(MORT)、安全檢查表(SCL)等
評(píng)價(jià)方法及其在礦井火災(zāi)事故、瓦斯事故、冒頂事
故、水災(zāi)事故及綜合安全評(píng)價(jià)中的運(yùn)用。2003 年，
我國(guó)頒布了《煤礦安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[4]，煤礦水害是
煤礦安全評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，煤礦安
全評(píng)價(jià)主要是通過(guò)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)查、專家打分/
評(píng)分和安全檢查表法等對(duì)礦井安全進(jìn)行安全綜合
評(píng)價(jià)[4～7，10]。
常用全檢查表法的實(shí)質(zhì)是依據(jù)《煤礦安全規(guī)
程》、《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范法對(duì)礦井
防治水技術(shù)與管理系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，目的是評(píng)
價(jià)煤礦是否具備安全生產(chǎn)所必需的生產(chǎn)條件。我國(guó)
還沒(méi)有成熟的煤礦突水事故模型和有效評(píng)價(jià)復(fù)雜或
特殊條件下的煤礦突水危險(xiǎn)性的專項(xiàng)安全評(píng)價(jià)方
法。
事故樹(shù)分析(FTA)是20 世紀(jì)60 年代美國(guó)貝爾實(shí)
驗(yàn)室的T. J. Watson 等在圖論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的邏
輯分析法[4～6]，是一種從結(jié)果到原因描述事故的有
向邏輯樹(shù)圖。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以分析事故深層原
因，也是我國(guó)普遍使用的安全評(píng)價(jià)方法[5，6]。紀(jì)常
偉等[11]基于事故樹(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立航天器的智能
診斷模型；丁彩紅等[12]利用事故樹(shù)最小割集和基本
事件的結(jié)構(gòu)重要度排序進(jìn)行航天器故障定位；袁昌
明[13]討論了事故樹(shù)中最小割集、最小徑集的計(jì)算算
法。
基于煤礦突水原理與事故致因理論建立突水事
故模型，本文提出基于事故樹(shù)方法的煤礦突水事故
樹(shù)模型；以楊莊礦及其6 個(gè)周邊地方煤礦為工程背
景，確定突水事故危險(xiǎn)源，基于事故樹(shù)法評(píng)價(jià)了由
于周邊6 個(gè)周邊地方煤礦開(kāi)采引起的楊莊礦潛在突
水危險(xiǎn)。
2 煤礦突水事故模型
依據(jù)煤礦突水原理和能量意外釋放與人為失誤
理論，煤礦突水事故的發(fā)生是由于不合理生產(chǎn)過(guò)程
使地表或地下水系統(tǒng)能量向井巷工程的意外釋放造
成的。不合理采礦活動(dòng)是能量意外釋放的誘因，不
合理排水與安全救助措施加重了突水事故的災(zāi)害
性，煤礦突水事故概念模型如圖1 所示。
圖1 煤礦突水事故概念模型
Fig.1 Conceptual model of mine water-inrush
在圖 1 中，煤礦突水事故危險(xiǎn)源可分為4 類：
第一類是突水水源，其能量以勢(shì)能為主，地下水、
地表水或老窯水水位、水壓、水量表明危險(xiǎn)物能量
大小。第二類是突水通道，斷層、陷落柱等天然突
水通道及頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙、人為鉆孔等人為突水通
道是能量釋放途徑；二者構(gòu)成礦井水能量意外釋放
