基于改進(jìn)FRA M模型的煤礦重大事故致因分析

喬萬冠，李新春，劉全龍

（中國礦業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

眾所周知，煤礦企業(yè)在中國是典型的高勞動強(qiáng)度、高危險、高事故的“三高行業(yè)”[1]。雖然，近年來中國的煤礦安全形勢取得了顯著進(jìn)步,但同世界主要產(chǎn)煤國家相比，差距仍然十分明顯。目前許多國內(nèi)外學(xué)者通過構(gòu)建煤礦事故致因模型來對煤礦的安全管理進(jìn)行分析[2-5]。但是目前煤礦事故致因分析仍局限于傳統(tǒng)的致因模型，對于系統(tǒng)理論的致因模型以及組合致因模型很少有人涉及。因此，利用基于系統(tǒng)理論的FRAM模型，并加以改進(jìn)來分析煤礦重大事故，可以更加全面、準(zhǔn)確的找出影響煤礦重大事故的關(guān)鍵因素。對控制中國煤礦重大事故的發(fā)生起到一定的引導(dǎo)作用。

1 研究方法

1.1 功能共振模型（FRAM）介紹

FRAM是由Hollnagel提出的一種基于系統(tǒng)論的事故分析模型，并且在國外的航空航天、航海和核能源等領(lǐng)域的事故分析取得了良好的應(yīng)用[6-8]。而在國內(nèi)，以FRAM模型為主題的研究者并不多，同時在煤礦安全領(lǐng)域鮮有學(xué)者進(jìn)行研究。利用FRAM模型來對事故進(jìn)行分析主要包括以下4個步驟：

1）識別系統(tǒng)的基本功能，并通過6個功能單位來表征每個模塊。FRAM模型在傳統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入時間、控制、前提和資源模塊構(gòu)成六角功能模塊。解決了對事故進(jìn)行簡單因果關(guān)系組合來進(jìn)行描述。六角功能模塊的各維描述如圖1。

圖1 FRAM模型的六角功能模塊

2）通過共同性能條件表征來識別功能模塊潛在變異特征。影響事故功能模塊的共同性能條件包含有11個方面：組織的質(zhì)量；工作條件；人、機(jī)的可能性；程序的有序性；目標(biāo)、數(shù)量和沖突；可用時間；生活節(jié)奏和工作壓力；培訓(xùn)、準(zhǔn)備和勝任力；團(tuán)隊協(xié)作；溝通質(zhì)量；人機(jī)交互、操作支持。通過確定功能模塊所屬的類型，從相對應(yīng)的共同性能條件評估功能的性能變化狀態(tài)，并將相對應(yīng)的波動狀態(tài)進(jìn)行劃分，包括：隨機(jī)性、一般性、戰(zhàn)術(shù)性或戰(zhàn)略性。其中，隨機(jī)性表明發(fā)生功能共振狀態(tài)的概率最大，戰(zhàn)略性發(fā)生共振的概率最小。

3）確定功能共振的可能性分析。在分析出功能模塊的潛在變異性特征之后，將存在潛在變異性的功能模塊與其他模塊進(jìn)行耦合連接，從而構(gòu)成系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)圖。每個功能模塊只有“輸出”功能可以為下游的功能模塊提供“資源”、“時間”、“前提”等接口。對接形成的耦合連接方式包含期望連接和非期望連接。根據(jù)上一步驟中存在性能變化異常的功能，然后找出其存在的非期望連接，就可確定功能共振的影響因素及失效連接。

4）制定性能變化的防控屏障。屏障是可以阻止不必要事件發(fā)生的障礙，或者防止不必要事件的后果。在FRAM中，識別出4類屏障系統(tǒng)（每個都具有其潛在的屏障功能）：物理屏障系統(tǒng)，阻止物質(zhì)、能量或信息的運動或運輸。例如安全帶和過濾器等。功能屏障系統(tǒng)，建立了在行動（由人/或機(jī)器）之前需要滿足的先決條件。包括鎖，密碼和煙霧探測器等。象征屏障系統(tǒng)，物理上存在的約束作用的指示。例如標(biāo)志，清單或警報等。無形屏障系統(tǒng)，是指不存在于物理上的行動的約束。例如道德規(guī)范、團(tuán)體壓力、規(guī)則和法律等。

1.2 現(xiàn)有FRAM模型的不足

利用FRAM模型對事故進(jìn)行分析，首先要了解該系統(tǒng)正確的運行方式，并且能夠用文字準(zhǔn)確的描述。然而，F(xiàn)RAM模型并沒有提供給使用者一套流程來完成對系統(tǒng)的認(rèn)知和分解，這樣就會造成不同的使用者在對同一事故進(jìn)行分析時，得到的結(jié)果卻不相同。同時，F(xiàn)RAM模型的操作相比較傳統(tǒng)事故致因模型要更加復(fù)雜，這就要求使用者具備更強(qiáng)的專業(yè)知識。同時在功能網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建方面，由于功能網(wǎng)絡(luò)圖是使用功能共振分析方法的基礎(chǔ)，但有的系統(tǒng)程序非常復(fù)雜，往往包含有多個子系統(tǒng)，這就往往會導(dǎo)致功能網(wǎng)絡(luò)圖的繪制精度出現(xiàn)偏差。例如，描述相似的功能特征沒有相對應(yīng)，或者能的某一方面特征在其他功能的特征描述中并未完全得到對應(yīng)[9]。最終的結(jié)果導(dǎo)致事故分析結(jié)果不全面。

