瓦斯抽采安全評價模型研究

謝 宏,黃漢斌

(華北科技學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國資源稟賦的現(xiàn)實情況表明,以煤炭為主、其他能源為輔的能源結(jié)構(gòu),在短期內(nèi)無法完全改變,煤炭仍將是我國能源供應(yīng)的“支柱”和“基石”。但是,隨著淺部煤炭資源向深部開采,開采深度及強度不斷加大,煤炭賦存條件更加復(fù)雜,煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、地應(yīng)力、地溫等不斷增大,瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出危險性增大,復(fù)雜的瓦斯災(zāi)害影響因素和其相互關(guān)系使得瓦斯災(zāi)害的危險性愈發(fā)嚴(yán)重。因此,瓦斯抽采作為解決瓦斯問題的有效手段,其抽采效果直接決定了是否能成功防治瓦斯災(zāi)害。

目前,國內(nèi)大部分高突礦井都配備了瓦斯抽采系統(tǒng),但現(xiàn)場瓦斯抽采效果不盡如人意。國內(nèi)許多煤礦的瓦斯抽采效果未能滿足國家《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》《瓦斯抽采基本指標(biāo)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外,由于煤礦抽采過程的動態(tài)時變性和非線性,對于煤礦瓦斯抽采穩(wěn)定性水平評價的研究甚少。

因此,以三元體系為核心,構(gòu)建煤礦瓦斯抽采三元體系系統(tǒng)動力學(xué)(SD)模型,對煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)進行綜合性評價,為煤礦瓦斯抽采達標(biāo)評價研究提供了有益參考,進而為瓦斯災(zāi)害風(fēng)險管控提供宏觀的決策輔助,優(yōu)化管理效率,遏制各類瓦斯事故的發(fā)生。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 安全管理三元體系

通常安全生產(chǎn)要素分為:人(People),機器(Machine),環(huán)境(Environment),管理(Management)以及法律(Law)。有人認(rèn)為,影響企業(yè)安全生產(chǎn)的核心要素是人、機和管理[1]。這與事故致因理論的闡明是一致的,造成事故的四大因素有:人的不安全行為、機的不安全狀態(tài)、管理上的缺陷、不安全的環(huán)境因素[2]。當(dāng)“人”由于“管”和“法”的缺失產(chǎn)生不安全行為,則不安全行為導(dǎo)致“機”的不安全狀況產(chǎn)生,不安全行為的運動軌跡與不安全狀況的運動軌跡在“環(huán)”中交叉,造成“環(huán)”的不穩(wěn)定狀態(tài),三者之間的穩(wěn)定狀態(tài)失衡,最終事故發(fā)生。

人機環(huán)管法與安全管理之間有著密切的關(guān)聯(lián)?！叭?、機、環(huán)”是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)要素,“管”是“人”在安全生產(chǎn)的手段,“法”由“人”制定的制度及法律法規(guī)且規(guī)范“人”的行為。人與自然交互衍生出人工系統(tǒng),為了規(guī)范人與自然交互時的一系列行為次衍生出社會系統(tǒng)。人與自然交互通常需要借助橋梁(機)來實現(xiàn)目的,在實現(xiàn)目的的過程中需要制度(管)法律(法)等手段管控,以此來保障所產(chǎn)生的結(jié)果與預(yù)期一致。社會系統(tǒng)、自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng),統(tǒng)稱為安全管理三元體系。

綜上所述,基于安全系統(tǒng)及其對象系統(tǒng)的理念[3],將人、機、環(huán)、管、法五要素交互融合,系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng),分別是社會系統(tǒng)、人工系統(tǒng)、自然系統(tǒng)。

1.2 瓦斯抽采三元體系概念模型

企業(yè)安全生產(chǎn)諸多影響因素中,組織因素至關(guān)重要[4]。為了使組織管理各單元精確、高效、協(xié)同和持續(xù)運行,引入精細化管理理念[5]。將安全管理三元體系概念融入瓦斯抽采達標(biāo)系統(tǒng)中,對三個子系統(tǒng)進一步劃分,社會系統(tǒng)劃分為管理團隊、管理體系,人工系統(tǒng)劃分為專業(yè)團隊、專業(yè)裝備,自然系統(tǒng)劃分為各種災(zāi)害要素,概念模型如下圖1。