的物質(zhì)條件，使礦井處于“不安全狀態(tài)”。第三類
突水誘因，即生產(chǎn)過(guò)程中技術(shù)、管理和操作漏洞、
不安全行為
非正常涌水量增加
煤礦突水事故
突水水源 突水通道 突水誘因
不安全狀態(tài)
能量意外釋放
排水與應(yīng)急措施失效? 300 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2009 年
失誤等“不安全行為”，它們是導(dǎo)致突水水源能量
增高、天然突水通道活化、人為突水通道形成、非
正常涌水量增加的人為“突水誘發(fā)因素”。第四類
是排水與應(yīng)急措施失效，它們將非正常涌水惡化成
了造成生命和財(cái)產(chǎn)損失的突水事故。
煤礦突水類型多種多樣[2]，上述4 類危險(xiǎn)源又
包括若干直接或間接因素，礦井突水是煤礦安全事
故中最難預(yù)測(cè)與防治、危害最大的事故。
3 煤礦突水事故樹(shù)模型
3.1 突水事故樹(shù)模型
目前，在煤礦防治水領(lǐng)域，所能預(yù)測(cè)的主要是
煤礦正常涌水量和最大涌水量[2]，而煤礦突水機(jī)制
與預(yù)測(cè)技術(shù)仍不成熟。雖然煤礦突水是煤礦安全中
的重要安全事故，但是煤礦安全評(píng)價(jià)主要是對(duì)煤礦
安全系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，也不能完成煤礦突水危險(xiǎn)性
的專項(xiàng)評(píng)價(jià)。
在前面煤礦突水事故模型和突水危險(xiǎn)源分類基
礎(chǔ)上，以煤礦突水為頂上事件(T)，建立了兩級(jí)煤礦
突水事故樹(shù)基本模型，如圖2 所示。
圖2 煤礦突水事故樹(shù)模型
Fig.2 Fault tree model of water inrush for coal mining
在圖 2 中，煤礦突水(頂上事件T)是由于非正
常涌水量增加(A1)、超過(guò)排水能力(A2)以及應(yīng)急失效
(A3)造成的，三者是造成煤礦突水事故的必要條
件，與頂上事件(T)為邏輯與門關(guān)系，構(gòu)成煤礦突水
事故樹(shù)的第一層次。
在煤礦突水事故樹(shù)的第二層次中，礦井充水水
源積聚(B1)、充水通道活化(B2)和充水誘因(B3)是礦
井非正常涌水量增加(A1)的必要條件，它們與A1 為
邏輯與門關(guān)系；非正常涌水超過(guò)煤礦防治水系統(tǒng)泵
水能力(B4)和水倉(cāng)能力(B5)是造成礦井排水能力不
足(A2)的必要條件，與A2 為邏輯與門關(guān)系；防治水
技術(shù)(B6)和管理(B7)缺陷與失誤是造成煤礦突水事
故應(yīng)急失效(A3)的充分條件，其與A3 為邏輯或門關(guān)
系。
該基本模型是單成因(類型)的煤礦突水事故樹(shù)
模型，根據(jù)突水水源的不同，可分析地表水充水、
孔隙水充水、裂隙水充水、老窯水充水和巖溶水充
水引起的煤礦突水事故；根據(jù)突水通道不同，可分
析斷層突水、陷落柱突水等煤礦突水事故。同時(shí)，
可通過(guò)對(duì)事故樹(shù)中各中間和基本事件的進(jìn)一步分解
實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦井、復(fù)雜成因的煤礦突水事故評(píng)價(jià)。
3.2 突水事故樹(shù)模型定性分析方法
煤礦突水事故樹(shù)直觀、清晰地反映了突水事故
發(fā)生的因果關(guān)系，定性分析包括最小割集、最小徑
集和結(jié)構(gòu)重要度分析。
最小割集是導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最起碼/基本
事件組合，是系統(tǒng)發(fā)生故障的充要條件[4～6]。最常
用的求最小割集方法是布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法和行列式
法。分析煤礦突水事故樹(shù)最小割集的目的在于：(1)
