金屬礦深井充填管道系統失效風險可視化分析方法

楊 震 劉哲明 郭 梨

(西安建筑科技大學資源工程學院,陜西 西安 710055)

在深井礦山中,充填采礦法的應用比重加大,主要采用膠結自流充填工藝[1]。管道輸送是充填工藝的核心,尤其管道輸送系統作為整個充填系統的咽喉要道,某些部件發生故障會影響系統的正常運作,導致管道系統模式失效,甚至影響礦山的正常生產。

國內外學者針對管道風險評估做了大量研究。鄭晶晶等[2]運用故障模式和影響分析法(FMEA)分析得到了系統的失效模式,并通過各失效模式產生失效影響的模糊評估,得到了不同失效模式對系統可靠性影響的排序結果。王恩杰、王新民等[3-5]分別通過建立變權-模糊多維評估模型、變權重理論(VW)和云模型(CM)的綜合評判模型等方法,對管道風險進行了評估,驗證了其評估模型的有效性。沙巴尼[6]使用故障概率(POF)理論估計了自由跨海海底管道的可靠性,并根據目標安全級別進行了分析。阿馬亞戈麥斯[7]基于實驗和數值爆裂測試的預測技術,對不同簡化模型的保守性水平進行比較,為腐蝕管道風險評估選擇了可靠性模型。張欽禮等[8]基于某金屬礦深井開采充填料漿管道輸送系統運行的工程實例,對充填料漿管道輸送的動力學過程進行了模擬分析,證明了該系統的安全可靠性。馮巨恩等[9]通過層次分析并利用二級模糊綜合評判的方法,確定了系統失效的可接受概率。張強、溫凱等[10-11]分別基于管道第三方挖掘極限狀態方程、FAD等技術的蒙特卡洛方法,證明了所選取的管道系統案例符合管道可靠度的要求。吳巍等[12]提出了一種新的含內腐蝕缺陷油氣管道安全評價方法,將概率論與可靠性理論相結合,處理了隨機和模糊的不確定性,對存在腐蝕缺陷的油氣管道進行了安全評估,得到管壁厚度對管材腐蝕失效概率的影響最大的結論。現有研究大多是針對管道磨損、腐蝕等問題進行的風險評估,而忽略了致災因子之間的交叉影響關系,缺乏對管道系統內部級聯耦合影響的系統性分析。如FMEA主要針對的是單體設備,無法從整個工藝系統角度進行工藝風險分析;基于動力學進行的模擬過程和利用概率理論進行動態安全評價的過程中皆沒有考慮到系統中的“人因”影響。

因此,本項目在已有研究的基礎上,從情景—應對視角出發,充分考慮致災因子之間的交叉影響關系和系統層次之間的涌現性,將權重質心法(ROC)、交叉影響分析(CIA)和阻尼解釋結構模型(DISM)進行結合,構建了一個深井充填管道系統失效風險評估模型,分析深井充填管道系統失效的情景演化過程。通過層級有向圖,實現了關鍵影響因素的可視化分析,為探究充填管道系統級聯失效演化過程提供新的思路,也為礦山企業充填管道系統的管理與事故預防工作提供科學的參考依據。

1 CIA-DISM風險評估模型構建

研究在案例收集和文獻分析的基礎上,結合深井充填管道系統在實際生產中自身存在問題,綜合考慮人、設備、環境等屬性,提出阻尼解釋結構風險分析模型。該模型作為一種可視化風險識別分析方法,能夠厘清風險因素間復雜混亂的直接與間接影響關系,為風險識別分析提供了一種新思路。

1.1 確定因素發生概率

深井充填管道系統的失效通常是由多種因素共同作用所導致,合理計算各因素的發生概率對于分析事故的深層機理尤為重要。針對引發系統失效事件的低概率性和專家需要檢查大量事件的主觀性,權重質心法(Rank-order centroid,ROC)是一種基于最大熵原理從排序中近似得出概率的算法,通過運用多迭代決策分析的順序排序方法為各事件提供了一個快速的非數值概率引出過程,阿巴斯遵循的推理與此類似[13]。本算法就消除專家主觀性與算法計算時間而言具有顯著優勢。