1.3 三元體系安全評價模型

本文以中國知網(wǎng)(CNKI)為數(shù)據(jù)支撐平臺,SCI來源期刊、EI來源期刊、北大核心來源期刊、CSSCI來源期刊等為依托的數(shù)據(jù)庫檢索煤礦安全評價研究的相關(guān)文獻,以“煤礦”和“安全評價”為主題進行檢索,檢索年限不限,精確檢索得到486篇文獻,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和人工逐篇閱讀篩查,共得到有效檢索結(jié)果389篇文獻作為本研究的樣本數(shù)據(jù)。

本文運用CiteSpace軟件對煤礦安全評價領(lǐng)域的389篇文獻進行格式轉(zhuǎn)碼處理,基于CiteSpace突顯詞探測算法,預(yù)測領(lǐng)域內(nèi)未來的研究方向[6]。經(jīng)探測見表1,四個主要的突顯詞按照他們的強度排序為:安全評價(2.78)、評價模型(0.88)、評價體系(0.8)、指標(biāo)體系(0.52)。通過綜合分析研判,預(yù)測安全評價是該研究領(lǐng)域未來最大的前沿?zé)狳c。且通過構(gòu)建指標(biāo)體系,并主觀與客觀相結(jié)合的形式賦予指標(biāo)權(quán)重形成評價體系,再則建立評價模型,最終對煤礦安全評價這一條路徑將形成新的前沿。

表1 排名前4的突顯詞

但是,在安全評價中或?qū)⒛芰υu價、狀態(tài)評價、業(yè)績評價概念混淆,或?qū)⑷吒盍验_孤立對待,研究體系尚未完善,難以用于系統(tǒng)性的研究[7]。

基于理論與模型的研究[8-11],本文建立了三元體系安全評價概念模型(如圖2所示),即:“業(yè)績”是“能力”與“狀態(tài)”的函數(shù),進一步細化則為:“安全業(yè)績”是“管理水平”“專業(yè)水平”“災(zāi)害治理狀態(tài)”的函數(shù),以此來指導(dǎo)煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)安全評價研究,以期評價更加客觀、全面、準(zhǔn)確。

2 瓦斯抽采三元體系SD模型的構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則

指標(biāo)體系的構(gòu)建是進行瓦斯抽采評價研究的前提和基礎(chǔ),要建立一套科學(xué)、客觀、全面、合理、適用的評價指標(biāo)體系,必須遵循以下幾個原則:

(1) 科學(xué)性?？茖W(xué)性原則是研究過程中應(yīng)遵循的第一原則,具體指研究三元體系安全評價指標(biāo)體系過程中所選取指標(biāo)的名稱、含義、相互之間的邏輯關(guān)系等應(yīng)清晰明確且符合客觀實際,能正確反映出所研究問題的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律。

(2) 系統(tǒng)性。礦井的瓦斯抽采是一個完整的系統(tǒng),它是由多個含義不同但存在一定關(guān)聯(lián)的指標(biāo)共同構(gòu)成的一個整體,指標(biāo)之間彼此相互聯(lián)系、相互影響,且具有清晰的邏輯關(guān)系,這些特點需要在評價指標(biāo)體系的構(gòu)建中體現(xiàn)出來。因此,在建立評價指標(biāo)體系時,必須圍繞煤礦整個瓦斯抽采系統(tǒng)安全這一目的。

