謝 宏,張 元

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國經(jīng)過70多年的瓦斯治理實(shí)踐，特別是經(jīng)過“六五”至“十三五”期間的國家重點(diǎn)科技攻關(guān)，瓦斯防治技術(shù)較之以往已經(jīng)有了較大突破。在瓦斯抽采方面，以“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”作為瓦斯治理方針，全面構(gòu)建煤礦瓦斯治理工作體系，具體概括為“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”。對于瓦斯突出防治，已經(jīng)形成了一整套“四位一體”的綜合防突技術(shù)體系，具體為：預(yù)測、措施、措施效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)措施，同時該綜合防突技術(shù)體系還配有完善的預(yù)測方法、技術(shù)措施和裝備。防突工作在勘探地質(zhì)、建設(shè)新井、新采區(qū)開拓延深、工作面掘進(jìn)和回采過程中始終貫徹，均收獲了良好的防突效果。但沒有從根源上控制瓦斯事故態(tài)勢，還需繼續(xù)深挖科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)。

1 瓦斯災(zāi)害歷史

1.1 瓦斯事故總量統(tǒng)計(jì)

我國瓦斯治理經(jīng)過70多年的努力，瓦斯事故總量、百萬噸死亡率總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢?，F(xiàn)以“十五”時期至“十三五”時期為例，統(tǒng)計(jì)我國煤炭生產(chǎn)量、瓦斯事故總量、瓦斯事故死亡人數(shù)、百萬噸死亡率的數(shù)據(jù)，見表1，并將該時期百萬噸死亡率繪制成折線圖，以展示變化趨勢，如圖1所示。

表1 各時期全國煤礦瓦斯事故統(tǒng)計(jì)

圖1 各時期每百萬噸死亡率注：數(shù)據(jù)全部來源于國家礦山安全監(jiān)察局、省(區(qū)、市)煤礦安監(jiān)局、中國煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)及《中國安全生產(chǎn)年鑒》等公開發(fā)表的數(shù)據(jù)和資料，為不完全統(tǒng)計(jì)。

1.2 特別重大事故統(tǒng)計(jì)

1993-1999年據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)發(fā)生瓦斯特別重大事故共計(jì)8起死亡人數(shù)509人，相關(guān)單位于1993年首次頒布《中華人民共和國礦山安全生產(chǎn)法》。

2000-2005年瓦斯特別重大事故發(fā)生頻繁，在此期間國家于2001年發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于特大安全事故行政責(zé)任追究的規(guī)定》，2002年6月頒布了《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》。2005年起根據(jù)《煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)五十條》《煤礦瓦斯治理與利用總體方案》《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十一五’規(guī)劃》等重要文件，我國逐步明確了以“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”為基本方針的煤礦瓦斯綜合治理模式。

2006-2013年瓦斯特別重大事故事故總數(shù)及造成死亡人數(shù)較之前有所減少，但仍有發(fā)生，2009年國家發(fā)布了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，同時2009年對《中華人民共和國礦山安全生產(chǎn)法》進(jìn)行修改并發(fā)布。2013年至今，瓦斯特別重大事故及造成死亡人數(shù)較少。建國以來瓦斯特別重大事故的高峰期與安全生產(chǎn)事故的高峰期基本一致。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 各年份瓦斯特別重大事故數(shù)及造成死亡人數(shù)

1949年新中國成立以來，我國安全生產(chǎn)大致可概括為“三升三穩(wěn)”?！叭钡娜齻€階段為“大躍進(jìn)”時期、“文革”時期及1993年至2002年，“三穩(wěn)”的三個階段為新中國建立初期、“文革”結(jié)束后的一段時期及2003年至今。從“三升三穩(wěn)”的歷史經(jīng)驗(yàn)可以看到，能夠影響安全生產(chǎn)的因素有政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會各方面問題和多種致災(zāi)因素。瓦斯治理的歷史與以上有相同的規(guī)律，對待這一問題，必須把握客觀規(guī)律，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，嚴(yán)守安全紅線，立足全局把握安全生產(chǎn)的大方向、大邏輯，不斷提高安全生產(chǎn)整體水平。

