基于事故树分析法的气膜式储煤棚消防安全风险分析

余瑾 邬元豪, 姚斌

(1.安徽领泰安全科技有限公司 合肥 230027；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 合肥 230027)

0 引言

随着我国经济的高速发展和现代化建设步伐的不断加快，各式各样的建筑拔地而起，其中气膜结构建筑凭借其独特而优越的性能受到广泛关注，如山西省某气膜式储煤棚如图1所示。气膜结构建筑是在作为围护结构的膜材及室内地面之间的整个空间内充气，使膜内相对室外存在正压差，通过空气正压把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统[1]。气膜式储煤棚则是气膜结构建筑应用到煤矿行业的一种专用建筑形式，它施工周期短、节能环保、可拆卸，具有传统钢结构封闭式储煤棚无法比拟的优势，但国内外对于气膜式储煤棚的消防安全研究较少，而气膜式储煤棚一旦发生火灾，蔓延速度很快，扑救难度很大。因此，亟需对气膜式储煤棚进行消防安全风险分析并提出相应对策。

图1 山西省某气膜式储煤棚

1 气膜式储煤棚

1.1 气膜式储煤棚简介

气膜式储煤棚是一种封闭式煤矿储运建筑，一般是由建筑主体、基础锚固系统、新风增压系统、环境监测系统、应急备用电源系统、控制系统等组成[2]。它的基本原理是在气膜式储煤棚内充气，使煤棚内外形成一定的压力差，将气膜按照原设计的形状支撑起来，如图2所示。气膜一般会按条形煤场布置，安装在挡煤墙上部，气膜经过充气后会矗立在地面上，无梁无柱，形成很大的密闭空间。

图2 气膜结构示意

1.2 气膜式储煤棚特点

气膜式储煤棚剖面如图3所示，具有以下特点：

图3 气膜式储煤棚剖面示意

(1)远程智能监控。气膜式封闭煤棚采用远程智能控制系统，可对棚内外温度、湿度、压力、风量、燃煤粉尘浓度、车辆进出等进行监控管理，确保气膜式储煤棚的安全。

(2)节能环保。气膜材料具有较高的透射率，可以减少煤棚内的照明能耗；气膜式储煤棚是全密闭结构，棚内有专业降尘设备，排风口有降尘净化装置，能有效满足储煤棚的绿色环保要求。

(3)保证生产安全。膜材表面光滑，煤尘无法沉积，降低煤尘爆炸危险性；气膜结构具有较大的竖向空间，有利于生产安全。

(4)施工周期短。气膜建筑与传统建筑相比，少了许多施工步骤，施工周期可缩短很多。

1.3 气膜式储煤棚火灾危险性

对于气膜式储煤棚来说，综合考虑其自然条件、生产过程、物料储运、设备运行等方面，认为主要有4个火灾危险因素：煤堆自燃、煤尘燃爆、瓦斯爆炸、设备起火。煤在一定条件下，与空气接触会发生氧化反应并释放热量，从而使煤堆温度升高，进而加快煤的氧化反应，最终发生自燃。而在煤的储运过程中，会不可避免地出现煤尘，由于煤尘本身具有燃爆性，当悬浮在空气中的煤尘积累过多而达到爆炸极限时，遇到能引燃煤尘的热源就会发生燃爆。长期堆积的煤堆由于自热，瓦斯含量相当高，即使还没发生自燃，也对外来火种相当敏感[3]，当瓦斯在空气中达到一定的浓度，遇到点火源极易发生爆炸。此外，煤棚内的电气设备发生故障、漏电、过载、接触不良及输煤皮带和煤粉之间摩擦发热等情况，也可能会导致火灾事故发生。

气膜式建筑既不同于常规建筑，也不同于一般的临时建筑，而是一种无墙、无梁、无柱的充气式建筑，国家对于此类建筑的防火设计尚未制定相关规范标准[4]。由于气膜式储煤棚具有特殊的空间结构和使用功能，煤棚内难以采用防火墙、防火门等常规分隔设施划分防火分区，导致煤棚内防火分区面积过大。当煤棚内发生火灾时，一旦火源没有被快速识别和有效扑灭，火焰将会蔓延到整个煤棚内，造成严重后果。

气膜式储煤棚的膜材一般是由高强度的织物基材和聚合物涂层构成的复合材料[5]，本身属于难燃材料，只有遇到明火时，膜材受火焰热作用影响，逐渐热解，产生有毒气体，当温度升高到临界温度时，气膜会出现破洞，并有可能伴随高温熔滴滴落。因此，当煤堆发生意外燃烧时，一旦气膜与煤堆的间距过小，煤堆燃烧的火焰会接触到气膜，导致气膜发生燃烧破洞。由于气膜式储煤棚内没有支撑结构，当气膜燃烧破洞后，气膜内压力降低，可能导致气膜发生坍塌，从而影响人员的疏散和消防队员的扑救。

