基于改進HFACS-MI模型的煤礦透水事故致因分析

沈中芹，曾 旺，王瑞強，趙云勝

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國冶金地質(zhì)總局中南地質(zhì)勘察院，湖北 武漢 430081)

煤炭是我國的主要能源。據(jù)統(tǒng)計，我國受水害威脅的煤炭儲量占已探明煤炭儲量的27%，因此我國也是煤礦透水事故多發(fā)的國家。所謂透水是指礦井在建設或生產(chǎn)過程中，地面水或者地下水通過裂隙、斷層等各種導水通道涌入礦內(nèi)，當?shù)V井涌水量超過礦井自身排水能力時，就造成了礦井透水事故[1]。近年來，隨著各種礦井水文地質(zhì)條件探查技術(shù)、礦井水害監(jiān)測測試技術(shù)和礦井防治水技術(shù)在煤炭生產(chǎn)中的應用，以及相關(guān)法律法規(guī)的推出和實施，我國煤礦水患的安全狀況已經(jīng)有了明顯的改善。但隨著開采層位的不斷加深，水文地質(zhì)條件越趨復雜，我國煤礦防治水形勢依然十分嚴峻[2]。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2008—2018年十年間我國共發(fā)生煤礦透水事故約302起，死亡人數(shù)達1 285人。煤礦透水事故一旦發(fā)生，輕者導致礦井緩建或關(guān)閉，重則造成群死群傷，并嚴重破壞當?shù)氐牡叵滤h(huán)系統(tǒng)。因此，分析煤礦透水事故的原因?qū)τ诘V山安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

目前關(guān)于我國煤礦透水事故致因分析方面的研究已有了一定的進展。如武強等[3]按充水水源、礦層與充水含水層彼此位置和接觸關(guān)系、導水通道等系統(tǒng)劃分了礦井水害類型，并分析了不同類型礦井水害的成災機制和特征；秦來昌[4]詳細分析了我國采煤工作面的水害原因；張瑞等[5]、羅春喜[6]分析了小型煤礦發(fā)生水害事故的特點和原因，并提出了相應的治理措施；郭彥華[7]總結(jié)了我國老空水水害事故的特點，并指出老空水水害致災性強的主要原因是礦井水文地質(zhì)條件的復雜性和安全管理失誤。

上述研究大都是對煤礦透水事故類型的總結(jié)或?qū)δ趁旱V具體透水事故類型的致因分析，而深入、系統(tǒng)地分析煤礦透水事故發(fā)生的各層原因的研究未見報道。據(jù)統(tǒng)計，在導致我國重大煤礦事故的直接原因中人因所占的比例高達90%以上[8]。因此，本文基于前人[9]提出的改進HFACS-MI模型，進一步完善了煤礦透水事故相關(guān)致因和分類系統(tǒng)，并以1990—2016年間發(fā)生的100起典型煤礦透水事故案例為樣本，深入研究了煤礦透水事故中人的不安全行為及其影響因素，分析了其相互間的因果關(guān)系，以期探尋煤礦透水事故預防管理工作中應重點關(guān)注的問題。

1 典型煤礦透水事故統(tǒng)計分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源于邢冬梅在其碩士論文中統(tǒng)計的80起典型煤礦透水事故[10]和筆者在國家煤礦安全監(jiān)察局網(wǎng)站上統(tǒng)計的2010—2016年間20起典型煤礦透水事故。

1.2 事故統(tǒng)計

本文按照事故等級、死亡人數(shù)、充水水源和單位性質(zhì)對100起典型煤礦透水事故進行了統(tǒng)計分析，見圖1。

圖1 按事故等級、死亡人數(shù)、充水水源和單位性質(zhì)分析的100起典型煤礦透水事故統(tǒng)計圖Fig.1 Statistics of 100 typical water inrush accidents in coal mines according to accident level,number of deaths, water source and enterprise property

由圖1可見，100起典型煤礦透水事故共造成1 498人死亡，其中重大事故的發(fā)生起數(shù)占比較大，死亡人數(shù)達778人；通過對充水水源分析可知，老空水引起的煤礦透水事故頻次較高(所占比例為61%)，主要是因為老空水隱蔽性高，不易發(fā)現(xiàn)；由發(fā)生煤礦透水事故的單位性質(zhì)統(tǒng)計可知，煤礦透水事故多發(fā)生在生產(chǎn)技術(shù)相對落后、不重視安全管理、缺乏監(jiān)督管理的鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦企業(yè)。

