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基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究

文档作者：王长申1，2，孙亚军1，2，杭远1，2 文档来源： 1. 中国矿业大学资源与地球科学学院 2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2023年01月29日
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第28 卷第 2 期 岩石力学与工程学报 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
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400)；煤炭资源与环境科学技术创新引智基地资助项目(B07028)，江苏省博士后科研支
助计划项目(0801029B)
作者简介：王长申(1970–)，男，博士，1994 年毕业于焦作矿业学院水文地质与工程地质专业，主要从事矿井水文地质、环境科学等方面的研究工
作。E-mail：cougar3wcs@163.com
基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究
王长申1，2，孙亚军1，2，杭远1，2
(1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)
摘要：基于事故致因理论建立煤矿突水事故模型。煤矿突水事故危险源被分为突水水源、突水通道、突水诱因和
应急失效4 类；建立煤矿突水事故树模型，并提出基于事故树方法的煤矿突水危险性专项评价方法。以杨庄矿及
其周边6 个地方煤矿为例，识别周边地方煤矿可能诱发杨庄矿发生地表洪水、太原组灰岩水等突水的4 类突水事
故危险源，并以此建立杨庄矿突水事故树模型，求最小割集评价最危险突水路径，利用最小径集优化最有效防治
措施。研究结果表明，有306 种可使杨庄煤矿发生煤矿突水的基本事件组合，防止杨庄矿突水事故发生的有效途
径是加强监管，杜绝地方煤矿穿层、越界等违规操作。事故树方法可以完成复杂煤矿突水危险性专项安全评价。
关键词：采矿工程；矿井突水；事故致因理论；事故树分析；最小割集；危险性评价
中图分类号：TD 163 文献标识码：A 文章编号：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 期王长申，等. 基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究 • 299 •
1 引言
我国矿井多数都属于矿井水文地质条件复杂类
型[1，2]。自20 世纪70 年代以来，共有250 多个矿
井被淹，1 700 多人死亡，经济损失高达350 多亿元
人民币[3]。近几年，随着越来越多的矿井进入深部
开采阶段，矿井水文地质条件更加复杂，同时为了
提高煤炭开采率、降低煤炭开采成本、减少水资源
浪费，煤矿突水事故又呈现频率上升、危害增大的
趋势。据不完全统计，自2000 年以来的几年里共发
生重特大突水事故473 起，死亡及失踪人数达到
2 635 人[3]。
“危险性评价”，也称作“安全评价”，是利用
系统工程方法对拟建或已有工程、系统可能存在的
危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，
并提出相应安全对策措施，以期达到工程和系统的
安全运行[4]。在20 世纪60 年代，欧美等发达国家
形成了以安全评价为目的、以系统工程为工具的安
全系统工程理论；其危险识别、风险评价与控制是
安全系统工程的主要内容。20 世纪80 年代初期，
安全系统工程方法首先引入我国机械、冶金、航天
等部门[4～9]。其中，较早地将更多安全系统工程方
法介绍并应用于煤矿安全评价的是沈斐敏[5]。他系
统介绍了事故树分析(fault tree analysis，FTA)、管
理失误和风险树分析(MORT)、安全检查表(SCL)等
评价方法及其在矿井火灾事故、瓦斯事故、冒顶事
故、水灾事故及综合安全评价中的运用。2003 年，