2 事故树分析法

事故树分析法是安全系统工程风险评估中的一种重要的评估分析方法，广泛应用于各种系统的危险性辨识和评价过程。事故树分析的主要过程如下：首先确定顶上事件，然后分析出所有可能引起顶上事件发生的中间事件，最后再找出导致这些中间事件发生的基本事件，根据这些事件的因果逻辑关系绘制出事故树。通过事故树分析，可以准确地找出导致事故发生的直接原因和根本原因，并结合气膜式储煤棚的具体情况，采取相应的措施来降低最基本事件发生的概率，比如定期对电气设备和线路进行检修维护，降低火灾事故发生的可能性。同时，也可以制定科学合理的事故应急预案，以降低事故发生后造成的各项损失。

2.1 事故树分析法的应用步骤

(1)确定顶上事件。将气膜式储煤棚火灾作为事故树的顶上事件。

(2)分析顶上事件发生原因。从气膜式储煤棚着火和扑救失败两方面来寻找顶上事件发生的原因，并对这些原因进一步分析，一层一层地找出导致顶上事件发生的最基本事件。

(3)绘制事故树。根据逻辑关系，用逻辑门和事件符号将顶上事件、中间事件和基本事件由上到下依次连接起来，层层向下，一直到最基本事件。

(4)定性分析。利用最小割集对气膜式储煤棚火灾的直接和间接原因进行分析，并根据最小径集确定出防止气膜式储煤棚火灾发生的优选方案。

(5)定量分析。利用结构重要度计算公式，计算出各基本事件在事故树中的重要度，并根据重要度排序，找出对顶上事件发生影响最大的基本事件。

(6)制定事故预防措施。基于定性、定量分析的结果，按照轻重缓急的原则，有针对性地制定事故预防措施。

2.2 建立事故树

根据气膜式储煤棚发生火灾的特点，利用事故树分析法，将“气膜式储煤棚火灾”作为顶上事件，建立气膜式储煤棚火灾事故树如图4所示，事故树中各符号的意义如表1所示。

图4 气膜式储煤棚火灾事故树

表1 事故树中符号的意义

(1)利用布尔代数法求最小割集

TG=A1·A2=(B1+B2+B3+B4)(B5+B6)=(X1X2+X3X4+X5X6+X7+X8+X9+X10)(X11X12+X13+X14+X15)=X1X2X11X12+X1X2X13+X1X2X14+X1X2X15+X3X4X11X12+X3X4X13+X3X4X14+X3X4X15+X5X6X11X12+X5X6X13+X5X6X14+X5X6X15+X7X11X12+X7X13+X7X14+X7X15+X8X11X12+X8X13+X8X14+X8X15+X9X11X12+X9X13+X9X14+X9X15+X10X11X12+X10X13+X10X14+X10X15

(1)

计算得到28个最小割集，如表2所示。

表2 最小割集

(2)利用布尔代数法求最小径集

TJ=A1+A2=B1B2B3B4+B5B6=(X1+X2)(X3+X4)(X5+X6)(X7X8X9X10)+(X11+X12)(X13X14X15)=X1X3X5X7X8X9X10+X1X4X5X7X8X9X10+X2X3X5X7X8X9X10+X2X4X5X7X8X9X10+X1X3X6X7X8X9X10+X1X4X6X7X8X9X10+X2X3X6X7X8X9X10+X2X4X6X7X8X9X10+X11X13X14X15+X12X13X14X15

(2)

计算得到10个最小径集，如表3所示。

表3 最小径集

(3)结构重要度分析

基本事件的结构重要度系数采用估算法进行：

(3)

可得

I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=1/24-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1=7/8

I(7)=I(8)=I(9)=I(10)=1/23-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1=7/4

I(11)=I(12)=1/24-1+1/24-1+1/24-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1+1/23-1=11/8

I(13)=I(14)=I(15)=1/23-1+1/23-1+1/23-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1+1/22-1=11/4

因此得到结构重要度顺序为：I(13)=I(14)=I(15)>I(11)=I(12)>I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=I(10)

