基于生物免疫系統(tǒng)的瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系研究

張立志，施式亮，2

（1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411201）

瓦斯異常涌出具有時(shí)間上突然、空間上集中、涌出不均勻、誘因復(fù)雜等特點(diǎn)，防控難度大，是誘發(fā)瓦斯爆炸、人員窒息、中毒等瓦斯事故的主要因素[1]。煤礦瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控形勢依然嚴(yán)峻，如2019 年4 月10 日，四川李子埡煤礦發(fā)生1 起煤壁垮落伴瓦斯異常涌出的較大事故，造成3 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失329 萬元[2]；2019 年7 月31 日，貴州大樹煤礦發(fā)生1 起因老采空區(qū)瓦斯異常涌出而導(dǎo)致的瓦斯爆炸事故，造成7 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)984 萬元[3]。因此，加強(qiáng)瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)防控研究對減少瓦斯事故的發(fā)生及減輕事故后果具有重要的理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。

隨著人工智能的不斷發(fā)展，國內(nèi)一些學(xué)者將生物免疫機(jī)理應(yīng)用到事故預(yù)防及控制研究領(lǐng)域。施式亮[4]通過比較分析事故預(yù)防與生物免疫識別模式在作用、生存環(huán)境等的共性，構(gòu)建了基于免疫原理的事故預(yù)防系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型；葉青[5]通過借鑒生物免疫系統(tǒng)抵御疾病的機(jī)理及其組織、結(jié)構(gòu)、功能等方面的特點(diǎn)，構(gòu)建了化工園區(qū)事故免疫系統(tǒng)，完善了化工園區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)管；陳清光[6]對比化工園區(qū)安全生產(chǎn)管理體系與生物免疫系統(tǒng)的相似性，構(gòu)建了Ag-Ab 預(yù)警指標(biāo)體系及安全生產(chǎn)預(yù)警預(yù)測模型，提高了化工園區(qū)重大事故預(yù)防預(yù)測能力；顏雯鈺[7]為防控氯化工藝事故，分析了氯化安全生產(chǎn)事故預(yù)警體系與生物免疫系統(tǒng)的相似性，并運(yùn)用層次分析法與模糊綜合評價(jià)法，得出對安全生產(chǎn)影響最大的抗原和抗體。以上研究表明，生物免疫系統(tǒng)依靠其很好的魯棒性、適應(yīng)性等特性，其免疫機(jī)理在相關(guān)領(lǐng)域的事故預(yù)防及控制方面得到一定的應(yīng)用，但在瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控領(lǐng)域，基于免疫機(jī)理的瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控研究仍處于前期階段。因此，對生物免疫系統(tǒng)、瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系進(jìn)行闡述，并對兩者的耦合特性進(jìn)行分析，研究免疫機(jī)理應(yīng)用到瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控上的可行性。

1 生物免疫系統(tǒng)的功能和防御機(jī)制

生物免疫系統(tǒng)是存在于高等動物（如人體）體內(nèi)的1 整套成熟、組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)，是在漫長進(jìn)化過程中與各種抗原相互作用而逐漸形成的，能夠使機(jī)體有效抵御某些疾病的侵襲。生物免疫系統(tǒng)由免疫器官、免疫細(xì)胞和免疫分子組成，主要具備免疫防御、免疫自穩(wěn)、免疫監(jiān)視等功能，并依靠眾多免疫細(xì)胞和免疫分子之間的相互作用來完成這些功能[8]。

生物免疫系統(tǒng)具有多層防御機(jī)制，可以抵御外界環(huán)境和體內(nèi)各種抗原的侵襲，生物免疫系統(tǒng)的“三層防線”示意圖如圖1。

圖1 生物免疫系統(tǒng)的“三層防線”示意圖Fig.1 Schematic diagram of the“three layers of defense”of biological immune system

根據(jù)免疫特點(diǎn)的不同，免疫可分為非特異性免疫和特異性免疫。當(dāng)外界抗原入侵機(jī)體時(shí)，原有的平衡狀態(tài)被打破，免疫系統(tǒng)首先會利用非特異性免疫對一部分抗原進(jìn)行防御和消殺；若某些抗原突破了非特異免疫的“防線”，免疫系統(tǒng)會迅速“啟動”特異性免疫。對于進(jìn)入體液中的抗原，巨噬細(xì)胞會對抗原進(jìn)行處理并將抗原信息呈遞給T 細(xì)胞，再由T 細(xì)胞對B 細(xì)胞進(jìn)行激活，產(chǎn)生相應(yīng)的抗體消滅抗原；對于某些進(jìn)入宿主細(xì)胞的抗原，則需要T 細(xì)胞根據(jù)巨噬細(xì)胞傳遞的抗原信息，產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)細(xì)胞，對靶細(xì)胞進(jìn)行裂解，使抗原暴露出來，再通過抗體和吞噬細(xì)胞對抗原進(jìn)行消殺。經(jīng)過對抗原的特異性免疫，免疫細(xì)胞會產(chǎn)生特異性抗原的記憶細(xì)胞形成免疫記憶。若同種抗原再次侵入機(jī)體時(shí)，免疫細(xì)胞和記憶細(xì)胞會以更快的反應(yīng)速度產(chǎn)生更多的抗體消滅抗原。

