馬 恒，劉曉宇*，高 科

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島125105)

在煤礦各類事故統(tǒng)計中，瓦斯事故較其他事故的發(fā)生更加嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，2001—2020年間，全國煤礦發(fā)生瓦斯類事故共1 786起，共造成死亡人數(shù)達(dá)11 408人，占全國煤礦事故死亡總數(shù)的32%以上。

為了更有針對性地預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害，對煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)評價至關(guān)重要。不少學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)有的理論知識建立了一系列煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價模型。如皮子坤等[1]根據(jù)事故致因理論和煤礦瓦斯事故發(fā)生所具備的條件，建立了煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險評價的指標(biāo)體系，并結(jié)合前景理論和模糊綜合評價理論對煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險進(jìn)行了綜合評價；張愛然等[2]從事故發(fā)生的可能性、損傷程度和應(yīng)急救援3個角度，建立了煤礦瓦斯重大危險源風(fēng)險分級評價模型，并利用基于Z-number模糊數(shù)的模糊綜合評價方法對煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行了綜合評價；溫廷新等[3]利用核主成分分析法(KPCA)對影響煤礦瓦斯危險源的因素進(jìn)行了降維提取，并將遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合對煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險進(jìn)行了綜合評價；田水承等[4]在危險源理論的基礎(chǔ)上提出了三類煤礦瓦斯危險源的觀點，并基于SPA模型對煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行了安全評估；黃冬梅等[5]基于危險源理論，通過建立灰色-層次評價模型，對煤礦瓦斯爆炸事故風(fēng)險等級進(jìn)行了評價；張震等[6]建立了一種基于Keras長短時記憶網(wǎng)絡(luò)的礦井瓦斯?jié)舛阮A(yù)測模型，通過對礦井瓦斯?jié)舛葧r間序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理與預(yù)測，從而實現(xiàn)了對煤礦瓦斯災(zāi)害事故的預(yù)防。

上述研究雖然實現(xiàn)了煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險分析和排序，有利于煤炭生產(chǎn)企業(yè)較好地進(jìn)行安全管理和決策，但在構(gòu)建煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價指標(biāo)體系時未考慮到煤礦瓦斯事故發(fā)生造成的后果和損失程度，影響了對其災(zāi)害發(fā)生率的科學(xué)評估。煤礦瓦斯事故發(fā)生的影響因素不僅有瓦斯自身的因素，還有環(huán)境因素和人為因素，以及煤礦瓦斯事故發(fā)生時將可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論便是從這三個角度對煤礦瓦斯災(zāi)害進(jìn)行理論分析，因此本文基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論，從致災(zāi)因子的危害分析、孕災(zāi)環(huán)境的敏感性分析和受災(zāi)體的脆弱性分析三方面對煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行綜合評價，并結(jié)合三維風(fēng)險立方體模型，實現(xiàn)對煤礦瓦斯危險源的全面風(fēng)險評估。

1 區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論

區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論的概念是由史培軍[7]提出的，常用于分析自然災(zāi)害、技術(shù)災(zāi)害和社會災(zāi)害。區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論認(rèn)為，對于災(zāi)難的發(fā)生，不僅要考慮致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境兩方面因素，還應(yīng)該將受災(zāi)體納入其中。致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境是災(zāi)害發(fā)生的前提，兩者缺一不可，而受災(zāi)體決定了最終事故損失的嚴(yán)重程度。

根據(jù)煤礦瓦斯災(zāi)害發(fā)生的影響因素，從廣義的角度來看，煤礦瓦斯事故的發(fā)生，也是由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和受災(zāi)體三者共同作用導(dǎo)致的。其中，致災(zāi)因子是指活動過程中由于某些因素導(dǎo)致能量的突然釋放，包括過程中的能量源、能量載體等，瓦斯自身能量達(dá)到極限致使能量的突然釋放可能導(dǎo)致煤礦瓦斯事故的發(fā)生；孕災(zāi)環(huán)境是指引起能量變化，如對危險物質(zhì)的約束變化或制約行為的失效等各種因素即制約瓦斯能量失衡的措施失效從而誘發(fā)煤礦瓦斯事故，包括人為因素、環(huán)境因素和管理因素等；受災(zāi)體指的是由于事故發(fā)生對其造成損害的載體，包括人員、財產(chǎn)、自然環(huán)境等，即煤礦瓦斯災(zāi)害發(fā)生最終導(dǎo)致的人員傷亡和損失等。

