CC BY
68
_Промышленная безопасность_
Smirnova Elena Vladimirovna, postgraduate, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.8:005.334-047.43:622.228(470.312)
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ РИСКА АВАРИЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Г.В. Стась, Е.В. Смирнова, И. А. Перелыгин, Я. А. Перелыгина
Отмечено, что проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности и что особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. Подмосковный бассейн является, несомненно, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ. Предложена методика оценки риска аварий по газовому фактору на основе теории надежности технических систем.
Ключевые слова: авария, техническая система, надежность, вероятность, шахта, газовый фактор, безопасность, риск.
Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. И Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ [1 - 6]. Комплексное изучение проблемы аварийной опасности угольных шахт было организовано по инициативе акад. А. А. Скочинского, В.Б. Комарова, А.И. Ксенофонтовой и в значительной мере разработано в научном плане в Московском государственном горном университете К.З. Ушаковым, Б.Ф. Кириным, Н.В. Ножкиным и др. Закономерности безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) на шахтные вентиляционные сети (ШВС) для разработки эффективных средств по снижению энергоемкости и повышению надежности проветривания шахт изучались и продолжают изучаться научными школами К.З. Ушакова, А.С. Бурчакова, И.И. Медведева, О.Н. Русака, А.Ф. Милетича, В. А. Пилюка, В.П. Логвинова, О.Г. Свешникова, Ф.А. Абрамова и др. Их исследования показывают,
что устранение внешних утечек воздуха на шахтах и повышение эффективности функционирования системы «ВГП-ШВС» является актуальной задачей в обеспечении безопасного ведения работ на горных предприятиях. Однако эти вопросы не могут быть решены без знания законов и условий, определяющих изменения основных параметров вентиляционной сети во времени [7 - 12].
Президент Академии горных наук Ю.Н. Малышев, анализируя перспективы развития угольной промышленности, отмечал, оценивая роль угля в энергообеспечении России, что доля угля в общем энергопотреблении за 2000 - 2010 гг. увеличилась на 0,1 %, или с 29 до 9,1 %, при абсолютном росте его добычи за этот период с 3753 млн до 4 803 млн т. у.т., т.е. на 14,2 %, а снижение доли нефти с 38,6 до 37,2 % и увеличение доли газа с 22,1 до 23,5 %. В 2010 г. доля атомной энергии оценена в 6,9 %, а гидроэнергии - в 2,9 % и прочих видов энергии - в 1,2 %. Поэтому возрождение Подмосковного бассейна является очевидным, а соответственно необходимо и решать проблемы повышения уровня безопасности горных работ. Прослеживая динамику аварийности на шахтах России за последние десятилетия можно сделать вывод о том, что абсолютное число аварий имеет устойчивую тенденцию к снижению, а число аварий, отнесенных на 1 млн т угля, добытого подземным способом, напротив растет.
Многолетняя статистика аварийности на угольных шахтах свидетельствует, что основной удельный вес в общем балансе составляют подземные аварии. Основными видами крупных аварий в шахтах являются эндогенные и экзогенные пожары, взрывы метана и угольной пыли, внезапные выбросы угля и газа, породы и газа, обрушение пород кровли, прорывы подземных вод и пульпы. Так же, как на предприятиях угольной промышленности России в целом, наиболее часто встречающимися видами подземных аварий в шахтах Подмосковного бассейна являются эндогенные и экзогенные пожары. Несмотря на то, что метан встречается редко и в малых количествах, аварии, связанные с нарушением состава рудничного воздуха, периодически возникают. В последние годы отмечен рост числа аварий, связанных с прорывами воды в горные выработки.
О работе шахт Подмосковного угольного бассейна можно судить по основным технико-экономическим показателям, анализ динамики которых за период с 1988 по 1996 гг. позволил заключить, что имеет место тенденция их устойчивого снижения (за исключением себестоимости угля). Однако следует отметить различные темпы этого процесса [13-15].
Так, за 9 лет проведение вскрывающих и подготовительных выработок сократилось в 12,6 раза, годовая и среднесуточная добыча угля уменьшились более чем в 6 раз. При этом среднесуточная нагрузка на один очистной забой сократилась лишь в 1,7 раза и в период 1993-1996 г. оставалась практически постоянной. Среднесписочная численность рабочих по
_Промышленная безопасность_
добыче угля и производительность их труда сократились в среднем в 2,5-3 раза. Себестоимость 1 т угля, добываемого подземным способом, за рассматриваемый период возросла в 14800 раз, что связано, в основном, с инфляционными процессами.