2 瓦斯災(zāi)害防治

日常安全管理中，瓦斯災(zāi)害防治的邏輯關(guān)系是：如果沒有瓦斯災(zāi)害，也就不需要干預(yù)，安全生產(chǎn)狀態(tài)將會良好運(yùn)行；存在瓦斯災(zāi)害的礦井，將拉低安全生產(chǎn)指數(shù)；采取正確的、有針對性的干預(yù)措施，則有益于安全生產(chǎn)指數(shù)回升；干預(yù)措施與瓦斯災(zāi)害風(fēng)險之間，存在負(fù)反饋關(guān)系。瓦斯綜合治理能力概念模型如圖2所示。

圖2 瓦斯綜合治理能力概念模型圖

圖2用于表達(dá)瓦斯綜合治理體系時，“安全管理體系→安全治理能力”表示日常安全管理關(guān)鍵路徑，用安全生產(chǎn)指數(shù)衡量安全治理能力；“瓦斯災(zāi)害風(fēng)險”則是危險源，本身也是一個子系統(tǒng)，表示干擾源，干擾安全管理體系的運(yùn)行，進(jìn)而影響安全治理能力；通過安全管理體系對“瓦斯災(zāi)害風(fēng)險”的干預(yù)，瓦斯災(zāi)害程度可以得到改善。

2.1 瓦斯綜合治理能力

實(shí)踐中，瓦斯綜合治理能力建設(shè)包括建立可靠的瓦斯抽采系統(tǒng)、提高瓦斯抽采效率、建立完善的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、建立瓦斯治理管理體系以及建立各級人員瓦斯治理的考核體系等。具體內(nèi)容有：(1)摸清礦井瓦斯涌出規(guī)律，結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際，建立起可靠完善的瓦斯抽采系統(tǒng)，要求達(dá)到抽采能力足夠、設(shè)施完善、抽采工程超前的目標(biāo)，爭取實(shí)現(xiàn)“抽、掘、采”平衡；(2)不斷優(yōu)化抽采工藝和抽采方法，提高瓦斯抽采效率；(3)建立完善的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測瓦斯相關(guān)參數(shù)，并具備報警控制功能；(4)建立完善的瓦斯治理管理體系，包括管理瓦斯防治機(jī)構(gòu)及人員、瓦斯防治系統(tǒng)設(shè)施、瓦斯防治水平、瓦斯防治方案和瓦斯防治資金；(5)針對瓦斯治理的各級人員建立考核體系，具體為明確相關(guān)人員瓦斯治理責(zé)任和規(guī)范相關(guān)人員操作并建立考核體系，細(xì)分瓦斯治理中的各項(xiàng)考核及獎罰。

瓦斯治理管理體系已取得一些成熟的經(jīng)驗(yàn)。(1)管理瓦斯防治機(jī)構(gòu)及人員具體為評估以下內(nèi)容：煤礦企業(yè)的生產(chǎn)年限和瓦斯防治主要負(fù)責(zé)人的工作經(jīng)歷、企業(yè)和瓦斯防治機(jī)構(gòu)設(shè)置、專業(yè)技術(shù)人員配備、專業(yè)隊(duì)伍組建及人員培訓(xùn)情況等；(2)管理瓦斯防治系統(tǒng)設(shè)施主要是對企業(yè)中瓦斯防治的硬件設(shè)施的評估，依據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別從生產(chǎn)系統(tǒng)、布置采掘工作面的方式、采煤方式、通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備和工藝等方面進(jìn)行管理；(3)瓦斯防治水平的管理分別從企業(yè)和礦井主要負(fù)責(zé)人崗位責(zé)任制、瓦斯等級鑒定及等級管理、瓦斯防治規(guī)劃、瓦斯年度防治目標(biāo)、礦井計(jì)劃產(chǎn)量、礦井瓦斯抽采率、瓦斯超限管理、瓦斯防治工程和資金計(jì)劃等；(4)瓦斯防治方案的管理從高突礦井區(qū)域瓦斯方案的編制備案、瓦斯防治效果評價制度等方面進(jìn)行管理；(5)對于瓦斯防治資金的管理主要從煤礦安全生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)的使用、瓦斯防治工程資金保障、高突礦井用于瓦斯防治的資金比例等方面進(jìn)行管理。