(3) 層次性。層次性是系統(tǒng)各部分相互聯(lián)系的重要形式。評價指標(biāo)體系應(yīng)呈現(xiàn)由低到高形成不同層級,每個層級都有不同的系統(tǒng)性,彼此之間存在差異性,表現(xiàn)出等級秩序性。等級結(jié)構(gòu)屬性為:低層級的系統(tǒng)特性是構(gòu)成高層級系統(tǒng)特性的基礎(chǔ),高層級形成低層級所沒有的新特性,不同層級之間相互區(qū)別又相互聯(lián)系的系統(tǒng)等級結(jié)構(gòu)特性。

(4) 合理性。評價指標(biāo)體系所反映的評價結(jié)果應(yīng)具備客觀性,降低人為因素對研究結(jié)果的影響,且要合乎實際以及有明確的評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),能夠客觀、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出煤礦企業(yè)瓦斯抽采系統(tǒng)的合理性及安全可靠性。

(5) 動態(tài)性。系統(tǒng)始終處于運動與發(fā)展的狀態(tài),因此,構(gòu)建評價指標(biāo)體系時,要遵循動態(tài)性原則,使得評價結(jié)果能夠動態(tài)評價煤礦企業(yè)瓦斯抽采系統(tǒng)。

2.1.2 瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系

基于評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則、瓦斯抽采三元體系概念模型以及《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》等規(guī)定,將瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系劃分為三個一級指標(biāo)、五個二級指標(biāo)、二十個三級指標(biāo)。瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系見表2。

2.2 因果關(guān)系圖

理清SD模型中各個系統(tǒng)之間及子系統(tǒng)內(nèi)的動態(tài)行為關(guān)聯(lián)性極其重要。反饋系統(tǒng)本質(zhì)上是一個封閉系統(tǒng),其特點是在系統(tǒng)邊界內(nèi)部能夠明確表示研究對象各因素的相互作用關(guān)系,并能解釋邊界內(nèi)發(fā)生的系統(tǒng)行為。封閉系統(tǒng)原則上不存在與其任何流的交互形式,但大部分系統(tǒng)是開放系統(tǒng),其與外部環(huán)境之間存在頻繁的變量交互。

運用系統(tǒng)動力學(xué)理論,將三元體系安全評價概念模型與瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系融合,進一步精細化各個指標(biāo)之間的因果關(guān)系,形成了煤礦瓦斯抽采三元體系因果關(guān)系圖。如圖3所示,煤礦瓦斯抽采三元體系指標(biāo)之間相互影響、相互關(guān)聯(lián),從而形成系統(tǒng)反饋。

圖3 因果關(guān)系圖

2.3 SD模型構(gòu)建

2.3.1 仿真變量及方程的確定

為了更好地構(gòu)建瓦斯抽采三元體系的系統(tǒng)動力學(xué)(SD)模型,需要深入、客觀分析評價動態(tài)系統(tǒng)中構(gòu)成三元子系統(tǒng)的要素及體系的結(jié)構(gòu),構(gòu)建相應(yīng)的變量,如狀態(tài)變量、速度變量、輔助變量等。

(1) 煤礦瓦斯抽采安全指數(shù):

N.K=N1(t).K×ZYL1+N2(t).K×ZYL2+N3(t).K×ZYL3+…+Nn(t).K×ZYLn

(1)

ZYL1+ZYL2+ZYL3+…+ZYLn=1

(2)

(2) 社會系統(tǒng)管理水平:

N1(t).K=N1(t).J+(DT)×[R1(t)×YS11×YS12×YS13×YS14×YS15×YS16×YS17]

(3)

R1(t)=EXP[-(A18×ZYL18+A19×ZYL19)]

(4)

TR1=M×T1

(5)

A18=TR1×T11×L11×YSM1

(6)

A19=A18×YS18×YSM2

(7)

式中,M為瓦斯抽采治理經(jīng)費投入。

(3) 人工系統(tǒng)專業(yè)水平:

N2(t).K=N2(t).J+(DT)×[R2(t)×YS21×YS22×YS23×YS24×YS25×YS26×YS28]

(8)

R2(t)=EXP[-(A27×ZYL27)]

(9)

TR2=M×T2

(10)

A27=TR2×T21×L21

(11)

A28=A18×YS181

(12)

