煤礦事故應急處置流程仿真模型及實證研究

李新春　劉全龍

摘要 煤礦事故發(fā)生后，如何及時有效地進行救援，是防止二次事故發(fā)生和降低人員傷亡率的關(guān)鍵。文章在分析煤礦事故應急救援特點的基礎上，對瓦斯事故應急管理處置流程進行ExtendSim仿真，找出瓶頸所在。通過仿真結(jié)果分析和敏感性分析，得出煤礦事故應急救援的制約因素是報警接警的判斷能力和準確度、應急救援的水平、擴大應急的能力和上級救援的效率。仿真結(jié)果表明：通過改進報警接警的效率、縮減應急救援的時間、擴大應急的時間和上級救援的時間，可以有效的提高事故應急救援的整體水平和效率。通過上述仿真結(jié)果提出改進方法，并對改進后的應急處置流程作近一步的仿真驗證，通過改進前后流程仿真結(jié)果對比分析，得出改進后的應急處置流程提高了救援效率，能夠在最佳的時間內(nèi)有效的搶救更多的生命。最后結(jié)合應急處置流程的改進方法和伊利得煤礦瓦斯事故應急處置流程仿真結(jié)果，對煤礦事故的應急管理提出了對策和建議。

關(guān)鍵詞煤礦事故；應急處置流程；ExtenSim仿真；敏感性分析

中圖分類號TD77+1；C916文獻標識碼A文章編號1002-2104（2014）02-0154-07doi：103969/jissn1002-2104201402022

據(jù)國家能源部預測，到2050年煤炭還將在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占50%以上，在未來相當長的時期內(nèi)在我國一次能源結(jié)構(gòu)中仍處于主體地位[1]。當前，煤礦災害事故頻發(fā)，二次傷亡事故在煤炭安全管理中變的十分嚴峻，由于我國煤礦復雜的地質(zhì)條件，很多事故的發(fā)生存在不可控制因素，但有效的應急管理可以將事故損失減少到不采取應急措施導致?lián)p失的6%[2]。當事故或災害不可避免時，及時有效地應急救援行動是唯一可以抵御事故擴大、蔓延并減輕危害后果的有力措施。因此，如何在事故發(fā)生后，在最短的時間內(nèi)進行有效的救援，是當前急需解決的問題。國內(nèi)關(guān)于應急管理方面的研究起步較晚且研究較少，基本上是對應急管理體系的研究，關(guān)于應急管理的流程研究很少涉及。事故發(fā)生后，進行及時有效地救援，是防止二次事故發(fā)生和降低人員傷亡率的關(guān)鍵。

針對這些問題，文章根據(jù)國內(nèi)外建立的煤礦事故應急管理體系，針對應急處置流程進行ExtendSim仿真，找出瓶頸所在，對現(xiàn)有煤礦事故應急處置流程進行改進。煤礦瓦斯事故是發(fā)生最為頻繁、危害后果也最為嚴重的是煤礦事故，所以文章以瓦斯事故為研究重點對象。根據(jù)具體案例模擬煤礦瓦斯事故發(fā)生后的應急救援流程，得出模型運行結(jié)果，并對模型進行敏感性分析，從而找出目前應急處理流程存在的問題和需要改進的地方，最終用最有效的控制手段和最合理的資源投入，將損失控制在最小范圍。