引入系統(tǒng)的認(rèn)識觀和體系的方法論，常規(guī)的瓦斯綜合治理能力建設(shè)需要重新認(rèn)識。首先，安全管理體系是瓦斯綜合治理的載體，借助安全管理體系的目標(biāo)管理、流程管理、要素管理，開展瓦斯綜合治理，形成瓦斯綜合治理體系。其次，安全治理能力是安全管理體系建設(shè)的績效評價，可以用安全生產(chǎn)指數(shù)表示；同理，瓦斯綜合治理能力是瓦斯綜合治理體系建設(shè)的績效評價，也可以用安全生產(chǎn)指數(shù)表示；針對不同的研究樣本總體或者獨(dú)立礦井，分別采用同比指數(shù)、綜合指數(shù)、事故當(dāng)量指數(shù)。第三，瓦斯綜合治理體系作為社會系統(tǒng)，存在著決策環(huán)節(jié)、具有自律性、非線性，適合用SD對結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行分析，制定戰(zhàn)略，進(jìn)行決策。

2.2 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險評價

(1) 國外風(fēng)險評價的研究

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，西方發(fā)達(dá)國家對于風(fēng)險評價的研究也越來越深入，美國學(xué)者Wang J提出將評價目標(biāo)的風(fēng)險因素作為研究對象，運(yùn)用層級分析法能夠?qū)υu價目標(biāo)的風(fēng)險實(shí)現(xiàn)定性、定量的評價與管控；英國的雷丁大學(xué)對現(xiàn)有的風(fēng)險評價方法進(jìn)行了對比分析，奠定了風(fēng)險評價的研究基礎(chǔ)。隨著風(fēng)險評價研究的不斷深入，風(fēng)險評價研究在各行各業(yè)也得到了大量的實(shí)踐應(yīng)用，但是在煤礦中的實(shí)踐應(yīng)用相較于航空航天等其他行業(yè)起步較晚，且在研究深度與廣度方面也有很大差別。隨著各國對于煤礦生產(chǎn)安全越來越重視，煤礦方面的風(fēng)險評價研究逐漸深化，主要的評價方法有：

① 運(yùn)用事故統(tǒng)計(jì)分析法的風(fēng)險評價方法，例如Romani教授運(yùn)用該方法對煤礦事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[1]，對可能導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的原因進(jìn)行了細(xì)致的探究并提出針對性的預(yù)防措施。

② 運(yùn)用概率風(fēng)險分析法的風(fēng)險評價方法，特點(diǎn)是基于數(shù)學(xué)概率方法結(jié)合煤礦生產(chǎn)中的各類指標(biāo)預(yù)測煤礦生產(chǎn)的安全狀況，由于該方法側(cè)重于統(tǒng)計(jì)分析各類煤礦生產(chǎn)指標(biāo)，因此實(shí)用性不高。

③ 其他不同的評價方法：波蘭學(xué)者以人機(jī)作為主體，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測和風(fēng)險評價的方法；日本的隧道風(fēng)險評價法[2]等。

鑒于應(yīng)用在煤礦行業(yè)中的評價方法具有滯后的特點(diǎn)，因此可以考慮引入應(yīng)用在其他行業(yè)先進(jìn)的風(fēng)險評價方法，學(xué)習(xí)其他行業(yè)的風(fēng)險評價經(jīng)驗(yàn)，使煤礦風(fēng)險評價變得更具有完善性、科學(xué)性。