最小割集數(shù)量越多，煤礦突水可能性越大，系統(tǒng)越
危險(xiǎn)；(2) 最小割集是煤礦發(fā)生突水的基本事件組
合，通過(guò)分析最小割集分析，評(píng)價(jià)煤礦突水途徑；
(3) 通過(guò)分析最危險(xiǎn)突水途徑提出預(yù)防措施。
最小徑集是使事故不發(fā)生的最低限度的基本事
件的集合[4～6]。求最小徑集的方法是首先將事故樹(shù)
中每一個(gè)基本事件變成它們的“對(duì)偶事件”，將“與
門”變?yōu)椤盎蜷T”，“或門”變?yōu)椤芭c門”，則事故樹(shù)
變成了“成功樹(shù)”，然后求“成功樹(shù)”的最小割集，
即為事故樹(shù)的最小徑集。分析突水事故樹(shù)最小徑集
的目的在于：(1) 通過(guò)最小徑集數(shù)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的安
全性；(2) 通過(guò)最小徑集中基本事件的數(shù)量評(píng)價(jià)突
水防治難易程度；(3) 評(píng)價(jià)基本事件對(duì)突水事故的
重要程度。
結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮基本事件發(fā)生概率或假
定各基本事件的發(fā)生概率相等的情況下，基本事件
發(fā)生對(duì)頂上事件所產(chǎn)生的影響程度[4～6]。分析方法
充水通道
活化(B2)
超水倉(cāng)容
量(B5)
防治水技
術(shù)缺陷(B6)
防治水管理
失誤(B7)
充分水源
積聚(B1)
圖例：
煤礦突水事故(T)
非正常涌水
量增加(A1)
超過(guò)排水
能力(A2)
應(yīng)急反應(yīng)
失效(A3)
邏輯與門
邏輯或門 基本事件框
頂上和中間事件框
充水誘
因(B3)
超設(shè)備
能力(B4)第28 卷第 2 期王長(zhǎng)申，等. 基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究 ? 301 ?
是利用最小割集和最小徑集比較基本事件結(jié)構(gòu)重要
系數(shù)大小。依據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，找出
煤柱防治水系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，確定煤礦突水防
治措施的優(yōu)先順序和提出突水防治優(yōu)選方案。
4 工程實(shí)例
4.1 楊莊礦及周邊地方煤礦工程背景
楊莊礦主要可采煤層為下石盒子組 5 煤以及山
西組6 煤，一水平(－180 m)已經(jīng)報(bào)廢，二水平(－
330 m)生產(chǎn)基本結(jié)束，三水平(－500 m)為主要開(kāi)采
水平；礦井屬于“巖溶充水礦床底板進(jìn)水為主的極
復(fù)雜水文地質(zhì)類型”，主要受地表水與松散層孔隙
水、5 煤頂板火成巖凝結(jié)水、6 煤底板及太原組灰
巖水等威脅。
自 20 世紀(jì)90 年代末，楊莊礦一水平報(bào)廢后，
一水平3，4，5，6 煤層的部分殘余煤炭劃歸地方煤
礦開(kāi)采，在楊莊礦南部淺部煤層露頭處，自東向西
分別建有生產(chǎn)能力6～12 t 的周A～F 煤礦6 個(gè)周圍
地方煤礦，楊莊與6 個(gè)地方煤礦位置關(guān)系見(jiàn)圖3。
由于：(1) 隨著近十幾年采空區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，
地方煤礦所處的淺部露頭塌陷區(qū)東、西塌陷坑和乾
隆湖積水量達(dá)2.180×107 m3 以上。(2) 個(gè)別地方煤
礦，如2006 年的周C 與D 礦、2008 年的周F 礦，
發(fā)生超層、越界等違規(guī)開(kāi)采事件，極可能破壞第四
系底部穩(wěn)定隔水層、揭露6 煤底板太原組灰?guī)r水承
壓含水層，使地方煤礦面臨地表水潰入和底板太原