1文獻綜述

應急管理方面的研究，國外的研究主要集中在應急響應、應急資源的配置、應急選址和應急的技術(shù)問題，如David Mendonca利用游戲模擬方法評估了群體決策支持系統(tǒng)的應急響應情況[3]；Simon McCarthya模擬了在特大洪水狀況下，風險溝通在緊急響應中的作用[4]；I.M. Dokas則運用事故樹和模糊專家系統(tǒng)方法研究固體廢物垃圾填埋場的早期預警系統(tǒng)和應急響應系統(tǒng)[5]；W.K. Chow以機場人員緊急疏散為例，研究在擁擠條件下，人員疏散的等待時間對應急疏散的影響[6]；Ameya Shendarkar則研究了恐怖襲擊情況下人員疏散應急仿真模型，建立了基于BDI（Belief， Desire， and Intention）的Agent框架[7]；Mohan R. Akellaa等通過建立模型對應急管理中的通訊設施的可靠性進行評估[8]；Daskin MS提出了最大期望覆蓋選址問題，建立了MEXLP模型[9]；G Barbarosoglu，Yard則討論了救災物資運輸計劃編制中的兩階段隨機規(guī)劃框架[10]；Oded Berman[11]，Asad Tavakoli[12]等對事故應急管理中的機構(gòu)選址和布局進行了研究；Mohan R. Akella等研究了滿足一些應急覆蓋需求的通訊網(wǎng)絡基站選址與頻道分配問題[13]。國內(nèi)的研究主要從應急管理體系和應急機制、應急預案和應急評價等方面展開，邱永強指出應急管理體系由五大系統(tǒng)構(gòu)成，并以這五大系統(tǒng)建立煤礦突發(fā)事件應急管理體系[14]；趙遠飛，陳國華等提出并構(gòu)建了基于多層PDCA模式的動態(tài)集成化應急管理體系[15]；袁智，郭德勇等提出將矩陣式結(jié)構(gòu)運用于組建應急救援組織中[16]；廖國禮，王云海等提出編制礦山重大事故應急救援預案的基本結(jié)構(gòu)，即應急準備、應急響應和預案管理[17]；郭德勇，鄭茂杰等根據(jù)煤與瓦斯突出事故及事故救援過程的特征，將瓦斯突出事故應急預案劃分為四個環(huán)節(jié)[18]；鄭雙忠，鄧云峰指出城市突發(fā)公共事件應急能力評估體系包括十八個指標[19]；岳寧芳構(gòu)建了煤礦重大災害事故應急能力評估指標體系[20]。

李新春等：煤礦事故應急處置流程仿真模型及實證研究中國人口·資源與環(huán)境2014年第2期根據(jù)以上國內(nèi)外對應急管理研究的現(xiàn)狀，可知國外研究主要集中在應急資源的配置、應急選址和應急的技術(shù)問題，而國內(nèi)研究主要集中在借鑒國外的應急體系來研究國內(nèi)的應急體系建設，以及應急資源配置和應急能力的評價問題。應急管理主要集中在民航、城市等公共突發(fā)事件領域中的研究，在煤礦事故應急管理研究方面很少涉及，而應急管理流程方面的研究更少，應急管理流程對事故發(fā)生之后的救援工作起到至關(guān)重要的作用，而現(xiàn)有煤炭企業(yè)的應急管理流程大都存在很多缺陷，需對其進行改進。

2煤礦事故應急處置流程仿真建模

煤礦事故應急管理是指煤礦事故發(fā)生后，煤礦企業(yè)調(diào)動各種可以利用的應急資源，采取各種可行的方法和方式，將危險降低到最低水平。隨著煤礦經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤礦事故往往會在人們意想不到的時間、地點以人們意想不到的方式發(fā)生，給國家經(jīng)濟和人民的生命財產(chǎn)、生存環(huán)境造成難以估量的損失。但是事故的發(fā)生通常并不是導致傷亡和損失的唯一原因，應急救援不力引發(fā)連鎖反應，進而產(chǎn)生的一系列次生或衍生事故也是煤礦事故后果嚴重的主要原因之一。

2.1煤礦事故應急處置流程

由煤礦事故應急救援特點（緊迫性、協(xié)調(diào)性和救援難度大）可知，煤礦事故整個救援過程對時間、救援能力和協(xié)作能力要求比較高。所以文章主要從時間、救援能力和協(xié)作能力等方面對應急處置流程進行仿真，找出現(xiàn)有流程的瓶頸，從而提出改進措施。