1.3 FARM模型的改進(jìn)

基于上述問題，嘗試?yán)脮r間和事件序列圖（STPE）來彌補(bǔ)應(yīng)用FRAM模型中存在的不足。STEP方法從事故過程的描述，安全問題的識別，到安全建議的提出3個方面提供了事故調(diào)查的綜合框架。STEP的優(yōu)點是能夠按期時間順序清楚描述了事故發(fā)生的經(jīng)過，并將正常功能進(jìn)行任務(wù)和工序的劃分，強(qiáng)調(diào)事件之間的關(guān)聯(lián)性。而相比較于STEP方法而言，F(xiàn)RAM模型能夠系統(tǒng)性、全面性的描述系統(tǒng)功能變化的狀況。因此，2種方法的結(jié)合可以彌補(bǔ)二者存在的缺點，更加全面綜合的分析事故發(fā)生機(jī)制。

2 案例分析

2.1 事故簡述

2016年12月3日上午11：00左右，內(nèi)蒙古自治區(qū)寶馬煤礦發(fā)生1起特別重大瓦斯事故，共造成32人死亡、20人受傷以及4 399萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失[10]。事故發(fā)生當(dāng)日早上7：30左右，礦長及生產(chǎn)副礦長開完早會后，安排167人進(jìn)入越界開采區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)。8：30左右，工人開始檢查工作面和維修設(shè)備。10：00左右，局部通風(fēng)機(jī)因停電而停風(fēng)，工人們停止作業(yè)。11：00左右，恢復(fù)供電，電焊工在綜放工作面違規(guī)使用電焊機(jī)維修支架，引燃瓦斯。11：07，在6040巷采工作面發(fā)生第1次爆炸，而后在盲巷口發(fā)生第2次爆炸。

2.2 基于STEP-FARM模型的煤礦事故分析

2.2.1 基于STPE的事故分析

利用時間和事件序列圖（STEP）對上述事故進(jìn)行分析，可以得到導(dǎo)致事故發(fā)生的3個關(guān)鍵事件：停電停風(fēng)、違規(guī)使用電焊維修支架、瓦斯監(jiān)測，寶馬煤礦事故的STPE分析如圖2。再利用STPE模型分析出的系統(tǒng)功能，清楚地展示時間和事件的關(guān)系。

2.2.2 識別系統(tǒng)的基本功能并進(jìn)行描述

通過對事故調(diào)查報告的了解以及利用 STEP對該事故系統(tǒng)進(jìn)行簡要分析，可以得出事故發(fā)生時主要包含2個子系統(tǒng)：煤礦生產(chǎn)子系統(tǒng)S1和安全監(jiān)察子系統(tǒng)S2。S1子系統(tǒng)具體主要包括以下過程：F1：下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)；F2：檢查生產(chǎn)設(shè)備；F3：維修/維護(hù)設(shè)備；F4：掘進(jìn)巷道；F5：開采煤炭；F6：監(jiān)測瓦斯?jié)舛?；F7：巷道通風(fēng)；F8：運輸煤炭。S2子系統(tǒng)具體主要包括以下過程：E1:日常檢查；E2：接到舉報；E3:調(diào)派監(jiān)督員；E4：評估礦井安全狀況；E5：處罰/限期整改；E6：監(jiān)督/反饋。這2個子系統(tǒng)共14個過程確定為這起事故的14個功能模塊，然后為每一個功能模塊包含的具體內(nèi)容從輸入、輸出、資源、時間、控制和前提6個方面進(jìn)行闡述。以功能模塊F3：維修/維護(hù)設(shè)備為例：輸入（I）為故障設(shè)備上報；輸出（O）為設(shè)備正常運行；資源（R）為設(shè)備維護(hù)/維護(hù)人員；前提條件（P）為通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)正常；控制（C）為機(jī)電設(shè)備維修管理制度；時間（T）為無。

圖2 寶馬煤礦事故的STPE分析

2.2.3 識別潛在的變異性

根據(jù)上述提供的共同功能條件，對每個功能的性能變化進(jìn)行評估。以S1子系統(tǒng)中的F3功能模塊為例進(jìn)行分析（表1）。

表1 功能模塊F3的性能變化狀況

通過從共同性能條件（CPCs）對功能模塊的性能變化進(jìn)行評估，可以得到不同模塊性能變化的評估結(jié)果。功能模塊F3的性能變化結(jié)果包含3個“無法確定”，6個“不充分”和1個“充分”，不充分的數(shù)量達(dá)到了6個，因此可以基本認(rèn)定功能F3的性能變化是隨機(jī)的狀態(tài)，也就是說因為F3而導(dǎo)致事故發(fā)生的概率很大。同理可以得到S1系統(tǒng)和S2系統(tǒng)其他功能模塊的性能變化狀態(tài)（表2）。