(2) 國內(nèi)風(fēng)險評價的研究

我國煤礦行業(yè)開展風(fēng)險評價研究是與其他行業(yè)同時的，但研究的深度和廣度不及其他行業(yè)。彭真[3]運(yùn)用LVQ定量分析得出了影響煤礦開采的核心評價指標(biāo)，并引入了模糊綜合評判方法指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)，完成了對煤礦開采的風(fēng)險評價。孫琦[4]研究得出了影響煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的因素，并結(jié)合模糊綜合評價法評估了國內(nèi)某一城市所有煤企的安全生產(chǎn)狀態(tài)，最后運(yùn)用聚類分析法劃定了該市不同煤礦開采項(xiàng)目的風(fēng)險等級。姜維維[5]運(yùn)用層次分析法解決了煤礦項(xiàng)目中的多目標(biāo)如何構(gòu)建判斷矩陣的問題，便于開采方案的擇優(yōu)選取。

(3) 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險評價研究

我國煤礦行業(yè)對每個災(zāi)種都進(jìn)行了相關(guān)的風(fēng)險評價研究，所以對于瓦斯災(zāi)害的風(fēng)險評價研究也在不斷深入，施書磊等[6]運(yùn)用故障樹方法理清了事故發(fā)生的脈絡(luò)，并結(jié)合模糊事故樹方法實(shí)現(xiàn)了瓦斯爆炸的風(fēng)險評價。皮子坤等[7]基于區(qū)間數(shù)和前景理論提出了一種評估煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生瓦斯爆炸所造成的危害程度大小的方法，并在3座礦山進(jìn)行了實(shí)證分析。黃冬梅[8]結(jié)合三類危險源理論，建立了評估煤礦瓦斯爆炸的模型。潘超和左宇軍[9]以改進(jìn)的三類危險源理論作為基礎(chǔ)，建立了評估煤礦瓦斯爆炸的危害程度的指標(biāo)體系，結(jié)合模糊層次分析法實(shí)現(xiàn)并量化該煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險評價方法。張旺等[10]在評估煤礦瓦斯爆炸事故的危險程度時引入了突變理論和模糊數(shù)學(xué)理論，最后結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行分析。廖承余[11]在建立評估煤礦瓦斯爆炸事故危害程度的指標(biāo)體系時使用了AHP方法并且同時計(jì)算了相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，最終評估了煤礦瓦斯爆炸的危害程度。

綜上所述，在評價方法的選擇上，傳統(tǒng)方法有事故樹法和安全檢查表法，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)越來越多的運(yùn)用于風(fēng)險評價，很多新的研究方法應(yīng)用在煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評價中，而這些研究方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。事故樹法，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但評價過程中有人為主觀選擇的加入，易出現(xiàn)結(jié)果失真；概率風(fēng)險評價法通過故障數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，由于國內(nèi)故障數(shù)據(jù)積累無法滿足需求的問題，導(dǎo)致評價方法的實(shí)現(xiàn)有根本性障礙；灰色關(guān)聯(lián)度，簡單易行，但在對各項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值選擇過程中，人為選擇因素過多，且許多特征難以尋得最優(yōu)值；層次分析法，構(gòu)建指標(biāo)體系時過分依賴專家的支持，并且矩陣的特征值有系統(tǒng)誤差存在；模糊綜合評判，評價指標(biāo)信息重復(fù)率過高，各因素權(quán)重賦值具有主觀性，進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤時難以確定隸屬函數(shù)，不具備普適性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，人為選擇因素低，評價精度高，自主學(xué)習(xí)能力和普適性較強(qiáng)，但對于樣本選取較為嚴(yán)格。

