基于復雜系統脆性理論的煤礦通風安全分析

魯 璐

（平頂山天安煤業股份有限公司煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

煤炭一直以來都是我國的主要能源，在經過幾十年的工業化開采后，礦井開采深度日益增加，地應力、瓦斯壓力、地熱等危害隨之加重，造成煤礦事故頻發，給煤炭的開采帶來了一系列的難題[1-2]。煤礦通風系統是保證煤礦安全生產的主要系統之一，一方面可為井下人員提供足夠的新鮮空氣，另一方面可降低瓦斯和粉塵等有毒有害氣體的濃度，并將其排出井下工作面[3]。而通風系統也時常出現故障，引起瓦斯爆炸、火災、煤層自燃等災害，若通風系統設計安全合理，則可防治瓦斯、煤塵和火災等災害的發生[4]?？梢?，通風系統對煤礦的安全生產具有極大的貢獻；因此，有必要開展基于復雜系統脆性理論的煤礦通風安全分析[5]。

1 煤礦通風系統簡介

一般來說煤礦通風系統由通風設備、通風構筑物、巷道風流及用風地點等幾部分構成，常見的煤礦通風系統示意圖如圖1 所示。隨著煤炭資源開采深度的日益增加，許多煤礦的瓦斯涌出量也隨之增大，地熱等災害亦趨于嚴重,礦井的需風量大大提高，通風系統更加復雜，通風網絡的時變性、關聯性等耦合因素較多，風流的控制和調整難度增大。這種情況下，通風系統的故障主要是井下通風阻力隨時間逐漸演變的過程，而通風阻力的隨機演變與煤礦本身的地質條件、生產工藝等多種因素有關，可基于復雜系統脆性理論來對通風系統進行分析，從而確定通風系統的可靠性，阻斷脆性風險的傳導。

圖1 煤礦通風系統示意圖

2 復雜系統脆性理論

2.1 脆性理論的基本概念

“脆性”一詞定義為物體在外力作用下未發生顯著變形而突然破壞的現象，即材料在破壞斷裂之先并沒有發生可察覺到的塑性形變。我們將物體的脆性定義引入到復雜系統中，便可形成復雜系統的脆性理論。復雜系統的脆性定義為：在復雜系統S 中，存在對外界環境較為敏感的子系統Si,當外界環境作用于子系統Si 時，子系統Si 受到強烈的擾動發生崩潰，從而導致其他子系統和整個復雜系統的崩潰。引起復雜系統崩潰的子系統Si 稱為脆性源，若復雜系統具有脆性源則該系統具有脆性，發生脆性崩潰的現象為脆性行為。在工業社會中，脆性是一個復雜系統的固有屬性，對于煤礦通風這種較為復雜的技術系統，脆性表現得更加明顯。復雜系統的脆性被激發可使系統的生產指標急劇下降，系統需要一定的時間才能恢復到原來的生產水平，復雜系統脆性理論如圖2 所示。

圖2 復雜系統脆性理論

2.2 煤礦通風事故的脆性特征

煤礦通風事故的脆性特征是指煤礦通風事故與復雜系統脆性所共有的特點，煤礦通風事故的脆性特征如下：

1）隱蔽性。煤礦通風事故的發生往往是由已存在的不安全因素導致的，這些不安全因素可能存在已久只是未被人員發現和重視。當外界致災因子作用于這些隱蔽的不安全因素時，便可引發事故，可見煤礦通風系統事故具有隱蔽性。

2）關聯性。煤礦通風系統網絡復雜，通風巷道和構筑物之間的影響和關聯性強，單一危險因子引起的事故可導致其他相關區域或構筑物發生事故，甚至影響整個通風系統。且通風系統與礦井其他子系統如采掘系統、提升系統等也具有較強的關聯性，通風系統發生的事故可波及這些子系統，影響整個礦井的生產系統。由此可以看出，對于煤礦來說不僅通風系統具有脆性，礦井的整個生產系統同樣存在脆性。

3）破壞性。煤礦井下危險源較多，作業空間狹小更增加了事故發生后的破壞威力，對于通風系統存在瓦斯、煤塵和其他有毒有害氣體等多種危險源。若通風系統發生故障往往引起瓦斯煤塵爆炸、作業人員中毒窒息等重大事故。具有極強的破壞性，引起大量的人員傷亡和經濟損失。

