基于WSR-TSS模型的煤礦頂板事故風(fēng)險評估

周 棟，葉義成,2，胡南燕，崔旭陽，譚文侃，黃兆云(.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 4008；2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 4008；.湖北景深安全技術(shù)有限公司，湖北 宜昌 44000)

在煤礦生產(chǎn)過程中，頂板事故發(fā)生的概率較大，造成死亡人數(shù)多。據(jù)統(tǒng)計，2008—2017年，我國煤礦頂板事故占煤礦總事故數(shù)量的48.09%，造成的死亡人數(shù)占煤礦事故總死亡人數(shù)的34.01%[1]。近年來，我國雖然加大了安全管理的力度，但頂板事故仍然頻發(fā)，僅2020年2月就發(fā)生2起[2]。因此，為降低頂板事故風(fēng)險，減少生命財產(chǎn)損失，對煤礦頂板事故風(fēng)險進(jìn)行評估具有重要意義。

煤礦是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，頂板事故的發(fā)生是系統(tǒng)內(nèi)多種因素共同作用的結(jié)果，具有整體性、相關(guān)性和動態(tài)性等特征。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對頂板事故風(fēng)險評估進(jìn)行了大量研究。國外專家方面，DUZGUN[3]提出了一種決策樹法用于降低頂板事故風(fēng)險，但只考慮了支護(hù)方式一種因素對頂板事故風(fēng)險概率的影響；GHASEMI等[4]將影響頂板事故的風(fēng)險因素分為地質(zhì)因素、設(shè)計因素、運行因素三大類，但忽略了人為因素在系統(tǒng)中的作用；PALEI等[5]用Logistic回歸模型預(yù)測頂板事故風(fēng)險，只對單因素不同狀態(tài)風(fēng)險大小進(jìn)行了比較，無法比較不同因素之間風(fēng)險大小。而在國內(nèi)專家方面，廖敬龍等[6]以曙光礦頂板事故為背景分析冒頂原因，認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造是冒頂?shù)闹匾蛩?；牛福龍[7]對一起特大冒頂事故進(jìn)行分析，得到頂板事故發(fā)生的原因有支護(hù)設(shè)計不合理、巖層活動和開采擾動等；高平等[8]通過統(tǒng)計分析得到工程質(zhì)量差是頂板事故發(fā)生的主要原因。以上研究通過案例分析總結(jié)了頂板事故發(fā)生的原因，但由于統(tǒng)計樣本少，尚不能完整地描述頂板事故發(fā)生的原因。

隨著現(xiàn)代安全管理的發(fā)展，有多種評價方法應(yīng)用于頂板事故風(fēng)險評估，常用的有貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、灰色關(guān)聯(lián)、模糊理論等。李賢功等[9]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型分析得到了頂板事故的直接影響因素，但只考慮了單因素變化對頂板事故的影響，沒有確定耦合因素的影響；李博楊等[10]基于灰色關(guān)聯(lián)和集對分析建立頂板風(fēng)險評估模型，解決了單一集對分析聯(lián)系度不確定的問題，但只能從整體上確定頂板系統(tǒng)的安全等級，未分析各種因素對頂板事故的影響；李奇薇[11]選用事故樹評價方法和主成分分析法進(jìn)行頂板事故安全評價，考慮了因素對頂板事故風(fēng)險的影響程度和各因素之間的相關(guān)性，但只對因素影響程度進(jìn)行排序，沒有確定因素對頂板事故發(fā)生概率的大??；佟瑞鵬等[12]提出一種模糊Bow-tie模型定量分析方法，定量分析各因素發(fā)生概率，但沒有分析各因素耦合情景對頂板事故風(fēng)險的影響；李海麗等[13]融合事故樹、模糊數(shù)學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)分析頂板事故，針對薄弱事件提出改進(jìn)措施，但事故樹分析的頂板事故因素較復(fù)雜，沒有分析耦合風(fēng)險因素的影響；李世科[14]采用K-均值聚類與貝葉斯判別對頂板事故進(jìn)行安全評價，定量描述頂板事故風(fēng)險，但沒有考慮因素之間的耦合；趙革等[15]采用和諧度理論方法體系建立了頂板冒落因素綜合評價模型，但確立的綜合指標(biāo)體系較為片面。上述方法在頂板事故安全評價時，達(dá)不到系統(tǒng)地分析導(dǎo)致頂板事故的風(fēng)險因素的目的，且未考慮耦合風(fēng)險因素發(fā)生的情景，與實際情況有一定差距。