本文對100起典型煤礦透水事故的直接原因和間接原因進行了統(tǒng)計分析，見圖2和圖3。

圖2 100起典型煤礦透水事故的直接原因統(tǒng)計Fig.2 Direct cause statistics of the 100 typical water- related hazards in coal mines

圖3 100起典型煤礦透水事故的間接原因統(tǒng)計Fig.3 Indirect cause statistics of the 100 typical water- related hazards in coal mines

由圖2和圖3可見，導致煤礦透水事故的直接原因主要有越界開采、非法開采(亂采亂挖)、防水設施不符合規(guī)范、水文地質(zhì)資料不清、違章，其所占的比例達89%，其中違章所占的比例最大，為32%；導致煤礦透水事故的間接原因中，安全監(jiān)督檢查不到位和思想麻痹是最主要的原因，兩者所占的比例高達51%。

2 基于改進HFACS-MI模型的礦山透水事故致因體系構(gòu)建

2.1 HFACS-MI模型簡介

人因分析與分類系統(tǒng)(Human Factors Analysis and Classification System，HFACS)是2001年Wiegmann等[11]基于瑞士奶酪模型提出的。該系統(tǒng)從組織影響、不安全的領(lǐng)導行為、不安全行為的前提條件和不安全行為4個層級對人的失誤原因進行了詳細分解。Patterson等[12]在研究澳大利亞508起煤礦事故狀況時，結(jié)合煤礦事故實際對HFACS模型進行了修訂，并增加了影響人的不安全行為的外部因素，據(jù)此形成了煤礦行業(yè)事故原因分析的HFACS-MI模型；柳茹林等[9]對HFACS-MI模型中的外部因素從管理、政治、經(jīng)濟三個方面進行了詳細闡述，提出了改進的HFACS-MI模型。改進的HFACS-MI模型將由人的失誤導致事故的原因分為5個層級，其中層級2～5的內(nèi)容和表現(xiàn)形式已被廣泛認可[13-14]，層級1為改進的外部因素及其相關(guān)內(nèi)容，詳見圖4。

圖4 改進的HFACS-MI模型Fig.4 Improved HFACS-MI model注：虛線內(nèi)的內(nèi)容為原HFACS模型。

2.2 基于改進HFACS-MI模型的煤礦透水事故致因體系建立

本文將發(fā)生煤礦透水事故的原因歸類到改進HFACS-MI模型的致因類別中，即在原模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦透水事故的特點，識別出各致因類別在煤礦透水事故中的具體表現(xiàn)形式，建立了適用于煤礦透水事故致因分析的改進HFACS-MI模型。完善后的改進HFACS-MI模型將煤礦透水事故的致因分為5個水平層級、74項致因具體表現(xiàn)形式，詳見表1。

本文利用完善后的改進HFACS-MI模型分析了100起典型煤礦透水事故，并對煤礦透水事故各致因類別的具體表現(xiàn)形式的頻數(shù)進行了統(tǒng)計與分析，其結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5和圖6可見，由100起典型煤礦透水事故各致因類別所占比例的統(tǒng)計結(jié)果顯示：在外部因素中，管理因素所占的比例最高(52.6%)，其次為經(jīng)濟因素(26.7%)；在組織影響中，組織氛圍所占的比例最高(49.7%)，其中主要致因表現(xiàn)形式為企業(yè)效益第一原則、安全氛圍未形成(所占的比例為42.7%)，組織過程所占的比例次之(35.1%)，資源管理所占的比例較低(15.2%)；在不安全的領(lǐng)導行為中，監(jiān)管不到位和監(jiān)督違規(guī)所占的比例最高(64.6%)，其中主要致因表現(xiàn)形式為未進行監(jiān)督和允許不合格者操作；在不安全行為的前提條件中，操作者不達標的個體狀態(tài)所占的比例較高(58.3%)；在不安全行為中，失誤為主要類型(54.7%)，略高于違規(guī)類型(45.3%)，兩種類型的主要致因表現(xiàn)形式為決策型失誤和認知型失誤(共40.7%)以及習慣性違規(guī)(45.4%)。

