基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景推演

蘭澤全,李玉麟,曠永華,張麗娜,張 明

(1.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201 2.貴州盤江精煤股份有限公司,貴州 六盤水 553536 3.內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

目前,我國煤層自然條件和開采條件復(fù)雜,隨著開采規(guī)模的不斷擴大和生產(chǎn)水平的延伸,礦井瓦斯涌出量逐漸遞增,煤層自然發(fā)火增多,礦井瓦斯災(zāi)害與火災(zāi)共存現(xiàn)象越來越普遍,嚴(yán)重威脅著煤礦的生產(chǎn)安全[1-2]。通過對我國煤礦瓦斯爆炸事故的不完全統(tǒng)計,火區(qū)封閉過程中發(fā)生了多起嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故,造成生命安全和經(jīng)濟財產(chǎn)的巨大損失,嚴(yán)重影響國家社會安全穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故進(jìn)行了大量的研究。劉軼康等[3]利用Fluent軟件分析了防火墻在漏風(fēng)情況下火區(qū)內(nèi)氣體運移和分布情況;段玉龍等[4]研究了在不同壓差、不同火區(qū)體積、不同時間的情況下,氧濃度隨時間的變化規(guī)律;汪騰蛟等[5]基于瓦斯爆炸影響因素和數(shù)據(jù)擬合原理,構(gòu)建了火區(qū)瓦斯爆炸危險性預(yù)測模型;時國慶、翟小偉、李蕓卓等[6-8]對瓦斯爆炸危險區(qū)域分布特征和變化規(guī)律進(jìn)行研究分析;蘭澤全等[9]基于原點理論分析了火區(qū)封閉瓦斯爆炸的成因。以上文獻(xiàn)從各個角度闡述了煤礦火區(qū)瓦斯爆炸的危險性以及火區(qū)內(nèi)氣體的運移規(guī)律,但對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸的情景推演很少涉及,幾乎處于空白。本文運用知識元和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論,將煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的共性情景知識表示作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點變量,構(gòu)建煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的情景推演模型。結(jié)合實際案例驗證該模型的合理性,為煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的事前預(yù)防及事后處置提供技術(shù)支持。

1 煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景表示

1.1 知識元理論

知識元可以看作是事件中最小的實體單位,是對不同抽象事物的一種客觀性表述[10,11]。知識元理論在煤礦火區(qū)瓦斯爆炸領(lǐng)域的運用具有重要意義,可以精細(xì)地刻畫煤礦火區(qū)瓦斯爆炸的整個過程,具有很強的普適性,用于多種應(yīng)急事件的分析和評估中。利用共性知識元對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故進(jìn)行表示,有助于深刻了解事故的演變過程和各要素之間的相互關(guān)系[12]。

1.2 事故情景知識表示

事故情景知識表示指的是對事故情景要素的一種描述,能夠分析事故情景演變的規(guī)律和過程。運用情景演變路徑分析方法,可以對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故發(fā)展趨勢做出有效預(yù)測,識別出影響事件發(fā)展的具體因素,并對每一個因素的作用機制和影響程度進(jìn)行研究,從而能夠為事故防治提供必要的指導(dǎo)。

在煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故中,需要對涉及的要素進(jìn)行知識元提取,本文從情景狀態(tài)S、應(yīng)急目標(biāo)T、處置措施M、孕災(zāi)環(huán)境E四個方面,提取出影響煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的情景要素,形成對應(yīng)的事故情景知識表示圖,如圖1所示。

圖1 事故情景知識表示圖

在圖1中,由于孕災(zāi)環(huán)境E的影響,導(dǎo)致情景狀態(tài)S發(fā)生,情景狀態(tài)S是煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的初始狀態(tài)。應(yīng)急決策主體會采取處置措施M對事故的發(fā)展進(jìn)行干預(yù),使其向應(yīng)急目標(biāo)T演變。如果煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故演變的結(jié)果達(dá)到應(yīng)急目標(biāo)T,事故就會以應(yīng)急決策主體的期望演變到下一時刻的情景S1;如果對事故進(jìn)行干預(yù)的演變結(jié)果一直能達(dá)到應(yīng)急目標(biāo)T,事故將會以樂觀的方向演變,直至事故消失;當(dāng)煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故演變結(jié)果未達(dá)到應(yīng)急目標(biāo)T時,就會向與應(yīng)急決策主體目的背離的方向演變到下一時刻的情景S2,直到事故被完全合理解決或消亡。

