基于區域災害系統論的煤礦瓦斯危險源風險評價

馬 恒，劉曉宇*，高 科

(1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島125105；2.遼寧工程技術大學礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島125105)

在煤礦各類事故統計中，瓦斯事故較其他事故的發生更加嚴重。據統計，2001—2020年間，全國煤礦發生瓦斯類事故共1 786起，共造成死亡人數達11 408人，占全國煤礦事故死亡總數的32%以上。

為了更有針對性地預防煤礦瓦斯災害，對煤礦瓦斯危險源風險進行科學評價至關重要。不少學者應用現有的理論知識建立了一系列煤礦瓦斯危險源風險評價模型。如皮子坤等[1]根據事故致因理論和煤礦瓦斯事故發生所具備的條件，建立了煤礦瓦斯爆炸風險評價的指標體系，并結合前景理論和模糊綜合評價理論對煤礦瓦斯爆炸風險進行了綜合評價；張愛然等[2]從事故發生的可能性、損傷程度和應急救援3個角度，建立了煤礦瓦斯重大危險源風險分級評價模型，并利用基于Z-number模糊數的模糊綜合評價方法對煤礦瓦斯危險源風險進行了綜合評價；溫廷新等[3]利用核主成分分析法(KPCA)對影響煤礦瓦斯危險源的因素進行了降維提取，并將遺傳算法和BP神經網絡算法相結合對煤礦瓦斯爆炸風險進行了綜合評價；田水承等[4]在危險源理論的基礎上提出了三類煤礦瓦斯危險源的觀點，并基于SPA模型對煤礦瓦斯危險源風險進行了安全評估；黃冬梅等[5]基于危險源理論，通過建立灰色-層次評價模型，對煤礦瓦斯爆炸事故風險等級進行了評價；張震等[6]建立了一種基于Keras長短時記憶網絡的礦井瓦斯濃度預測模型，通過對礦井瓦斯濃度時間序列進行標準化處理與預測，從而實現了對煤礦瓦斯災害事故的預防。

上述研究雖然實現了煤礦瓦斯危險源的風險分析和排序，有利于煤炭生產企業較好地進行安全管理和決策，但在構建煤礦瓦斯危險源風險評價指標體系時未考慮到煤礦瓦斯事故發生造成的后果和損失程度，影響了對其災害發生率的科學評估。煤礦瓦斯事故發生的影響因素不僅有瓦斯自身的因素，還有環境因素和人為因素，以及煤礦瓦斯事故發生時將可能造成的人員傷亡和財產損失，而區域災害系統理論便是從這三個角度對煤礦瓦斯災害進行理論分析，因此本文基于區域災害系統理論，從致災因子的危害分析、孕災環境的敏感性分析和受災體的脆弱性分析三方面對煤礦瓦斯危險源風險進行綜合評價，并結合三維風險立方體模型，實現對煤礦瓦斯危險源的全面風險評估。

1 區域災害系統理論

區域災害系統理論的概念是由史培軍[7]提出的，常用于分析自然災害、技術災害和社會災害。區域災害系統理論認為，對于災難的發生，不僅要考慮致災因子和孕災環境兩方面因素，還應該將受災體納入其中。致災因子和孕災環境是災害發生的前提，兩者缺一不可，而受災體決定了最終事故損失的嚴重程度。

根據煤礦瓦斯災害發生的影響因素，從廣義的角度來看，煤礦瓦斯事故的發生，也是由致災因子、孕災環境和受災體三者共同作用導致的。其中，致災因子是指活動過程中由于某些因素導致能量的突然釋放，包括過程中的能量源、能量載體等，瓦斯自身能量達到極限致使能量的突然釋放可能導致煤礦瓦斯事故的發生；孕災環境是指引起能量變化，如對危險物質的約束變化或制約行為的失效等各種因素即制約瓦斯能量失衡的措施失效從而誘發煤礦瓦斯事故，包括人為因素、環境因素和管理因素等；受災體指的是由于事故發生對其造成損害的載體，包括人員、財產、自然環境等，即煤礦瓦斯災害發生最終導致的人員傷亡和損失等。

煤礦瓦斯災害的發生隨著時間以及生產過程的進度變化，具有動態變化的特征，且影響煤礦瓦斯危險源的風險因素中火源和瓦斯濃度變化具有偶然性和隨機性，如瓦斯聚集呈現的非線性以及瓦斯無規律的涌出。

