基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的礦山水患致災(zāi)機(jī)理研究

陳 杉 陳增虢 吳銘渝

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074；2.山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)疾病預(yù)防控制中心，山東 濟(jì)南 271100)

0 引言

礦山水患搶救時(shí)間長(zhǎng)、搶救難度大，不僅會(huì)影響正常的生產(chǎn)，還會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，更嚴(yán)重的則會(huì)引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染，嚴(yán)重制約了礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)造成的社會(huì)影響極大。

近年來(lái)，礦井水患防治理念深入人心，防治措施更加科學(xué)，防治工作取得了新的進(jìn)展。但是，防治形勢(shì)仍然嚴(yán)峻不容松懈。如2013年，山東省濟(jì)南市粘土礦“5·23”重大透水事故，造成9人死亡，1人失蹤；2020年3月13日，河南省氟鑫礦業(yè)有限公司非法越界開(kāi)采，導(dǎo)致井下發(fā)生透水事故，造成7人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失937.2萬(wàn)元；2021年6月10日，山西大紅才鐵礦發(fā)生重大透水事故，造成13人死亡。

水患事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著社會(huì)安定和礦山的正常生產(chǎn)。為了更好地遏制礦山水患事故的發(fā)生，科學(xué)地分析礦山水患的致災(zāi)機(jī)理及各影響因子間的關(guān)系，構(gòu)建礦山水患致災(zāi)機(jī)理體系，才能有效地提出礦山水患的防治技術(shù)與方法，提高水患治理工作水平，改善水患綜合治理不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)狀。

1 礦山水患因果關(guān)系分析

1.1 礦山水患致災(zāi)影響因素分析

礦山水患致災(zāi)機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其內(nèi)部各種因素共同作用導(dǎo)致礦山水患的發(fā)生。同時(shí)，礦山水患各影響因素間呈現(xiàn)非線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)性的特征，且存在較為復(fù)雜的因果關(guān)系。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)適用于分析研究復(fù)雜信息反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，能充分考慮礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)的特性，找出系統(tǒng)內(nèi)部諸要素間和各子系統(tǒng)間的復(fù)雜因果聯(lián)系，探索致災(zāi)系統(tǒng)的行為特性與安全狀況的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的模擬仿真奠定基礎(chǔ)。因此，可以選用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)礦山水患進(jìn)行研究。

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論，構(gòu)建礦山水患的致災(zāi)機(jī)理需首先明確礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)的各種影響因素及各因素之間的因果關(guān)系。

通過(guò)相關(guān)研究和案例分析，水患發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：(1)水文地質(zhì)條件不良。地形：盆形洼地，降水不易流走，容易補(bǔ)給水；圍巖性質(zhì)：圍巖為松散的砂、礫層及裂隙、溶洞發(fā)育的灰?guī)r等組成時(shí)，可賦存大量水；地質(zhì)構(gòu)造影響主要是指褶曲和斷層。(2)防治水制度不健全。如礦山防治水制度未規(guī)定外包單位，現(xiàn)場(chǎng)管理混亂責(zé)任不明確；未按規(guī)定提取安全生產(chǎn)費(fèi)用；未執(zhí)行“有疑必探，先探后掘”制度；沒(méi)有防治水技術(shù)人員和探放水設(shè)備，沒(méi)有專(zhuān)職探放水隊(duì)伍等。(3)防治水技術(shù)基礎(chǔ)工作不到位。如鉆孔施工記錄、探放水設(shè)備臺(tái)賬等資料未統(tǒng)一管理，原始資料易丟失，保存資料不真實(shí)完整，部分資料不定期更新存檔；水患預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和水患排查治理制度不落實(shí)等。(4)防治水措施不落實(shí)。一是礦山非法違法生產(chǎn)，如無(wú)證開(kāi)采，超層越界、超深越界開(kāi)采等。二是礦山違規(guī)違章生產(chǎn)，如未對(duì)可能影響礦井的地表水體針對(duì)性防范，探放水措施未落實(shí)，對(duì)廢棄老窿等未徹底充填。(5)防治水設(shè)備設(shè)施不健全。部分礦山心存僥幸心理，未建立突水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，未開(kāi)展底板注漿加固工程。

礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)同時(shí)受到人的行為水平、安全管理水平、環(huán)境水平、設(shè)備設(shè)施水平、技術(shù)水平、法制監(jiān)管水平的綜合作用影響，各個(gè)因素的水平提高將使礦山水患的狀況得到整體改善，同時(shí)各因素之間又彼此影響，存在復(fù)雜的因果關(guān)系。結(jié)合系統(tǒng)論事故致因模型，礦山水患的因果關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)因果關(guān)系圖

2 礦山水患致災(zāi)機(jī)理模型構(gòu)建

根據(jù)礦山水患安全水平因果關(guān)系圖，考慮到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程建立的合理性，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，定義如下模型變量：模型變量含義如表1。

表1 模型變量含義

根據(jù)因果關(guān)系圖和定義的模型變量，建立礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)流圖，如圖1。

圖1 礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)流圖

3 模型仿真與應(yīng)用

本文使用Vensim PLE軟件進(jìn)行礦山水患致災(zāi)系統(tǒng)的仿真。設(shè)定3年后礦山水患方面的安全水平期望值為95。在設(shè)定條件下，仿真結(jié)果如下。

(1)理想狀態(tài)下，礦井水患致災(zāi)系統(tǒng)的安全水平達(dá)到期望安全水平需27個(gè)月。不論是各因素還是系統(tǒng)整體，安全水平的提高都不能一蹴而就，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，貴在堅(jiān)持，重在堅(jiān)守。

(2)人的行為和環(huán)境的變化難度更大，人的行為水平2年半后達(dá)到預(yù)期，環(huán)境的安全水平3年半后達(dá)到預(yù)期。由此，可以幫助礦山更加科學(xué)地設(shè)立安全生產(chǎn)總目標(biāo)和短期目標(biāo)。

(3)不同因素對(duì)礦山水患的影響程度不通。其中“預(yù)警管理”的作用效率最大，其次是“人的行為”，其他因素的作用不太明顯，這與該礦山水患的實(shí)際情況是相符的。因此，加強(qiáng)預(yù)警管理，規(guī)范人員操作行為是減少該礦山水患的重點(diǎn)，有助于礦山管理者采取相應(yīng)的安全措施。

4 結(jié)論

(1)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采取“防、堵、疏、排、截、避”綜合治理措施。

(2)健全防治水機(jī)構(gòu)、明確水患防治責(zé)任，配足防治水專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和專(zhuān)職探放水作業(yè)人員。

(3)制定和落實(shí)防治水措施。對(duì)影響礦井開(kāi)采的地表水體進(jìn)行截排及封堵措施；對(duì)井下開(kāi)采采取如下措施：留設(shè)防隔水礦(巖)柱；配備與礦井涌水量相匹配的水泵等設(shè)備；在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井設(shè)置防水閘門(mén)，或在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上配備排水能力不小于最大涌水量的排水系統(tǒng)。

(4)全面普查礦區(qū)內(nèi)水患致災(zāi)因素。掌握地質(zhì)、降水等資料，密切觀(guān)察外部環(huán)境變化對(duì)礦山的影響。

(5)防范暴雨、洪水引發(fā)礦山水患事故。安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)、可能波及的地區(qū)和可能影響礦井安全生產(chǎn)的工程等重點(diǎn)部位進(jìn)行巡視檢查；關(guān)注水利、氣象等部門(mén)發(fā)布的預(yù)警信息，密切監(jiān)控隱患區(qū)域降雨情、水情變化，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作；暴雨洪水等事故災(zāi)害緊急情況下及時(shí)撤離的制度；在雨季前要開(kāi)展一次隱患排查治理行動(dòng)。

(6)健全落實(shí)水患應(yīng)急處置機(jī)制。結(jié)合礦山水患實(shí)際情況，制定水患應(yīng)急救援預(yù)案，編寫(xiě)針對(duì)性強(qiáng)、操作性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)處置方案，定期組織全體工作人員進(jìn)行演練，提高防災(zāi)意識(shí)；充分利用安全監(jiān)控、水害監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)險(xiǎn)情征兆時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，停產(chǎn)撤人避險(xiǎn)，最大限度減少損失；定期檢查、維修通風(fēng)、排水等設(shè)施，確保正常運(yùn)行；險(xiǎn)情信息及時(shí)依法上報(bào)，以便有關(guān)部門(mén)安排后續(xù)人員救援、安置等工作。