煤礦瓦斯災(zāi)害的發(fā)生隨著時間以及生產(chǎn)過程的進(jìn)度變化，具有動態(tài)變化的特征，且影響煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險因素中火源和瓦斯?jié)舛茸兓哂信既恍院碗S機性，如瓦斯聚集呈現(xiàn)的非線性以及瓦斯無規(guī)律的涌出。

綜合上述煤礦瓦斯災(zāi)害的特點，本文認(rèn)為區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論可以全面概括和反映煤礦瓦斯災(zāi)害的風(fēng)險等級，為從多個角度來分析、評價和控制煤礦瓦斯災(zāi)害提供了新的理論基礎(chǔ)。

2 基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論的煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價模型

將區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論作為基礎(chǔ)，本文提出由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和受災(zāi)體三部分組成的煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價的新數(shù)學(xué)模型，具體詳細(xì)的評價過程和分析方法敘述如下。

2.1 致災(zāi)因子的危害性評價

如上所述，煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子是指活動過程中由于某些因素導(dǎo)致瓦斯內(nèi)部能量的突然釋放。故而在選取評價指標(biāo)時，從影響瓦斯本身的內(nèi)在因素和外在環(huán)境因素兩個角度選取煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子評價指標(biāo)，建立的煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子評價指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子評價指標(biāo)體系

屬性數(shù)學(xué)理論的優(yōu)點在于評價等級的有序劃分以及不會出現(xiàn)損失中間值的問題等[8]，因此本文利用屬性數(shù)學(xué)理論對煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子進(jìn)行綜合評價。屬性數(shù)學(xué)理論模型構(gòu)建的過程如下：

(1) 確定屬性區(qū)間矩陣。煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子評價對象空間X，由內(nèi)在因素x1和外在因素x2兩個因素構(gòu)成，記為X=(x1,x2)。每個因素均由m個評價指標(biāo)I1,I2,…，Im組成，xij表示第i個樣本第j個評價指標(biāo)的測試值，每個樣本均可表述為xi=(xi1,xi2,…，xim)。設(shè)屬性空間F={C1,C2,…,Ck}為致災(zāi)因子的評價集，其中C1

表1 評價指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

在上述屬性空間的基礎(chǔ)上，令：

(1)

dj=ajk0-bjk0=min{ajk-bjk) (k=1,2，…，n-1)

(2)

設(shè)t為x的第j個評價指標(biāo)值，假設(shè)aj0

(5)

當(dāng)dj=ajk0-bjk0、k0>1，則單指標(biāo)屬性測度函數(shù)μijk0(t)可表示如下：

(6)

(2) 多指標(biāo)屬性測度分析。依據(jù)上述步驟得到第i個樣本的第j個評價指標(biāo)的屬性測度，結(jié)合各自對應(yīng)的權(quán)值得到綜合屬性測度，確定該樣本屬于第k類的屬性測度μik=μ(xi∈Ck)。子系統(tǒng)綜合屬性測度根據(jù)如下公式計算：

(7)

式中：ωj為第j個評價指標(biāo)的權(quán)重值；μijk為第i個樣本的第j個評價指標(biāo)的屬性測度。

(3) 基于置信度屬性識別。評價類為(C1,C2,…,Ck)，λ為置信度，且滿足0.5<λ≤1。若滿足如下公式：

k0=min{k:∑μxi≥λ,1≤k≤n}

(8)