綜合上述煤礦瓦斯災害的特點，本文認為區域災害系統理論可以全面概括和反映煤礦瓦斯災害的風險等級，為從多個角度來分析、評價和控制煤礦瓦斯災害提供了新的理論基礎。

2 基于區域災害系統理論的煤礦瓦斯危險源風險評價模型

將區域災害系統理論作為基礎，本文提出由致災因子、孕災環境和受災體三部分組成的煤礦瓦斯危險源風險評價的新數學模型，具體詳細的評價過程和分析方法敘述如下。

2.1 致災因子的危害性評價

如上所述，煤礦瓦斯危險源的致災因子是指活動過程中由于某些因素導致瓦斯內部能量的突然釋放。故而在選取評價指標時，從影響瓦斯本身的內在因素和外在環境因素兩個角度選取煤礦瓦斯危險源的致災因子評價指標，建立的煤礦瓦斯危險源的致災因子評價指標體系，見圖1。

圖1 煤礦瓦斯危險源的致災因子評價指標體系

屬性數學理論的優點在于評價等級的有序劃分以及不會出現損失中間值的問題等[8]，因此本文利用屬性數學理論對煤礦瓦斯危險源的致災因子進行綜合評價。屬性數學理論模型構建的過程如下：

(1) 確定屬性區間矩陣。煤礦瓦斯危險源的致災因子評價對象空間X，由內在因素x1和外在因素x2兩個因素構成，記為X=(x1,x2)。每個因素均由m個評價指標I1,I2,…，Im組成，xij表示第i個樣本第j個評價指標的測試值，每個樣本均可表述為xi=(xi1,xi2,…，xim)。設屬性空間F={C1,C2,…,Ck}為致災因子的評價集，其中C1

表1 評價指標的等級劃分標準

在上述屬性空間的基礎上，令：

(1)

dj=ajk0-bjk0=min{ajk-bjk) (k=1,2，…，n-1)

(2)

設t為x的第j個評價指標值，假設aj0

(5)

當dj=ajk0-bjk0、k0>1，則單指標屬性測度函數μijk0(t)可表示如下：

(6)

(2) 多指標屬性測度分析。依據上述步驟得到第i個樣本的第j個評價指標的屬性測度，結合各自對應的權值得到綜合屬性測度，確定該樣本屬于第k類的屬性測度μik=μ(xi∈Ck)。子系統綜合屬性測度根據如下公式計算：

(7)

式中：ωj為第j個評價指標的權重值；μijk為第i個樣本的第j個評價指標的屬性測度。

(3) 基于置信度屬性識別。評價類為(C1,C2,…,Ck)，λ為置信度，且滿足0.5<λ≤1。若滿足如下公式：

k0=min{k:∑μxi≥λ,1≤k≤n}

(8)

則認為x屬于Ck0級，其中k0=1,2,…,n。實際應用當中，λ的取值范圍為0.6～0.7。

2.2 孕災環境的敏感性評價

煤礦瓦斯災害的孕災環境是指在煤礦瓦斯事故孕育和發展過程中所涉及到的周圍環境因素和條件，若這些因素結合致災因子，可在某種程度上對災害發生的強度起到加強或者減弱的作用。孕災環境的穩定性是指孕育致災因子環境條件的穩定程度，在選取評價指標時可歸納為4種因素：人為因素、設備因素、管理因素和環境因素[9],建立的煤礦瓦斯危險源的孕災環境評價指標體系，見圖2。

圖2 煤礦瓦斯危險源的孕災環境評價指標體系

由于孕災環境的影響因素多為性質模糊的定性指標，因此本文利用模糊綜合評價法[10]對孕災環境進行量化，對孕災環境的敏感性進行綜合分析與評價。

煤礦瓦斯危險源的孕災環境因素集U由4個評價指標組成，記為U={u1,u2,u3,u4}；將其評價集合分為低風險、中風險、中高風險、高風險，記為V={v1,v2,v3,v4}。先利用層次分析法確定孕災環境各評價指標的權重W[11]，然后邀請相關專家憑借經驗和專業能力對各評價指標進行打分并依據打分情況建立模糊判斷矩陣R，最后依據下式計算孕災環境敏感性最終的評價結果S：

S=W·R

=(b1,b2,…,bp)

(9)

式中：bi表示孕災環境屬于第i個風險評價等級的隸屬程度。

2.3 受災體的脆弱性評價

受災體是事故發生的承載對象，煤礦瓦斯事故的承載對象通常包括人員、設備和環境。煤礦瓦斯災害系統的脆弱性一般體現在礦井瓦斯爆炸災害發生的過程中，如暴露在災害中的井下工作人員、機械設備、工礦企業財產等[12],故而本文從人員、設備和環境三方面選取受災體的評價指標，建立的煤礦瓦斯危險源的受災體評價指標體系，見圖3。