在“物理-事理-人理”系統(tǒng)方法論(WSR)研究方面，顧基發(fā)等[16]基于前人的研究首次提出并闡釋W(xué)SR理論，WSR理論具有傳統(tǒng)的哲學(xué)思想，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域；周曉陽等[17]以WSR方法論為指導(dǎo)思想分析了群決策中的重要因素，并通過案例證明了所提出方法的有效性；金占勇等[18]將WSR方法論應(yīng)用于智慧校園可持續(xù)發(fā)展綜合評價；雷帥等[19]利用WSR方法論給出了一種基于系統(tǒng)論的國防科技戰(zhàn)略情報研究方法。在情景構(gòu)建理論(TSS)研究方面，國外最先將TSS理論應(yīng)用于風(fēng)險評估，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，TSS理論已成為風(fēng)險管理的重要方法；夏登友等[20]利用TSS理論對?；穬迏^(qū)事故的關(guān)鍵情景及演變過程進(jìn)行了表示；王起全等[21]利用TSS理論探討在不同應(yīng)急處置措施的應(yīng)對下，火災(zāi)爆炸事故的不同演化進(jìn)程，分析事故情景消失的有效應(yīng)急措施。為全面識別煤礦頂板事故風(fēng)險因素，考慮耦合風(fēng)險因素發(fā)生的情景并定量化，本文結(jié)合WSR理論和TSS理論，建立WSR-TSS理論模型，首先基于WSR理論識別煤礦頂板事故影響因素，然后基于TSS理論構(gòu)建頂板事故多維風(fēng)險情景，從而形成WSR-TSS理論風(fēng)險評估體系，對煤礦頂板事故風(fēng)險進(jìn)行評估，以期為煤礦頂板事故風(fēng)險評估提供新思路。

1 WSR-TSS理論與方法

1.1 基本理論

WSR-TSS理論模型的核心是基于“物理-事理-人理”理論(WSR)和情景構(gòu)建理論(TSS)的融合，互為補充。WSR理論方法論由系統(tǒng)科學(xué)專家顧基發(fā)教授等提出，大量成功應(yīng)用證明其是解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的有力工具，其核心思想是系統(tǒng)實踐活動由物質(zhì)世界、系統(tǒng)組織和人類活動的動態(tài)統(tǒng)一，其實踐準(zhǔn)則是“懂物理、明事理、通人理”[18]。TSS理論對可能發(fā)生的事故展開科學(xué)的假定，分析情景的變化過程和情景的災(zāi)害影響，是近年來我國支撐應(yīng)急準(zhǔn)備能力建設(shè)的一種方法和思路，廣泛應(yīng)用于公共安全領(lǐng)域應(yīng)急準(zhǔn)備行動[22]。

WSR-TSS理論模型可以將復(fù)雜的系統(tǒng)問題清晰地表示出來，更好地應(yīng)用于事故風(fēng)險評估。通過物理層、事理層和人理層三個層面對事故進(jìn)行分析，能夠較全面地識別事故風(fēng)險因素。 構(gòu)建多維風(fēng)險情景能夠清晰地梳理出耦合風(fēng)險因素發(fā)生的情景，對風(fēng)險較高的情景提出針對性措施，可以有效地降低事故風(fēng)險。

1.2 WSR-TSS理論模型

WSR-TSS理論模型原理如圖1所示，進(jìn)行頂板事故風(fēng)險評估的邏輯過程和步驟如下所述。①基于WSR理論方法進(jìn)行風(fēng)險因素識別?；凇拔锢?事理-人理”三方面構(gòu)建頂板事故風(fēng)險識別框架，為風(fēng)險評價提供基礎(chǔ)。 ②基于TSS理論的頂板事故風(fēng)險情景構(gòu)建，分別構(gòu)建二維風(fēng)險情景和三維風(fēng)險情景。 ③風(fēng)險概率計算。運用貝葉斯理論計算不確定風(fēng)險因素發(fā)生的概率。④風(fēng)險分析與管理。從多維度對頂板事故風(fēng)險進(jìn)行分析，得到風(fēng)險評估結(jié)論并提出相應(yīng)的事故預(yù)防措施和建議。

圖1 WSR-TSS理論模型原理圖Fig.1 Schematic diagram of WSR-TSS model

2 基于WSR理論的頂板事故風(fēng)險評估模式

通過物理、事理、人理三個方面對頂板事故風(fēng)險過程進(jìn)行分析，并參考以往研究，得到頂板事故風(fēng)險影響因素，從而構(gòu)建頂板事故風(fēng)險評估模式。