我国颁布了《煤矿安全评价导则》[4]，煤矿水害是
煤矿安全评价中的一项重要内容。目前，煤矿安
全评价主要是通过矿井生产系统调查、专家打分/
评分和安全检查表法等对矿井安全进行安全综合
评价[4～7，10]。
常用全检查表法的实质是依据《煤矿安全规
程》、《矿井水文地质规程》等标准与规范法对矿井
防治水技术与管理系统的质量进行评价，目的是评
价煤矿是否具备安全生产所必需的生产条件。我国
还没有成熟的煤矿突水事故模型和有效评价复杂或
特殊条件下的煤矿突水危险性的专项安全评价方
法。
事故树分析(FTA)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
辑分析法[4～6]，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原
因，也是我国普遍使用的安全评价方法[5，6]。纪常
伟等[11]基于事故树和神经网络建立航天器的智能
诊断模型；丁彩红等[12]利用事故树最小割集和基本
事件的结构重要度排序进行航天器故障定位；袁昌
明[13]讨论了事故树中最小割集、最小径集的计算算
法。
基于煤矿突水原理与事故致因理论建立突水事
故模型，本文提出基于事故树方法的煤矿突水事故
树模型；以杨庄矿及其6 个周边地方煤矿为工程背
景，确定突水事故危险源，基于事故树法评价了由
于周边6 个周边地方煤矿开采引起的杨庄矿潜在突
水危险。
2 煤矿突水事故模型
依据煤矿突水原理和能量意外释放与人为失误
理论，煤矿突水事故的发生是由于不合理生产过程
使地表或地下水系统能量向井巷工程的意外释放造
成的。不合理采矿活动是能量意外释放的诱因，不
合理排水与安全救助措施加重了突水事故的灾害
性，煤矿突水事故概念模型如图1 所示。
图1 煤矿突水事故概念模型
Fig.1 Conceptual model of mine water-inrush
在图 1 中，煤矿突水事故危险源可分为4 类：
第一类是突水水源，其能量以势能为主，地下水、
地表水或老窑水水位、水压、水量表明危险物能量
大小。第二类是突水通道，断层、陷落柱等天然突
水通道及顶底板采动裂隙、人为钻孔等人为突水通
道是能量释放途径；二者构成矿井水能量意外释放
的物质条件，使矿井处于“不安全状态”。第三类
突水诱因，即生产过程中技术、管理和操作漏洞、
不安全行为
非正常涌水量增加
煤矿突水事故
突水水源 突水通道 突水诱因
不安全状态
能量意外释放
排水与应急措施失效• 300 • 岩石力学与工程学报 2009 年
失误等“不安全行为”，它们是导致突水水源能量
增高、天然突水通道活化、人为突水通道形成、非
正常涌水量增加的人为“突水诱发因素”。第四类
是排水与应急措施失效，它们将非正常涌水恶化成
了造成生命和财产损失的突水事故。
煤矿突水类型多种多样[2]，上述4 类危险源又
包括若干直接或间接因素，矿井突水是煤矿安全事
故中最难预测与防治、危害最大的事故。
3 煤矿突水事故树模型
3.1 突水事故树模型
目前，在煤矿防治水领域，所能预测的主要是
煤矿正常涌水量和最大涌水量[2]，而煤矿突水机制
与预测技术仍不成熟。虽然煤矿突水是煤矿安全中
的重要安全事故，但是煤矿安全评价主要是对煤矿
安全系统的综合评价，也不能完成煤矿突水危险性
的专项评价。
在前面煤矿突水事故模型和突水危险源分类基
础上，以煤矿突水为顶上事件(T)，建立了两级煤矿
突水事故树基本模型，如图2 所示。
图2 煤矿突水事故树模型
Fig.2 Fault tree model of water inrush for coal mining
在图 2 中，煤矿突水(顶上事件T)是由于非正
常涌水量增加(A1)、超过排水能力(A2)以及应急失效
(A3)造成的，三者是造成煤矿突水事故的必要条
件，与顶上事件(T)为逻辑与门关系，构成煤矿突水
事故树的第一层次。
在煤矿突水事故树的第二层次中，矿井充水水
源积聚(B1)、充水通道活化(B2)和充水诱因(B3)是矿
井非正常涌水量增加(A1)的必要条件，它们与A1 为
逻辑与门关系；非正常涌水超过煤矿防治水系统泵
水能力(B4)和水仓能力(B5)是造成矿井排水能力不
足(A2)的必要条件，与A2 为逻辑与门关系；防治水
技术(B6)和管理(B7)缺陷与失误是造成煤矿突水事
故应急失效(A3)的充分条件，其与A3 为逻辑或门关
