基于功能共振的煤矿透水事故分析
时间:2022-09-17 21:05 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
基于功能共振的煤矿透水事故分析1 水害事故基本情况近年来，我国煤矿安全工作取得显著成效，全国煤矿事故起数、百万吨死亡率和重特大事故起数呈现逐年下降的趋势，生产安全水平实现由事故多发、伤亡惨重向持续稳定好转的历史性跨越。但总的来说，我国煤炭生产安全事故仍然时有发生，特别是近3年来水害事故呈现抬头趋势，煤矿安全生产形势不容乐观[1]。根据国家矿山安全监察局官方网站以及煤矿安全网公布的数据资料，近3年煤矿共发生水害事故15起，死亡85人，发生涉险事故12起，特别是2021年发生的煤矿重大事故都是水害事故。为深入研究透水事故发生的共性原因，有效遏制煤矿透水事故发生，以湖南省衡阳市源江山煤矿透水事故为例，运用功能共振(FRAM)分析，从技术和管理两个角度研究煤矿生产系统功能之间的相互作用和耦合关系，解释复杂煤矿生产系统中的事故发生机理，研究避免失效功能链接的屏障措施，为预防同类事故发生提供依据和借鉴。 2020年11月29日，湖南省衡阳市源江山煤矿发生重大透水事故，造成13人死亡，直接经济损失3 484.03万元。事故调查报告显示，事故直接原因是该矿非法组织开采，隐瞒超深越界行为，在-500 m水平老空水淹区域下，采用上山巷道式开采急倾斜煤层，没有按探测报告要求对“异常区”进行探放水，作业人员侥幸顶水作业，在矿压和上部水压共同作用下发生抽冒，导通导子二矿采空区积水，同时出现透水征兆后未及时组织撤人，老空积水迅速溃入该矿-500 m水平，致使该水平井巷全部被淹，造成重大人员伤亡和财产损失。 2 功能共振分析(FRAM)方法概述在安全科学发展的过程中，事故致因模型对事故原因的分析起到重要的作用，传统的事故致因模型大都基于事故统计分析，应用于线性分析比较有优势，但对于复杂社会-技术系统中事故原因之间的耦合关系分析则有明显的不足，无法对事故进行全面分析[2]，而系统模型从功能角度出发，不限于结构、事件和场景，正好能够解决复杂的系统及系统中各元素的相互耦合等问题。针对简单线性及复杂线性事故致因理论无法解决的系统问题， HOLLNAGELE在2012年提出一种基于系统安全的非线性事故致因模型——功能共振分析方法(Function Resonance Analysis Method，以下简称FRAM)[2]，分析系统的主要功能，从系统功能正常运行的全新角度，分析功能薄弱环节，查找功能失效的原因，深化对导致事故的原理和机制的认识，构建屏障措施，对系统中同类事故进行预测与控制，避免同类事故重复发生。近十年，国内外相关学者对此方法进行了研究和探索，将此方法应用于事故分析中，从系统功能变化的角度分析事故，填补了传统理论的不足。FRAM来源于物理系统中的共振现象，通过识别系统正常运行的基本功能，分析功能的6个单元要素，构建功能网络图，建立各要素之间的联系，研究各功能之间的相互关系，综合考虑组织、技术和人员三要素的行为变化，从来源、时间和精确度输出变化来分析功能的耦合变化及产生功能共振的因素，找出各个功能之间的失效链接，分析事故的原因 [3]。 利用FRAM模型对事故进行分析主要包括以下4个步骤。 (1)识别系统功能，并通过输入(I)、输出(O)、控制(C)、前提(P)、时间(T)和资源(R)等6个功能要素来描述系统构成。 (2)通过分析行为变化的特征，识别功能输出的变化，研究功能性能变化的来源，了解行为变化的时间和精度表述。 (3)研究变化的聚合，确定功能共振。在分析出功能模块的变化特征后，进一步研究自身变化与功能上下游耦合变化，将存在潜在变化的功能要素互相链接，进行一致性检验后构建系统功能网络图。 (4)分析结果并建立屏障措施。屏障措施可以从消除功能变化的产生到预防变化的聚合来阻止事故的发生或减轻事故后果。 FRAM模型的原理和步骤在一些相关文献中都有详细的描述[4-8]，功能共振分析方法在航空航天领域和道路交通领域应用较多，主要是分析事故和风险隐患，但在煤矿领域应用较少。本文应用功能共振分析方法，结合源江山煤矿重大透水事故案例进行研究。针对煤矿水害事故的特殊性，结合事故调查报告，从技术和管理两个角度进行功能共振分析，探索功能共振分析在煤矿安全及事故调查研究领域的适用性，为FRAM的应用和发展做出一点贡献。 3 从技术角度进行功能共振分析3.1 识别系统基本功能通过分析事故调查报告，针对水害事故结合《煤矿防治水细则》和《煤矿安全规程》对生产系统进行研究，了解该社会-技术系统中的事件和随时间发展的正常生产活动系统S1。构成S1系统的基本功能包括：下达生产任务(F1)、检查生产设备(F2)、探放水(F3)、掘进巷道(F4)、开采煤炭(F5)、运输煤炭(F6)。针对每个环节的工艺技术流程，分析其6个功能要素，利用FMV软件识别功能模块之间的关系，绘制功能网络图，建立功能共振模型，如图1所示。 