該變換算法進行改進后以引出低概率事件(LowPrb)概率。

(1)專家通過數值評估得到一個沒有特定事件(不確定事件)發生的概率,此概率可通過傳統方法得到。對于列表中的風險因素,即使各事件不太可能發生,但概率仍在可以引發的范圍內。

(2)排序完成后,各事件分配以似然度量(即所謂的β度量)—與Ludke等使用的相對似然測度相似[16]。此分配的算法取決于事件的類型,本研究中應用的是小概率事件SInd,表示為

(3)β是事件可能性的比例尺度度量,由于概率P也是事件可能性的比例尺度度量,因此兩者可以通過正乘法變換相互映射。且β1總是等于1。因此,bij是事件i和事件j之間的似然比:

在j=1的情況下,

因此,Pi的計算如下:

對于SInd事件,本文使用了補充事件也是SInd的事實。因此,沒有指定事件發生的概率必須等于所有事件概率的乘積。由此條件導出的方程用于歸一化如下:

由于式(4)是P1中的一個n階多項式,因此它最多可以有n個解。然而,根據給定方程的性質,它在單位區間內的P1總是有一個也只有一個解。并且P1是一個概率,只在單位區間內定義,因此歸一化問題有一個唯一的解。一般來說,n階多項式對于n大于4沒有解析解。但是區間[0,1]的二分法可以得到式(4)的解。一旦從求解式(4)中找到P1,其他概率遵循式(3)。

(4)如果一共n個事件,m個事件排序相同并且在q個事件之后,那它們之間的似然比βi的計算如式(5),連續排名的事件排名從第q+m-1級開始。

1.2 確定因素間交叉影響關系

在初始關系矩陣中,行i和列j代表事件,交叉影響矩陣中Cij代表元素Ei對Ej的影響關系。正值表示Ei對Ej具有促進作用,而負值則具有相反功能。概率的變化可以充分辨明影響方向,給決策者指明明確的決策方向,使決策目標更為清楚。

已知各事件發生的初始概率值Pi(i=1,2,3,…,n)后,將各事件間的相互影響程度定量化分類如表1所示。

表1 影響程度量化Table 1 Quantification of impact

交叉影響問題是從不同的世界觀中推斷因果關系,這是通過根據個別事件的結果來擾亂參與者的初始觀點而建立的,應用于風險決策中,可以對決策問題的影響事件做出全面的考慮。因此,由Gordon T J和Hayward H[17]提出的概率估計公式為

式中,Cij為Ei對Ej的影響,負值意味著降低Ej發生的概率,正值表示提高Ej發生的概率;Pi為Ei發生的概率;Pj為Ej發生的概率。

1.3 構建事故情景模型

CIA-DISM的本質是把一類含有負數的矩陣,按照一定的數理邏輯轉化成一個布爾矩陣,再進行求解。該模型將要素之間的關系進行了拓展,論域從[0,1]拓展到了[-1,1],即把模糊性擴展到負數的區間。對于模糊數學中最基本概念模糊數從[0,1]區間拓展到[-1,1],其區間符合事實[18]。現實中也存在著基于負數的關系判斷,這種關系被稱之為破壞性的、阻撓性的關系。而這種關系是使得原因要素、可達要素之間產生性質相左的影響。比如要素:工人對設備隱患排查及維修周期長,對于系統失效就是關系為負。

圖1展示了 ROC、CIA和 DISM的協同建模過程。

圖1 CIA-DISM模型流程Fig.1 Model flow chart of CIA-DISM

并規定:當兩要素對之間有正影響時,矩陣元素為正數,其值為對應的權值;要素對之間有負影響時,矩陣元素為負數,其值為對應的權值,其中負的性質可以用不同的顏色加以區分,或者在有向邊上標注數值加以區分;要素對無影響時,矩陣元素為0。 阻尼矩陣中取值描述如下:

上述可簡化為

式中,Ei表示為要素i,Ej表示為要素j。

2 系統失效機理分析

管道輸送是充填工藝的核心,在充填管網系統中,料漿一般為非滿管流狀態,它具有2種流動形式,空氣—料漿界面上部為自由降落段、下部為滿管流段。采用膠結自流充填管道系統充填的管道的失效是一個長期且復雜的消耗過程,包含了客觀因素與人工因素,如圖2所示。一個因素可能會觸發另一個因素產生級聯作用,在生產過程中人、物、環境方面難免存在各種潛在的風險,系統中的某些部件發生故障會影響系統的正常運作,增加工人勞動強度,發生嚴重的安全事故。

圖2 深井充填管道系統失效事故機理Fig.2 Mechanism diagram of failure accident of deep well filling pipeline system

3 案例分析

以我國某金屬礦山充填管道系統為例,提出基于CIA-DISM的管道系統事故災害情景分析模型,對各風險因素之間的關系進行了研究。該礦山自2006年開始生產,主要采用高濃度自流輸送充填,現階段垂直高度為600～800 m。井下充填管網系統主要分為主礦廠和子礦廠兩部分,充填管線主要由鉆孔、充填井和沿采準斜坡道布設的充填管組成,具有管網系統復雜、部分管道高差大等特點。地表充填料漿通過管道輸送系統,利用自流方式輸送到采空區。以“事件”的概念對影響該礦山管道事故的主要因素進行融合,分析事件之間的交叉影響關系建立情景分析模型,并根據此方法對礦山管道系統事故災害過程進行情景分析和推理,為決策者提供參考決策,進而提高企業安全生產管理和應對突發事件的能力。

3.1 構建事件集

事件集的構建中綜合考量了礦業專家的相關意見、礦山工作人員的實踐經驗和大量參考文獻,總共選取了與料漿特性、管路屬性、人員管理等有關的30個影響水平充填管道的具體因素事件,根據事件的性質,分為初始事件、動態事件和輸出事件,見表2。

表2 充填管道系統失效過程事件集Table 2 Filling pipeline system failure process event set

初始事件:初始條件是假設、或源事件,這些事件在管道失效之前已經發生,或在管道失效時可能正在發生。以此來反映深井充填管道系統應急管理和其他可能對后續事件產生重大影響的關鍵事件的狀態。

動態事件:動態事件是當金屬礦深井充填管道系統失效模式發生后的相關事件,以此來反映充填管道系統失效時影響因素的狀態和可能造成的級聯災害。

輸出事件:輸出事件是指深井充填管道系統發生失效后產生的后果,列舉了4種典型的負面結果,如財產損失、公眾對礦產行業安全期望度降低等其他可能的情況。

3.2 情景分析

事件集確定之后,需要獲得每個事件可能發生的初始概率。由于該領域數據的缺乏,本項目采用專家打分的方式為事件集進行由高到低的排序。為了更好地消除專家之間意見的差異性,減少專家意見主觀性的影響,邀請多名礦業相關專家及應急管理領域的專家、礦山一線工作人員以及管理人員組成專家小組,以取得共識事件排序結果,通過ROC方法對各事件的排序進行匯總并取得科學合理的初始概率表。

基于交叉影響分析法得到交叉影響矩陣,交叉影響矩陣中Cij的數值大小代表事件之間的方向和影響程度。在構建解釋結構模型時,根據需要將影響相對較小的事件之間的關系舍去,保留影響較大的事件間的影響系數。本文整理了所有影響系數Cij的絕對值的頻次和分布情況,將|Cij|的數值按照由高到低排序,分析處理數據后選擇了前30%的強關系構造新的交叉影響矩陣(極限值|Cij|≥0.524(占比為30%),可以推斷出關鍵元素。統計和構建了以0.1為區間的可以顯示出元素之間的層次關系的頻次直方圖,如圖3所示。

圖3 影響系數|Cij|的頻率統計Fig.3 Frequency statistical graph of influence coefficient|Cij|

在構建了極限值為0.524的新交叉影響矩陣之后,應用阻尼解釋結構模型將初始阻尼矩陣轉化為手性矩陣,在阻尼矩陣中,通過改變矩陣元素方向,不改變大小得到手性對稱矩陣。在情景庫構建中,通過手性矩陣的轉化實現對情景演化機理的覆蓋。最后計算出可達矩陣并且得到多級有向圖。多級有向圖表現了結構之間層次的涌現性,追根溯源得到導致深井充填管道系統中最關鍵的因素,從而從根本上遏制事故風險的發生。