綜上所述，生物免疫系統(tǒng)是1 個(gè)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、嚴(yán)密，防御功能強(qiáng)大，且各免疫細(xì)胞協(xié)同作用優(yōu)秀的體系，對各種外界或體內(nèi)抗原具有快速、專門、有效的防御作用。而且，生物免疫系統(tǒng)具有的適應(yīng)性、多層次性、學(xué)習(xí)性、動態(tài)性、多樣性等特性[9]，使得免疫系統(tǒng)能夠針對不同的外界情況做出相應(yīng)的調(diào)整，使免疫系統(tǒng)可以始終保持在最佳防御狀態(tài)，從而讓機(jī)體保持健康。

2 瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系

瓦斯異常涌出受地質(zhì)因素和采掘技術(shù)因素的影響，如斷層、火成巖侵入、高開采強(qiáng)度、地面大氣壓驟降等往往會誘發(fā)瓦斯異常涌出。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系的目的則是消除瓦斯異常涌出誘發(fā)因素的影響，防止瓦斯異常涌出的發(fā)生或減輕瓦斯異常涌出的后果，減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。不同煤礦會根據(jù)其實(shí)際情況構(gòu)建瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10-15]，瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系可歸納為瓦斯異常涌出管理體系和風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系，包括地質(zhì)勘探系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)，瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系示意圖如圖2。

圖2 瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of risk prevention and control system of abnormal gas emission

瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系依靠瓦斯抽采、合理可靠通風(fēng)及針對不同誘因瓦斯異常涌出的其他專項(xiàng)防控措施消除瓦斯異常涌出誘發(fā)因素的影響，對不同誘因瓦斯異常涌出實(shí)施主動、有效的預(yù)防；瓦斯異常涌出管理體系和風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系中的其他措施則是配合瓦斯異常涌出主動預(yù)防措施使瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控達(dá)到更好的效果，防止瓦斯異常涌出的發(fā)生以及向瓦斯爆炸、窒息等事故的演化，降低瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)及減輕其后果。

同生物免疫系統(tǒng)防御抗原一樣，瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系防控瓦斯異常涌出并非靠某個(gè)單一措施就能實(shí)現(xiàn)，必須依靠多種管理措施和技術(shù)措施之間的相互作用才能夠完成，例如當(dāng)某煤層存在瓦斯含量過高、瓦斯壓力大、地面大氣壓驟降等瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，則須通過瓦斯抽采、合理通風(fēng)、專項(xiàng)措施、實(shí)時(shí)監(jiān)控、應(yīng)急預(yù)案等的協(xié)同作用來防止瓦斯異常涌出的發(fā)生或削弱瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)。瓦斯異常涌出管理體系和風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系兩者缺一不可，完整、嚴(yán)密的管理體系可為瓦斯異常涌出防控奠定基礎(chǔ)，先進(jìn)、優(yōu)秀的風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)則可為瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控的有效性提供保障。而且，瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系可根據(jù)井下不同的實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整，以便實(shí)現(xiàn)專門、快速和有效的防控。

3 瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與免疫系統(tǒng)的耦合性

生物免疫系統(tǒng)對多樣、復(fù)雜、已知或未知的抗原具有很好防御作用，而瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系也要對各種各樣、已知或未知的誘發(fā)因素進(jìn)行防控，兩者存在一定的耦合性。

1）作用對象。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系和免疫系統(tǒng)的作用對象都是系統(tǒng)內(nèi)外破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的危險(xiǎn)有害因素。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系的作用對象是導(dǎo)致瓦斯異常涌出的各種內(nèi)部或外部誘發(fā)因素，比如高瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力變化、高開采強(qiáng)度、地面大氣壓變化等；免疫系統(tǒng)的作用對象是破壞機(jī)體穩(wěn)定的內(nèi)部或外部抗原。因此，瓦斯異常涌出的發(fā)生相當(dāng)于機(jī)體產(chǎn)生疾病，導(dǎo)致瓦斯異常涌出的各種誘發(fā)因素相當(dāng)于導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生疾病的抗原。

