Научное обоснование методов анализа производственного травматизма и профессиональной заболеваемости при подземной добыче полезных ископаемых

4. Разработать методику оценки вероятности возникновения аварий в угольных шахтах, позволяющую получать достоверные прогнозные значения периодов безаварийной работы и создать комплекс программных средств, позволяющих оценить вероятность возникновения аварии любого вида в шахтах Подмосковного бассейна.

5. Разработать комплекс математических моделей анализа травматизма и профзаболеваний на базе статистической информации промышленных предприятий горнопромышленного комплекса Мурманской области, оуществить реализацию вычислительных экспериментов, анализ и обобщение результатов моделирования.

6. Научно обосновать, разработать и практически апробировать методические положения анализа производственного травматизма и профессиональной заболеваемости при подземной добыче апатит-нефелиновых руд и бурых углей.

7. Разработка и практическая апробация комплекса программных средств для мониторинга состояния производственной среды по факторам травматизма и профзаболеваний на основе результатов аттестации рабочих мест по условиям труда.

8. Оценить региональные особенности уровня социально-экономического развития и его влияние на комплекс показателей по безопасности труда и обосновать практические подходы к стоимостной оценке уровня социально-экономического ущерба вследствие производственного травматизма.

Об общем состоянии производственной безопасности правомерно судить по наиболее опасным отраслям промышленности, к числу которых в первую очередь следует отнести горнодобывающую. Рост количества опасностей, обусловленных промышленной деятельностью, крупные аварии с многочисленными человеческими жертвами, серьезным материальным и экологическим ущербом, другими негативными последствиями определяют необходимость прогнозирования и регулирования технологической безопасности. Технологический процесс добычи угля (ТПДУ) подземным способом сопровождается возникновением состояний, которые принято называть авариями. Аварийные состояния реализуются как случайные события, определенным образом распределенные во времени. Работоспособность ТПДУ можно характеризовать с точки зрения безопасности величиной риска, под которым понимается вероятность человеческих и материальных потерь или повреждений при аварийных состояниях ТПДУ. Риск связан с бесконтрольным проявлением энергомассообмена и изменением газового состава воздуха в горных выработках. Обычно одни горные выработки шахты представляют большую опасность, чем другие, поэтому целесообразно все предприятие разбить на подсистемы для того, чтобы выявить объекты или его компоненты, которые являются вероятным источником аварийных состояний ТПДУ.

Главной целью при изучении опасностей, свойственных той или иной подсистеме, является определение причинных взаимосвязей между исходными аварийными событиями, относящимися к оборудованию, персоналу, горному массиву, шахтному воздуху и приводящими к аварийным состояниям ТПДУ. При таком подходе целесообразно рассматривать ТПДУ как совместное и взаимозависимое функционирование двух подсистем - технологической и системы обеспечения жизнедеятельности, включающей совокупность вспомогательных технологических процессов, позволяющих эксплуатировать основную технологическую подсистему на заданном уровне безопасности.

Многолетняя статистика аварийности на угольных шахтах свидетельствует о том, что основными видами крупных аварий являются эндогенные и экзогенные пожары, загазирования горных выработок, обрушения пород кровли, прорывы подземных вод в горные выработки.

Проведенный анализ аварийности на предприятиях угольной промышленности России, а также изучение механизмов развития различных видов аварийных процессов позволили установить многофакторную связь аварийности с горно-геологическими, технологическими, физико-химическими, социально-экономическими параметрами. Установлено, что в качестве показателя аварийности может быть использована функция распределения количества аварий, а уровень безопасности определяется вероятностью случайного события, заключающегося в том, что продолжительность функционирования технологического объекта без аварий меньше некоторого наперед заданного периода времени. В качестве вспомогательных показателей уровня безопасности шахт рассматривают дисперсию и среднеквадратическое отклонение времени безаварийной работы.

Статистические показатели аварийности угольной промышленности России и стран СНГ до распада СССР приведены в табл. 1. Детальные исследования аварийности при подземной добыче угля были проведены для шахт Подмосковного угольного бассейна. Наибольший интерес представляют законы распределения интенсивности аварий, проверка адекватности которых исходным данным осуществлялась по критерию согласия Колмогорова-Смирнова при уровне значимости от 1 до 5 %.