表1 基于改進HPACS-MI模型的煤礦透水事故致因體系Table 1 Cause system for water inrush accidents in coal mines based on improved HFACS-MI model

圖5 煤礦透水事故致因體系中層級1～3的致因表現(xiàn)形式統(tǒng)計直方圖Fig.5 Statistical histogram of the first to third level causes in the cause system for water inrush accidents in coal mines

圖6 煤礦透水事故致因體系中層級4～5的致因表現(xiàn)形式統(tǒng)計直方圖Fig.6 Statistical histogram of the fourth to fifth level causes in the cause system for water inrush accidents in coal mines

3 煤礦透水事故致因分析

3.1 卡方檢驗和讓步比簡介

卡方(χ2)統(tǒng)計量是統(tǒng)計學家皮爾遜1899年提出的，主要用于檢驗實際分布與理論分布的配合程度[15]。以f0表示實際觀測值，fe表示理論觀測值，則χ2的計算公式為

(1)

讓步比(OR)用于衡量一個特定群體中，屬性A的出現(xiàn)與否和屬性B的出現(xiàn)與否的關(guān)聯(lián)性大小的特征值。若B出現(xiàn)時A出現(xiàn)的概率為t1，B不出現(xiàn)時A出現(xiàn)的概率為t2，則t1/t2即為讓步比(OR)。

3.2 基于卡方檢驗和讓步比的煤礦透水事故致因體系中不同致因?qū)蛹夐g的因果關(guān)系分析

卡方檢驗適用于定類與定序變量，事故中的人為因素屬于定類變量，故可用χ2檢驗進行分析。本文運用χ2檢驗和OR對上述構(gòu)建的煤礦透水事故致因體系中5個致因?qū)蛹夐g的內(nèi)在因果關(guān)系進行分析[16]。χ2檢驗值、顯著性水平p以及OR值的計算均通過Excel軟件實現(xiàn)。

χ2統(tǒng)計量計算使用2×2列聯(lián)表形式，計算步驟如下：

第一步，提出原假設和備擇假設。一般情況下，原假設H0：兩變量是獨立的；備擇假設H1：兩變量不獨立。

第二步，計算卡方值，計算過程見表2。表2中各單元格中的m值即為公式(1)中的實際觀測值f0，m值后面括號里的f值即為公式(1)中的理論觀測值fe,計算χ2值之前必須先計算出理論值。理論值fij的計算公式為

(2) 表2 計算χ2統(tǒng)計量的2×2列聯(lián)表Table 2 The 2×2 contingency of calculating Chi-square statistics

計算出理論值后，即可根據(jù)公式(1)求出χ2值。對于2×2列聯(lián)表，若以A、B、C、D分別表示4個單元格中的實際觀測值，χ2值的計算公式可簡化為

(3)

第三步，根據(jù)χ2值的計算結(jié)果，運用統(tǒng)計函數(shù)CHITEST計算顯著性水平p(取臨界水平p值為0.05)，并根據(jù)實際觀測值計算讓步比(OR)值。通過對煤礦透水事故致因體系中各相鄰層級因素間關(guān)聯(lián)度進行逐層分析，當滿足p<0.05、OR>1時，表示拒絕原假設，兩者不獨立；反之則表示兩變量是獨立的。如表3，通過計算管理因素和組織氛圍關(guān)聯(lián)分析結(jié)果得χ2=7.11，p=0.057>0.05，OR=3.27>1，故拒絕原假設，兩者不獨立。依次計算后，可得到煤礦透水事故致因體系中不同致因?qū)蛹夐g的因果關(guān)系圖，見圖7。

表3 管理因素和組織氛圍的2×2列聯(lián)表Table 3 The 2×2 contingency for management factors and organizational atmosphere

圖7 基于改進HFACS-MI模型的煤礦透水事故致因體系中不同致因?qū)蛹夐g的因果關(guān)系分析圖Fig.7 Causal relationship between different levels in the cause system for water in rush accidents in coal mines based on improved HFACS-MI model