2.3 事故树分析

(1)最小割集分析

最小割集是引起顶上事件发生所必需的、具有最低限度的基本事件集合，当一个最小割集中所有事件在同一时间和同一地点发生时，顶上事件就会发生。如在最小割集K26中，当输煤皮带摩擦生热着火和自动灭火设备失效同时发生时，就会引起气膜式储煤棚发生火灾。因此，集合中的事件数量越少，顶上事件越容易发生；集合中的事件数量越多，顶上事件越难发生[6]。而事故树中最小割集的数量，也决定了顶上事件发生的可能性，最小割集的数量越多，顶上事件发生的可能性越高。根据计算，此事故树一共有28组最小割集，说明顶上事件发生的可能性很大，有28种原因会引起气膜式储煤棚发生火灾。为了预防气膜式储煤棚火灾发生，可以对这些最小割集中的基本事件进行分析，找出气膜式储煤棚发生火灾的直接和间接原因，并根据最小割集中所有事件都发生才能引起顶上事件发生的特点，来制定火灾防护对策。例如在最小割集K1中，一共有4个基本事件(X1、X2、X11、X12)，分别代表：煤块堆放过多、通风受限、工作人员疏忽和火灾探测报警系统失效，只要控制其中任意一个事件不发生，顶上事件就不会发生。

(2)最小径集分析

最小径集是使顶上事件不发生所必需的、具有最低限度的基本事件集合，当最小径集中的所有事件都不发生时，顶上事件就不会发生[7]。它也表示系统的安全性，最小径集的数量越多，系统越安全。在事故预防时，可以通过控制最小径集的发生来防止顶上事件的发生。根据计算，此事故树一共有10组最小径集，表示防止气膜式储煤棚发生火灾的方案共有10种，对这些方案进行分析，并选取最容易实现的方案。例如在最小径集P10中，若X12、X13、X14、X15不发生，则顶上事件不会发生，即如果能够控制“火灾探测报警系统失效”“自动灭火设备失效”“企业专职消防队伍装备配置不足” “气膜发生坍塌”都不发生，就可以避免气膜式储煤棚火灾发生。

(3)基本事件结构重要度分析

结构重要度是基于事故树的结构，在不考虑各基本事件发生概率的情况下，分析和判断每个基本事件的发生对顶上事件的影响程度[8]。由于此事故树逻辑结构复杂，基本事件数量众多，计算出的部分基本事件结构重要度存在一定差异，在制定火灾防护对策时，应优先考虑结构重要度系数大的事件，遵循轻重缓急、经济有效的原则，实现系统安全的目标[9]。在该事故树中可以看出，结构重要度最大的是X13、X14和X15，对应的基本事件为自动灭火设备失效、企业专职消防队伍装备配置不足和气膜发生坍塌。根据以上分析结果，有针对性地展开火灾防控工作，可有效预防气膜式储煤棚火灾发生。

3 结语

基于事故树分析法，通过最小割集分析、最小径集分析和基本事件结构重要度分析，对气膜式储煤棚的消防安全风险进行分析，计算得出了事故树的最小割集、最小径集和基本事件的结构重要度排序，确定了 “自动灭火设备失效”“企业专职消防队伍装备配置不足”“气膜发生坍塌”等基本事件是引发顶上事件发生的主要原因事件。根据分析结果以及气膜建筑抵御火灾能力薄弱的特点，从人、机的角度提出以下建议，使气膜式储煤棚沿着科学、安全的方向发展，为煤矿企业进行火灾防控提供有效参考。

(1)完善企业安全管理制度，加强员工安全教育，定期对消防设备设施进行维保检测，确保自动喷水灭火系统的可靠性。

(2)定期开展企业专职消防队伍业务技能培训，密切结合气膜式储煤棚的实际，制定灭火与救灾预案,并按照标准配齐灭火装备器材。

(3)设置防火隔离带，在空间上形成非物理隔断的防火分区以控制火灾蔓延，合理控制煤堆间的防火间距和煤堆与气膜的间距。

(4)选用优良性能的膜材，科学合理确定气肋直径、跨度、高度和膜内气压。在储煤棚膜结构内部设置压强报警装置，当膜内外压差≤1/2 安全生产状态内外压差时，装置启动报警。

(5)设置大空间火灾自动报警系统和电控消防炮系统，通过消防控制室进行远程控制，或通过现场控制盘进行现场控制。

(6)设置瓦斯、煤尘自动检测报警装置和排放设备，有效控制储煤棚内瓦斯、煤尘含量，并加强对电气设备的安装使用管理，消除一切电气火灾隐患。

气膜式储煤棚的消防安全性与气膜的设置高度以及气膜膜材的选型等有很大关系，可进一步针对不同膜材的气膜，研究火焰和高温烟气对其设置在不同高度时的热作用，确定气膜受热发生燃烧时的破洞温度和燃烧特性，再根据实验得到的结果，科学合理地采取改进措施，提高气膜式储煤棚的消防安全性。