則認(rèn)為x屬于Ck0級，其中k0=1,2,…,n。實際應(yīng)用當(dāng)中，λ的取值范圍為0.6～0.7。

2.2 孕災(zāi)環(huán)境的敏感性評價

煤礦瓦斯災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境是指在煤礦瓦斯事故孕育和發(fā)展過程中所涉及到的周圍環(huán)境因素和條件，若這些因素結(jié)合致災(zāi)因子，可在某種程度上對災(zāi)害發(fā)生的強度起到加強或者減弱的作用。孕災(zāi)環(huán)境的穩(wěn)定性是指孕育致災(zāi)因子環(huán)境條件的穩(wěn)定程度，在選取評價指標(biāo)時可歸納為4種因素：人為因素、設(shè)備因素、管理因素和環(huán)境因素[9],建立的煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境評價指標(biāo)體系，見圖2。

圖2 煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境評價指標(biāo)體系

由于孕災(zāi)環(huán)境的影響因素多為性質(zhì)模糊的定性指標(biāo)，因此本文利用模糊綜合評價法[10]對孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行量化，對孕災(zāi)環(huán)境的敏感性進(jìn)行綜合分析與評價。

煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境因素集U由4個評價指標(biāo)組成，記為U={u1,u2,u3,u4}；將其評價集合分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、中高風(fēng)險、高風(fēng)險，記為V={v1,v2,v3,v4}。先利用層次分析法確定孕災(zāi)環(huán)境各評價指標(biāo)的權(quán)重W[11]，然后邀請相關(guān)專家憑借經(jīng)驗和專業(yè)能力對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分并依據(jù)打分情況建立模糊判斷矩陣R，最后依據(jù)下式計算孕災(zāi)環(huán)境敏感性最終的評價結(jié)果S：

S=W·R

=(b1,b2,…,bp)

(9)

式中：bi表示孕災(zāi)環(huán)境屬于第i個風(fēng)險評價等級的隸屬程度。

2.3 受災(zāi)體的脆弱性評價

受災(zāi)體是事故發(fā)生的承載對象，煤礦瓦斯事故的承載對象通常包括人員、設(shè)備和環(huán)境。煤礦瓦斯災(zāi)害系統(tǒng)的脆弱性一般體現(xiàn)在礦井瓦斯爆炸災(zāi)害發(fā)生的過程中，如暴露在災(zāi)害中的井下工作人員、機械設(shè)備、工礦企業(yè)財產(chǎn)等[12],故而本文從人員、設(shè)備和環(huán)境三方面選取受災(zāi)體的評價指標(biāo)，建立的煤礦瓦斯危險源的受災(zāi)體評價指標(biāo)體系，見圖3。

圖3 煤礦瓦斯危險源的受災(zāi)體評價指標(biāo)體系

由于受災(zāi)體的影響因素大部分為模糊的定性指標(biāo)，為了使得到的評價結(jié)果更具有合理性和客觀性，本文采用模糊綜合評價法對受災(zāi)體的脆弱性進(jìn)行綜合評價，評價指標(biāo)的權(quán)重值采用層次分析法進(jìn)行計算。

2.4 風(fēng)險等級確定

2.4.1 風(fēng)險等級劃分

由于煤礦瓦斯事故發(fā)生的時間和環(huán)境的不同會導(dǎo)致事故的嚴(yán)重程度也不相同，因此本文采用風(fēng)險立方體模型[13]對煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險等級進(jìn)行劃分，即基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論，從事故發(fā)生的可能性、事故發(fā)生的敏感性和事故的嚴(yán)重程度三個角度，將致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和受災(zāi)體分別作為一個維度且每個維度分為4個等級：低風(fēng)險(Ⅰ)、中風(fēng)險(Ⅱ)、中高風(fēng)險(Ⅲ)和高風(fēng)險(Ⅳ)，見圖4。煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險等級劃分和控制要求，詳見表2。

表2 煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險等級劃分和控制要求

圖4 煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險立方體模型

2.4.2 定性風(fēng)險等級分級

煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價模型將最低合理可行原則(As Low As Reasonably Practicable,ALARP)[14]作為依據(jù)，基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論將煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險評價等級劃分為4個等級，形成的定性風(fēng)險等級見表3。例如圖4中標(biāo)星的風(fēng)險等級為低風(fēng)險(Ⅰ)，致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和受災(zāi)體分別為低風(fēng)險(Ⅰ)、高風(fēng)險(Ⅳ)、低風(fēng)險(Ⅰ)等級。