表3 專家打分排序及計算結果Table 3 Expert scoring ranking and calculation result

由圖4的遞進關系可知,該模型是一個5級層次結構模型,本文可將深井充填管道系統失效的導致原因具體劃分:

圖4各節點圖形的形狀反映了各事件對系統失效的促進和抑制關系,圖中事件的形狀分為圓形和方形,圓形代表積極影響,方形代表消極影響,圖中灰色圓形代表輸出事件,沒有影響。圖4第一層L1代表該層的因素是影響管道系統失效的最關鍵最根源的因素,稱之為深層因素,深層因素是事故發生的根源,影響著情景中其他因素的發生,因此在礦井失效事故的管理中,應當從深層因素出發采取相關措施。L2～L3為中層因素,中層因素是系統事故發生的關鍵性因素,在結構中起到承下啟上的作用。L4～L5為表層因素,表層因素受各層因素的制約是中層因素和深層因素的直接表現形式[19]。

圖4 深井充填管道系統失效事故因素層次結構模型Fig.4 Hierarchical structure model diagram of failure accident factors of deep well filling pipeline

由層次結構模型可知導致深井充填管道系統失效最根本的因素全部來自物的因素和人的因素,有充填倍線、骨料剛度、溶解氧含量、管道壁薄厚以及安裝質量和管理者的事故預防意識。因此,為了減少事故的發生,從影響充填管道系統的參與主體出發,合理設計充填倍線、科學選擇管道壁厚,認真提高安裝質量,加強管理者安全防范意識與技能培訓是降低事故發生的必要途徑。

除此之外,由層次結構模型圖易知現場人員是否及時報告管道的初始磨損情況與工人檢查周期長短有關,而工人對隱患排查周期長短則由管理者培訓演練周期決定,人的因素是層層遞進有根可源;充填倍線的大小和管道的安裝質量兩個因素決定著管道的敷設狀況,并且充填倍線小會導致系統高差大,進而導致料漿在管道內運行速度高、管道的承受壓力大。充填管道系統發生的磨損、堵塞、爆漿、漏漿等事故都與管道的直徑大小、骨料顆粒形狀有著直接聯系,因此選擇合適恰當的直徑和形狀規則的骨料顆粒對管道系統有著積極影響。漿體的pH值與溶解氧含量有著直接關聯,溶解氧含量越高,漿體pH越低;溶解氧含量越低,漿體pH越高。結構中有兩個微場景集,料漿濃度大小和料漿配比兩個事件之間具有很強的關聯性,要素之間的相互作用將形成一個循環。輸出事件:財產損失、工人勞動強度和系統失效造成的大眾對礦產行業非理性看法等與人、物、環境的因素有關,因此加強管道系統的科學設計、因地制宜,強化企業管理人員的安全意識、加強一線工人培訓,能夠有效減少中間動態事件的發生并降低事故的發生率。

4 結 論

(1)本文引出概率方法的設計使專家只受到最低限度的認知偏見,具有很強的魯棒性。在已知各事件概率的基礎上,應用交叉影響分析法獲得兩事件之間的交叉影響關系系數,節省了大量的操作步驟。應用情景演化方法探究出系統層次之間的涌現性和風險因素之間的因果關系。

(2)通過情景感知、情景構造和情景演繹,建立深井充填管道系統失效模式分析模型。結果表明:滿水點位置、骨料顆粒形狀、管道直徑及其敷設情況都是系統中關鍵性的環節。充填管道系統失效的特征不僅表現為事件之間的連鎖效應,還表現為次級事件造成的影響比初始事件更大的放大效應,在管理上體現得尤為明顯,例如由于現場人員未及時報告初始磨損情況從而導致的增加工人勞動強度等。

(3)充填管道系統失效模型的構建可以為失效前的準備、過程和整個周期管理提供基礎。并且,發現系統中所存在的問題,通過構建不同層次的次級事故情景,找到脆弱性最強的風險因素,可以進一步完善金屬礦深井充填管道管理體系,為礦山工貿企業的安全風險管理提供有益的建議。