2 火區(qū)瓦斯爆炸貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及情景推演

煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景演變過程是情景中各組成要素相互作用的過程。事故情景知識表示模型能夠反映各要素之間的相互關(guān)系,也有助于從事故的形成機制和機理等方面,對所需要采取的措施進(jìn)行決策和推斷[13]。然而,煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故具有不確定性、隨機性等特點,且決策者主觀判斷能力有限,給事故情景推演增添了很多不確定性。因此,通過以事故情景知識表示為基礎(chǔ),把關(guān)鍵事件作為節(jié)點變量,結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推演,實現(xiàn)對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的情景推演和演變路徑分析[14-15]。

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network)是由Judea Pearl在1985年首次提出的一種概率圖模型,是指基于概率分析、圖論的一種描述不確定性知識和推理問題的模型,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有向無環(huán)圖(DAG)[16]。有向無環(huán)圖中的節(jié)點是隨機變量{X1,X2,…,Xn},節(jié)點間的有向邊代表隨機變量之間條件依賴關(guān)系,條件概率可以反映節(jié)點變量間的關(guān)聯(lián)強度。若節(jié)點沒有條件概率,則稱為先驗概率。對于任意的節(jié)點變量,其聯(lián)合概率分布可以表示為各個節(jié)點的條件概率分布的乘積:

(1)

式中,X為節(jié)點變量;Px(Xi)為節(jié)點Xi的所有父節(jié)點。

動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是把不同變量通過毗鄰時間步驟聯(lián)系起來的模型,可以看作是具有相同結(jié)構(gòu)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)沿時間軸擴展而得到的。

2.2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的火區(qū)瓦斯爆炸情景推演

經(jīng)對事故情景演化過程的分析,構(gòu)建模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò),具體步驟如下:

(1) 節(jié)點變量的確定。根據(jù)近年來我國發(fā)生的煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故調(diào)查報告和相關(guān)資訊,提取共性情景知識元,按照情景狀態(tài)(S)、應(yīng)急目標(biāo)(T)、處置措施(M)、孕災(zāi)環(huán)境(E)四個方面匯總分類,將其作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點變量,并確定各要素的取值范圍。

(2) 節(jié)點變量間關(guān)系的確定?；谑鹿实难葑円?guī)律,使用有向邊將各個節(jié)點變量連接起來,體現(xiàn)出各個變量間的相互依賴關(guān)系,從而結(jié)合實際發(fā)展情況繪制煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景推演圖。

(3) 節(jié)點條件/先驗概率的確定。條件/先驗概率依據(jù)專家打分來確定,設(shè)定5個評估等級,即V={v1,v2,v3,v4,v5}={高,偏高,一般,偏低,低},設(shè)置評估等級的取值范圍(0.8,1),(0.6,0.8),(0.4,0.6),(0.2,0.4),(0,0.2)。邀請專家評估煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故節(jié)點發(fā)生的可能性,將打分結(jié)果匯總,計算均值。

(4) 計算節(jié)點概率。把各個節(jié)點的先驗概率、條件概率代入公式(1)可得到情景狀態(tài)(S)、應(yīng)急目標(biāo)(T)的后驗概率。

3 應(yīng)用實例

3.1 事故概述

2014年7月,某礦在708工作面密閉火區(qū)未熄滅的情況下,盲目決定縮小封閉范圍。在違規(guī)打開原密閉、施工新密閉過程中,新鮮風(fēng)流進(jìn)入封閉區(qū)域,氧氣和瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限,遇采空區(qū)明火,發(fā)生瓦斯爆炸。事故發(fā)生后,某礦立即啟動應(yīng)急預(yù)案,并向有關(guān)部門報告。有關(guān)部門趕赴現(xiàn)場指揮救援,成立了搶險救援指揮部,全力開展搶險救援工作。專家組和救援指揮部成員對災(zāi)區(qū)的情況進(jìn)行了科學(xué)分析,決定采取先滅火后搜尋的處置方案,對礦井西翼708以上進(jìn)行全部封閉,建立防爆墻。

事故鏈:火區(qū)未真正熄滅并違規(guī)啟封舊密閉→新鮮空氣進(jìn)入火區(qū)→火區(qū)瓦斯被稀釋→違規(guī)縮小封閉范圍構(gòu)筑新密閉墻→引起瓦斯積聚達(dá)到爆炸極限并形成瓦斯爆炸條件→瓦斯爆炸