系。
该基本模型是单成因(类型)的煤矿突水事故树
模型，根据突水水源的不同，可分析地表水充水、
孔隙水充水、裂隙水充水、老窑水充水和岩溶水充
水引起的煤矿突水事故；根据突水通道不同，可分
析断层突水、陷落柱突水等煤矿突水事故。同时，
可通过对事故树中各中间和基本事件的进一步分解
实现复杂矿井、复杂成因的煤矿突水事故评价。
3.2 突水事故树模型定性分析方法
煤矿突水事故树直观、清晰地反映了突水事故
发生的因果关系，定性分析包括最小割集、最小径
集和结构重要度分析。
最小割集是导致顶上事件发生的最起码/基本
事件组合，是系统发生故障的充要条件[4～6]。最常
用的求最小割集方法是布尔代数化简法和行列式
法。分析煤矿突水事故树最小割集的目的在于：(1)
最小割集数量越多，煤矿突水可能性越大，系统越
危险；(2) 最小割集是煤矿发生突水的基本事件组
合，通过分析最小割集分析，评价煤矿突水途径；
(3) 通过分析最危险突水途径提出预防措施。
最小径集是使事故不发生的最低限度的基本事
件的集合[4～6]。求最小径集的方法是首先将事故树
中每一个基本事件变成它们的“对偶事件”，将“与
门”变为“或门”，“或门”变为“与门”，则事故树
变成了“成功树”，然后求“成功树”的最小割集，
即为事故树的最小径集。分析突水事故树最小径集
的目的在于：(1) 通过最小径集数量评价系统的安
全性；(2) 通过最小径集中基本事件的数量评价突
水防治难易程度；(3) 评价基本事件对突水事故的
重要程度。
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[4～6]。分析方法
充水通道
活化(B2)
超水仓容
量(B5)
防治水技
术缺陷(B6)
防治水管理
失误(B7)
充分水源
积聚(B1)
图例：
煤矿突水事故(T)
非正常涌水
量增加(A1)
超过排水
能力(A2)
应急反应
失效(A3)
逻辑与门
逻辑或门 基本事件框
顶上和中间事件框
充水诱
因(B3)
超设备
能力(B4)第28 卷第 2 期王长申，等. 基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究 • 301 •
是利用最小割集和最小径集比较基本事件结构重要
系数大小。依据基本事件的结构重要度系数，找出
煤柱防治水系统中的最薄弱环节，确定煤矿突水防
治措施的优先顺序和提出突水防治优选方案。
4 工程实例
4.1 杨庄矿及周边地方煤矿工程背景
杨庄矿主要可采煤层为下石盒子组 5 煤以及山
西组6 煤，一水平(－180 m)已经报废，二水平(－
330 m)生产基本结束，三水平(－500 m)为主要开采
水平；矿井属于“岩溶充水矿床底板进水为主的极
复杂水文地质类型”，主要受地表水与松散层孔隙
水、5 煤顶板火成岩凝结水、6 煤底板及太原组灰
岩水等威胁。
自 20 世纪90 年代末，杨庄矿一水平报废后，
一水平3，4，5，6 煤层的部分残余煤炭划归地方煤
矿开采，在杨庄矿南部浅部煤层露头处，自东向西
分别建有生产能力6～12 t 的周A～F 煤矿6 个周围
地方煤矿，杨庄与6 个地方煤矿位置关系见图3。
由于：(1) 随着近十几年采空区范围进一步扩大，
地方煤矿所处的浅部露头塌陷区东、西塌陷坑和乾
隆湖积水量达2.180×107 m3 以上。(2) 个别地方煤
矿，如2006 年的周C 与D 矿、2008 年的周F 矿，
发生超层、越界等违规开采事件，极可能破坏第四
系底部稳定隔水层、揭露6 煤底板太原组灰岩水承
压含水层，使地方煤矿面临地表水溃入和底板太原
组灰岩水突水的危险。(3) 杨庄矿各水平连续开
采，开采水平之间相互连通，而使原本已经属于极
复杂水文地质条件类型的杨庄矿陷入一种更复杂的
特殊水害威胁之中，即来自多个地方小煤矿的重大
突水威胁。
周A矿周B矿周C矿
周D矿
周E矿
周F矿
杨庄矿
东塌陷区
西塌陷区
乾隆湖
雷河
濉河
图3 杨庄矿与6 个地方煤矿位置关系图
Fig.3 Locations of Yangzhuang Mine and 6 local mines
同时，由于杨庄矿与各地方煤矿及各地方煤矿
之间空间关系和水文地质条件极其复杂，各地方煤
矿实际开采资料不详，且各地方煤矿超层越界层
位、区域、时间难以确定，安全检查表法难以完成