Подобное технико-экономическое состояние шахт Подмосковного бассейна можно объяснить общим кризисом [16], переживаемым угольной отраслью, сложностью работы в рыночных условиях, отсутствием необходимого финансирования, трудностями со сбытом угля, множеством социальных проблем. При изучении фактической аварийности шахт Подмосковного бассейна производился ретроспективный анализ данных посредством выделения тренда, позволяющего выявить детерминированную составляющую временного ряда [17 - 20]. Адекватность тренда исходным данным оценивалась по величине коэффициента корреляции. Установлено, что наиболее значимыми внешними факторами, влияющими на количество аварий, являются технико-экономические показатели, характеризующие работу угледобывающего производственного объединения. Оценка влияния внешних факторов на количество аварий осуществлена методом корреляционного анализа.
В процессе исследований было доказано, что в соответствии с предлагаемой методикой количественную оценку аварийной опасности шахт и производственных объединений в целом целесообразно производить по величине вероятности возникновения аварий, позволяющей оценить период безаварийной работы рассматриваемого объекта. Отличительной особенностью настоящей методики является ее динамичность, что предполагает ежегодное пополнение базы данных по аварийности количественными показателя за истекший год и перерасчет коэффициентов соответствующих математических моделей.
При определении эффективности защитных мероприятий от конкретного вида аварий в технологическом процессе добычи угля (ТПДУ) подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций, разработке планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности ТПДУ характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность человеческих и материальных потерь в случае аварии. Основным показателем аварийности рассматриваемого технологического процесса является функция распределения количества аварий. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что функционирование ТПДУ без аварий меньше некоторого заданного времени t, (времени безаварийной работы), т.е. P{T <
Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на
одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени. Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными.
При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствии последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, базовой закономерностью будет являться закон распределения вероятности безаварийной работы по г-му виду аварий
Р (X) = ехР
I
( X ) ЖХ
(1)
где Рг - вероятность безаварийной работы по г-му виду аварий; 1 - интенсивность аварий г-го вида (всем видам аварий присваивается свой номер). Тогда длительность безаварийной работы по г-му виду аварий
I
= |< ехр 1 (X)Жх
Жх.
(2)
Обобщение длительных наблюдений кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды Тульского госуниверситета позволили представить теоретические положения комплексной оценки уровня безопасности подземной угледобычи следующим образом. Вероятность безаварийной работы по г-му виду аварий в общем виде подчиняется закону Пуассона (1).
Длительность безаварийной работы по г-му виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана по этому виду аварий (2). При этом концептуальная структура интегрального риска может быть представлена следующей формулой:
Я = Стоимость потерь х Р {Стоимость потерь/Авария] х [1 - Р (X)] =
Ущерб • [1 - Р (t)],
(3)
а по г-му виду аварий определяется аналогичной закономерностью, т.е. риск аварии г-го вида можно оценить следующим образом:
Я = СП • Р {СПг / 4 ] х Р (X) = У. • [1 - р (t)]
(4)
где Я - интегральный риск возникновения аварии г-го вида; СП1 - стоимость потерь при возникновении аварии Аг ; Уг - ущерб от аварии г-го вида.
А периодичность профилактических мероприятий по г-му виду аварий описывается закономерностью (2).
0
о
о
Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени.
Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствии последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, задача управления безопасным функционированием шахты сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия:
R ® min ^ 1*(tmin или р(tmax,
где 1г*- оценка среднестатистической интенсивности аварии z-го вида.
Так как имеет место многофакторная связь аварийности с горногеологическими (/гг), физико-химическими fфх), технико-экономическими (/тэ) и социальными (/) факторами, то в самом общем виде 1 (t) = F (/гг, /фх, /тэ, fc). Однако для решения практических задач прогноза аварийности в реальных условиях работы, например, для АО «Мосбассуголь» наиболее значимой и доступной для количественной оценки является группа ТЭП. Поэтому математическая модель функционирования шахты Подмосковного бассейна позволяет получить связь интенсивности возникновения аварий с основными технико-экономическими показателями работы шахты.
Анализ развития аварий показывает, что устранить причины возникновения аварий значительно легче, чем прекратить их развитие. Использование систем искусственного интеллекта, экспертных систем представления знаний позволяет минимизировать риск функционирования технологического объекта. Задачами таких систем являются содержание и накопление базы данных о показателях аварийности, проведение качественного и количественного анализа информации о функционировании технологического объекта, идентификация и прогнозирование состояний, расчет соответствующих режимов работы.