2）作用機(jī)制。免疫功能是通過眾多免疫細(xì)胞和免疫分子之間的相互作用來完成，而瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系功能的實(shí)現(xiàn)也是依賴體系內(nèi)各項(xiàng)制度措施之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)；機(jī)體疾病是因免疫系統(tǒng)和和抗原之間的相互作用而產(chǎn)生，而瓦斯異常涌出的發(fā)生是瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與瓦斯異常涌出誘發(fā)因素之間的相互作用的結(jié)果；免疫系統(tǒng)會隨著機(jī)體所處的環(huán)境變化做出相應(yīng)的調(diào)整，而瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系也需要根據(jù)礦井實(shí)際情況做出與之相適應(yīng)的調(diào)整。在應(yīng)答機(jī)制方面，當(dāng)某種新抗原入侵免疫系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)的初次應(yīng)答時(shí)間會相對較長，但同種抗原再次入侵時(shí)，免疫系統(tǒng)會迅速反應(yīng)，消滅抗原，應(yīng)答時(shí)間會大大縮短；若某種新的瓦斯異常涌出誘發(fā)因素出現(xiàn)時(shí)，為消除或削弱誘發(fā)因素對瓦斯正常涌出的影響，其應(yīng)對策略的制定和執(zhí)行時(shí)間也會較長，但類似誘發(fā)因素再次出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)先前制定的策略和井下實(shí)際情況，則可以對該誘因瓦斯異常涌出做到主動、迅速、有效的防控。

3）功能。免疫系統(tǒng)和瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系的功能都是消滅危險(xiǎn)有害因素，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，使系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。免疫系統(tǒng)的功能是消滅各種侵入機(jī)體的抗原，使機(jī)體保持健康；瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系則是消除各種瓦斯異常涌出誘發(fā)因素對瓦斯涌出的影響，避免瓦斯異常涌出的發(fā)生或削弱瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)。

4）瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與免疫系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)相似性原理，瓦斯異常涌出防控體系與免疫系統(tǒng)在組成要素及系統(tǒng)功能上存在一定的對應(yīng)關(guān)系。瓦斯異常涌出管理體系可降低瓦斯異常涌出向瓦斯事故演化的風(fēng)險(xiǎn)，但不能完全防止瓦斯異常涌出的發(fā)生，故相當(dāng)于“非特異性免疫”；礦井總體通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)礦井總體規(guī)劃設(shè)計(jì)來設(shè)定的，能為井下稀釋瓦斯、提供氧氣和改善熱濕舒適性，但不是針對某一特定“抗原”，故屬于瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系的“非特異性免疫”；瓦斯抽放、合理局部通風(fēng)及其他專項(xiàng)防控措施是針對特定誘因瓦斯異常涌出所采取的主動、專門、有效的防控措施，屬于瓦斯異常涌出防控體系的“特異性免疫”。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與免疫系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與免疫系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between abnormal gas emission control system and immune system

4 結(jié) 語

1）生物免疫系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、功能強(qiáng)大、進(jìn)化成熟的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠有效抵御各種各樣抗原的侵襲。瓦斯異常涌出誘發(fā)因素與抗原皆具有多樣性、復(fù)雜性、已知與未知共存等特性，故生物免疫系統(tǒng)防御抗原機(jī)制對瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)防控具有可借鑒性。

2）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，從目的、結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制等方面對瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系進(jìn)行了歸納闡述。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系主要分為瓦斯異常涌出管理體系和風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系，主要目的是消除或削弱瓦斯異常涌出誘發(fā)因素的影響，杜絕瓦斯異常涌出的發(fā)生或減輕其后果，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）從作用對象、作用機(jī)制、功能、對應(yīng)關(guān)系等方面對瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系與生物免疫系統(tǒng)兩者之間的耦合性進(jìn)行分析，兩者存在一定的耦合性。瓦斯異常涌出誘發(fā)因素相當(dāng)于侵襲系統(tǒng)的“抗原”，瓦斯異常涌出的發(fā)生相當(dāng)于系統(tǒng)產(chǎn)生了“疾病”。瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)防控體系同樣具備“非特異性免疫”和“特異性免疫”。

4）通過對兩者耦合性的分析，免疫理論應(yīng)用到瓦斯異常涌出防控上具有一定的合理性，可為進(jìn)一步開展基于免疫機(jī)理的瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)識別、防控等方面的研究奠定基礎(chǔ)。