3.2 事故情景知識表示

以2014年7月某礦火區(qū)瓦斯爆炸事故為例,對于其演化過程進(jìn)行分析,該事故可以按照關(guān)鍵情景點分階段描述,提取不同情景階段所涉及的情景狀態(tài)(S)、應(yīng)急目標(biāo)(T)、處置措施(M)、孕災(zāi)環(huán)境(E)四類要素,見表1。

表1 煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景知識表示表

(1) 初始情景為工作面存在煤炭和其他可燃物或采空區(qū)遺留煤柱和破碎浮煤(E1),在一定條件下出現(xiàn)工作面/采空區(qū)煤炭著火(S1)。針對初始情景S1,如果及時采取構(gòu)筑密閉墻、絕氧處理(M1)等措施,并達(dá)到滅火的應(yīng)急目標(biāo)T1,則會出現(xiàn)事故消失S2的情景狀態(tài)。

(2) 若初始情景S1發(fā)生后,應(yīng)急救援指揮部對工作面/采空區(qū)煤炭著火未采取相關(guān)措施或采取的措施未達(dá)到滅火T1的應(yīng)急目標(biāo),受孕災(zāi)環(huán)境火區(qū)封閉不嚴(yán)密(E2)影響,將會出現(xiàn)火區(qū)明火擴散蔓延(S3)的情景。針對情景S3,若及時修補或重新構(gòu)筑密閉,并采取注漿、注入惰性氣體、均壓等綜合滅火措施(M2),就能達(dá)到阻止明火進(jìn)一步蔓延、滅火(T2)的應(yīng)急目標(biāo),即會出現(xiàn)事故消失S4的情景狀態(tài)。

(3) 情景狀態(tài)S5是由于火區(qū)中煤炭瓦斯持續(xù)涌出(E3),從而導(dǎo)致瓦斯積聚,若及時采取對密閉墻加強觀測、監(jiān)測、維護(hù)等措施(M3),并達(dá)到防止引起瓦斯爆炸T3的應(yīng)急目標(biāo),則會出現(xiàn)事故消失S6的情景狀態(tài)。

(4) 若情景狀態(tài)S5發(fā)生后,未進(jìn)行有效處置措施或處置措施未達(dá)到防止引起瓦斯爆炸T3的應(yīng)急目標(biāo),并且同時存在引爆火源—煤炭自燃和火區(qū)封閉不良,存在漏風(fēng)(E4)的環(huán)境影響,即會出現(xiàn)發(fā)生瓦斯爆炸S7的情景狀態(tài)。針對情景S7,如果救援人員在瓦斯爆炸后及時地檢查瓦斯?jié)舛?撲滅殘留火源,避免出現(xiàn)二次爆炸以達(dá)到組織救援T4的應(yīng)急目標(biāo)。

(5) 情景S7發(fā)生后,會產(chǎn)生沖擊波和大量有毒有害氣體E5,從而導(dǎo)致情景狀態(tài)S8造成人員傷亡發(fā)生。針對情景S8采取恢復(fù)通風(fēng)(確保沒有火源的情況下),排出有毒有害氣體及煙霧,供給新鮮空氣,搶救遇險遇難人員(M5)等措施,對現(xiàn)場反復(fù)搜索,確認(rèn)現(xiàn)場無埋壓、被困人員,且失聯(lián)人員全部找到后,應(yīng)急救援工作宣告結(jié)束,即得到情景S9。

根據(jù)上述的情景—環(huán)境—措施—目標(biāo)知識元結(jié)構(gòu),分析煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景要素間演變的相關(guān)性,以有向的箭頭將各要素連接起來,從而構(gòu)建出2014年7月某礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景推演圖,如圖2所示。

圖2 某礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景推演圖

3.3 概率計算

煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故節(jié)點間的先驗概率和條件概率見表2。

表2 某礦火區(qū)瓦斯爆炸事故節(jié)點變量的先驗概率及條件概率表(節(jié)選)

利用公式(1)和表2,計算情景狀態(tài)S1為True的狀態(tài)概率如下:

P(S1=T)=P(M1=T)P(E1=T)P(S1=T|M1=T,E1=T)+P(M1=T)P(E1=F)P(S1=T|M1=T,E1=F)

+P(M1=F)P(E1=T)P(S1=T|M1=F,E1=T)+P(M1=F)P(E1=F)P(S1=T|M1=F,E1=F)=0.9528

(2)

情景狀態(tài)S1為False的計算如下:

P(S1=F)=P(M1=T)P(E1=T)P(S1=F|M1=T,E1=T)+P(M1=T)P(E1=F)P(S1=F|M1=T,E1=F)