表3 煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價定性分級

3 實例應(yīng)用與分析

本文以古城煤礦作為實例，利用基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論建立的煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價模型對該煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行綜合評價。

3.1 古城煤礦簡介

古城煤礦礦井的井田面積為157.299 3 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為800萬t/a，主采3#煤層，平均厚度為6.28 m，工業(yè)資源量為12.6億t，可采儲量為7.42億t，服務(wù)年限為71.4年。古城煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯吸附能力強，屬低透氣性難抽放煤層，所采3#煤層不易自燃，煤塵具有爆炸危險性，無突出危險性，礦井開采時工作面絕對瓦斯涌出量為21.813 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.79 m3/t，井下工作人員人數(shù)為80人/班。礦井回采工作面采用預(yù)抽和邊掘邊采的瓦斯治理方式，掘進(jìn)工作面采用邊掘邊采的瓦斯治理方式，采空區(qū)采用的是高位裂隙帶抽采的瓦斯治理方式。煤礦井下設(shè)置的瓦斯傳感器報警值≥0.8%，斷電值≥1.2%，復(fù)電值<0.8%，斷電范圍為礦井工作面及其回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。

3.2 致災(zāi)因子的危害性評價

利用層次分析法計算該煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子各評價指標(biāo)的權(quán)重。首先建立致災(zāi)因子的判斷矩陣，依據(jù)構(gòu)建的判斷矩陣分別計算出致災(zāi)因子各評價指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重值，并根據(jù)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，整理得到各個評價指標(biāo)參評值。本文將該煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子各評價指標(biāo)權(quán)重及其分級標(biāo)準(zhǔn)和參評值進(jìn)行了匯總，詳見表4。

表4 古城煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子各評價指標(biāo)權(quán)重及其分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)公式(1)～(6)以及各評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，可計算得到每個樣本指標(biāo)對應(yīng)的屬性測度函數(shù)，從而得到各評價指標(biāo)的屬性測度。該煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子級指標(biāo)內(nèi)在因素和外在因素的綜合屬性測度，見表5和表6。

表5 古城煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子內(nèi)在因素綜合屬性測度

表6 古城煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子外在因素綜合屬性測度

根據(jù)公式(7),可計算出該煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子危害性的綜合屬性測度，見表7。屬性空間F={致災(zāi)因子危害性}，其分割類C1、C2、C3、C4分別代表致災(zāi)因子危害性分別為低風(fēng)險(Ⅰ)、中風(fēng)險(Ⅱ)、中高風(fēng)險(Ⅲ)和高風(fēng)險(Ⅳ)。

表7 古城煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子危害性綜合屬性測度

利用公式(8)，根據(jù)置信度λ的取值范圍，本文取λ=0.6，得到該煤礦瓦斯危險源的致災(zāi)因子危害性評價的最終結(jié)果如下：

(1) 內(nèi)在因素的危害性k0=1，評價風(fēng)險等級為低風(fēng)險；

(2) 外在因素的危害性k0=1，評價風(fēng)險等級為低風(fēng)險;

(3) 致災(zāi)因子的危害性k0=1，評價風(fēng)險等級為低風(fēng)險。

3.3 孕災(zāi)環(huán)境的敏感性評價

利用層次分析法計算孕災(zāi)環(huán)境各評價指標(biāo)權(quán)重值，并邀請專家憑借相關(guān)經(jīng)驗和專業(yè)能力對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分[15]，該煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境各評價指標(biāo)權(quán)重和專家打分情況見表8。

表8 古城煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境評價指標(biāo)權(quán)重及打分情況

根據(jù)專家打分情況，得到人為因素的模糊評價矩陣R1、設(shè)備因素的模糊評價矩陣R2、管理因素的模糊評價矩陣R3、環(huán)境因素的模糊評價矩陣R4，具體如下：

由表8可知，二級指標(biāo)對其一級指標(biāo)的權(quán)重分別如下：

W1=[0.136 5,0.625 0,0.238 5];

W2=[0.457 6,0.103 8,0.178 9,0.259 7];

W3=[0.096 9,0.434 8,0.286 3,0.182 0];

W4=[0.083 3,0.500 0,0.250 0,0.166 7].