由地方煤矿引起杨庄矿突水路径、危害程度与防治
措施评价，因此本文选择事故树法完成该突水危险
评价。
解决问题的方法是：分析地方煤矿周围杨庄矿
的残余煤炭资源，预测地方煤矿可能的超层越界区
域，识别地方煤矿突水危险源，利用煤矿突水事故
树模型评价假设地方煤矿超越界条件下杨庄矿的突
水途径与突水危险程度，并提出了最有效的防治方
案。
4.2 杨庄矿突水危险源识别
在分析地方煤矿周围杨庄矿残余煤炭资源和地
方煤矿可能超层越界区域基础上，识别杨庄矿及周
边地方煤矿突水水源、突水通道和突水诱因，周边
地方煤矿诱发杨庄矿非正常涌水量增加的原因有洪
水溃入(B1)、地表水及第四系松散层孔隙水溃入
(B2)、6煤底板及太原组岩溶水突水(B3)、5煤顶板火
成岩水和老塘水突水(B4)等。不同突水类型突水水
源、突水通道与诱发因素较多，见表1。
表1 地方煤矿引起杨庄矿潜在突水类型及危险源
Table 1 Risk sources of water inrush caused by local mines
突水类型突水危险源
洪水溃入
(B1)
周A 矿旧风井高程(+31.4 m)与周F 矿旧风井高程(+32.1 m)低于
当地历史最高洪水位(+32.7 m)，为基本事件x1 与x2
地表水和
松散层孔
隙水溃入
(B2)
(1) 各地方煤矿擅自突破各自开采上限提高煤炭开采率，为
基本事件x3～x8；(2) 周B，C 和D 矿采动或破坏雷河保护煤
柱，周F 矿采动或破坏濉河保护煤柱提高煤炭开采率，为基
本事件x9～x12
6 煤底板
及太原组
灰岩水突
水
(B3)
(1) 构造导水，包括周A 煤矿内的1 号陷落柱以及落差大于
10 m 的断层，主要包括周B 矿内AF1 断层、周C 矿内AF2
断层及周F 矿内DF4 断层，为基本事件x13～x16；(2) 井田内
封闭不良钻孔导水，主要包括周B 矿的B14、周C 矿的A74、
周E 矿的日伪4 和A34、周F 矿的日伪13，为基本事件x17～
x20；(3) 杨庄矿残余资源分析发现，地方煤矿都具备超层、
越界采杨庄矿6 煤资源的条件，为基本事件x21～x26
5 煤顶板
火成岩水
及老塘水
突水(B4)
5 煤顶板火成岩凝结水局部聚积，表现出老塘水突水特征，
主要危险源有：(1) 杨庄矿残余资源分析发现，除周A 矿外，
其他地方煤矿都具备超层或越界采杨庄5 煤条件，为基本事件
x27～x31；(2) 周A，E 和F 矿主要开采杨庄矿报废采区的5
煤遗留煤柱，属老区复采，探放水不利时构成突水危险，为
基本事件x32～x34
排水与应急失效主要包括：超过地方煤矿与杨
庄矿排水能力(A2)与应急反应失效(A3)，危险源包括
非正常涌水超过地方与杨庄矿设备与水仓能力(为
杨庄矿
西塌陷区
东塌陷区
濉河
雷河
乾隆湖 周 F 矿
周 E 矿
周 D 矿
周 A 矿
周 B 矿
周 C 矿• 302 • 岩石力学与工程学报 2009 年
基本事件x35～x38)以及基础资料不详、没有应急预
案、避灾路线不合理、水闸门设计缺陷、排水设备
不能使用、隐瞒突水事故、盲目指挥、防治水措施
未落实、杨庄矿避灾路线被破坏等(为基本事件x39～
x47)。
4.3 杨庄矿突水事故树建模
为了能够清晰分析各类突水危险源(4 类47 种)
与突水类型(5 类)的关系，根据煤矿突水事故模型
和突水危险源分析，建立杨庄矿突水事故树模型，
如图4 所示。
在图 4 中，突水事故树的顶层以杨庄矿突水事
故(T)作为顶上事件；突水事故是矿井非正常涌水量
增加(A1)、超过排水能力(A2)和应急失效(A3)同时发
生的结果，属于逻辑“与门”关系，此为第一层；
在第二层，矿井非正常涌水量增加是由于洪水溃入
(B1)、地表积水及松散层孔隙水突水(B2)、6 煤底板
及太原组灰岩水突水(B3)或5 煤顶板火成岩凝结水
及老空水突水(B4)发引起的，为逻辑“或门”关系；
排水能力不足是由于突水量同时超过杨庄与地方煤
矿的设备排水能力(B5)与水仓容积(B6)的结果，为逻
辑“与门”关系；应急失效包括技术问题(B7)与管
理不善(B8)，为逻辑“或门”关系；在第三层，破
坏顶板防水煤柱(C1)或雷河与濉河煤柱(C2)是引起
地表水和松散层水突水的原因，为“或门”；构造导
水(C3)、钻孔导水(C4)或穿层越界(C5)是引起6 煤底
板及太原组灰岩水的主要原因，为“或门”关系；
