基于生物免疫系統的瓦斯異常涌出風險防控體系研究

張立志，施式亮，2

（1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南湘潭 411201；2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411201）

瓦斯異常涌出具有時間上突然、空間上集中、涌出不均勻、誘因復雜等特點，防控難度大，是誘發瓦斯爆炸、人員窒息、中毒等瓦斯事故的主要因素[1]。煤礦瓦斯異常涌出風險防控形勢依然嚴峻，如2019 年4 月10 日，四川李子埡煤礦發生1 起煤壁垮落伴瓦斯異常涌出的較大事故，造成3 人死亡，直接經濟損失329 萬元[2]；2019 年7 月31 日，貴州大樹煤礦發生1 起因老采空區瓦斯異常涌出而導致的瓦斯爆炸事故，造成7 人死亡，直接經濟損失達984 萬元[3]。因此，加強瓦斯異常涌出的風險防控研究對減少瓦斯事故的發生及減輕事故后果具有重要的理論價值及現實意義。

隨著人工智能的不斷發展，國內一些學者將生物免疫機理應用到事故預防及控制研究領域。施式亮[4]通過比較分析事故預防與生物免疫識別模式在作用、生存環境等的共性，構建了基于免疫原理的事故預防系統和數學模型；葉青[5]通過借鑒生物免疫系統抵御疾病的機理及其組織、結構、功能等方面的特點，構建了化工園區事故免疫系統，完善了化工園區安全生產監管；陳清光[6]對比化工園區安全生產管理體系與生物免疫系統的相似性，構建了Ag-Ab 預警指標體系及安全生產預警預測模型，提高了化工園區重大事故預防預測能力；顏雯鈺[7]為防控氯化工藝事故，分析了氯化安全生產事故預警體系與生物免疫系統的相似性，并運用層次分析法與模糊綜合評價法，得出對安全生產影響最大的抗原和抗體。以上研究表明，生物免疫系統依靠其很好的魯棒性、適應性等特性，其免疫機理在相關領域的事故預防及控制方面得到一定的應用，但在瓦斯異常涌出風險防控領域，基于免疫機理的瓦斯異常涌出風險防控研究仍處于前期階段。因此，對生物免疫系統、瓦斯異常涌出風險防控體系進行闡述，并對兩者的耦合特性進行分析，研究免疫機理應用到瓦斯異常涌出風險防控上的可行性。

1 生物免疫系統的功能和防御機制

生物免疫系統是存在于高等動物（如人體）體內的1 整套成熟、組織結構嚴密的復雜自適應系統，是在漫長進化過程中與各種抗原相互作用而逐漸形成的，能夠使機體有效抵御某些疾病的侵襲。生物免疫系統由免疫器官、免疫細胞和免疫分子組成，主要具備免疫防御、免疫自穩、免疫監視等功能，并依靠眾多免疫細胞和免疫分子之間的相互作用來完成這些功能[8]。

生物免疫系統具有多層防御機制，可以抵御外界環境和體內各種抗原的侵襲，生物免疫系統的“三層防線”示意圖如圖1。

圖1 生物免疫系統的“三層防線”示意圖Fig.1 Schematic diagram of the“three layers of defense”of biological immune system

根據免疫特點的不同，免疫可分為非特異性免疫和特異性免疫。當外界抗原入侵機體時，原有的平衡狀態被打破，免疫系統首先會利用非特異性免疫對一部分抗原進行防御和消殺；若某些抗原突破了非特異免疫的“防線”，免疫系統會迅速“啟動”特異性免疫。對于進入體液中的抗原，巨噬細胞會對抗原進行處理并將抗原信息呈遞給T 細胞，再由T 細胞對B 細胞進行激活，產生相應的抗體消滅抗原；對于某些進入宿主細胞的抗原，則需要T 細胞根據巨噬細胞傳遞的抗原信息，產生相應的效應細胞，對靶細胞進行裂解，使抗原暴露出來，再通過抗體和吞噬細胞對抗原進行消殺。經過對抗原的特異性免疫，免疫細胞會產生特異性抗原的記憶細胞形成免疫記憶。若同種抗原再次侵入機體時，免疫細胞和記憶細胞會以更快的反應速度產生更多的抗體消滅抗原。