煤礦事故應急管理體系的運行機制中，影響煤礦事故救援效率的最重要的因素之一是煤礦事故應急處置流程，即事故發(fā)生后，信息如何傳遞，救援決策是否正確等問題，關(guān)系到整個事故的救援效率和搶救人員生命的效果。根據(jù)國內(nèi)學者關(guān)于煤礦事故應急響應程序的研究[21]，對其進行簡化得出應急處置流程。以瓦斯事故為例，煤礦事故應急處置流程如圖1所示。

煤礦事故發(fā)生后，報警信息應迅速匯集到應急救援指揮中心（調(diào)度室）并立即傳送到各部門或區(qū)域應急指揮中心，性質(zhì)嚴重的重大事故的報警應及時向上級應急指揮中心和相應行政領導報送。應急救援指揮中心接到警報后，應立即與事故現(xiàn)場的地方或企業(yè)應急機構(gòu)聯(lián)系，如果事故不足以達到啟動應急救援體系的最低響應級別，則通知應急機構(gòu)和其他有關(guān)部門關(guān)閉應急響應。應急響應級別確定后，相應的應急救援指揮中心按所確定的響應級別啟動應急程序?，F(xiàn)場應急指揮中心迅速啟用，救援中心應急隊伍及時進入事故現(xiàn)場，當事態(tài)仍無法得到有效控制，向上級救援機構(gòu)（場外應急指揮中心）請求實施擴大應急響應。

2.2煤礦事故應急處置流程仿真模型

根據(jù)圖1煤礦事故的應急處置流程，利用ExtendSim仿真軟件進行建模，目的是從時間和資源利用率兩個方面進行仿真，找出瓶頸所在，提高煤礦企業(yè)的應急能力，從而提高救援效率。

2.2.1煤礦事故應急處置流程的ExtendSim建模

ExtendSim是一種時間驅(qū)動的流程建模方法，在煤礦事故處置過程中，事故發(fā)生是隨機時間，因此，文章采用離散時間建模的方法進行分析。

（1）事故發(fā)生一般是隨機的，在時間上跨度比較大，文章為了仿真需要，將事故發(fā)生縮小在一定的時間范圍內(nèi)。在仿真中，事故發(fā)生采用事件發(fā)生器（Create）模塊。

（2）報警接警采用延時器模塊（Activity），報警接警時間由延時器的D端口所連接的隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。

（3）報警接警之后進入警情判斷即輸出選擇器（Select Item Out），一部分事故由煤礦企業(yè)采取適當?shù)拇胧┚涂梢越鉀Q，另外部分事故進行下一步的救援中。

（4）應急啟動和應急救援采用延時器模塊（Activity），時間由模塊（Activity）屬性中時間分布模式產(chǎn)生。

（5）煤礦企業(yè)應急救援之后進入事態(tài)控制判斷即輸出選擇器（Select Item Out），一部分事故企業(yè)自身可以進行控制解決，另外部分事故需要上級增援進行進一步的救援。選擇器根據(jù)一定的概率進行選擇。

（6）申請增援、擴大應急、上級救援和應急恢復采用延時器模塊（Activity），時間由模塊（Activity）屬性中時間分布模塊產(chǎn)生。

（7）應急結(jié)束采用離開模塊（Exit）。

煤礦瓦斯事故應急處置流程所對應的ExtendSim建模過程如圖2所示，將該建模過程在ExtendSim環(huán)境中建模，模型完成后的界面圖略。

2.2.2模型中參數(shù)設置和處理說明

煤礦企業(yè)在應急響應時間上并沒有統(tǒng)一的界定或僅僅規(guī)定接警報警的最高期限。在時間的選取上，由于煤礦事故的救援時間具有一定的不確定性，文章根據(jù)實際情況，在仿真時，根據(jù)具體實例進行仿真。

（1）接警報警處理時間：是指煤礦事故發(fā)生后，現(xiàn)場人員將事故信息傳達到調(diào)度室和調(diào)度室將事故信息進一步傳達給各個部門和領導的時間和。

（2）應急救援時間：煤礦企業(yè)自身進行緊急救援的時間，沒有具體的規(guī)定和說明，一般根據(jù)瓦斯事故的級別和煤礦企業(yè)的具體情況而定，文章根據(jù)具體案例來確定。

