采空區(qū)瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估

司俊鴻，程根銀，王乙橋，李 林，李沂蔓

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；2.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，河北 三河 065201）

瓦斯和煤自燃是煤礦的主要災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國有重點(diǎn)煤礦中高瓦斯礦井約占70%，而高瓦斯易自燃礦井?dāng)?shù)量占1/3 以上[1-3]。

瓦斯與煤自燃災(zāi)害相互影響、相互制約，煤自燃為瓦斯爆炸事故提供了火源[4]。防治瓦斯的抽采技術(shù)改變了煤體的漏風(fēng)流場，易增加煤體氧化進(jìn)程，尤其對于采空區(qū)，它是復(fù)合災(zāi)害的主要場所[5]，受其空間的限制，使得災(zāi)害的隱蔽性增強(qiáng)、防治難度加大，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)事故防治理論，提升人的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知是有效預(yù)防事故的主要手段之一。倫理風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的環(huán)節(jié)經(jīng)常被忽視，其為利益主體受某種因素的引誘，違反一般社會道德準(zhǔn)則而產(chǎn)生的倫理負(fù)效應(yīng)[6]，具有不確定性、復(fù)雜性、危害性等特點(diǎn)[7]。任何技術(shù)在成熟之前都需要經(jīng)過實(shí)踐，實(shí)踐過程中必然存在風(fēng)險(xiǎn)[8]。一旦災(zāi)害發(fā)生，在生存為首要任務(wù)的前提下，社會已有的道德準(zhǔn)則和價(jià)值觀念通常會與人的生存意識發(fā)生沖突，失去其有效性[9]。受災(zāi)群體在災(zāi)害面前展現(xiàn)出脆弱性，災(zāi)害造成的破壞給其內(nèi)心留下巨大的心理創(chuàng)傷，政府、公眾等在救助過程中負(fù)有必要的道德責(zé)任。在與災(zāi)害抗?fàn)幍倪^程中，自上而下與自下而上的政府和公眾參與、媒體傳播等行為深化了人類的道德品行[10]。

瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)是指在煤礦為保障安全生產(chǎn)的決策中，決策者在平衡相關(guān)利益的同時(shí)，由于受正面或者負(fù)面因素的影響，可能使煤礦安全生產(chǎn)在人與人、人與自然、人與社會的倫理關(guān)系方面產(chǎn)生不確定的事件或者條件，未受到倫理約束而使煤礦產(chǎn)生危害社會的倫理負(fù)效應(yīng)的可能性。礦井煤自燃和瓦斯復(fù)合熱動力學(xué)災(zāi)害發(fā)展進(jìn)程復(fù)雜，具有災(zāi)害危險(xiǎn)性大、難于進(jìn)行辨識、預(yù)警和治理[2]等特征，國內(nèi)外學(xué)者對其致災(zāi)機(jī)理、特性和模式以及防治技術(shù)等進(jìn)行了相關(guān)研究[3,11-15]，提出了礦井瓦斯和煤自燃災(zāi)害具有交織共生特征，二者相互矛盾和制約[16]，存在復(fù)合災(zāi)害的安全隱患失衡問題。從災(zāi)害發(fā)生過程和災(zāi)害防治技術(shù)的協(xié)同性來看，如何在災(zāi)害發(fā)生的發(fā)展階段減小瓦斯涌出量和氧化帶寬度是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題，但均未考慮倫理風(fēng)險(xiǎn)；工程技術(shù)本身受到倫理道德的制約[17]，將工程技術(shù)、人和環(huán)境及其相互關(guān)系置于核心位置進(jìn)行倫理決策是防范化解瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)的主要措施。

為此，以瓦斯煤火耦合災(zāi)害中涉及的倫理問題為研究對象，通過分析采空區(qū)瓦斯煤火耦合致災(zāi)影響因素，從倫理風(fēng)險(xiǎn)評估角度分析瓦斯和煤自燃復(fù)合動力學(xué)災(zāi)害問題的決策方案；研究成果對于復(fù)合動力學(xué)災(zāi)害研究具有重要的理論補(bǔ)充意義，對于保障礦井安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 瓦斯煤火耦合災(zāi)害影響因素