+P(M1=F)P(E1=T)P(S1=F|M1=F,E1=T)+P(M1=F)P(E1=F)P(S1=F|M1=F,E1=F)=0.0472

(3)

同理,通過以上這種方式對其余各節(jié)點變量的狀態(tài)概率進(jìn)行計算,進(jìn)而通過Netica軟件得到如圖3煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故概率分布圖。

圖3 某礦火區(qū)瓦斯爆炸事故概率分布圖

3.4 結(jié)果分析

由以上結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)該煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景:工作面/采空區(qū)著火S1→火區(qū)明火擴散蔓延S3→瓦斯積聚S5→瓦斯爆炸S7→造成人員傷亡S8→遇險遇難人員全部被找到、救援結(jié)束S9,發(fā)生的概率分別為95.3%、89.1%、84.4%、81.7%、78.3%、74.1%。實際的事故也基本上是按照此情景狀態(tài)隨時間的推移而出現(xiàn),證實該模型的有效性。

該事故的初始情景S1工作面著火一開始就處于非常高的發(fā)生概率,該問題的產(chǎn)生說明事故企業(yè)對礦井綜合防滅火措施落實不到位,因此必須盡快彌補這方面的缺陷,切實落實安全生產(chǎn)主體責(zé)任,加強煤礦瓦斯治理和防滅火管理,強化應(yīng)急管理能力。節(jié)點中火區(qū)明火擴散蔓延S3發(fā)生概率較高,此次事故中由于構(gòu)筑密閉的材料和方法(木板密閉)不能達(dá)到有效滅火的目標(biāo),導(dǎo)致事故無法消失,瓦斯發(fā)生爆炸。因此,要嚴(yán)格按照規(guī)定構(gòu)筑高質(zhì)量密閉,并加強檢查,防止漏風(fēng)。

根據(jù)上述的情景推演圖和事故概率分布圖可以看出,事故的演變過程受處置措施M和孕災(zāi)環(huán)境E的影響較大。例如,工作面著火S1→事故消失S2的演變過程受到處置措施M1的影響,及時有效的處置措施可以使事故向樂觀的方向演變;孕災(zāi)環(huán)境即爆炸產(chǎn)生沖擊波和大量有毒有害氣體,使應(yīng)急救援工作難以進(jìn)行,這不但導(dǎo)致事故向更惡劣的方向發(fā)展,同時也給應(yīng)急救援工作提出了更高的要求。因此,在事前制定應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場制定救援方案時,必須綜合考慮處置措施和孕災(zāi)環(huán)境對災(zāi)害產(chǎn)生的影響,并針對不同演化階段進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與改進(jìn)。

無論處置措施和應(yīng)急目標(biāo)是否合理,事故仍有較高的可能性向惡劣的趨勢演變,但并不意味著處置措施和應(yīng)急目標(biāo)不會對事件的演變趨勢產(chǎn)生影響,科學(xué)合理的處置措施和應(yīng)急目標(biāo)不僅可以延緩事故的惡化,為應(yīng)急響應(yīng)爭取時間,還能在一定程度上降低事故造成的損失。

4 結(jié)論

(1) 本文在分析煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故演變規(guī)律的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于知識元的煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故情景知識表示,從情景狀態(tài)(S)、應(yīng)急目標(biāo)(T)、處置措施(M)和孕災(zāi)環(huán)境(E)四個要素方面對煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故的情景進(jìn)行了描述,詳細(xì)闡述了事故情景演變的過程,實現(xiàn)對事故趨勢的預(yù)測,可以為火災(zāi)和瓦斯耦合事故風(fēng)險的防范、應(yīng)急預(yù)案的完善與演練、應(yīng)急培訓(xùn)、應(yīng)急救援決策提供一定的技術(shù)支持。

(2) 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的情景推演模型可得到煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故演變概率,與實際發(fā)展情景基本一致,為決策者針對未來可能發(fā)生的災(zāi)害事故風(fēng)險提前做出新的應(yīng)對方案。

(3) 由于煤礦火區(qū)瓦斯爆炸事故涉及的影響因素復(fù)雜多樣,導(dǎo)致推演過程所需要的數(shù)據(jù)主要依賴專家的經(jīng)驗和專業(yè)知識能力,因而存在一定的局限性。因此,在數(shù)據(jù)足夠完善、專家經(jīng)驗足夠豐富時,災(zāi)害事故的推演結(jié)果會更加精準(zhǔn)。