綜上所述，生物免疫系統是1 個組織結構復雜、嚴密，防御功能強大，且各免疫細胞協同作用優秀的體系，對各種外界或體內抗原具有快速、專門、有效的防御作用。而且，生物免疫系統具有的適應性、多層次性、學習性、動態性、多樣性等特性[9]，使得免疫系統能夠針對不同的外界情況做出相應的調整，使免疫系統可以始終保持在最佳防御狀態，從而讓機體保持健康。

2 瓦斯異常涌出風險防控體系

瓦斯異常涌出受地質因素和采掘技術因素的影響，如斷層、火成巖侵入、高開采強度、地面大氣壓驟降等往往會誘發瓦斯異常涌出。瓦斯異常涌出風險防控體系的目的則是消除瓦斯異常涌出誘發因素的影響，防止瓦斯異常涌出的發生或減輕瓦斯異常涌出的后果，減少人員傷亡與財產損失。不同煤礦會根據其實際情況構建瓦斯異常涌出風險防控體系，根據相關文獻[10-15]，瓦斯異常涌出風險防控體系可歸納為瓦斯異常涌出管理體系和風險防控技術體系，包括地質勘探系統、通風系統、瓦斯抽采系統、瓦斯監測監控系統等系統，瓦斯異常涌出風險防控體系示意圖如圖2。

圖2 瓦斯異常涌出風險防控體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of risk prevention and control system of abnormal gas emission

瓦斯異常涌出風險防控體系依靠瓦斯抽采、合理可靠通風及針對不同誘因瓦斯異常涌出的其他專項防控措施消除瓦斯異常涌出誘發因素的影響，對不同誘因瓦斯異常涌出實施主動、有效的預防；瓦斯異常涌出管理體系和風險防控技術體系中的其他措施則是配合瓦斯異常涌出主動預防措施使瓦斯異常涌出風險防控達到更好的效果，防止瓦斯異常涌出的發生以及向瓦斯爆炸、窒息等事故的演化，降低瓦斯異常涌出的風險及減輕其后果。

同生物免疫系統防御抗原一樣，瓦斯異常涌出風險防控體系防控瓦斯異常涌出并非靠某個單一措施就能實現，必須依靠多種管理措施和技術措施之間的相互作用才能夠完成，例如當某煤層存在瓦斯含量過高、瓦斯壓力大、地面大氣壓驟降等瓦斯異常涌出的風險時，則須通過瓦斯抽采、合理通風、專項措施、實時監控、應急預案等的協同作用來防止瓦斯異常涌出的發生或削弱瓦斯異常涌出的風險。瓦斯異常涌出管理體系和風險防控技術體系兩者缺一不可，完整、嚴密的管理體系可為瓦斯異常涌出防控奠定基礎，先進、優秀的風險防控技術則可為瓦斯異常涌出風險防控的有效性提供保障。而且，瓦斯異常涌出風險防控體系可根據井下不同的實際情況做出相應的調整，以便實現專門、快速和有效的防控。

3 瓦斯異常涌出風險防控體系與免疫系統的耦合性

生物免疫系統對多樣、復雜、已知或未知的抗原具有很好防御作用，而瓦斯異常涌出風險防控體系也要對各種各樣、已知或未知的誘發因素進行防控，兩者存在一定的耦合性。

1）作用對象。瓦斯異常涌出風險防控體系和免疫系統的作用對象都是系統內外破壞系統穩定的危險有害因素。瓦斯異常涌出風險防控體系的作用對象是導致瓦斯異常涌出的各種內部或外部誘發因素，比如高瓦斯壓力、地質構造、地應力變化、高開采強度、地面大氣壓變化等；免疫系統的作用對象是破壞機體穩定的內部或外部抗原。因此，瓦斯異常涌出的發生相當于機體產生疾病，導致瓦斯異常涌出的各種誘發因素相當于導致機體產生疾病的抗原。