圖3 煤礦瓦斯危險源的受災體評價指標體系

由于受災體的影響因素大部分為模糊的定性指標，為了使得到的評價結果更具有合理性和客觀性，本文采用模糊綜合評價法對受災體的脆弱性進行綜合評價，評價指標的權重值采用層次分析法進行計算。

2.4 風險等級確定

2.4.1 風險等級劃分

由于煤礦瓦斯事故發生的時間和環境的不同會導致事故的嚴重程度也不相同，因此本文采用風險立方體模型[13]對煤礦瓦斯危險源的風險等級進行劃分，即基于區域災害系統理論，從事故發生的可能性、事故發生的敏感性和事故的嚴重程度三個角度，將致災因子、孕災環境和受災體分別作為一個維度且每個維度分為4個等級：低風險(Ⅰ)、中風險(Ⅱ)、中高風險(Ⅲ)和高風險(Ⅳ)，見圖4。煤礦瓦斯危險源的風險等級劃分和控制要求，詳見表2。

表2 煤礦瓦斯危險源的風險等級劃分和控制要求

圖4 煤礦瓦斯危險源的風險立方體模型

2.4.2 定性風險等級分級

煤礦瓦斯危險源風險評價模型將最低合理可行原則(As Low As Reasonably Practicable,ALARP)[14]作為依據，基于區域災害系統理論將煤礦瓦斯危險源的風險評價等級劃分為4個等級，形成的定性風險等級見表3。例如圖4中標星的風險等級為低風險(Ⅰ)，致災因子、孕災環境和受災體分別為低風險(Ⅰ)、高風險(Ⅳ)、低風險(Ⅰ)等級。

表3 煤礦瓦斯危險源風險評價定性分級

3 實例應用與分析

本文以古城煤礦作為實例，利用基于區域災害系統理論建立的煤礦瓦斯危險源風險評價模型對該煤礦瓦斯危險源風險進行綜合評價。

3.1 古城煤礦簡介

古城煤礦礦井的井田面積為157.299 3 km2，礦井設計生產能力為800萬t/a，主采3#煤層，平均厚度為6.28 m，工業資源量為12.6億t，可采儲量為7.42億t，服務年限為71.4年。古城煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯吸附能力強，屬低透氣性難抽放煤層，所采3#煤層不易自燃，煤塵具有爆炸危險性，無突出危險性，礦井開采時工作面絕對瓦斯涌出量為21.813 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.79 m3/t，井下工作人員人數為80人/班。礦井回采工作面采用預抽和邊掘邊采的瓦斯治理方式，掘進工作面采用邊掘邊采的瓦斯治理方式，采空區采用的是高位裂隙帶抽采的瓦斯治理方式。煤礦井下設置的瓦斯傳感器報警值≥0.8%，斷電值≥1.2%，復電值<0.8%，斷電范圍為礦井工作面及其回風巷內全部非本質安全型電氣設備。

3.2 致災因子的危害性評價

利用層次分析法計算該煤礦瓦斯危險源的致災因子各評價指標的權重。首先建立致災因子的判斷矩陣，依據構建的判斷矩陣分別計算出致災因子各評價指標相應的權重值，并根據收集到的相關數據資料，整理得到各個評價指標參評值。本文將該煤礦瓦斯危險源的致災因子各評價指標權重及其分級標準和參評值進行了匯總，詳見表4。

表4 古城煤礦瓦斯危險源的致災因子各評價指標權重及其分級標準

根據公式(1)～(6)以及各評價指標的分級標準，可計算得到每個樣本指標對應的屬性測度函數，從而得到各評價指標的屬性測度。該煤礦瓦斯危險源的致災因子級指標內在因素和外在因素的綜合屬性測度，見表5和表6。

表5 古城煤礦瓦斯危險源的致災因子內在因素綜合屬性測度

表6 古城煤礦瓦斯危險源的致災因子外在因素綜合屬性測度

根據公式(7),可計算出該煤礦瓦斯危險源的致災因子危害性的綜合屬性測度，見表7。屬性空間F={致災因子危害性}，其分割類C1、C2、C3、C4分別代表致災因子危害性分別為低風險(Ⅰ)、中風險(Ⅱ)、中高風險(Ⅲ)和高風險(Ⅳ)。