（3）擴大應急時間：指上級領導接到事故通知后到達現(xiàn)場的時間和救援決策的時間之和，文章根據(jù)安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局聯(lián)合出臺的《煤礦生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理規(guī)定》中的相關(guān)規(guī)定和案例的具體情況而定。

（4）上級救援時間：進一步進行救援時間，一般時間較長，視具體情況而定。文章根據(jù)案例來確定。

（5）應急恢復時間：是指現(xiàn)場清理、人員清點和撤離、警戒解除、善后處理和事故調(diào)查等所有時間加總，一般時間持續(xù)非常長，文章根據(jù)案例來確定。

2.2.3流程評價指標

文章采用流程周期時間和資源利用率兩個指標對流程的運行效率進行評價。

第一個指標是一次事故發(fā)生時整個流程的周期時間，它是流程中各個階段的平均處理時間之和，周期時間長，代表整個流程的處理時間長，流程的效率低。

第二個指標是流程中各個單位的資源利用率，它是資源的工作量與工作能力之比，資源的工作量是資源平均每次事故的工作量，資源的工作能力是指該資源一次事故所能承受的最大的工作量。資源利用率低，表示該資源有剩余的能力；資源利用率高，表示該資源緊缺。

3煤礦事故應急管理流程實證分析

2003年10月29日21時05分伊利得煤礦14層掘進工作面發(fā)生瓦斯事故，烏海煤礦安全監(jiān)察辦事處30日0時20分接通知，40分鐘后趕到現(xiàn)場，伊盟鄂托克旗煤炭局有關(guān)人員30日2時左右到達現(xiàn)場，海勃灣礦業(yè)公司救護隊30日2時30分到達現(xiàn)場，救援隊3時18分入井救援，4時15分升井，后續(xù)清理工作持續(xù)了近一個月。

3.1模型參數(shù)設置及運行結(jié)果分析

根據(jù)以上說明和伊利得煤礦瓦斯事故案例，文章模型假設如下（時間單位：分鐘）：模型運行的仿真時間是30天，一天24小時（43 200 min），為了仿真需要及根據(jù)各部分時間能否進一步減少，假設應急啟動時間服從正態(tài)分布N（2，0.01），申請增援時間服從正態(tài)分布N（2，0.01），應急恢復處理時間服從正態(tài)分布N（120，0.01）。由對伊利得煤礦瓦斯事故一些數(shù)據(jù)進行處理，得出本文的參數(shù)設置，本文煤礦事故應急處置流程模型各步驟的時間分布如表1所示。

各輸出節(jié)點主要是警情判斷和事態(tài)控制判斷，一般而言瓦斯事故的級別分類是根據(jù)事故死亡人數(shù)進行確定。有些煤礦利用瓦斯?jié)舛群屯咚故鹿实膰乐匦詠頉Q定事故處置方式，文章根據(jù)煤礦企業(yè)的具體情況和瓦斯事故的特點來決定各輸出節(jié)點的概率分布。流程中輸出節(jié)點報警接警的排除的概率和不能排除的概率分別為（0.76，0.24），輸出節(jié)點事態(tài)控制的排除的概率和不能排除的概率分別為（0.73，0.27），將上述參數(shù)帶入模型中運行。模型運行結(jié)果流程中各步驟的處理時間以及流程中各個資源的占用情況如表1所示。

可以看出各步驟的處理時間基本符合數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，以均值為中心，在方差的范圍內(nèi)波動。從表4看出，前三個步驟資源利用率高，應急救援資源利用率最高。這是因為瓦斯事故發(fā)生后，報警接警、應急啟動和應急救援是煤礦企業(yè)進行救援的必須步驟，而應急救援是瓦斯事故處理的關(guān)鍵步驟，煤礦企業(yè)自身救援資源緊缺，需要加大救援隊伍建設和應急資源的投入。應急啟動資源利用率不高，從反面說明煤礦企業(yè)的預警系統(tǒng)有待進一步提高；后