物理是自然存在的不以人的意志為轉(zhuǎn)移的基本規(guī)律。巷道在開挖支護(hù)完成后處于特定的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中，系統(tǒng)中圍巖性質(zhì)、地壓和水等要素影響巷道的穩(wěn)定性，各要素相互聯(lián)系并相互影響。廖敬龍等[6]研究得到頂板事故的主要影響因素有圍巖性質(zhì)、地下水和地質(zhì)構(gòu)造帶等；田苗等[23]通過現(xiàn)場調(diào)研得到頂板事故影響因素有直接頂板的巖性、直接頂板的厚度和頂板裂縫情況等；佟瑞鵬等[12]基于Bow-tie模型確定頂板事故影響因素有頂板破碎度、圍巖壓力和周期來壓等。通過分析和總結(jié)，選取6個頂板事故物理層影響因素，包括直接頂板的厚度(w1)、直接頂板的巖性(w2)、地質(zhì)構(gòu)造(w3)、地壓大小(w4)、頂板破碎度(w5)和含水率(w6)，設(shè)物理層的頂板事故風(fēng)險影響因素集為W={w1,w2,…,wi}(i=1,2,…,m)，表示物理層風(fēng)險因素個數(shù)。

事理是基于物理有效處理事務(wù)的方法。根據(jù)巷道存在的地質(zhì)環(huán)境選擇合理的支護(hù)方式可以有效地減小頂板事故的風(fēng)險，王寧等[24]針對極近距離煤層綜采工作面穿過空巷時圍巖變形特點提出了相應(yīng)的控制措施，有效地控制了圍巖變形。合理的技術(shù)方案可以降低頂板事故風(fēng)險概率，這里的技術(shù)方案是指巷道的斷面形狀和斷面大小及走向等，路沙沙等[25]研究得到矩形、圓形和直墻拱形等不同巷道斷面形狀對沖擊荷載作用的響應(yīng)程度存在顯著差別；殷帥峰等[26]基于巷道尺寸效應(yīng)研究了矩形巷道圍巖穩(wěn)定性；武旭等[27]基于Unwedge程序?qū)ο锏缐K體穩(wěn)定性及巷道軸線方向進(jìn)行分析，不同地質(zhì)條件下巷道軸線方向影響巷道穩(wěn)定性。通過分析和總結(jié)，選取2個頂板事故事理層影響因素，包括支護(hù)方式(s1)和技術(shù)方案(s2)。設(shè)事理層的頂板事故風(fēng)險影響因素集為S={s1,s2,…,sj}(j=1,2,…,n)，表示事理層風(fēng)險因素個數(shù)。

人理是指管理對象和過程中人與人的關(guān)系和人處理事的觀念和態(tài)度。頂板事故中人為因素起著關(guān)鍵性的作用，即使物理層和事理層因素增加了頂板事故風(fēng)險，若礦山建有完善的管理制度、作業(yè)人員經(jīng)常參加安全培訓(xùn)、實踐經(jīng)驗足、安全意識高，也能夠減少頂板事故帶來的損失并保障人員的生命安全。高平等[8]研究得到人的不安全行為是頂板事故發(fā)生的主要原因；李奇薇[11]分析頂板事故的因素有疏忽大意、作業(yè)人員隊伍素質(zhì)較低、作業(yè)人員經(jīng)驗不足、管理工作不到位、管理制度不完善等。通過分析和總結(jié)，選取4個頂板事故人理層影響因素，包括管理制度(r1)、安全培訓(xùn)(r2)、實踐經(jīng)驗(r3)和安全意識(r4)，設(shè)人理層的頂板事故風(fēng)險影響因素集為R={r1,r2,…,rk}(k=1,2,…,p)，表示人理層風(fēng)險因素個數(shù)。

由此得到12個煤礦頂板事故風(fēng)險影響因素，其中，6個物理層，2個事理層，4個人理層，建立煤礦頂板事故風(fēng)險識別框架如圖2所示。

3 基于TSS理論的頂板事故多維風(fēng)險情景構(gòu)建

安全事故的發(fā)生通常是由兩個或多個因素交叉耦合作用導(dǎo)致的[28]，因此需要對多維風(fēng)險情景下風(fēng)險耦合，對同一層面的風(fēng)險不需再進(jìn)行耦合?；赥SS情景理論，結(jié)合頂板事故風(fēng)險因素，構(gòu)建多維度風(fēng)險耦合過程，多個風(fēng)險情景下的風(fēng)險耦合示意圖如圖3所示。

圖2 煤礦頂板事故風(fēng)險識別框架Fig.2 Risk identification framework of roof accident in coal mine

圖3 頂板事故多維風(fēng)險情景下的風(fēng)險耦合示意圖Fig.3 Risk coupling under multi-dimensional risk scenario of roof accidents