故而,得到孕災(zāi)體最終的模糊判斷矩陣為

根據(jù)公式(9),可計算得到該煤礦危險源的孕災(zāi)環(huán)境敏感性的最終評價結(jié)果為S=(0.533 3,0.336 1,0.178 7,0.030 7)，再根據(jù)最大隸屬度原則，確定古城煤礦瓦斯危險源的孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險評價等級為低風(fēng)險。

3. 4 受災(zāi)體的脆弱性評價

受災(zāi)體的脆弱性評估是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有多個層次。本文利用層次分析法計算得到受災(zāi)體各評價指標(biāo)的權(quán)重和專家打分結(jié)果(見表9)，并根據(jù)模糊綜合評價法，得到受災(zāi)體各一級指標(biāo)的模糊判斷矩陣如下：

表9 古城煤礦瓦斯危險源的受災(zāi)體脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重和專家打分情況

由表9可知，二級指標(biāo)對其一級指標(biāo)的權(quán)重分別如下：

WH=[0.667 0,0.333 0];

WF=[0.268 4,0.117 2,0.614 4];

WE=[0.210 9,0.084 2,0.704 9].

故而得到受災(zāi)體最終的模糊判斷矩陣為

根據(jù)公式(9),可計算得到受災(zāi)體脆弱性的最終評價結(jié)果為V=(0.368 1,0.588 2,0.046 6,0.004 5)，根據(jù)最大隸屬度原則，確定古城煤礦瓦斯危險源的受災(zāi)體脆弱性風(fēng)險評價等級為中風(fēng)險。

3.5 煤礦瓦斯危險源風(fēng)險評價等級的確定

綜合以上分析可知，古城煤礦危險源的致災(zāi)因子危害性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、受災(zāi)體脆弱性風(fēng)險評價等級分別為：低風(fēng)險(Ⅰ)、低風(fēng)險(Ⅰ)、中風(fēng)險(Ⅱ)。通過表3的風(fēng)險評價定性分級情況得到古城煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險評估結(jié)果處于低風(fēng)險狀態(tài)，該評價結(jié)果與實際情況一致。古城煤礦為高瓦斯礦井，建立了瓦斯抽采系統(tǒng)，但礦井工作面瓦斯涌出量較大，煤塵爆炸性危害大，井下作業(yè)人員較多，員工的安全意識有待提高，對員工的安全培訓(xùn)應(yīng)該加強，按照表2中對煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險等級劃分和控制要求，應(yīng)將該煤礦瓦斯危險源上報至縣級主管部門，建立有效的監(jiān)控措施，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，并每年向縣級行政主管的部門報告重大危險源的監(jiān)控情況。

4 結(jié) 論

(1) 本文以區(qū)域災(zāi)害理論為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)有的幾種評價方法，有效地對煤礦瓦斯危險源風(fēng)險進(jìn)行了綜合評價，提出了一個清晰的評價框架，可更有針對性地對實際煤礦進(jìn)行安全管理。

(2) 將建立的評價模型應(yīng)用到古城煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險評估，結(jié)果表明：古城煤礦瓦斯危險源的風(fēng)險等級處于低風(fēng)險狀態(tài)，該評價結(jié)果與實際情況相符合。但該煤礦還需完善瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，提高井下設(shè)備對瓦斯危險源的辨識強度，以確保瓦斯危險源處于安全狀態(tài)。

(3) 本文提出的新方法仍存在一些缺陷，如模糊綜合評價法主觀性較強，可能會影響最終的評價結(jié)果。此外，瓦斯危險源的風(fēng)險在實際管理中是時間變量，如孕災(zāi)環(huán)境隨著時間變化會產(chǎn)生質(zhì)變，后續(xù)研究還需考慮動態(tài)風(fēng)險評價方法。