(4) 自然系統(tǒng)災(zāi)害治理狀態(tài)指數(shù):

N3(t).K=N3(t).J+(DT)×[R3(t)×YS31×YS32×YS33×YS34×YS35×YS36×YSN1×YSN2]

(13)

R3(t)=EXP[-(A37×ZYL37)]

(14)

TR3=M×T3

(15)

A37=TR3×T31×L31

(16)

2.3.2 SD模型構(gòu)建

通過對煤礦瓦斯抽采三元體系模型進行系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)分析,并對原始模型進行仿真模擬和一致性檢驗,對經(jīng)過以上步驟獲取的模型進行適宜的優(yōu)化調(diào)整,最后構(gòu)建出如圖4所示的煤礦瓦斯抽采三元體系SD模型。

圖4 煤礦瓦斯抽采三元體系SD模型

2.3.3 模擬仿真及評價

對煤礦瓦斯抽采三元體系SD模型進行模擬仿真,首先需要明確三個子系統(tǒng)對主系統(tǒng)的權(quán)重、三個子系統(tǒng)內(nèi)部的各項指標(biāo)因子的權(quán)重、子系統(tǒng)的初始能力值、各子系統(tǒng)安全投入的比例及轉(zhuǎn)化率、影響系數(shù)等。各指標(biāo)因素可通過主觀形式結(jié)合客觀形式進行分析量化,本研究主要采用模擬仿真的形式進行說明。然后,對比分析模型計算的狀態(tài)變量和歷史統(tǒng)計數(shù)值,驗證模型的有效性,由此推測模型對未來的煤礦瓦斯抽采穩(wěn)定性形勢預(yù)測的合理性。

在實際中,管理水平、專業(yè)水平、災(zāi)害治理狀態(tài)3個因素對煤礦瓦斯抽采穩(wěn)定性起到影響作用。在系統(tǒng)動力學(xué)中以狀態(tài)變量作為衡量瓦斯抽采穩(wěn)定性水平的指標(biāo)。通過對變量數(shù)值的調(diào)整,動態(tài)觀測安全指數(shù)的變化趨勢及其變化原因,并通過對比仿真探索提高安全指數(shù)的較優(yōu),可以預(yù)測出瓦斯抽采穩(wěn)定性水平的發(fā)展趨勢。具體變化趨勢界面如圖5所示。

圖5 SD仿真模擬變化趨勢界面

3 結(jié)論

(1) 在安全系統(tǒng)的視域下,研究分析了安全的人、機、環(huán)、管、法等影響因素,從核心要素出發(fā),將人、機、環(huán)、管、法五要素交互融合,形成了社會系統(tǒng)、人工系統(tǒng)以及自然系統(tǒng)的安全管理三元體系。以此為核心,建立了三元體系安全評價概念模型,即:安全業(yè)績是管理水平、專業(yè)水平、災(zāi)害治理狀態(tài)的函數(shù),指導(dǎo)煤礦瓦斯抽采安全評價研究。

(2) 基于評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則、瓦斯抽采三元體系概念模型以及《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》等規(guī)定,全面梳理了相關(guān)影響指標(biāo),構(gòu)建了瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系。

(3) 運用SD方法,將三元體系安全評價概念模型與瓦斯抽采三元體系安全評價指標(biāo)體系融合,進一步精細化各個指標(biāo)之間的因果關(guān)系,形成了煤礦瓦斯抽采三元體系因果關(guān)系圖,通過分析得出其中重要的反饋回路。構(gòu)建了煤礦瓦斯抽采三元體系SD模型,通過模型預(yù)測安全指數(shù)變化趨勢。根據(jù)變化的趨勢,可以對瓦斯抽采穩(wěn)定性水平進行預(yù)測。此外,本研究方法對于安全評價有著顯著的適用性,尤其在對復(fù)雜的安全生產(chǎn)系統(tǒng)中,可克服定性、孤立、靜態(tài)、鏈?zhǔn)?、單一化評價方法存在的問題。