表7 古城煤礦瓦斯危險源的致災因子危害性綜合屬性測度

利用公式(8)，根據置信度λ的取值范圍，本文取λ=0.6，得到該煤礦瓦斯危險源的致災因子危害性評價的最終結果如下：

(1) 內在因素的危害性k0=1，評價風險等級為低風險；

(2) 外在因素的危害性k0=1，評價風險等級為低風險;

(3) 致災因子的危害性k0=1，評價風險等級為低風險。

3.3 孕災環境的敏感性評價

利用層次分析法計算孕災環境各評價指標權重值，并邀請專家憑借相關經驗和專業能力對各評價指標進行打分[15]，該煤礦瓦斯危險源的孕災環境各評價指標權重和專家打分情況見表8。

表8 古城煤礦瓦斯危險源的孕災環境評價指標權重及打分情況

根據專家打分情況，得到人為因素的模糊評價矩陣R1、設備因素的模糊評價矩陣R2、管理因素的模糊評價矩陣R3、環境因素的模糊評價矩陣R4，具體如下：

由表8可知，二級指標對其一級指標的權重分別如下：

W1=[0.136 5,0.625 0,0.238 5];

W2=[0.457 6,0.103 8,0.178 9,0.259 7];

W3=[0.096 9,0.434 8,0.286 3,0.182 0];

W4=[0.083 3,0.500 0,0.250 0,0.166 7].

故而,得到孕災體最終的模糊判斷矩陣為

根據公式(9),可計算得到該煤礦危險源的孕災環境敏感性的最終評價結果為S=(0.533 3,0.336 1,0.178 7,0.030 7)，再根據最大隸屬度原則，確定古城煤礦瓦斯危險源的孕災環境風險評價等級為低風險。

3. 4 受災體的脆弱性評價

受災體的脆弱性評估是一個復雜的系統，具有多個層次。本文利用層次分析法計算得到受災體各評價指標的權重和專家打分結果(見表9)，并根據模糊綜合評價法，得到受災體各一級指標的模糊判斷矩陣如下：

表9 古城煤礦瓦斯危險源的受災體脆弱性評價指標權重和專家打分情況

由表9可知，二級指標對其一級指標的權重分別如下：

WH=[0.667 0,0.333 0];

WF=[0.268 4,0.117 2,0.614 4];

WE=[0.210 9,0.084 2,0.704 9].

故而得到受災體最終的模糊判斷矩陣為

根據公式(9),可計算得到受災體脆弱性的最終評價結果為V=(0.368 1,0.588 2,0.046 6,0.004 5)，根據最大隸屬度原則，確定古城煤礦瓦斯危險源的受災體脆弱性風險評價等級為中風險。

3.5 煤礦瓦斯危險源風險評價等級的確定

綜合以上分析可知，古城煤礦危險源的致災因子危害性、孕災環境敏感性、受災體脆弱性風險評價等級分別為：低風險(Ⅰ)、低風險(Ⅰ)、中風險(Ⅱ)。通過表3的風險評價定性分級情況得到古城煤礦瓦斯危險源的風險評估結果處于低風險狀態，該評價結果與實際情況一致。古城煤礦為高瓦斯礦井，建立了瓦斯抽采系統，但礦井工作面瓦斯涌出量較大，煤塵爆炸性危害大，井下作業人員較多，員工的安全意識有待提高，對員工的安全培訓應該加強，按照表2中對煤礦瓦斯危險源的風險等級劃分和控制要求，應將該煤礦瓦斯危險源上報至縣級主管部門，建立有效的監控措施，發現問題及時處理，并每年向縣級行政主管的部門報告重大危險源的監控情況。

4 結 論

(1) 本文以區域災害理論為基礎，綜合了現有的幾種評價方法，有效地對煤礦瓦斯危險源風險進行了綜合評價，提出了一個清晰的評價框架，可更有針對性地對實際煤礦進行安全管理。

(2) 將建立的評價模型應用到古城煤礦瓦斯危險源的風險評估，結果表明：古城煤礦瓦斯危險源的風險等級處于低風險狀態，該評價結果與實際情況相符合。但該煤礦還需完善瓦斯監控系統，提高井下設備對瓦斯危險源的辨識強度，以確保瓦斯危險源處于安全狀態。

(3) 本文提出的新方法仍存在一些缺陷，如模糊綜合評價法主觀性較強，可能會影響最終的評價結果。此外，瓦斯危險源的風險在實際管理中是時間變量，如孕災環境隨著時間變化會產生質變，后續研究還需考慮動態風險評價方法。