瓦斯綜合治理體系研究的邏輯起點

謝 宏,張 元

(華北科技學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國經(jīng)過70多年的瓦斯治理實踐，特別是經(jīng)過“六五”至“十三五”期間的國家重點科技攻關，瓦斯防治技術較之以往已經(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、以風定產(chǎn)”作為瓦斯治理方針，全面構建煤礦瓦斯治理工作體系，具體概括為“通風可靠、抽采達標、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”的綜合防突技術體系，具體為：預測、措施、措施效果檢驗、安全防護措施，同時該綜合防突技術體系還配有完善的預測方法、技術措施和裝備。防突工作在勘探地質(zhì)、建設新井、新采區(qū)開拓延深、工作面掘進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)深挖科學問題和關鍵技術。

1 瓦斯災害歷史

1.1 瓦斯事故總量統(tǒng)計

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

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。

1.2 特別重大事故統(tǒng)計

1993-1999年據(jù)不完全統(tǒng)計發(fā)生瓦斯特別重大事故共計8起死亡人數(shù)509人，相關單位于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《國務院關于特大安全事故行政責任追究的規(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”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”結束后的一段時期及2003年至今。從“三升三穩(wěn)”的歷史經(jīng)驗可以看到，能夠影響安全生產(chǎn)的因素有政治、經(jīng)濟、文化、社會各方面問題和多種致災因素。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，堅持科學發(fā)展，嚴守安全紅線，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 瓦斯災害防治

日常安全管理中，瓦斯災害防治的邏輯關系是：如果沒有瓦斯災害，也就不需要干預，安全生產(chǎn)狀態(tài)將會良好運行；存在瓦斯災害的礦井，將拉低安全生產(chǎn)指數(shù)；采取正確的、有針對性的干預措施，則有益于安全生產(chǎn)指數(shù)回升；干預措施與瓦斯災害風險之間，存在負反饋關系。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鍵路徑，用安全生產(chǎn)指數(shù)衡量安全治理能力；“瓦斯災害風險”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行，進而影響安全治理能力；通過安全管理體系對“瓦斯災害風險”的干預，瓦斯災害程度可以得到改善。

2.1 瓦斯綜合治理能力

實踐中，瓦斯綜合治理能力建設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，結合礦井生產(chǎn)實際，建立起可靠完善的瓦斯抽采系統(tǒng)，要求達到抽采能力足夠、設施完善、抽采工程超前的目標，爭取實現(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構及人員、瓦斯防治系統(tǒng)設施、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，具體為明確相關人員瓦斯治理責任和規(guī)范相關人員操作并建立考核體系，細分瓦斯治理中的各項考核及獎罰。

瓦斯治理管理體系已取得一些成熟的經(jīng)驗。(1)管理瓦斯防治機構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責人的工作經(jīng)歷、企業(yè)和瓦斯防治機構設置、專業(yè)技術人員配備、專業(yè)隊伍組建及人員培訓情況等；(2)管理瓦斯防治系統(tǒng)設施主要是對企業(yè)中瓦斯防治的硬件設施的評估，依據(jù)相關法規(guī)和標準的要求，分別從生產(chǎn)系統(tǒng)、布置采掘工作面的方式、采煤方式、通風系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、設備和工藝等方面進行管理；(3)瓦斯防治水平的管理分別從企業(yè)和礦井主要負責人崗位責任制、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、礦井計劃產(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行管理。

引入系統(tǒng)的認識觀和體系的方法論，常規(guī)的瓦斯綜合治理能力建設需要重新認識。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立礦井，分別采用同比指數(shù)、綜合指數(shù)、事故當量指數(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對結構和行為進行分析，制定戰(zhàn)略，進行決策。

2.2 瓦斯災害風險評價

(1) 國外風險評價的研究

隨著工業(yè)化進程的不斷推進，西方發(fā)達國家對于風險評價的研究也越來越深入，美國學者Wang J提出將評價目標的風險因素作為研究對象，運用層級分析法能夠?qū)υu價目標的風險實現(xiàn)定性、定量的評價與管控；英國的雷丁大學對現(xiàn)有的風險評價方法進行了對比分析，奠定了風險評價的研究基礎。隨著風險評價研究的不斷深入，風險評價研究在各行各業(yè)也得到了大量的實踐應用，但是在煤礦中的實踐應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，煤礦方面的風險評價研究逐漸深化，主要的評價方法有：

① 運用事故統(tǒng)計分析法的風險評價方法，例如Romani教授運用該方法對煤礦事故進行了統(tǒng)計分析[1]，對可能導致煤礦事故發(fā)生的原因進行了細致的探究并提出針對性的預防措施。

② 運用概率風險分析法的風險評價方法，特點是基于數(shù)學概率方法結合煤礦生產(chǎn)中的各類指標預測煤礦生產(chǎn)的安全狀況，由于該方法側重于統(tǒng)計分析各類煤礦生產(chǎn)指標，因此實用性不高。