3 SD建模的總體思路

縱觀瓦斯災(zāi)害歷史，對瓦斯災(zāi)害風(fēng)險評價方法進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)研究瓦斯綜合治理體系，可以發(fā)揮其動態(tài)、多變量、非線性、具備反饋功能的優(yōu)勢。引入安全生產(chǎn)指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)SD建模，動態(tài)衡量礦井瓦斯災(zāi)害風(fēng)險的可控程度，實(shí)時發(fā)現(xiàn)要素管理重點(diǎn)，促進(jìn)瓦斯綜合治理。SD的一般工作過程如圖3所示。研究中，以獨(dú)立礦井的瓦斯綜合治理體系為對象，分析其總體思路。

圖3 SD工作程序示意圖

(1) 認(rèn)識問題。無論礦井是否存在瓦斯災(zāi)害風(fēng)險，也無論礦井是否開展了瓦斯綜合治理體系建設(shè)，需要從系統(tǒng)工程的視角，考察初始節(jié)點(diǎn)及以往的礦井安全管理體系的運(yùn)行狀況和礦井安全狀況。以獨(dú)立礦井為例，存在瓦斯災(zāi)害風(fēng)險的礦井，其安全生產(chǎn)指數(shù)是否能趨于平穩(wěn)態(tài)勢，是問題所在；換言之，瓦斯綜合治理能力是瓦斯綜合治理體系研究的邏輯起點(diǎn)。

(2) 界定系統(tǒng)。對于獨(dú)立礦井的瓦斯災(zāi)害防治，瓦斯綜合治理體系是一個完整的系統(tǒng)，包含(但不限于)兩個子系統(tǒng)：安全管理體系子系統(tǒng)、瓦斯災(zāi)害風(fēng)險子系統(tǒng)。研究基于兩個假設(shè)：企業(yè)內(nèi)部法人治理機(jī)構(gòu)和法人治理能力充分滿足瓦斯綜合治理體系建設(shè)；企業(yè)外部監(jiān)管監(jiān)察等提供合理的政策資源、智力資源。

(3) 要素及因果關(guān)系分析。前面的概念模型圖，并不能完整反映SD的基本要素：系統(tǒng)狀態(tài)、信息、決策和行動。這里首先要建立完整的指標(biāo)體系，指標(biāo)來自兩個子系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，繪制因果關(guān)系圖。

(4) 建立結(jié)構(gòu)模型。在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，確定反饋回路的水準(zhǔn)變量和速率變量。闡明速率變量的子結(jié)構(gòu)或形成、完善各個決策函數(shù)，建立起SD結(jié)構(gòu)模型，即流圖。

(5) 建立量化分析模型。建立DYNAMO仿真模型。

(6) 仿真分析。仿真可以人工或計(jì)算機(jī)仿真，這里選擇計(jì)算機(jī)仿真。

(7) 比較與評價。

(8) 政策分析。

4 結(jié)論

(1) 瓦斯綜合治理體系研究的邏輯起點(diǎn)是瓦斯綜合治理能力，瓦斯綜合治理體系建設(shè)是以瓦斯綜合治理能力為核心的建設(shè)；

(2) 瓦斯綜合治理體系涵蓋瓦斯災(zāi)害風(fēng)險評價和針對性的綜合干預(yù)措施兩個模塊；

(3) 建立瓦斯綜合治理能力與風(fēng)險評價、干預(yù)程度之間的概念模型、結(jié)構(gòu)模型、數(shù)理模型、計(jì)算機(jī)仿真模型，是體系理論研究的必由之路；

(4) 我國煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況決定了瓦斯災(zāi)害防治工作的極端重要性，同時也決定了瓦斯綜合治理體系研究的必要性。文章分析了瓦斯綜合治理的邏輯關(guān)系，提出了一種基于系統(tǒng)工程瓦斯治理能力評價方法總體思路。系統(tǒng)動力學(xué)在解決這一問題時，可以發(fā)揮其動態(tài)、多變量、非線性、具備反饋功能的優(yōu)勢，引入安全生產(chǎn)指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)SD建模，動態(tài)衡量礦井瓦斯災(zāi)害風(fēng)險的可控程度，實(shí)時發(fā)現(xiàn)要素管理重點(diǎn)，促進(jìn)瓦斯綜合治理。