瓦斯抽采安全评价模型研究

谢 宏,黄汉斌

(华北科技学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

我国资源禀赋的现实情况表明,以煤炭为主、其他能源为辅的能源结构,在短期内无法完全改变,煤炭仍将是我国能源供应的“支柱”和“基石”。但是,随着浅部煤炭资源向深部开采,开采深度及强度不断加大,煤炭赋存条件更加复杂,煤层瓦斯含量、瓦斯压力、地应力、地温等不断增大,瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出危险性增大,复杂的瓦斯灾害影响因素和其相互关系使得瓦斯灾害的危险性愈发严重。因此,瓦斯抽采作为解决瓦斯问题的有效手段,其抽采效果直接决定了是否能成功防治瓦斯灾害。

目前,国内大部分高突矿井都配备了瓦斯抽采系统,但现场瓦斯抽采效果不尽如人意。国内许多煤矿的瓦斯抽采效果未能满足国家《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》《瓦斯抽采基本指标》等相关标准的要求。此外,由于煤矿抽采过程的动态时变性和非线性,对于煤矿瓦斯抽采稳定性水平评价的研究甚少。

因此,以三元体系为核心,构建煤矿瓦斯抽采三元体系系统动力学(SD)模型,对煤矿瓦斯抽采系统进行综合性评价,为煤矿瓦斯抽采达标评价研究提供了有益参考,进而为瓦斯灾害风险管控提供宏观的决策辅助,优化管理效率,遏制各类瓦斯事故的发生。

1 理论基础

1.1 安全管理三元体系

通常安全生产要素分为:人(People),机器(Machine),环境(Environment),管理(Management)以及法律(Law)。有人认为,影响企业安全生产的核心要素是人、机和管理[1]。这与事故致因理论的阐明是一致的,造成事故的四大因素有:人的不安全行为、机的不安全状态、管理上的缺陷、不安全的环境因素[2]。当“人”由于“管”和“法”的缺失产生不安全行为,则不安全行为导致“机”的不安全状况产生,不安全行为的运动轨迹与不安全状况的运动轨迹在“环”中交叉,造成“环”的不稳定状态,三者之间的稳定状态失衡,最终事故发生。

人机环管法与安全管理之间有着密切的关联。“人、机、环”是安全生产的基础要素,“管”是“人”在安全生产的手段,“法”由“人”制定的制度及法律法规且规范“人”的行为。人与自然交互衍生出人工系统,为了规范人与自然交互时的一系列行为次衍生出社会系统。人与自然交互通常需要借助桥梁(机)来实现目的,在实现目的的过程中需要制度(管)法律(法)等手段管控,以此来保障所产生的结果与预期一致。社会系统、自然系统和人工系统,统称为安全管理三元体系。

综上所述,基于安全系统及其对象系统的理念[3],将人、机、环、管、法五要素交互融合,系统可以分为三个子系统,分别是社会系统、人工系统、自然系统。

1.2 瓦斯抽采三元体系概念模型

企业安全生产诸多影响因素中,组织因素至关重要[4]。为了使组织管理各单元精确、高效、协同和持续运行,引入精细化管理理念[5]。将安全管理三元体系概念融入瓦斯抽采达标系统中,对三个子系统进一步划分,社会系统划分为管理团队、管理体系,人工系统划分为专业团队、专业装备,自然系统划分为各种灾害要素,概念模型如下图1。

1.3 三元体系安全评价模型

本文以中国知网(CNKI)为数据支撑平台,SCI来源期刊、EI来源期刊、北大核心来源期刊、CSSCI来源期刊等为依托的数据库检索煤矿安全评价研究的相关文献,以“煤矿”和“安全评价”为主题进行检索,检索年限不限,精确检索得到486篇文献,经过数据处理和人工逐篇阅读筛查,共得到有效检索结果389篇文献作为本研究的样本数据。

本文运用CiteSpace软件对煤矿安全评价领域的389篇文献进行格式转码处理,基于CiteSpace突显词探测算法,预测领域内未来的研究方向[6]。经探测见表1,四个主要的突显词按照他们的强度排序为:安全评价(2.78)、评价模型(0.88)、评价体系(0.8)、指标体系(0.52)。通过综合分析研判,预测安全评价是该研究领域未来最大的前沿热点。且通过构建指标体系,并主观与客观相结合的形式赋予指标权重形成评价体系,再则建立评价模型,最终对煤矿安全评价这一条路径将形成新的前沿。

表1 排名前4的突显词

但是,在安全评价中或将能力评价、状态评价、业绩评价概念混淆,或将三者割裂开孤立对待,研究体系尚未完善,难以用于系统性的研究[7]。

基于理论与模型的研究[8-11],本文建立了三元体系安全评价概念模型(如图2所示),即:“业绩”是“能力”与“状态”的函数,进一步细化则为:“安全业绩”是“管理水平”“专业水平”“灾害治理状态”的函数,以此来指导煤矿瓦斯抽采系统安全评价研究,以期评价更加客观、全面、准确。

2 瓦斯抽采三元体系SD模型的构建

2.1 评价指标体系构建

2.1.1 评价指标体系构建原则

指标体系的构建是进行瓦斯抽采评价研究的前提和基础,要建立一套科学、客观、全面、合理、适用的评价指标体系,必须遵循以下几个原则:

(1) 科学性。科学性原则是研究过程中应遵循的第一原则,具体指研究三元体系安全评价指标体系过程中所选取指标的名称、含义、相互之间的逻辑关系等应清晰明确且符合客观实际,能正确反映出所研究问题的本质和内在规律。