Таблица 1

Статистические показатели аварийности угольной

промышленности России и союзных республик (стран СНГ) до распада СССР

№	Вид	Статистические показатели аварийности
п/п	аварии	*, 1/год	D*, 1/год2	*, 1/год	*, сут
1	Внезапные выбросы угля и газа	45,2	823,8	28,7	8,1
2	Внезапные выбросы породы и газа	20,6	477,1	21,8	17,7
3	Горные удары	5,7	28,5	5,3	64,0
4	Взрывы пыли	1,4	2,9	1,7	260,7
5	Взрывы метана	6,1	6,0	2,4	59,8
6	Обрушения и завалы горных выработок	8038,9	8,5.107	9220,0	0,04
7	Прорывы подземных вод и пульпы	123,6	1,9.104	137,8	2,9
8	Эндогенные пожары	94,3	167,0	12,9	3,9
9	Экзогенные пожары	56,0	465,8	21,6	6,5

Примечание. В табл. 1 использованы следующие обозначения: *- статистическая оценка интенсивности аварий в шахтах; *, D*, * - статистическая оценка средней длительности безаварийной работы шахты, дисперсия и среднеквадратическое отклонение, соответственно; * - означает среднее значение по территории бывшего СССР.

Выполненный анализ аварийности в шахтах Подмосковного бассейна позволил установить, что интенсивность возникновения аварий меняется во времени. В этой связи выявлены тренды интенсивности аварий различного вида. Тренд следует рассматривать как систематическую составляющую временного ряда. При выделении трендов использовался метод наименьших квадратов. Теснота связи оценивалась по величине коэффициента корреляции. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Выбор тренда, наиболее удачно аппроксимирующего фактические данные, осуществлялся, исходя из условия , где - коэффициент корреляции для наиболее достоверной модели тренда; Rj - выборочные коэффициенты корреляции для j-го тренда, описывающего динамику интенсивности аварий i-го вида. Данные табл. 2 позволяют сделать вывод, что наилучшее совпадение для динамики интенсивности экзогенных пожаров, обрушений кровли, загазирований, прорывов воды в горные выработки можно получить, используя полиномиальный тренд вида (t) = a0 + a1t + a2t2, для эндогенных пожаров - степенной тренд вида, для описания общей аварийности предпочтительнее логарифмическая зависимость (t) = a0+ a1 ln(t + a2), где а0, а1, а2, а3 – параметры моделей временных трендов, определяемые методом наименьших квадратов. Рассмотренные модели трендов предлагается использовать для осуществления ориентировочной прогнозной оценки вероятности возникновения аварий в шахтах:

, (1)

где Pi(t), i() - вероятность и интенсивность возникновения аварий i-го вида, соответственно.

Достоинствами данного метода прогноза являются простота его практической реализации, а также возможность использования при отсутствии информации о технико-экономических показателях работы шахты. Более точным является прогноз, основывающийся на представлении прогнозного среднего значения интенсивности аварий в виде многомерной модели, учитывающей совокупность технико-экономических показателей работы шахт, влияющих на аварийность:

Lуд.пр - протяженность проводимых подготовительных выработок в расчете на 1000 т добытого угля, м; Lгод. пр - годовая проходка подготовительных горных выработок, м; Ссеб - себестоимость добываемого угля, руб/т; Ртр - средняя производительность труда, т/чел; Агод - годовая добыча по производственному объединению, т; Nш - количество действующих шахт в производственном объединении; Асут - среднесуточная добыча по производственному объединению.

Таблица 2

Модели временных трендов интенсивности аварий, зафиксированных

в период функционирования шахт Подмосковного бассейна

Вид аварии	Модель тренда	Коэффициент корреляции
Эндогенные	(t)=12,164-0,0061t	0,788
пожары	(t)=1834,94-1,845t+0,00046t2	0,871
	(t)=0,045+exp(415,67-0,212t)	0,893
	(t)=0,439(t-1969)--0,729	0,904
	(t)=0,188-0,049.ln(t-1971)	0,903
Экзогенные	(t)=-3,24+0,0017t	0,182
пожары	(t)=3383,31-3,415t-0,00086t2	0,608
	(t)=-9,698+exp(1,94+0,00017t)	0,182
	(t)=-24,91+3,29.ln(t+0,0077)	0,180
Обрушения	(t)=5,81-0,0029t	0,65
горных	(t)=-376,91+0,383t-0,000097t2	0,669
выработок	(t)=-4,285+exp(2,8-0,00067t)	0,654
	(t)=1479221(t-1913)--4,146	0,598
	(t)=43,82-5,77.ln(t+0,0046)	0,655
Загазирование	(t)=-5,035+0,0026t	0,265
горных	(t)=900,61-0,911t+0,00023t2	0,303
выработок	(t)=-9,643+exp(1,747+0,00026t)	0,265
	(t)=-38,41+5,063.ln(t+0,0096)	0,265
Прорывы	(t)=-0,092+0,000051t	0,023
воды	(t)=223,19-0,225t+0,000057t2	0,156
в горные	(t)=-9,957+exp(2,29+0,000005t)	0,022
выработки	(t)=-0,755+0,101.ln(t+0,0099)	0,022
Общая	(t)=14,018-0,007t	0,456
аварийность	(t)=5314,41-5,35t+0,00135t2	0,707
	(t)=-9,964+exp(3,684-0,00069t)	0,457
	(t)=404192,1(t-1908)--3,367	0,545
	(t)=0,33-0,056.ln(t-1971)	0,71