③ 其他不同的評價方法：波蘭學者以人機作為主體，進行災害預測和風險評價的方法；日本的隧道風險評價法[2]等。

鑒于應用在煤礦行業(yè)中的評價方法具有滯后的特點，因此可以考慮引入應用在其他行業(yè)先進的風險評價方法，學習其他行業(yè)的風險評價經(jīng)驗，使煤礦風險評價變得更具有完善性、科學性。

(2) 國內(nèi)風險評價的研究

我國煤礦行業(yè)開展風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]運用LVQ定量分析得出了影響煤礦開采的核心評價指標，并引入了模糊綜合評判方法指導煤礦安全生產(chǎn)，完成了對煤礦開采的風險評價。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)，最后運用聚類分析法劃定了該市不同煤礦開采項目的風險等級。姜維維[5]運用層次分析法解決了煤礦項目中的多目標如何構建判斷矩陣的問題，便于開采方案的擇優(yōu)選取。

(3) 瓦斯災害風險評價研究

我國煤礦行業(yè)對每個災種都進行了相關的風險評價研究，所以對于瓦斯災害的風險評價研究也在不斷深入，施書磊等[6]運用故障樹方法理清了事故發(fā)生的脈絡，并結合模糊事故樹方法實現(xiàn)了瓦斯爆炸的風險評價。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座礦山進行了實證分析。黃冬梅[8]結合三類危險源理論，建立了評估煤礦瓦斯爆炸的模型。潘超和左宇軍[9]以改進的三類危險源理論作為基礎，建立了評估煤礦瓦斯爆炸的危害程度的指標體系，結合模糊層次分析法實現(xiàn)并量化該煤礦瓦斯爆炸風險評價方法。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)學理論，最后結合具體實例進行分析。廖承余[11]在建立評估煤礦瓦斯爆炸事故危害程度的指標體系時使用了AHP方法并且同時計算了相應的指標權重，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)代應用數(shù)學越來越多的運用于風險評價，很多新的研究方法應用在煤礦瓦斯爆炸災害風險評價中，而這些研究方法各有其優(yōu)缺點。事故樹法，結構簡單，實現(xiàn)容易，但評價過程中有人為主觀選擇的加入，易出現(xiàn)結果失真；概率風險評價法通過故障數(shù)據(jù)進行相關計算，由于國內(nèi)故障數(shù)據(jù)積累無法滿足需求的問題，導致評價方法的實現(xiàn)有根本性障礙；灰色關聯(lián)度，簡單易行，但在對各項指標的最優(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，構建指標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，評價指標信息重復率過高，各因素權重賦值具有主觀性，進行多目標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)絡方法，人為選擇因素低，評價精度高，自主學習能力和普適性較強，但對于樣本選取較為嚴格。

3 SD建模的總體思路

縱觀瓦斯災害歷史，對瓦斯災害風險評價方法進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)：運用系統(tǒng)動力學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)為目標函數(shù)SD建模，動態(tài)衡量礦井瓦斯災害風險的可控程度，實時發(fā)現(xiàn)要素管理重點，促進瓦斯綜合治理。SD的一般工作過程如圖3所示。研究中，以獨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) 認識問題。無論礦井是否存在瓦斯災害風險，也無論礦井是否開展了瓦斯綜合治理體系建設，需要從系統(tǒng)工程的視角，考察初始節(jié)點及以往的礦井安全管理體系的運行狀況和礦井安全狀況。以獨立礦井為例，存在瓦斯災害風險的礦井，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。

(2) 界定系統(tǒng)。對于獨立礦井的瓦斯災害防治，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)、瓦斯災害風險子系統(tǒng)。研究基于兩個假設：企業(yè)內(nèi)部法人治理機構和法人治理能力充分滿足瓦斯綜合治理體系建設；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體系，指標來自兩個子系統(tǒng)；在此基礎上，繪制因果關系圖。

(4) 建立結構模型。在因果關系圖的基礎上，確定反饋回路的水準變量和速率變量。闡明速率變量的子結構或形成、完善各個決策函數(shù)，建立起SD結構模型，即流圖。

(5) 建立量化分析模型。建立DYNAMO仿真模型。

(6) 仿真分析。仿真可以人工或計算機仿真，這里選擇計算機仿真。

(7) 比較與評價。

(8) 政策分析。

4 結論

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

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

(3) 建立瓦斯綜合治理能力與風險評價、干預程度之間的概念模型、結構模型、數(shù)理模型、計算機仿真模型，是體系理論研究的必由之路；

(4) 我國煤礦生產(chǎn)的實際情況決定了瓦斯災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)為目標函數(shù)SD建模，動態(tài)衡量礦井瓦斯災害風險的可控程度，實時發(fā)現(xiàn)要素管理重點，促進瓦斯綜合治理。