從上述結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)子系統(tǒng)S1中的功能模塊F1、F3、F6和監(jiān)管子系統(tǒng)S2中的功能模塊E1和E6的性能變化結(jié)果為“隨機(jī)”狀態(tài)。這也就說明該5個模塊的性能變化發(fā)生了功能共振。

表2 各功能的功能變化評估結(jié)果

2.2.4 功能共振分析

利用FRAM Model Visualizer（FMV）軟件來識別出來的功能模塊之間的關(guān)系，并建立生產(chǎn)子系統(tǒng)S1的FRAM功能網(wǎng)絡(luò)（圖3），監(jiān)管子系統(tǒng)S2的FRAM功能網(wǎng)絡(luò)（圖略）。然后，對上下功能模塊耦合關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)子系統(tǒng)S1中的功能模塊F1、F3和F6以及監(jiān)管子系統(tǒng)S2中的功能模塊E4和E6的性能評估為隨機(jī)狀態(tài)。從這5個功能模塊為出發(fā)點，分析其可能存在的失效連接，從而找到煤礦重大瓦斯事故發(fā)生的原因，系統(tǒng)功能共振見表3。

2.2.5 制定屏障措施

事故功能共振分析結(jié)果表明，生產(chǎn)子系統(tǒng)S1中的F1、F3和F6功能模塊以及監(jiān)管子系統(tǒng)S2中的E4和E6功能模塊存在的失效連接導(dǎo)致該起重大瓦斯事故的發(fā)生，因此只有對該5個功能模塊進(jìn)行防控，控制他們的性能變化特征就可以預(yù)防該類事故的發(fā)生。制定的屏障措施應(yīng)從物理屏障、象征屏障、功能屏障和隱形屏障4個方面進(jìn)行制定，以F3為例，失效單位F3行為變化防控措施見表4。

3 案例結(jié)果及比較

圖3 煤礦生產(chǎn)子系統(tǒng)S1功能網(wǎng)絡(luò)圖

表3 系統(tǒng)功能共振表

表4 失效單位F3行為變化防控措施

利用改進(jìn)的FRAM模型對寶馬煤礦瓦斯爆炸事故案例進(jìn)行分析，得到以下不同于傳統(tǒng)事故分析的結(jié)果：耦合STEP和FRAM模型對煤礦重大事故進(jìn)行分析，共發(fā)現(xiàn)6處存在功能共振的地方，而導(dǎo)致的失效鏈接就是事故發(fā)生的主要原因。2008年煤炭價值的持續(xù)上漲促使寶馬煤礦鋌而走險越界開采煤炭，是導(dǎo)致了寶馬煤礦安全控制結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的根本原因。在越界開采區(qū)，設(shè)備簡陋，人員素質(zhì)不高導(dǎo)致安全開采得不到保障，事故的發(fā)生就在所難免。從外部監(jiān)管的角度來看，當(dāng)?shù)氐陌踩O(jiān)管站曾多次檢查寶馬煤礦，卻沒有發(fā)現(xiàn)存在的越界開采問題，一部分的原因是檢查人員的專業(yè)水平不高導(dǎo)致的，另一方面不乏存在工作責(zé)任心的問題。此外，當(dāng)面臨外界的舉報，監(jiān)管機(jī)構(gòu)也僅僅是進(jìn)行處罰和下達(dá)整改通知書，對于煤礦是否在規(guī)定期限內(nèi)完成整改內(nèi)容，無人進(jìn)行復(fù)查核對。工人違反《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行違章操作是致使事故產(chǎn)生的直接因素，但更應(yīng)被關(guān)注的是直接操作層后的組織因素。如為了節(jié)約成本，減少對員工進(jìn)行安全培訓(xùn)；礦井設(shè)計存在通風(fēng)系統(tǒng)的缺陷等問題。

4 結(jié)語

煤礦重大事故發(fā)生的原因往往涉及到多個因素之間的非線性耦合作用。然而利用傳統(tǒng)的事故致因理論很難解釋重大事故中存在的非線性和耦合性關(guān)系。因此，為應(yīng)對新的技術(shù)和管理方式帶來煤礦事故日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)，將系統(tǒng)理論應(yīng)用到事故致因模型中被認(rèn)為是一種有效的方法。通過現(xiàn)有FRAM模型進(jìn)行分析，并利用STEP模型進(jìn)行改進(jìn)，彌補(bǔ)了FRAM模型事故流程分析不足的弊端?？梢园l(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的FRAM模型與煤礦事故分析契合度高，避免了傳統(tǒng)事故致因模型帶來的事故原因分析不全面以及過于表面化的問題，同時能夠解釋煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)中的動態(tài)性和非線性的特征，對控制煤礦重大事故具有主要的理論和現(xiàn)實意義。