4）多樣性。煤礦通風系統的事故可以是設備的損失，人員的傷亡，也可是通風線路和構筑物的破壞和故障等，可見，煤礦通風系統事故具有多樣性。所以煤礦通風系統是一個復雜的脆性系統。

3 煤礦通風系統脆性分析

3.1 煤礦通風系統子系統確定及脆性分析

依據煤礦通風系統的特點，可將煤礦通風系統的脆性分析從“人”、“機”、“環”、“管”的角度分為參與者子系統，設備設施子系統和安全管理子系統。下文將對煤礦通風系統脆性分析的各子系統作詳細介紹，并建立各子系統的脆性分析因子。

1）參與者子系統。“人”是一切社會工業生產的核心元素，人的行為受自身和外界環境的影響表現出多變性、差異性和不規范性等。對于煤礦通風系統來說，人的安全行為是保證通風系統安全的核心，并在很大程度上影響著通風系統的脆性特征。有關數據表明，煤礦生產中，人的不安全行為引起的事故占事故總數的50%以上。對于煤礦通風系統中參與者子系統的脆性因子可從特種人員持證上崗制度、作業人員教育水平、員工培訓和再教育、個人安全意識和操作經驗及生理和心理素質鍛煉等方面來構建，如圖3 所示。

圖3 參與者子系統脆性因子構建及關聯圖

2）設備設施子系統。對于綜合機械化開采的煤礦來說機械設備的重要程度不言而喻，煤礦通風系統同樣包含主要通風機、輔助通風機、局部通風機及其他風阻、風壓等監測設備。這些設備正常運轉是保證通風系統安全的重要條件，但是在實際生產中常常發生超負荷運轉、人員不當操作等引起的設備設施損耗。對于煤礦通風設備設施子系統的脆性因子可從通風構筑物如風門、風窗的密閉性、供電系統的穩定性及瓦斯抽放設備、防塵防火設備、安全監測設備、通風機等方面構建，如圖4 所示。

圖4 設備設施子系統脆性因子構建及關聯圖

3）安全管理子系統。安全管理是進行工業生產的必備過程，同樣也是一個動態變化的過程。煤礦通風系統的安全管理是使各子系統能夠相互結合、統一管理，達到安全狀態的有機過程。安全管理的主要目的是在保證安全生產的條件下，進行一系列的安全管理工作，提高作業人員安全意識和系統安全水平，保證煤礦的正常生產經營。煤礦通風安全管理子系統的脆性因子可從管理人員的技術水平、組織機構的合理性、設備管理制度、員工再教育制度和安全承諾，危險源及隱患整改及通風系統特殊物資的管理水平等方面來構建，如圖5 所示。

圖5 安全管理子系統脆性因子構建及關聯圖

3.2 煤礦通風系統脆性分析總體結構

由參與者子系統，設備設施子系統和安全管理子系統所構建的煤礦通風系統脆性分析總體結構如圖6 所示。

由圖6 可知，關鍵脆性因子之間存在單向或雙向的可傳遞的脆性聯系，如供電線路的損壞可導致通風機停轉，引起巷道瓦斯積聚等事故。事故脆性結構的特點決定了事故發生路徑，結構越復雜，也意味著管理和防御措施越多。切斷脆性傳導路徑，能夠有效預防和阻斷脆性風險的傳導。

圖6 煤礦通風系統脆性分析總體結構

4 結 論

1）簡述了煤礦通風系統的組成，闡明了脆性理論的基本概念，總結了煤礦通風事故的脆性特征包括：隱蔽性、關聯性、破壞性和多樣性。

2）基于復雜系統脆性理論將煤礦通風系統從“人”、“機”、“環”、“管”的角度分為參與者子系統，設備設施子系統和安全管理子系統，構建了3 類子系統的脆性因子和其關聯性，并確立了煤礦通風系統脆性分析的總體結構，依據通風系統脆性分析結構，可切斷脆性傳導路徑，有效預防和阻斷脆性風險的傳導。