組灰?guī)r水突水的危險(xiǎn)。(3) 楊莊礦各水平連續(xù)開(kāi)
采，開(kāi)采水平之間相互連通，而使原本已經(jīng)屬于極
復(fù)雜水文地質(zhì)條件類型的楊莊礦陷入一種更復(fù)雜的
特殊水害威脅之中，即來(lái)自多個(gè)地方小煤礦的重大
突水威脅。
周A礦周B礦周C礦
周D礦
周E礦
周F礦
楊莊礦
東塌陷區(qū)
西塌陷區(qū)
乾隆湖
雷河
濉河
圖3 楊莊礦與6 個(gè)地方煤礦位置關(guān)系圖
Fig.3 Locations of Yangzhuang Mine and 6 local mines
同時(shí)，由于楊莊礦與各地方煤礦及各地方煤礦
之間空間關(guān)系和水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，各地方煤
礦實(shí)際開(kāi)采資料不詳，且各地方煤礦超層越界層
位、區(qū)域、時(shí)間難以確定，安全檢查表法難以完成
由地方煤礦引起楊莊礦突水路徑、危害程度與防治
措施評(píng)價(jià)，因此本文選擇事故樹(shù)法完成該突水危險(xiǎn)
評(píng)價(jià)。
解決問(wèn)題的方法是：分析地方煤礦周圍楊莊礦
的殘余煤炭資源，預(yù)測(cè)地方煤礦可能的超層越界區(qū)
域，識(shí)別地方煤礦突水危險(xiǎn)源，利用煤礦突水事故
樹(shù)模型評(píng)價(jià)假設(shè)地方煤礦超越界條件下楊莊礦的突
水途徑與突水危險(xiǎn)程度，并提出了最有效的防治方
案。
4.2 楊莊礦突水危險(xiǎn)源識(shí)別
在分析地方煤礦周圍楊莊礦殘余煤炭資源和地
方煤礦可能超層越界區(qū)域基礎(chǔ)上，識(shí)別楊莊礦及周
邊地方煤礦突水水源、突水通道和突水誘因，周邊
地方煤礦誘發(fā)楊莊礦非正常涌水量增加的原因有洪
水潰入(B1)、地表水及第四系松散層孔隙水潰入
(B2)、6煤底板及太原組巖溶水突水(B3)、5煤頂板火
成巖水和老塘水突水(B4)等。不同突水類型突水水
源、突水通道與誘發(fā)因素較多，見(jiàn)表1。
表1 地方煤礦引起楊莊礦潛在突水類型及危險(xiǎn)源
Table 1 Risk sources of water inrush caused by local mines
突水類型突水危險(xiǎn)源
洪水潰入
(B1)
周A 礦舊風(fēng)井高程(+31.4 m)與周F 礦舊風(fēng)井高程(+32.1 m)低于
當(dāng)?shù)貧v史最高洪水位(+32.7 m)，為基本事件x1 與x2
地表水和
松散層孔
隙水潰入
(B2)
(1) 各地方煤礦擅自突破各自開(kāi)采上限提高煤炭開(kāi)采率，為
基本事件x3～x8；(2) 周B，C 和D 礦采動(dòng)或破壞雷河保護(hù)煤
柱，周F 礦采動(dòng)或破壞濉河保護(hù)煤柱提高煤炭開(kāi)采率，為基
本事件x9～x12
6 煤底板
及太原組
灰?guī)r水突
水
(B3)
(1) 構(gòu)造導(dǎo)水，包括周A 煤礦內(nèi)的1 號(hào)陷落柱以及落差大于
10 m 的斷層，主要包括周B 礦內(nèi)AF1 斷層、周C 礦內(nèi)AF2
斷層及周F 礦內(nèi)DF4 斷層，為基本事件x13～x16；(2) 井田內(nèi)
封閉不良鉆孔導(dǎo)水，主要包括周B 礦的B14、周C 礦的A74、
周E 礦的日偽4 和A34、周F 礦的日偽13，為基本事件x17～
x20；(3) 楊莊礦殘余資源分析發(fā)現(xiàn)，地方煤礦都具備超層、
越界采楊莊礦6 煤資源的條件，為基本事件x21～x26
5 煤頂板
火成巖水
及老塘水
突水(B4)
5 煤頂板火成巖凝結(jié)水局部聚積，表現(xiàn)出老塘水突水特征，
主要危險(xiǎn)源有：(1) 楊莊礦殘余資源分析發(fā)現(xiàn)，除周A 礦外，
其他地方煤礦都具備超層或越界采楊莊5 煤條件，為基本事件
x27～x31；(2) 周A，E 和F 礦主要開(kāi)采楊莊礦報(bào)廢采區(qū)的5