2）作用機制。免疫功能是通過眾多免疫細胞和免疫分子之間的相互作用來完成，而瓦斯異常涌出風險防控體系功能的實現也是依賴體系內各項制度措施之間的相互作用來實現；機體疾病是因免疫系統和和抗原之間的相互作用而產生，而瓦斯異常涌出的發生是瓦斯異常涌出風險防控體系與瓦斯異常涌出誘發因素之間的相互作用的結果；免疫系統會隨著機體所處的環境變化做出相應的調整，而瓦斯異常涌出風險防控體系也需要根據礦井實際情況做出與之相適應的調整。在應答機制方面，當某種新抗原入侵免疫系統，免疫系統的初次應答時間會相對較長，但同種抗原再次入侵時，免疫系統會迅速反應，消滅抗原，應答時間會大大縮短；若某種新的瓦斯異常涌出誘發因素出現時，為消除或削弱誘發因素對瓦斯正常涌出的影響，其應對策略的制定和執行時間也會較長，但類似誘發因素再次出現時，根據先前制定的策略和井下實際情況，則可以對該誘因瓦斯異常涌出做到主動、迅速、有效的防控。

3）功能。免疫系統和瓦斯異常涌出風險防控體系的功能都是消滅危險有害因素，保持系統的穩定，使系統處于正常狀態。免疫系統的功能是消滅各種侵入機體的抗原，使機體保持健康；瓦斯異常涌出風險防控體系則是消除各種瓦斯異常涌出誘發因素對瓦斯涌出的影響，避免瓦斯異常涌出的發生或削弱瓦斯異常涌出的風險。

4）瓦斯異常涌出風險防控體系與免疫系統對應關系。根據相似性原理，瓦斯異常涌出防控體系與免疫系統在組成要素及系統功能上存在一定的對應關系。瓦斯異常涌出管理體系可降低瓦斯異常涌出向瓦斯事故演化的風險，但不能完全防止瓦斯異常涌出的發生，故相當于“非特異性免疫”；礦井總體通風系統網絡是根據礦井總體規劃設計來設定的，能為井下稀釋瓦斯、提供氧氣和改善熱濕舒適性，但不是針對某一特定“抗原”，故屬于瓦斯異常涌出風險防控體系的“非特異性免疫”；瓦斯抽放、合理局部通風及其他專項防控措施是針對特定誘因瓦斯異常涌出所采取的主動、專門、有效的防控措施，屬于瓦斯異常涌出防控體系的“特異性免疫”。瓦斯異常涌出風險防控體系與免疫系統對應關系見表1。

表1 瓦斯異常涌出風險防控體系與免疫系統對應關系Table 1 Corresponding relationship between abnormal gas emission control system and immune system

4 結 語

1）生物免疫系統是結構嚴密、功能強大、進化成熟的復雜自適應系統，能夠有效抵御各種各樣抗原的侵襲。瓦斯異常涌出誘發因素與抗原皆具有多樣性、復雜性、已知與未知共存等特性，故生物免疫系統防御抗原機制對瓦斯異常涌出的風險防控具有可借鑒性。

2）根據相關文獻，從目的、結構、作用機制等方面對瓦斯異常涌出風險防控體系進行了歸納闡述。瓦斯異常涌出風險防控體系主要分為瓦斯異常涌出管理體系和風險防控技術體系，主要目的是消除或削弱瓦斯異常涌出誘發因素的影響，杜絕瓦斯異常涌出的發生或減輕其后果，維持系統穩定。

3）從作用對象、作用機制、功能、對應關系等方面對瓦斯異常涌出風險防控體系與生物免疫系統兩者之間的耦合性進行分析，兩者存在一定的耦合性。瓦斯異常涌出誘發因素相當于侵襲系統的“抗原”，瓦斯異常涌出的發生相當于系統產生了“疾病”。瓦斯異常涌出風險防控體系同樣具備“非特異性免疫”和“特異性免疫”。

4）通過對兩者耦合性的分析，免疫理論應用到瓦斯異常涌出防控上具有一定的合理性，可為進一步開展基于免疫機理的瓦斯異常涌出風險識別、防控等方面的研究奠定基礎。