图1 生产系统S1功能模型 3.2 识别耦合变化，确定功能共振为了从技术上对煤矿水害事故进行功能共振分析，本文以源江山煤矿透水事故为例，采用功能共振模型对于系统中各项功能的实际功能类型、功能发生变化的内外部来源、精确度相关输出变化、时机相关输出变化等4项指标进行综合评估，得出事故系统中功能输出的变化性，为更具体表现功能发生的实际变化，对于精确度及时机变化指标采用更详细的叙述，参考事故调查报告内容对事故中实际发生的变化进行提炼总结。源江山煤矿事故的功能输出变化见表1。 表1 源江山煤矿事故S1系统功能输出变化 
功能名称类型变化可能来源精确度相关输出变化时机相关输出变化F1:下达生产任务组织内部、外部经调查,源江山煤矿非法越界施工巷道总长度2 198 m;在超深越界区域布置巷道式采煤工作面回采F2:检查生产设备人员外部拒不执行停产指令,非法组织人员生产F3:探放水技术内部、外部未严格执行“三专两探一撤” 措施未对探测报告中的“异常区”实施探放水F4:掘进巷道技术内部、外部承包多个队伍,以包代管F5:开采煤炭技术内部、外部违章在老空水淹区域下采用上山巷道式开采急倾斜煤层事故前1 h出现明显透水征兆,未及时撤人F6:运输煤炭组织外部 根据表1对系统功能共振图中的失效链接进行标注，分析功能间的失效链接以及功能共振可能的情况。源江山煤矿事故S1系统失效功能链接见表2。 由表2可以看出，有6个环节存在功能共振，F1对F5的输出存在非法组织生产行为，F2对F1又没有很好地反馈，同时，该矿未严格执行“三专两探一撤”措施，导致F3的输出对掘进和采煤均失效，导致的失效链接就是事故发生的主要原因。通过事故调查报告发现非法组织生产、未严格执行探放水措施、安全管理混乱、发现征兆后未及时撤出作业人员等是导致事故发生的主要原因；同时不同环节的违法行为、政府监管缺失等共同作用导致事故发生。不过从技术角度分析尚不够全面，从管理角度再进行功能共振分析，可以使事故分析更加全面和准确。 表2 源江山煤矿事故S1系统失效功能链接 
4 从管理角度进行功能共振分析4.1 识别系统基本功能从事故的生产安全责任角度出发，依据《安全生产法》，得到生产系统正常运行所需基本功能要素并辨识其功能[9-10]，建立正常生产活动系统S2。构成S2系统的基本功能包括：煤矿企业(F21)，设备、工艺(F22)，委托机构(F23)，安全监管机构及监察人员(F24)，施工作业人员(F25)，安全监管部门(F26)，法规、标准(F27)。 生产系统S2功能模型如图2所示。 
图2 生产系统S2功能模型 4.2 识别耦合变化，确定功能共振根据事故调查报告，绘制功能输出变化分析表，见表3。综合变化类型、变化可能来源、精确度相关输出变化、时机相关输出变化对行业系统功能输出变化进行综合评估，确定事故中变化较大、对事故影响较大的功能失效共振。源江山煤矿事故S2系统失效功能链接见表4。 表3 源江山煤矿事故S2系统功能输出变化 
功能名称类型变化可能来源精确度相关输出变化时机相关输出变化F21:煤矿企业组织内部、外部超深越界并故意隐瞒;违法组织生产;对抗政府部门监管出现明显透水征兆后,未及时撤人F22:设备、工艺技术外部未严格执行“三专两探一撤” 措施未按要求对探测“异常区”进行探放水,即组织生产F23:委托机构组织内部、外部未向政府相关部门提出国土封闭不符合要求相关意见;巷道测量鉴定报告不真实违规交付相关报告F24:安全管理机构及监察人员组织内部、外部企业主体责任不落实,安全管理机构和人员缺失;违章在老空水淹区域下采用上山巷道式开采急倾斜煤层F25:施工作业人员人员内部、外部心存侥幸,冒险蛮干,顶水作业以包代管F26:安全监管部门组织内部、外部自然资源部门、煤矿安全监管部门等政府监管工作不到位;火工品审批和管理把关不严F27:法规、标准组织外部 表4 源江山煤矿事故S2系统失效功能链接 