煤遺留煤柱，屬老區(qū)復(fù)采，探放水不利時(shí)構(gòu)成突水危險(xiǎn)，為
基本事件x32～x34
排水與應(yīng)急失效主要包括：超過(guò)地方煤礦與楊
莊礦排水能力(A2)與應(yīng)急反應(yīng)失效(A3)，危險(xiǎn)源包括
非正常涌水超過(guò)地方與楊莊礦設(shè)備與水倉(cāng)能力(為
楊莊礦
西塌陷區(qū)
東塌陷區(qū)
濉河
雷河
乾隆湖 周 F 礦
周 E 礦
周 D 礦
周 A 礦
周 B 礦
周 C 礦? 302 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2009 年
基本事件x35～x38)以及基礎(chǔ)資料不詳、沒(méi)有應(yīng)急預(yù)
案、避災(zāi)路線不合理、水閘門設(shè)計(jì)缺陷、排水設(shè)備
不能使用、隱瞞突水事故、盲目指揮、防治水措施
未落實(shí)、楊莊礦避災(zāi)路線被破壞等(為基本事件x39～
x47)。
4.3 楊莊礦突水事故樹(shù)建模
為了能夠清晰分析各類突水危險(xiǎn)源(4 類47 種)
與突水類型(5 類)的關(guān)系，根據(jù)煤礦突水事故模型
和突水危險(xiǎn)源分析，建立楊莊礦突水事故樹(shù)模型，
如圖4 所示。
在圖 4 中，突水事故樹(shù)的頂層以楊莊礦突水事
故(T)作為頂上事件；突水事故是礦井非正常涌水量
增加(A1)、超過(guò)排水能力(A2)和應(yīng)急失效(A3)同時(shí)發(fā)
生的結(jié)果，屬于邏輯“與門”關(guān)系，此為第一層；
在第二層，礦井非正常涌水量增加是由于洪水潰入
(B1)、地表積水及松散層孔隙水突水(B2)、6 煤底板
及太原組灰?guī)r水突水(B3)或5 煤頂板火成巖凝結(jié)水
及老空水突水(B4)發(fā)引起的，為邏輯“或門”關(guān)系；
排水能力不足是由于突水量同時(shí)超過(guò)楊莊與地方煤
礦的設(shè)備排水能力(B5)與水倉(cāng)容積(B6)的結(jié)果，為邏
輯“與門”關(guān)系；應(yīng)急失效包括技術(shù)問(wèn)題(B7)與管
理不善(B8)，為邏輯“或門”關(guān)系；在第三層，破
壞頂板防水煤柱(C1)或雷河與濉河煤柱(C2)是引起
地表水和松散層水突水的原因，為“或門”；構(gòu)造導(dǎo)
水(C3)、鉆孔導(dǎo)水(C4)或穿層越界(C5)是引起6 煤底
板及太原組灰?guī)r水的主要原因，為“或門”關(guān)系；
越界開(kāi)采(C6)或探放不利(C7)是引起5 煤頂板凝結(jié)
水及老窯水突水的原因，為“或門”關(guān)系；第四層
為引起突水的基本事件，記為xi，共47 種(見(jiàn)表1)；
其中，使非正常涌水量增加34 種{x1，x2，? ，x34}，
排水能力不足的4 種{x35，x36，x37，x38}，應(yīng)急失效
9 種{x39，x40，? ，x47}，見(jiàn)圖4。
4.4 最小割集計(jì)算與突水路徑分析
利用行列式法求解楊莊礦突水事故樹(shù)的最小割
集：
T ? A1A2A3 ? (B1 ? B2 ? B3 ? B4 )(B5B6 )(B7 ? B8 ) ?
34 47
35 36 37 38
1 39
i j
i j
xx x x x x
? ?
? ? (1)
式中： i x (i = 1，2，? ，34)為使非正常涌水量增加
的34種基本事件，xj ( j = 39，40，? ，47)為應(yīng)急失
效的9種基本事件。
楊莊礦發(fā)生突水事故的最小割集為
1 35 36 37 38 39 ? ? {{x x x x x x }， 1 35 36 37 38 40 {x x x x x x }，…，
1 35 36 37 38 47 {x x x x x x }，…， 34 35 36 37 38 47 {x x x x x x }} (2)
式(2)共306 個(gè)最小割集，每個(gè)最小割集代表?xiàng)?