應急恢復5#三個步驟申請增援、擴大應急和上級救援的利用率很低，這是因為大多數(shù)煤礦瓦斯事故發(fā)生后，基本上是煤礦自身進行救援，從而使這些資源利用率不高。

近幾年來，瓦斯事故呈現(xiàn)事故影響大，死亡率高的特點，假設當瓦斯事故發(fā)生時大多數(shù)情況下需要上級救援時。流程中輸出節(jié)點報警接警的排除的概率和不能排除的概率分別為（0.76，0.24），輸出節(jié)點事態(tài)控制的排除的概率和不能排除的概率分別為（0.1，0.9），將上述參數(shù)帶入模型中運行，流程中各個資源的占用情況如表2所示。

通過對比可以看出，當瓦斯事故變得非常嚴重時，擴大應急和上級救援的利用率得以提高，這就要求企業(yè)與上級之間的溝通變得十分重要。煤礦企業(yè)自身的應急救援利用率下降，說明了煤礦自身的壓力下降，煤礦企業(yè)和上級之間的合作救援可以很好的綜合兩方面的救援力量，從而提高救援水平。

3.2敏感性分析

敏感性分析，即通過改變某一個參數(shù)，觀察其對整個流程的影響幅度，從而找出提高應急處置流程的方法。文章為了研究方便，只考慮需要上級救援時的整個流程運行的情況，由于需要上級救援時的瓦斯事故處理流程具有一定的概率性，所以在完成瓦斯事故救援的事故次數(shù)隨時間的變化關(guān)系具有一定的不確定性。關(guān)于應急流程影響因素的研究，對在時間上能夠進一步減小的因素進行敏感性分析，即對報警接警時間、應急救援時間、擴大應急時間和上級救援時間進行敏感性分析。

當報警接警時間改變時，依次減少2分鐘，模型運行四次，完成瓦斯事故救援的事故次數(shù)隨時間的變化關(guān)系，運行4次之后結(jié)果表明處理同樣數(shù)量的瓦斯事故，隨著接警報警時間遞減，整個事故處理過程的時間整體上是遞減的，所以通過改進接警報警的效率，可以有效的提高瓦斯事故救援效率，節(jié)約時間，挽救更多的生命。

當應急救援時間改變時，依次減少10分鐘，運行四次，運行4次之后結(jié)果表明處理同樣數(shù)量的瓦斯事故，隨著應急救援時間遞減，事故處理整個過程的時間整體上是遞減的。所以應急救援時間對整個事故處置時間具有很大的影響。

當擴大應急時間改變時，依次減少10分鐘，運行四次，運行4次之后結(jié)果表明處理同樣數(shù)量的瓦斯事故，隨著擴大應急時間遞減，事故處理整個過程的時間整體上是遞減的。所以縮短擴大應急時間是提高應急救援效率的關(guān)鍵因素之一。

當上級救援時間改變時，依次減少5分鐘，運行四次，運行4次之后結(jié)果表明處理同樣數(shù)量的瓦斯事故，隨著上級救援時間遞減，事故處理整個過程的時間整體上是遞減的。所以提高上級救援決策水平和效率，縮短救援時間，是提高煤礦企業(yè)應急能力的因素之一。

通過敏感性分析可以得出，處理同樣數(shù)量的瓦斯事故，隨著報警接警時間、應急救援時間、擴大應急時間和上級救援時間遞減，事故處理整個過程的時間整體上是遞減的。所以縮短和提高這四個方面的時間和救援能力，就是提高煤礦企業(yè)應急能力。

3.3應急管理處置流程改進

通過對瓦斯事故應急處置流程中的關(guān)鍵因素敏感性分析，可以看出報警接警的判斷能力和準確度、應急救援水平、擴大應急能力和上級救援效率對瓦斯事故救援的整體水平和效率起到重要的影響。因此，文章在原有瓦斯事故處置流程的基礎上對其進行改進，以提高煤礦企業(yè)應急管理能力。改進后的應急管理處置流程如圖3所示。