由圖7可見，在改進的HFACS-MI模型框架中，層級1與層級2之間存在5組顯著的因果關(guān)系；層級2與層級3之間存在6組顯著的因果關(guān)系；層級3與層級4之間存在4組顯著的因果關(guān)系；層級4與層級5之間存在4組顯著的因果關(guān)系。

3.3 煤礦透水事故致因分析

3.3.1 外部因素

(1) 政治因素。隨著我國煤炭行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)及地方政策的頒布與實施，國家展開了對鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦的整治，包括礦產(chǎn)資源的整合以及煤炭企業(yè)的兼并重組，這些政策的實施使得煤礦水患狀況明顯好轉(zhuǎn)，但也遺留了部分問題，特別是組織氛圍中的組織結(jié)構(gòu)不清，如行政管理系統(tǒng)不良、行政安全責任劃分不清；組織文化氛圍未形成，如企業(yè)注重效益第一原則及短期內(nèi)安全氛圍難以形成。這些問題加劇了煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢的復雜性與艱巨性，從而影響了整個行業(yè)生產(chǎn)組織氛圍。

(2) 經(jīng)濟因素。近年來煤炭行業(yè)經(jīng)濟下行壓力加大，其資產(chǎn)負債率居高不下，加之各種清潔能源發(fā)展迅猛，北煤南運的高昂運輸成本、煤炭進口數(shù)量的攀增等，導致我國煤炭產(chǎn)量過剩，煤炭企業(yè)盈利不佳。一些煤礦企業(yè)只得通過裁員和壓縮安全投入等方式維系生產(chǎn)，致使生產(chǎn)設備和安全防護設施欠缺，嚴重影響了安全生產(chǎn)資源的管理分配。

(3) 管理因素。管理因素中的監(jiān)管機構(gòu)執(zhí)行不力主要影響組織過程和組織氛圍。通過對100起典型煤礦透水事故致因的分析發(fā)現(xiàn)，地方監(jiān)管部門履職不到位、疏于對企業(yè)水害隱患的排查和整改落實常常是導致煤礦透水事故發(fā)生的深層原因。例如2005年8月7日廣東大興煤礦發(fā)生了121人死亡的特大透水事故，主要原因就是當?shù)孛旱V監(jiān)管部門監(jiān)管不力，放任、支持證照不全的大興煤礦長期進行非法生產(chǎn)，從而埋下了安全隱患。

3.3.2 組織影響

組織層級的安全氛圍會影響員工在煤炭生產(chǎn)過程中遵守勞動紀律時的自覺性和自我應對煤礦突發(fā)透水事故的技巧性。組織層級的影響具有間接性和隱性特征，因此常被安全人員所忽視。由圖7可見，資源管理不當會使監(jiān)督不到位和運行計劃不恰當?shù)目赡苄苑謩e增大5.2倍(OR=5.20)和3.6倍(OR=3.60)，主要表現(xiàn)為防治水機構(gòu)、人員和設備不足；組織氛圍缺失會使監(jiān)管不到位和沒有糾正問題的可能性分別增大5.1倍(OR=5.10)和9.2倍(OR=9.20)，主要表現(xiàn)為企業(yè)只注重生產(chǎn)效益，管理人員在指揮生產(chǎn)中容易忽視安全工作；組織過程漏洞會使沒有糾正問題和監(jiān)督違規(guī)的可能性分別增大4.1倍(OR=4.10)和5.1倍(OR=5.10)，主要表現(xiàn)為在生產(chǎn)過程中，水害預測預報和水患排查治理等制度落實不到位等。例如2016年“4·25”銅川市耀州區(qū)照金煤礦發(fā)生11人死亡的透水事故，原因之一就是企業(yè)安全生產(chǎn)意識不強，缺乏健全的防治水責任體系，未認真落實探放水制度等。