1.1 采空區(qū)瓦斯煤火耦合致災(zāi)機(jī)理

礦井采空區(qū)中下部覆巖垮落破碎與遺煤混合的區(qū)域是煤自燃、瓦斯等災(zāi)害發(fā)生的重要部位，受區(qū)域特殊地理?xiàng)l件和煤體蓄熱條件等因素的限制，災(zāi)害隱蔽性較強(qiáng)、流場復(fù)雜、監(jiān)測難度大、火源定位困難，災(zāi)害單獨(dú)治理時(shí)相互影響較大。

瓦斯抽采是有效治理瓦斯的重要手段，采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)通道增多，增加采空區(qū)氧含量和氧化程度，促使采空區(qū)溫度升高，引起采空區(qū)與工作面氣體對流，加大采空區(qū)漏風(fēng)和氧化自燃。從煤自燃火災(zāi)的成因來看，煤自燃過程不僅與煤的氧化和放熱特性有關(guān)，還與漏風(fēng)供氧和蓄熱環(huán)境密切相關(guān)，高溫區(qū)域的位置、溫度、漏風(fēng)強(qiáng)度和氧體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間發(fā)生動態(tài)變化，使得采空區(qū)溫度進(jìn)一步上升、采空區(qū)氣體組分發(fā)生變化，擴(kuò)大了采空區(qū)瓦斯爆炸的條件，更易導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯事故的發(fā)生，2 種災(zāi)害相互影響、相互作用和相互制約。采空區(qū)瓦斯煤火耦合致災(zāi)機(jī)理如圖1。

圖1 采空區(qū)瓦斯煤火耦合致災(zāi)機(jī)理Fig.1 Mechanism of coupling disaster of methane and coal fire in goaf

1.2 瓦斯煤火耦合災(zāi)害主控因素

影響瓦斯煤火耦合災(zāi)害的主要因素包括物理因素、開采因素、環(huán)境因素和技術(shù)因素，耦合災(zāi)害主控因素如圖2。

圖2 耦合災(zāi)害主控因素Fig.2 Main control factors of coupling disaster

2 耦合災(zāi)害倫理及風(fēng)險(xiǎn)防范

耦合災(zāi)害防控過程不僅涉及技術(shù)的可行性，還涉及防控技術(shù)與人、設(shè)備、環(huán)境以及技術(shù)之間等錯綜復(fù)雜的倫理關(guān)系，以及技術(shù)實(shí)施的目的手段和實(shí)施后果的正當(dāng)性。通過對技術(shù)行為的倫理調(diào)節(jié)，可以協(xié)調(diào)技術(shù)發(fā)展與人和社會間緊張的倫理關(guān)系。耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)防范程序如圖3。

圖3 耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)防范程序Fig.3 Ethics risk prevention procedure of coupling disaster

瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)防范過程包括培養(yǎng)倫理主體具有良好的倫理意識。不同主體具有不同的職業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在特定情況下會發(fā)生倫理沖突，如工程師應(yīng)按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證監(jiān)測預(yù)警和防控技術(shù)安全有序運(yùn)行，而管理者往往需要兼顧效率。發(fā)生災(zāi)害之后的決策者，其個人對于災(zāi)害的認(rèn)識水平以及倫理意識，直接決定災(zāi)害事故的處理結(jié)果。因此，在個人品德和社會公德等方面，應(yīng)遵循社會倫理和公序良俗，遵守倫理原則。

在底線原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)及時(shí)修正相關(guān)倫理準(zhǔn)則和規(guī)范，具體表現(xiàn)在耦合災(zāi)害防控技術(shù)上，礦井需建立安全可靠的瓦斯煤火耦合災(zāi)害防控技術(shù)，提出工程技術(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)和安全性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)程序等，從瓦斯、煤自燃單一災(zāi)害和耦合災(zāi)害3 個方面進(jìn)行倫理風(fēng)險(xiǎn)評估，加強(qiáng)對技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的識別、分類及其應(yīng)對策略研究。