莊礦突水的一種基本事件組合，即楊莊在6 個(gè)地方
煤礦影響下存在306 種突水路徑或突水模式，防治
難度非常大。每個(gè)路徑包括一個(gè)使非正常涌水量增
加的基本事件、4 個(gè)使排水能力不足的基本事件和
一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)失效的基本事件組成。從最小割集計(jì)
算可以得出：
(1) 使非正常涌水量增加的34 個(gè)基本事件(原
因)是造成各種楊莊礦突水災(zāi)害發(fā)生的最重要原
因。在這34 個(gè)基本事件(原因)中，構(gòu)造事件(原因)4
種，鉆孔事件(原因)4 種，探放水事件(原因)3 種，
井口高程事件(原因)2 種，河流等防(隔)水(砂)煤巖
柱事件(原因)4 種、各種超層、越界事件(原因)17
種；其中，各類違法開(kāi)引發(fā)的突水模式占189 種；
杜絕違規(guī)操作可以極大降低突水防治難度。
(2) 首先從突水危害程度來(lái)看，后果最嚴(yán)重的
基本事件是地方煤礦突破開(kāi)采上限、井口高程低于
歷史最高洪水位和破壞河流防隔水煤巖柱問(wèn)題，根
據(jù)我國(guó)類似突水案例分析，可直接造成楊莊礦二、
三或四水平甚至整個(gè)礦井被淹；其次是地方煤礦超
層越界開(kāi)采6 煤、破壞陷落柱與斷層防隔水煤巖柱
或鉆孔導(dǎo)水，根據(jù)楊莊礦以往太原組灰?guī)r突水案
例，也可以引發(fā)開(kāi)采水平被淹；第三是超層越界開(kāi)
采5 煤或探放不利引起的5 煤頂板火成巖凝結(jié)水或
老塘水突水，可使工作面甚至水平被淹；第四是技
術(shù)與管理方面的應(yīng)急失效問(wèn)題，后果是引發(fā)或加重
事故的災(zāi)害性。
(3) 從基本事件的發(fā)生頻率上，井口高程問(wèn)題
引發(fā)突水事故受多年降水周期規(guī)律影響，而目前各
類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或未被發(fā)現(xiàn)的違規(guī)開(kāi)采時(shí)有發(fā)生，引發(fā)
突水概率最大。
4.5 最小徑集計(jì)算與防治措施分析
將楊莊礦突水事故樹(shù)變成了“成功樹(shù)”，求解成
功樹(shù)的最小割集，得事故樹(shù)最小徑集為
1 2 3 1 2 3 4 7 8 5 6 T? ? A? ? A? ? A? ? (B?B?B?B? ) ? (B?B?) ? (B? ? B?) ?
1 2 34 39 40 47 x?x??x? ? x? x? ?x? ? 35 36 37 38 x? ? x? ? x? ? x? (3)
因此，突水事故樹(shù)存在6 個(gè)最小徑集，分別為第28 卷第 2 期王長(zhǎng)申，等. 基于事故樹(shù)分析的煤礦潛在突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究 ? 303 ?