越界开采(C6)或探放不利(C7)是引起5 煤顶板凝结
水及老窑水突水的原因，为“或门”关系；第四层
为引起突水的基本事件，记为xi，共47 种(见表1)；
其中，使非正常涌水量增加34 种{x1，x2， ，x34}，
排水能力不足的4 种{x35，x36，x37，x38}，应急失效
9 种{x39，x40， ，x47}，见图4。
4.4 最小割集计算与突水路径分析
利用行列式法求解杨庄矿突水事故树的最小割
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)为使非正常涌水量增加
的34种基本事件，xj ( j = 39，40， ，47)为应急失
效的9种基本事件。
杨庄矿发生突水事故的最小割集为
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 个最小割集，每个最小割集代表杨
庄矿突水的一种基本事件组合，即杨庄在6 个地方
煤矿影响下存在306 种突水路径或突水模式，防治
难度非常大。每个路径包括一个使非正常涌水量增
加的基本事件、4 个使排水能力不足的基本事件和
一个应急反应失效的基本事件组成。从最小割集计
算可以得出：
(1) 使非正常涌水量增加的34 个基本事件(原
因)是造成各种杨庄矿突水灾害发生的最重要原
因。在这34 个基本事件(原因)中，构造事件(原因)4
种，钻孔事件(原因)4 种，探放水事件(原因)3 种，
井口高程事件(原因)2 种，河流等防(隔)水(砂)煤岩
柱事件(原因)4 种、各种超层、越界事件(原因)17
种；其中，各类违法开引发的突水模式占189 种；
杜绝违规操作可以极大降低突水防治难度。
(2) 首先从突水危害程度来看，后果最严重的
基本事件是地方煤矿突破开采上限、井口高程低于
历史最高洪水位和破坏河流防隔水煤岩柱问题，根
据我国类似突水案例分析，可直接造成杨庄矿二、
三或四水平甚至整个矿井被淹；其次是地方煤矿超
层越界开采6 煤、破坏陷落柱与断层防隔水煤岩柱
或钻孔导水，根据杨庄矿以往太原组灰岩突水案
例，也可以引发开采水平被淹；第三是超层越界开
采5 煤或探放不利引起的5 煤顶板火成岩凝结水或
老塘水突水，可使工作面甚至水平被淹；第四是技
术与管理方面的应急失效问题，后果是引发或加重
事故的灾害性。
(3) 从基本事件的发生频率上，井口高程问题
引发突水事故受多年降水周期规律影响，而目前各
类已经发现或未被发现的违规开采时有发生，引发
突水概率最大。
4.5 最小径集计算与防治措施分析
将杨庄矿突水事故树变成了“成功树”，求解成
功树的最小割集，得事故树最小径集为
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，突水事故树存在6 个最小径集，分别为第28 卷第 2 期王长申，等. 基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究 • 303 •
穿层、越界
开采(避灾路线设计不
合理(x41)
缺乏合理应急
预案(x40)
基础资料虚
假不详实(x39)
杨庄矿突水事故(T)
洪水溃入(B1) 地表积水或松散层突水(B2) 6煤底板及太灰突水(B3) 5煤顶板水及老空水突水(B4)
周A 风井井口
标高低(x1)
周F 风井井
口标高低(x2)
构造
导水破坏雷河/濉河
防水煤柱(越开采上限/破坏
顶板防水煤柱(周B
( 雷河)(x9)
周C( 雷
河)(x10)
周D( 雷
河)(x11)
周F( 濉
河)(x12)
钻孔
导水(周F ( 日伪
13)(x20)
周E( 日伪4 ，
A34)(x19)
周C(A74
孔)(x18)
周B(B14
孔)(x17)
周B(AF1
断层)(x14)
周F(DF4
断层)(x16)
周C(AF2
断层)(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)
越界开
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) 超过排水能力(A2) 应急反应失效(A3)
隐瞒突水事
故(x44)
备用设备不能
使用(x43)
防治水措施
未落实(x46)
盲目指挥(x45)
杨庄水闸门
设计缺陷(x42)
杨庄矿避灾路