根據(jù)改進后的瓦斯事故應急處置流程進行ExtendSim仿真，改進后的應急處置流程各步驟處理時間分布不變，各輸出節(jié)點概率分布不變，即警情判斷后排除的概率為0.76，煤礦企業(yè)自身救援的概率為0.18，上級救援的概率為0.06。模型運行后流程中各個資源改進前后的資源占用情況比較如表3所示。

根據(jù)改進前后應急處置流程中各資源的占用情況可以看出，在不改變時間分布和輸出節(jié)點概率的情況下，應急處置流程改進后，煤礦企業(yè)應急救援的利用率降低，申請增援，擴大應急和上級救援的利用率提高，也即事故發(fā)生后，提高警情判斷能力，可以有效的進行救援，煤礦企業(yè)和上級能夠很好的進行配合，節(jié)約救援時間，盡可能的救出更多的生命。

當降低報警接警、救援、擴大應急和上級救援的處理時間時，也即提高這四個方面的處理能力，各步驟的處置時間分布和模型運行后各步驟的處置時間前后比較分別如表4所示。

由表4可以看出，瓦斯事故應急流程各步驟處置時間之和在改進后縮短了，由此我們可以看出，改進后的流程

可以提高煤礦企業(yè)應急處置能力，提高煤礦企業(yè)與上級的配合能力和整體應急救援水平。

4結(jié)論及應急管理建議

文章對瓦斯事故應急處置流程進行ExtendSim仿真，并對關(guān)鍵因素敏感性分析，得出報警接警的判斷能力和準確度、應急救援水平、擴大應急能力和上級救援效率對瓦斯事故救援的整體水平和效率起到重要的影響。在原有應急管理流程仿真和敏感性分析的基礎上，提出改進應急管理處置流程的方案，即提高報警接警判斷能力和準確度、應急救援水平、擴大應急能力和上級救援效率來提高煤礦事故應急救援效率。通過以上分析，對煤礦事故的應急管理提出如下建議：

（1）加強法律法規(guī)的執(zhí)行力和有關(guān)部門的監(jiān)督力度。伊利得煤礦出現(xiàn)瓦斯事故的最重要的原因就是沒有按照有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定進行經(jīng)營，從而導致很多方面存在重大的安全隱患。在伊利得煤礦事故中，烏海煤礦安全監(jiān)察辦事處發(fā)現(xiàn)伊利得煤礦的安全隱患時沒有及時制止，僅僅是下達整頓的命令，沒有進行嚴格處理和實施相應的措施。

（2）加強信息化建設，提高報警接警和警情判斷能力。在報警接警方面，很多煤礦利用電話和小靈通進行傳遞信息，難免出現(xiàn)信息失誤的現(xiàn)象，影響了上級對事故情況的判斷和決策。因此，煤礦企業(yè)加大投入信息化水平建設，加強煤礦企業(yè)部門之間的溝通能力，提高預警能力和信息傳遞效率。

（3）提高警情判斷能力。煤礦企業(yè)應根據(jù)自身的礦井特點和相關(guān)規(guī)定提出符合自身的警情判斷標準，以提高警情判斷能力，從而為正確的應急決策提供指導和參考。

（4）提高應急救援能力。煤礦企業(yè)應急救援能力直接影響整個事故的救援結(jié)果。提高煤礦企業(yè)應急救援能力，需要煤礦企業(yè)加強應急預案的培訓和演練以及有關(guān)人員的救援水平。

（5）完善應急管理體系，提高決策水平。應急救援決策的正確性往往取決于應急救援的預先準備的充足性，煤礦企業(yè)對應急管理體系應不斷完善，定期進行評估找出其不足進行改進。

（6）加強各部門與上級之間的合作和協(xié)作能力。企業(yè)與上級之間的溝通和協(xié)作能力是影響救援的最佳時間，如何加強各部門及企業(yè)與上級之間的合作和協(xié)作能力是提高應急處置效率和降低應急處置時間的關(guān)鍵所在。

（編輯：常勇）

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