穿層、越界
開(kāi)采(避災(zāi)路線設(shè)計(jì)不
合理(x41)
缺乏合理應(yīng)急
預(yù)案(x40)
基礎(chǔ)資料虛
假不詳實(shí)(x39)
楊莊礦突水事故(T)
洪水潰入(B1) 地表積水或松散層突水(B2) 6煤底板及太灰突水(B3) 5煤頂板水及老空水突水(B4)
周A 風(fēng)井井口
標(biāo)高低(x1)
周F 風(fēng)井井
口標(biāo)高低(x2)
構(gòu)造
導(dǎo)水破壞雷河/濉河
防水煤柱(越開(kāi)采上限/破壞
頂板防水煤柱(周B
( 雷河)(x9)
周C( 雷
河)(x10)
周D( 雷
河)(x11)
周F( 濉
河)(x12)
鉆孔
導(dǎo)水(周F ( 日偽
13)(x20)
周E( 日偽4 ，
A34)(x19)
周C(A74
孔)(x18)
周B(B14
孔)(x17)
周B(AF1
斷層)(x14)
周F(DF4
斷層)(x16)
周C(AF2
斷層)(x15)
周B( 越5
煤)(x27)
周C(越5
煤)(x28)
周E( 越5
煤)(x30)
周D(穿/ 越
5煤)(x29)
周F( 越5
煤)(x31)
越界開(kāi)
采周A( 陷落
柱)(x13)
探放水
不利(周F探放
不利(x34)
周E 探放
不利(x33)
周A探放
不利(x32)
非正常涌水量增加(A1) 超過(guò)排水能力(A2) 應(yīng)急反應(yīng)失效(A3)
隱瞞突水事
故(x44)
備用設(shè)備不能
使用(x43)
防治水措施
未落實(shí)(x46)
盲目指揮(x45)
楊莊水閘門
設(shè)計(jì)缺陷(x42)
楊莊礦避災(zāi)路
線被破壞(x47)
超設(shè)備
能力(B5)
超水倉(cāng)
容量(B6)
技術(shù)問(wèn)題(B7) 管理不善(B8)
周A(穿/ 越
6 煤)(x21)
周B(穿/ 越
6 煤)(x22)
周E(穿/
越6 煤)(x25)
周C( 穿/越
6 煤)(x23)
周F( 穿/ 越6
煤)(x26)
周D(越6
煤)(x24)
周A越上限
(－56 m)(x3)
周B越上限
(－58 m)(x4)
周C 越上限
(－48 m)(x5)
周D越上限
(－40 m)( x6)
周E 越上限
(－4 9m)(x7)
周F越上限
(－66 m)(x8)
超楊莊
排水能
力(x36)
超楊莊
水倉(cāng)容
量(x38)
超地方礦
排水能力
(x35)
超地方
礦水倉(cāng)
容量(x37)
圖4 楊莊礦突水事故樹(shù)模型
Fig.4 Model of fault tree of water inrush for Yangzhuang Mine
周 A(陷落
柱)(x13)
周F(DF4
斷層)(x16)
周C(AF2
斷層)(x15)
周B(AF1
斷層)(x14)
C1)
C2)
(C3)
C4)
C5)
(C6)
C7)
管理(周A(穿越
6 煤)(x21)
周B(穿越
6 煤)(x22)
周C(穿/越
6 煤)(x23)
周 F(穿/越
6 煤周 E(穿/越
6 煤)(x25)
(B4)
(－4.9 m)? 304 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2009 年
1 1 2 34
2 39 40 47
3 35
4 36
5 37
6 38
{ }
{ }
{ }
{ }
{ }
{ }
x x x
x x x
x
x
x
x
? ? ? ?
?
? ? ? ? ?
?
? ? ?
?
? ? ?
?
? ? ?
? ? ? ?
P
P
P
P
P
P
?
?
， ， ，
， ， ，
(4)
式(4)的結(jié)果表明：
(1) P3，P4，P5 與P6 代表了防治突水的最短路
徑，措施是使楊莊和地方煤礦的排水設(shè)備能力或水
倉(cāng)容積能夠承受這種突水事故壓力；顯然，楊莊礦
和地方煤礦顯然沒(méi)有辦法、也沒(méi)有理由擴(kuò)大排水能
力去承擔(dān)非法開(kāi)采可能引發(fā)的突水壓力。
(2) P2 由9 個(gè)基本事件組成，措施是同時(shí)避免
應(yīng)急預(yù)案中的技術(shù)與管理失誤；但是應(yīng)急預(yù)案與設(shè)
計(jì)和投產(chǎn)時(shí)預(yù)計(jì)礦井正常水量、最大涌水量及突水