3.3.3 不安全的領(lǐng)導行為

由圖7可見，監(jiān)督不到位和監(jiān)督違規(guī)均會顯著影響工人的精神狀態(tài)，而監(jiān)督違規(guī)還會影響井下的作業(yè)環(huán)境。主要是因為煤礦企業(yè)管理者的安全意識淡薄及責任意識低、對井下人員的違規(guī)行為視而不見、企業(yè)的安全生產(chǎn)培訓流于形式、允許工人冒險蠻干等會引起工人的僥幸、懈怠等不利精神狀態(tài)以及井下工作環(huán)境的混亂無序，將會導致職工安全意識淡薄、安全技能不足、自救能力弱，并會影響作業(yè)人員在井下的安全開采技術(shù)和對生產(chǎn)設備的操作熟練程度。例如2010年山西王家?guī)X煤礦“3·28”透水事故，其主要原因是為了趕工期、趕進度，當班領(lǐng)導安排了14個掘進隊同時作業(yè)，使作業(yè)面的作業(yè)人員過度集中，加之領(lǐng)導干部帶班制度未落實、施工安全措施不到位、隱患排查治理不力、多次發(fā)現(xiàn)巷道積水后并未采取有效措施來消除隱患，從而導致事故的發(fā)生。

3.3.4 不安全行為的前提條件

由圖7可見，不安全行為的前提條件中工人精神狀態(tài)和準備狀態(tài)不佳是導致其出現(xiàn)差錯的主要原因。主要是因為井下作業(yè)人員無法及時獲取準確、全面的安全信息，對井下環(huán)境安全狀況判斷不清，且長時間在復雜、狹小和封閉的井下環(huán)境中重復操作，極易導致疲勞、厭倦、麻痹及警惕性低等不利精神狀態(tài)的出現(xiàn)，這些都容易使作業(yè)人員產(chǎn)生認知型差錯、決策型差錯和違規(guī)行為。此外，個人準備狀態(tài)不佳(如休息和安全培訓教育不足、酗酒等)可使技能型差錯發(fā)生的概率增大11倍。因此，作業(yè)人員良好的生理和心理素質(zhì)是在煤炭生產(chǎn)作業(yè)過程中擁有較強的承受能力和遇到煤礦透水事故具有快速的緊急反應能力的前提條件。

3.3.5 不安全行為

不安全行為包括失誤和違規(guī)兩類。由前述分析可知，決策型失誤、認知型失誤和習慣性違規(guī)是不安全行為中的3種主要表現(xiàn)形式。其中，決策型失誤主要包括由經(jīng)驗不足引起的對透水征兆判斷不清、緊急反應失誤；認知型失誤主要是由個人感覺與實際情況的差異性所致，如由于井下光線昏暗、巷道潮濕而未識別透水征兆等；習慣性違規(guī)包括經(jīng)常性地違章操作和違反勞動紀律，如違反探放水原則、非法生產(chǎn)、越界開采等。

由上述煤礦透水事故致因的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，人的不安全行為與煤礦透水事故的發(fā)生有直接的關(guān)系，因此對人的不安全行為的控制程度將直接影響煤礦透水事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)論與建議

本文基于煤炭行業(yè)的特征，結(jié)合1990—2016年間100起典型煤礦透水事故原因的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)不安全行為是造成煤礦透水事故的最主要原因，并基于改進的人因分析與分類系統(tǒng)(HFACS-MI)模型，在修正和補充人為因素的基礎(chǔ)上構(gòu)建了包括外部因素、組織影響、不安全的領(lǐng)導行為、不安全行為的前提條件和不安全行為5個致因?qū)蛹壍拿旱V透水事故致因體系，最后根據(jù)卡方檢驗和讓步比對該致因體系中不同致因?qū)蛹夐g的因果關(guān)系進行了分析。結(jié)果表明：在該致因體系中，導致煤礦透水事故發(fā)生的最深層原因是政府監(jiān)管部門履職不到位，引起煤礦企業(yè)組織氛圍缺失和組織過程漏洞，從而對企業(yè)領(lǐng)導的行為產(chǎn)生了不良影響。其中，監(jiān)督違規(guī)和監(jiān)督不到位可使員工產(chǎn)生不利精神狀態(tài)的可能性分別增大2.6倍和3.8倍，而工人精神狀態(tài)和準備狀態(tài)不佳又是導致不安全行為的最直接原因，最終引發(fā)煤礦透水事故的發(fā)生。將本文構(gòu)建的基于改進HFACS-MI模型的煤礦透水事故致因體系應用于煤炭生產(chǎn)實際中，驗證其對煤礦透水事故的預防管理和事故調(diào)查的有效性，將是下一步研究的內(nèi)容。