技術(shù)決策帶來的安全利益、社會利益和生態(tài)利益得失會直接引發(fā)技術(shù)倫理問題，只有守住技術(shù)決策倫理紅線，才能使技術(shù)工程師遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，組織管理者遵循行為規(guī)范和決策規(guī)范，相關(guān)利益者做出符合切身利益的行為，避免技術(shù)開發(fā)階段只注重技術(shù)經(jīng)濟(jì)，而缺乏長期環(huán)境治理與人員健康保護(hù)視野的發(fā)展模式。

3 耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)學(xué)模型

3.1 評估模型層次結(jié)構(gòu)

結(jié)合瓦斯煤火耦合災(zāi)害主控因素，在層次分析法的基礎(chǔ)上，建立耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)的評估模型，耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估模型層次結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估模型層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchy of coupled hazard ethical risk assessment model

耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估模型分為目標(biāo)層（O）、準(zhǔn)則層（Cx）、子準(zhǔn)則層（Cxy）和方案層（Pm），目標(biāo)層為瓦斯煤火耦合災(zāi)害；準(zhǔn)則層C1～C4分別表示物理因素、開采因素、環(huán)境因素和技術(shù)因素；子準(zhǔn)則層C11～C43分別為孔隙率、遺煤量、瓦斯?jié)舛群屯咚钩椴傻?4 個子準(zhǔn)則層；方案層P1～P3分別為煤自燃、瓦斯災(zāi)害和耦合災(zāi)害。

3.2 判斷矩陣

根據(jù)評估模型層次結(jié)構(gòu)，對于同一層次的各元素關(guān)于上一層次的重要性進(jìn)行兩兩比較，采用綜合評分法[12]，構(gòu)建判斷矩陣B：

式中：bij為同一層次因素i 關(guān)于因素j 的標(biāo)度；n 為評估模型層次結(jié)構(gòu)中同一層次因素個數(shù)。

綜合評分法標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 綜合評分法標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Comprehensive scoring principles

3.3 因素指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

1）采用特征值法求出判斷矩陣的特征向量及最大特征值λmax。

2）計(jì)算判斷矩陣一致性指標(biāo)CI 和一致性比例CR，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

式中：λmax為判斷矩陣B 的最大特征值。

式中：RI 為隨機(jī)指標(biāo)。

RI 取值見表2。

表2 RI 取值表Table 2 RI values table

若CR＜0.1，判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要修正。

3）對求出的特征向量進(jìn)行歸一化，即為各因素權(quán)重。

3.4 方案層權(quán)重計(jì)算

對方案層的3 個因素進(jìn)行綜合量化求解，其對應(yīng)目標(biāo)層的權(quán)重為各層因素權(quán)重的乘積和，即：

式中：ωx為準(zhǔn)則層因素Cx的權(quán)重；ωxy為子準(zhǔn)則層因素Cxy的權(quán)重；ωm為方案層因素Pm對應(yīng)于子準(zhǔn)則層因素Cxy的權(quán)重；ωPm為方案層因素Pm對應(yīng)于目標(biāo)層的權(quán)重。

4 實(shí)例分析

4.1 工作面概況

上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦Ⅳ1 采區(qū)7#煤層2010 年瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果為實(shí)測瓦斯壓力0.45 MPa，瓦斯含量為4.48 m3/t，礦井-1015 m 以上無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。2018 年瓦斯等級鑒定結(jié)果為礦井絕對瓦斯涌出量0.931 3 m3/min，相對瓦斯涌出量0.246 6 m3/t；Ⅳ1 采區(qū)絕對瓦斯涌出量0.491 8 m3/min，煤礦為低瓦斯礦井。7#煤層自然傾向性為Ⅱ類自燃。

煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度0.50～3.20 m，平均厚度為1.30 m，斷口不平坦?；卷敒橹猩皫r，厚度為5.21～9.61 m，平均厚度為6.52 m。底板巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.80～3.92 m，平均厚度為3.10 m，斷口不平坦?；镜诪榧?xì)砂巖，厚度為2.21～14.89 m，平均厚度為9.60 m。

7436 綜放工作面位于IV1 采區(qū)深部，上鄰7434采空區(qū)，下方為采區(qū)邊緣，工作面標(biāo)高為-847～-976 m，工作面走向長度為1 301 m，傾向長度為230.20 m。7#煤煤層厚度為4.30～4.80 m，平均厚度為4.50 m，7436 綜放工作面回采時(shí)先采煤2.50 m 左右，然后放煤1.70 m 左右，煤層傾角在18°～22°之間，平均傾角為20°，回采率為93%，工作面回采期間瓦斯涌出量約為3.0 m3/t，工作面進(jìn)風(fēng)量、回風(fēng)量約為2 300 m3/min。

4.2 評估模型計(jì)算

根據(jù)IV1 采區(qū)和7436 工作面概況，構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣及取值見表3。表3 中O-Cx、Cx-Cxy和Cxy-Pm分別為目標(biāo)層與準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層與子準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層與方案層比較分析的判斷矩陣及取值。因素指標(biāo)權(quán)重計(jì)算見表4。

表3 判斷矩陣及取值Table 3 Judgment matrix and values

由表4 可以看出：所有判斷矩陣的CR＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)；其中，物理因素（C1）、開采因素（C2）、環(huán)境因素（C3）和技術(shù)因素（C4）4 個因素的權(quán)重分別為0.292 6、0.186 3、0.413 5 和0.107 6。7436 工作面受環(huán)境因素影響最大，其次為物理因素，技術(shù)因素影響最小。

表4 因素指標(biāo)權(quán)重計(jì)算Table 4 Factor index weight calculation

根據(jù)式（4）分別計(jì)算方案層3 個因素的綜合量化權(quán)重，計(jì)算結(jié)果為：P1=0.262 3，P2=0.205 4，P3=0.529，由大到小排序結(jié)果為：P3＞P1＞P2?？梢姡?436工作面回采期間應(yīng)特別關(guān)注瓦斯煤火耦合災(zāi)害的發(fā)生。在單獨(dú)治理煤自燃災(zāi)害和瓦斯災(zāi)害時(shí)，煤自燃災(zāi)害發(fā)生的概率高于瓦斯災(zāi)害。

5 結(jié) 語

1）通過分析采空區(qū)瓦斯煤火耦合致災(zāi)機(jī)理，從物理因素、開采因素、環(huán)境因素和技術(shù)因素4 個方面提出了影響采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合災(zāi)害的主控因素。

2）從災(zāi)害防治的倫理意識、倫理原則、倫理風(fēng)險(xiǎn)評估和決策倫理4 個方面設(shè)計(jì)了耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)防范程序，提出了解決瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理問題基本思路。

3）在層次分析法的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建評估模型層次結(jié)構(gòu)、模型決斷矩陣，計(jì)算因素指標(biāo)權(quán)重及方案層權(quán)重，建立了瓦斯煤火耦合災(zāi)害倫理風(fēng)險(xiǎn)評估模型?？浊f煤礦7436 綜放工作面應(yīng)用結(jié)果表明，7436綜放工作面回采期間發(fā)生煤自燃的權(quán)重為0.262 3，發(fā)生瓦斯災(zāi)害的權(quán)重為0.205 4，瓦斯煤火耦合災(zāi)害發(fā)生的權(quán)重為0.529，因此，工作面回采期間應(yīng)特別關(guān)注瓦斯煤火耦合災(zāi)害的發(fā)生，在單獨(dú)治理煤自燃災(zāi)害和瓦斯災(zāi)害時(shí)，煤自燃災(zāi)害發(fā)生的概率高于瓦斯災(zāi)害。