特點(diǎn)相匹配，應(yīng)急預(yù)案措施足以保證最大限度的減
小在正常開(kāi)采條件下突水事故損失，卻不足以挽救
非法開(kāi)采招致的“嚴(yán)重”災(zāi)難。
(3) P1 由34 個(gè)基本事件組成，措施是同時(shí)避免
使非正常涌水量增加的34 個(gè)基本事件發(fā)生，難度
很大；但是在34 個(gè)基本事件當(dāng)中，擅自提高開(kāi)采上
限、5 煤與6 煤超層越界開(kāi)采、破壞河流與斷層隔
水煤柱等21 個(gè)基本事件都屬于法律、法規(guī)嚴(yán)格禁
止的違法開(kāi)采行為；如果能夠杜絕這些現(xiàn)象，P2 中
基本事件僅有13 個(gè)，防治難度降低，各地方煤礦也
不會(huì)再對(duì)楊莊礦構(gòu)成如此嚴(yán)重、復(fù)雜突水威脅。
4.6 結(jié)構(gòu)重要度比較與防治方案優(yōu)化
根據(jù)最小徑集計(jì)算突水事故樹(shù)中基本事件的結(jié)
構(gòu)重要度。在最小徑集P1 中，假定各基本事件的發(fā)
生概率相等，則P1 ? 1 2 34 {x， x， ?，x }中基本事件
x1，x2，…，x34 對(duì)楊莊礦突水事故的結(jié)構(gòu)重要程度
相同，即
(1) (2) (34) I I I ? ? ? ? ??? (5)
同理，有
(39) (40) (47)
(35) (36) (37) (38)
I I I
I I I I
? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ??
?
? ? ? ??
?
(6)
又由于最小徑集中P3～P6 的基本事件數(shù)量最
小，其基本事件的結(jié)構(gòu)重要度最大，P2 中基本事件
結(jié)構(gòu)重要度次之，P1 中基本事件結(jié)構(gòu)度最小，即
(1) (39) (35) I I I ? ? ? ＜ ＜ (7)
比較結(jié)果說(shuō)明，楊莊礦與地方煤礦排水能力的
基本事件結(jié)構(gòu)重要度最大。在正常開(kāi)采條件下，楊
莊與地方煤的排水系統(tǒng)是礦防治水系統(tǒng)的最重要環(huán)
節(jié)；但是，在地方煤礦可能違法開(kāi)采的條件下，突
水危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它們的排水能力和應(yīng)急反應(yīng)能力，
最優(yōu)的突水防治措施是通過(guò)監(jiān)管、教育、法律等手
段杜絕違規(guī)開(kāi)采。
5 結(jié)論
(1) 基于煤礦突水原理和事故致因理論建立煤
礦突水事故概念模型：突水水源與通道使工作面處
于“不安全狀態(tài)”，突水誘因等“不安全行為”誘
發(fā)非正常涌水量增加，排水與應(yīng)急措施失效最終釀
成突水事故。
(2) 基于煤礦突水事故模型建立煤礦突水事故
樹(shù)模型，可以直觀、清晰分析復(fù)雜煤礦突水事故的
直接、深層原因，通過(guò)最小徑集、最小割集等計(jì)算
評(píng)價(jià)煤礦突水路徑、突水部位、危害程度、防治關(guān)
鍵，完成煤礦突水危險(xiǎn)性專項(xiàng)評(píng)價(jià)。
(3) 6 個(gè)地方煤礦引起楊莊礦突水的危險(xiǎn)源有
47 種，與違法開(kāi)采相關(guān)的21 種；突水路徑306 種，
穿層、越界等違法開(kāi)采引發(fā)的潛在突水189 種；最
危險(xiǎn)的突水模式是由礦井口高程問(wèn)題和擅自提高開(kāi)
采上限引發(fā)的地表積水潰入，能夠造成生產(chǎn)水平甚
至整個(gè)楊莊礦井被淹，有72 種可能。
(4) 目前最緊迫的防治措施是處理井口高程低
于歷史最高洪水位問(wèn)題，嚴(yán)禁提高開(kāi)采上限，杜絕
穿層、越界開(kāi)采，降低楊莊礦和地方煤礦的防治水
難度，恢復(fù)到正常涌水的防治水平。
致謝 由衷感謝提供資料的楊莊礦及有關(guān)部門，誠(chéng)
摯感謝煤礦防治水專家張希久、韓東亞、段中穩(wěn)、
胡永達(dá)以及張浩海的技術(shù)支持與幫助！
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