Получены следующие зависимости для расчета прогнозного значения интенсивности различных видов аварий (1/год):

- эндогенные пожары

= 1,201.10-5 Lгод. пр + 1,915.10-4 Ссеб - 3,481.10-3 Ртр + 7,783.10-6 Агод +

+ 2,487.10-3 Nш - 3,393.10-5 Асут - 0,0379; (2)

- общая аварийность

= 1,626 - 9,163.10-5 Агод + 2,487.10-4 Асут - 2,229.10-3 Ссеб –

- 1,137.10-5 Lгод. пр + 4,988.10-3 Nш - 3,413.10-3 Ртр + 1,023; (3)

- загазирование горных выработок

= 0,3098 - 0,726 + 5,915.10-5 Агод - 4,926.10-5 Асут +

+ 3,181.10-4 Ссеб + 1,156.10-5 Lгод. пр + 1,098.10-3 Nш -

- 2,201.10-4 Ртр (ti) - 0,164; (4)

- экзогенные пожары

= 0,7342 - 0,7207 - 1,2988 + 4,604.10-5 Агод -

- 9,457.10-5 Асут + 1,8.10-3 Ссеб + 1,913.10-5 Lгод. пр -

- 6,822.10-3 Nш - 5,912.10-3 Ртр - 0,164; (5)

- обрушения горных выработок

= 0,9458 - 0,788 - 0,792 - 0,924 +

+ 2,865.10-5 Агод - 4,959.10-5 Асут - 4,011.10-4 Ссеб - 1,293.10-6 Lгод. пр –

– 5,115.10-3 Nш (ti) - 1,594.10-4 Ртр (ti) - 0,0523; (6)

- прорывы воды в горные выработки

= 1,0121 - 1,007 - 0,969 - 0,993 -,051 +

+ 4,209.10-6 Агод - 1,304.10-5 Асут + 1,772.10-4 Ссеб + 7,098.10-7 Lгод. пр +

+ 1,914.10-4 Nш - 1,214.10-4 Ртр - 0,056 1/год. (7)

Вероятность безаварийной работы по каждому виду аварий определяется как Qi(ti) = 1 - Pi(ti), а время безаварийной работы по каждому виду аварий рассчитывается следующим образом: Ti = 365. -1. Разработанная математическая модель позволяет в качестве цели управления использовать максимум вероятности безаварийной работы шахты. Тогда параметрами управления будут являться технико-экономические показатели. Практическая апробация математической модели показала, что, во-первых, адекватность модели подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных значений вероятностно-статистических показателей с фактическими данными, во-вторых, многомерные зависимости значений интенсивности аварий от факториальных признаков позволяют получить достоверные оценки вероятностей аварий. При этом можно использовать единый подход к различным горно-геологическим условиям для угольных шахт, а также оценивать и уровень безопасности рудников.

Например, предполагая, что справедлив экспоненциальный закон распределения отказов системы защиты от взрывов метановоздушной смеси (МВС), можно получить количественные статистические оценки по данному виду аварий. Анализ показывает, что по своим характеристикам система защиты от взрывов МВС на угольных шахтах России не изменилась и остается на уровне угольной промышленности СССР (табл. 3). При этом система защиты от поражающих факторов ухудшилась в несколько раз.

Таблица 3

Оценка надежности технологии защиты от взрывов МВС

на угольных шахтах России

Оценка интенсивности отказов системы защиты, 1/год				Оценка длительности работы угольной промышленности, сутки
от взрывов МВС		от поражающих факторов		без взрывов ВМС		без гибели людей
1985 -1991	1992 -2007	1985 -1991	1992 -2007	1985 -1991	1992 -2007	1985 -1991	1992-2007
9,43	9,38	7,14	34,44	31,2	31,2	40,8	8,4