线被破坏(x47)
超设备
能力(B5)
超水仓
容量(B6)
技术问题(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)
超杨庄
排水能
力(x36)
超杨庄
水仓容
量(x38)
超地方矿
排水能力
(x35)
超地方
矿水仓
容量(x37)
图4 杨庄矿突水事故树模型
Fig.4 Model of fault tree of water inrush for Yangzhuang Mine
周 A(陷落
柱)(x13)
周F(DF4
断层)(x16)
周C(AF2
断层)(x15)
周B(AF1
断层)(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 • 岩石力学与工程学报 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)的结果表明：
(1) P3，P4，P5 与P6 代表了防治突水的最短路
径，措施是使杨庄和地方煤矿的排水设备能力或水
仓容积能够承受这种突水事故压力；显然，杨庄矿
和地方煤矿显然没有办法、也没有理由扩大排水能
力去承担非法开采可能引发的突水压力。
(2) P2 由9 个基本事件组成，措施是同时避免
应急预案中的技术与管理失误；但是应急预案与设
计和投产时预计矿井正常水量、最大涌水量及突水
特点相匹配，应急预案措施足以保证最大限度的减
小在正常开采条件下突水事故损失，却不足以挽救
非法开采招致的“严重”灾难。
(3) P1 由34 个基本事件组成，措施是同时避免
使非正常涌水量增加的34 个基本事件发生，难度
很大；但是在34 个基本事件当中，擅自提高开采上
限、5 煤与6 煤超层越界开采、破坏河流与断层隔
水煤柱等21 个基本事件都属于法律、法规严格禁
止的违法开采行为；如果能够杜绝这些现象，P2 中
基本事件仅有13 个，防治难度降低，各地方煤矿也
不会再对杨庄矿构成如此严重、复杂突水威胁。
4.6 结构重要度比较与防治方案优化
根据最小径集计算突水事故树中基本事件的结
构重要度。在最小径集P1 中，假定各基本事件的发
生概率相等，则P1  1 2 34 {x， x， ，x }中基本事件
x1，x2，…，x34 对杨庄矿突水事故的结构重要程度
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)
又由于最小径集中P3～P6 的基本事件数量最
小，其基本事件的结构重要度最大，P2 中基本事件
结构重要度次之，P1 中基本事件结构度最小，即
(1) (39) (35) I I I    ＜ ＜ (7)
比较结果说明，杨庄矿与地方煤矿排水能力的
基本事件结构重要度最大。在正常开采条件下，杨
庄与地方煤的排水系统是矿防治水系统的最重要环
节；但是，在地方煤矿可能违法开采的条件下，突
水危害远远超过它们的排水能力和应急反应能力，
最优的突水防治措施是通过监管、教育、法律等手
段杜绝违规开采。
5 结论
(1) 基于煤矿突水原理和事故致因理论建立煤
矿突水事故概念模型：突水水源与通道使工作面处
于“不安全状态”，突水诱因等“不安全行为”诱
发非正常涌水量增加，排水与应急措施失效最终酿
成突水事故。
(2) 基于煤矿突水事故模型建立煤矿突水事故
树模型，可以直观、清晰分析复杂煤矿突水事故的
直接、深层原因，通过最小径集、最小割集等计算
评价煤矿突水路径、突水部位、危害程度、防治关
键，完成煤矿突水危险性专项评价。
(3) 6 个地方煤矿引起杨庄矿突水的危险源有
47 种，与违法开采相关的21 种；突水路径306 种，
穿层、越界等违法开采引发的潜在突水189 种；最
危险的突水模式是由矿井口高程问题和擅自提高开
采上限引发的地表积水溃入，能够造成生产水平甚
至整个杨庄矿井被淹，有72 种可能。
(4) 目前最紧迫的防治措施是处理井口高程低
于历史最高洪水位问题，严禁提高开采上限，杜绝
穿层、越界开采，降低杨庄矿和地方煤矿的防治水
难度，恢复到正常涌水的防治水平。
致谢 由衷感谢提供资料的杨庄矿及有关部门，诚
挚感谢煤矿防治水专家张希久、韩东亚、段中稳、
胡永达以及张浩海的技术支持与帮助！
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