Следовательно, предложен подход к прогнозу аварийной опасности угольных шахт, программная реализация которого может служить составным элементом описанных выше систем. Главная цель такого подхода, заложенная в математическом обеспечении прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах, т.е. сделать возможным вычислительный эксперимент, моделирующий функционирование технологического объекта угледобычи по фактору безопасности. Результаты вычислительного эксперимента, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации шахты, позволят получить необходимый объем информации для принятия управленческих решений и своевременного ввода в действие системы защитных
75
мероприятий. Структурная схема программной реализации методики для прогнозной оценки вероятности возникновения аварий в шахтах Подмосковного бассейна представлена на рисунке.
Высокая цена отказов, особенно катастрофических, в системе обеспечения жизнедеятельности шахты выдвигает на первый план задачу их предупреждения, что возможно благодаря разработке эффективных профилактических мероприятий и своевременному вводу их в действие. Всякий раз, когда принимается решение относительно будущих действий, во внимание принимаются, прежде всего, прогнозные оценки. Знание прогнозной оценки периода безаварийной работы шахты, являющейся результатом реализации предлагаемой методики на конкретном технологическом объекте, позволяет установить периодичность профилактики по конкретному виду аварий, а также общей аварийности.
База данных и знаний
Автоматизированный технологический комплекс
Факторы возникновения
аварийных
ситуаций
Количественные параметры и характеристики влияющих факторов
Экспертные системы поддержки принятия решений
Н
Причинно следственные связи и условия возникновения аварийных ситуаций
Уровни допустимых рисков (технического, экономического, экологического, социального и др.)
Параметры и характеристики техн оло гичес кого процесса
Структурное описание и модуль системы
Субъект (лица, принимающие решения)
Нормативно-
справочная
информация
Система управления технологическими процессами и объектами
Технологические процессы и объекты
Системы автоматического контроля, диагностики и защиты
I
Оценка степени риска и принятие решений для профилактики аварийных воздействий
Схема принятия решений по снижению риска аварийных ситуаций на предприятиях горнодобывающей промышленности по газовому фактору
76
Динамичность методики обеспечивает корректировку показателя периода безаварийной работы объекта, что дает возможность лицу, принимающему решение, своевременно реагировать на изменение фактического состояния аварийности и принимать эффективные управленческие решения. Принятия решений во многих приложениях при исследовании сложных систем в кризисных ситуациях, в период поиска компромиссных решений, при планировании и профилактике аварийных воздействий.
На основании прогнозных оценок интенсивности аварий вычислены вероятность возникновения аварий различного вида по формуле (1), а также время безаварийной работы шахты по конкретному виду аварий по формуле
Анализ результатов расчетов по этим формулам показывает, что для отдельных видов аварий получены весьма продолжительные периоды безаварийной работы шахт.
Данный результат свидетельствует о том, что на момент ликвидации шахт Подмосковья комплекс профилактических мероприятий позволял эксплуатировать технологические объекты угледобычи на высоком уровне надежности по газовому фактору.
Динамичный характер методики требует ежегодного пополнения существующей базы данных и перерасчета показателей, характеризующих уровень аварийной опасности шахт. В случае, если аварии данного вида будут зафиксированы в рассматриваемом году, неизбежна корректировка прогнозного значения интенсивности аварий в сторону увеличения, а, следовательно, уменьшение продолжительности периода безаварийного функционирования. Разумеется, что количество аварий будет зависеть от технологических параметров, которые можно рассматривать как совокупность внешних факторов [20-24]. В качестве внешних факторов, влияющих на количество аварий в шахтах Подмосковного бассейна, были приняты суточная и годовая производственные мощности акционерной компании, среднегодовая производительность труда, себестоимость и показатели производительности проходки по бассейну в целом. Влияние перечисленных технико-экономических показателей оценивалось по величинам коэффициентов парной корреляции. Данные корреляционного анализа свидетельствуют о том, что практически все из перечисленных факторов влияют как на количество аварий каждого вида, так и на общую аварийность в целом. При этом наблюдается жесткая положительная связь количества аварий с количеством шахт, поэтому оценку уровня эффективности системы защиты от конкретного вида аварий следует осуществлять в расчете на среднестатистическую шахту конкретного угольного бассейна.
365
или 1;
сут.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
Список литературы
1 Соколов Э.М., Качурин Н.М., Кузнецов А.А. Аэрогазодинамические процессы в протяженных подготовительных выработках углекисло-тообильных шахт // Известия вузов. Горный журнал. 1982. № 8. С. 52-56.
2 Соколов Э.М., Качурин Н.М. Всасывающий и всасывающе-нагнетательный способы проветривания // Безопасность труда в промышленности. 1979. № 1. С. 53-56.
3. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Цатурян С.И. Влияние аэродинамической связи горных выработок с поверхностью на состав рудничного воздуха // Известия вузов. Горный журнал. 1979. № 7. С. 48-52.
4. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Агеев И.И. Методические аспекты прогноза выделений углекислого газа в угольных шахтах // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 14- 20.
5. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рыжикова Н.Г. Газообмен между угольным пластом и рудничным воздухом на углекислотообильных шахтах // Известия вузов. Горный журнал. 1991. № 1. С. 41-43.
6. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления / Н.М. Качурин и [др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 135 - 142.
7. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Шилов Н.Г. Возможности применения, всасывающего и комбинированного способов проветривания на шахтах Подмосковного бассейна // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1980. № 6. С. 31-32.
8. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления / Н.М. Качурин и [др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 165-172.
9. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов и прогноз динамики газовыделения из выработанного пространства / Н.М. Качурин и [др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 152-158.
10. Качурин Н.М., Гусев Н.Д. Газовыделение из угольного пласта в подготовительные выработки при разработке глубоких горизонтов // Известия вузов. Горный журнал. 1984. № 8. С. 48-52.
11. Качурин Н.М. Выделение метана из подработанных и надрабо-танных пород в выработанное пространство очистного участка // Известия вузов. Горный журнал. 1987. № 2. С. 54 - 59.
12. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Вакунин Е.И. Газовыделение с поверхности обнажения метаноуглекислотоносных угольных пластов // Известия вузов. Горный журнал. 1994. № 2. С. 41-46.
13. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Шилов Н.Г. Газовыделение из выработанных пространств при всасывающем способе проветривания // Известия вузов. Горный журнал. 1977. № 8. С. 49 - 54.
14. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Тищенко Н.С. Газовыделение в тупиковую выработку, изолированную от выработанного пространства перемычкой // Известия вузов. Горный журнал. 1983. № 5. С. 52-56.
15. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Вакунин Е.И. Газовыделение с поверхности обнажения метаноуглекислотоносных угольных пластов // Известия вузов. Горный журнал. 1994. № 2. С. 53 -58.
16. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Борщевич А.М. Обеспечение безопасности технологии «шахта - лава» по газовому фактору при отработке газоносных угольных пластов // Рудник будущего. Специальный выпуск. 2010. № 3. С. 81-87.
17. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А. А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта и нагрузка на лаву при интенсивной выемке угля // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 19-24.
18. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 2427.
19. Качурин Н.М., Бухтияров А.А., Сарычева И.В. Оптимизация скорости транспортирования угля на очистном участке по газовому фактору // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 97-103.
20. Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метано-выделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С.71 - 74.
21. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Качурина О.Н. Системный подход к снижению риска и локализации последствий взрывов метана в угольных шахтах // Известия вузов. Горный журнал. 2010. № 4. С. 19-24.
22. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып.1. 2011. С. 80-84.
23. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подви-гания подготовительного забоя // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 8 - 11.
24. Качурин Н.М., Постникова М.Ю., Власов Д.В. Аэрогазодинамические процессы в вентиляционных сетях рудников, обусловленные диффузией газовых примесей // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 2. С. 72-82.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Смирнова Елена Владимировна, асп., galina stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Перелыгин Игорь Александрович, ген. директор, pia@azot.net, Россия, Тула, ООО "ХимЭКС",
Перелыгина Яна Александровна, эксперт, ptbtula@yandex.ru, Россия, Тула, ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность»
SYSTEMS APPROACH FOR EVALUATION RISK OF ACCIDENTS BY REHABILITATING MOSCOW COAL BASIN
G.V. Stas, E.V. Smirnova, I.A. Pereligin, Y.A. Pereligina
It is noted, that the problem of credible forecasting probability for arising accidents in the mines doesn't lose topicality during all period of mining industry existence and that problem has been very topicality during economical instability of transient period. The Moscow coal basin is, certainly, the best model of the object where restructing and diversification realizing at the background of decreasing safety level of underground activity. The method of evaluation risk for accidents at the mining enterprises by gas factor with using reliability theory of technical systems has been proposed.
Key words: accident, technical systems, reliability, probability, mine, gas factor, safety, risk.
Stas Galina Victorovna, candidate of technical sciences, docent, galina_stas@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Smirnova Elena Vladimirovna, postgraduate, galina stas@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pereligin Igor Alexandrovich, general director, pia@azot.net, Russia, Tula, PLC "HimEKS",
Pereligina Yana Alexandrovna, expert, ptbtula@yandex.ru, Russia, Tula, PLC "IKC "Promtehbezopasyjst"