(2) 系统性。矿井的瓦斯抽采是一个完整的系统,它是由多个含义不同但存在一定关联的指标共同构成的一个整体,指标之间彼此相互联系、相互影响,且具有清晰的逻辑关系,这些特点需要在评价指标体系的构建中体现出来。因此,在建立评价指标体系时,必须围绕煤矿整个瓦斯抽采系统安全这一目的。

(3) 层次性。层次性是系统各部分相互联系的重要形式。评价指标体系应呈现由低到高形成不同层级,每个层级都有不同的系统性,彼此之间存在差异性,表现出等级秩序性。等级结构属性为:低层级的系统特性是构成高层级系统特性的基础,高层级形成低层级所没有的新特性,不同层级之间相互区别又相互联系的系统等级结构特性。

(4) 合理性。评价指标体系所反映的评价结果应具备客观性,降低人为因素对研究结果的影响,且要合乎实际以及有明确的评价标准依据,能够客观、准确地呈现出煤矿企业瓦斯抽采系统的合理性及安全可靠性。

(5) 动态性。系统始终处于运动与发展的状态,因此,构建评价指标体系时,要遵循动态性原则,使得评价结果能够动态评价煤矿企业瓦斯抽采系统。

2.1.2 瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系

基于评价指标体系构建原则、瓦斯抽采三元体系概念模型以及《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等规定,将瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系划分为三个一级指标、五个二级指标、二十个三级指标。瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系见表2。

2.2 因果关系图

理清SD模型中各个系统之间及子系统内的动态行为关联性极其重要。反馈系统本质上是一个封闭系统,其特点是在系统边界内部能够明确表示研究对象各因素的相互作用关系,并能解释边界内发生的系统行为。封闭系统原则上不存在与其任何流的交互形式,但大部分系统是开放系统,其与外部环境之间存在频繁的变量交互。

运用系统动力学理论,将三元体系安全评价概念模型与瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系融合,进一步精细化各个指标之间的因果关系,形成了煤矿瓦斯抽采三元体系因果关系图。如图3所示,煤矿瓦斯抽采三元体系指标之间相互影响、相互关联,从而形成系统反馈。

图3 因果关系图

2.3 SD模型构建

2.3.1 仿真变量及方程的确定

为了更好地构建瓦斯抽采三元体系的系统动力学(SD)模型,需要深入、客观分析评价动态系统中构成三元子系统的要素及体系的结构,构建相应的变量,如状态变量、速度变量、辅助变量等。

(1) 煤矿瓦斯抽采安全指数:

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) 社会系统管理水平:

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为瓦斯抽采治理经费投入。

(3) 人工系统专业水平:

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) 自然系统灾害治理状态指数:

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模型构建

通过对煤矿瓦斯抽采三元体系模型进行系统分析及结构分析,并对原始模型进行仿真模拟和一致性检验,对经过以上步骤获取的模型进行适宜的优化调整,最后构建出如图4所示的煤矿瓦斯抽采三元体系SD模型。

图4 煤矿瓦斯抽采三元体系SD模型

2.3.3 模拟仿真及评价

对煤矿瓦斯抽采三元体系SD模型进行模拟仿真,首先需要明确三个子系统对主系统的权重、三个子系统内部的各项指标因子的权重、子系统的初始能力值、各子系统安全投入的比例及转化率、影响系数等。各指标因素可通过主观形式结合客观形式进行分析量化,本研究主要采用模拟仿真的形式进行说明。然后,对比分析模型计算的状态变量和历史统计数值,验证模型的有效性,由此推测模型对未来的煤矿瓦斯抽采稳定性形势预测的合理性。

在实际中,管理水平、专业水平、灾害治理状态3个因素对煤矿瓦斯抽采稳定性起到影响作用。在系统动力学中以状态变量作为衡量瓦斯抽采稳定性水平的指标。通过对变量数值的调整,动态观测安全指数的变化趋势及其变化原因,并通过对比仿真探索提高安全指数的较优,可以预测出瓦斯抽采稳定性水平的发展趋势。具体变化趋势界面如图5所示。

图5 SD仿真模拟变化趋势界面

3 结论

(1) 在安全系统的视域下,研究分析了安全的人、机、环、管、法等影响因素,从核心要素出发,将人、机、环、管、法五要素交互融合,形成了社会系统、人工系统以及自然系统的安全管理三元体系。以此为核心,建立了三元体系安全评价概念模型,即:安全业绩是管理水平、专业水平、灾害治理状态的函数,指导煤矿瓦斯抽采安全评价研究。

(2) 基于评价指标体系构建原则、瓦斯抽采三元体系概念模型以及《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等规定,全面梳理了相关影响指标,构建了瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系。

(3) 运用SD方法,将三元体系安全评价概念模型与瓦斯抽采三元体系安全评价指标体系融合,进一步精细化各个指标之间的因果关系,形成了煤矿瓦斯抽采三元体系因果关系图,通过分析得出其中重要的反馈回路。构建了煤矿瓦斯抽采三元体系SD模型,通过模型预测安全指数变化趋势。根据变化的趋势,可以对瓦斯抽采稳定性水平进行预测。此外,本研究方法对于安全评价有着显著的适用性,尤其在对复杂的安全生产系统中,可克服定性、孤立、静态、链式、单一化评价方法存在的问题。