图2和表4可以从系统结构的角度体现上、下游功能之间的耦合关系，一项功能若在事故中表现出较大变化，则认为在生产系统正常运行中功能出现问题，导致事故发生。F21“煤炭企业”超层越界、非法组织开采，其输出导致F22、F24、F25都发生失效，这说明煤矿企业对于生产工艺、设备、企业内部安全监管和从业人员施工作业都出现较大问题。F23“委托机构”和F24“安全监管机构及监察人员”的失职也导致相关功能失效。F26“安全监管部门”发生失效较多，反映出安全监管部门在日常生产监督检查中对企业违法行为没有有效管控，对第三方机构监管不严，在此次事故中输出链接对事故产生巨大影响。 5 制定屏障措施从技术和管理两个角度，识别系统功能并评估各功能的耦合变化，设置屏障措施来防止功能失效，降低事故发生的可能性。 我国煤炭赋存特点决定了煤矿生产条件比较复杂，煤炭企业作为责任主体，是管理环节的源头，要严格依法组织生产，这是生产系统安全运行的前提。要加大对中介机构的监管力度，很多第三方机构对于生产现场的评估检测敷衍了事，甚至出具虚假报告，导致现场施工情况不明或者违法施工。而煤矿行业正因为其高危险性，才更应重视安全检查的过程和结果，加大检查的力度，因此提高安全检查人员的职业道德素养尤为重要。除此之外，还需有政策驱动，使检查人员对其检查结果负责并进行追踪。从安全监管的角度来看，企业监管部门和政府监管机构都要充分发挥作用，落实明察暗访等专项检查措施，坚决制止超深越界，严格监管执法，增加企业违法成本，可有效控制功能失效链接。从技术角度来讲，严格遵守《安全生产法》《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》等各项法律法规和规章制度，按规定设置防治水机构、配备专业技术人员和专用探放水设备，按照地质勘探和探放水有关要求，严格执行“三专两探一撤”措施，也可有效屏障失效链接。 6 结语煤矿水害事故原因错综复杂，通过运用功能共振分析方法，可有效对复杂系统事故原因进行分析。从技术和管理两个角度分别构建FRAM模型，可以更好地分析影响生产系统正常运行的因素。研究表明，FRAM模型与煤矿透水事故分析契合度较高，分析失效链接可以很好地解释上下游功能之间的耦合关系，体现生产系统中动态性和非线性特征。通过分析影响系统正常运行的失效链接，有针对性地制定屏障措施，可以有效避免生产系统功能失效共振导致事故发生，对控制煤矿水害事故具有一定的理论和现实意义。 [1] 李芳玮.煤矿水害事故分析与防治对策研究[J].中国煤炭，2022，48(5)：14-19. [2] HOLLNAGELE.Barriers and Accident Prevention [M].New York: Ashgate Publishing,2004：48-50. [3] 王仲.功能共振分析方法在事故分析中的改进应用[D].北京:中国地质大学(北京),2017. [4] 张晓全，吴贵锋.功能共振事故模型在可控飞行撞地事故分析中的应用[J].中国安全生产科学技术,2011,704:65-70. [5] 崔铁军，马云东.考虑人因失误和状态检修的事故链式模型研究[J].中国安全科学报,2014,24(8):37-42. [6] 段钊.基于FRAM的国家安监局安全监管职能研究[D].北京:中国地质大学(北京),2017. [7] 冯珺妍，蔡爽，吴弘飞，等.基于FRAM的轨道交通系统调度岗位安全职责分析[J].安全，2021，42(8):57-64. [8] 张靖雯，马晓雪,刘阳，等.基于FRAM-FAHP法的船舶碰撞事故致因分析[J].安全与环境工程，2021，28(1):29-34. [9] 樊运晓，李冰怡，云霞皓月.基于FRAM的天津港“8·12”事故致因分析[J].安全， 2019，40(9):51-55. [10] 李冰怡.基于功能共振分析方法的我国近年特大事故致因分析[D].北京:中国地质大学(北京)，2019. Analysis of water inrush accident in coal mine based on functional resonance
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