情景構(gòu)建的過程實際是理論與實踐、科研與決策、相關(guān)方之間開展風(fēng)險溝通的過程[29]。對于煤礦頂板事故多維風(fēng)險情景而言，二維風(fēng)險情景就是從“物理-事理-人理”中的風(fēng)險因素選擇2個進(jìn)行耦合，例如，二維風(fēng)險情景下，頂板破碎度(w5)和實踐經(jīng)驗(r3) 2個風(fēng)險因素耦合成1個二維風(fēng)險情景，當(dāng)頂板較為破碎時，由于工人的實踐經(jīng)驗不足很可能導(dǎo)致頂板事故，這比單一因素的風(fēng)險度要高。三維風(fēng)險情景是從“物理-事理-人理”3個層面各選1個因素構(gòu)成，例如，三維風(fēng)險情景下，地質(zhì)構(gòu)造(w3)、支護(hù)方式(s1)和安全意識(r4)耦合構(gòu)成新的風(fēng)險情景，存在地質(zhì)構(gòu)造如斷層時，支護(hù)方式不當(dāng)加之工人安全意識淡薄，則很容易造成頂板事故。

在構(gòu)建頂板事故風(fēng)險情景時，一維風(fēng)險情景表示為W/S/R，二維風(fēng)險情景表示為WΘS/WΘR/SΘR，三維風(fēng)險情景表示為WΘSΘR。 地下煤礦頂板事故風(fēng)險的二維情景共44個，三維風(fēng)險情景共48個。

4 實證研究

以2020年8月某煤礦頂板事故為例[30]，對WSR-TSS模型進(jìn)行風(fēng)險評估的實證研究。某煤礦采煤機在距工作面下出口約70 m處割煤，滾筒上方有一頂板離層矸石滑落至刮板輸送機溜槽，被運至3號段時將1根貼幫臨時柱頂?shù)梗瑢?dǎo)致該處破碎頂板冒落，將正在附近攉煤的作業(yè)人員砸中。事故工作面采用走向長壁采煤法、高檔普采采煤工藝，頂板管理采用全部跨落法；設(shè)計頂板支護(hù)形式為單體液壓支柱加金屬鉸接頂梁；工作面直接頂為石灰?guī)r，堅硬、不易破碎，厚1.6～2.5 m，部分區(qū)域有偽頂，偽頂為泥巖，易碎、易冒落，厚0.1～0.4 m，底板為細(xì)砂巖或泥巖。

(1)

表1 某煤礦頂板事故風(fēng)險因素發(fā)生概率Table 1 Probability of roof accident risk factors in a coal mine

圖4 某煤礦頂板事故風(fēng)險因素發(fā)生概率圖Fig.4 Probability diagram of roof accident risk factorsin a coal mine

多維風(fēng)險情景下耦合風(fēng)險因素發(fā)生的概率是耦合的各風(fēng)險同時發(fā)生的概率，因此多維風(fēng)險因素下風(fēng)險因素發(fā)生概率等于各耦合風(fēng)險概率的乘積，二維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故風(fēng)險值見表2，三維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故風(fēng)險值見表3。

表2 二維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故風(fēng)險值Table 2 Risk value of roof accident in a coal mineunder 2D risk scenario

續(xù)表2

表3 三維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故風(fēng)險值Table 3 Risk value of roof accident in a coal mineunder 3D risk scenario

二維風(fēng)險情景概率熱圖見圖5。由圖5可知，風(fēng)險值較高的有35號(w5Θr4)、40號(r4Θs1)和5號(w5Θs1)，風(fēng)險值分別為0.598、0.592和0.506。風(fēng)險值最高的是頂板破碎度(w5)和安全意識(r4)的耦合，其次是安全意識(r4)和支護(hù)方式(s1)，再次是頂板破碎度(w5)和支護(hù)方式(s1)，二維風(fēng)險情景中頂板破碎度(w5)和安全意識(r4)耦合風(fēng)險率最高，與實際相符。案例中工作面頂板破碎、漏頂嚴(yán)重，此時頂板已經(jīng)處于較危險的狀態(tài)，加之作業(yè)人員的安全意識較差，未意識到危險，違章進(jìn)入危險區(qū)作業(yè)，導(dǎo)致頂板事故的發(fā)生。頂板破碎屬于物理層因素，是客觀存在的，若能增強作業(yè)人員的安全意識，意識到危險的情況下作業(yè)人員便不會違章進(jìn)入危險區(qū)冒險作業(yè)，便能預(yù)防此次事故的發(fā)生。

三維風(fēng)險情景概率熱圖如圖6所示。由圖6可知，風(fēng)險值較高的有36號(w5Θs1Θr4)、33號(w5Θs1Θr1)和40號(w5Θs2Θr4)，風(fēng)險值分別為0.423 1、0.353 3和0.266 9。風(fēng)險值最高的是頂板破碎度(w5)和支護(hù)方式(s1)和安全意識(r4)的耦合，其次是頂板破碎度(w5)和支護(hù)方式(s1)和管理制度(r1)，再次是頂板破碎度(w5)和技術(shù)方案(s2)和安全意識(r4)，三維風(fēng)險情景中頂板破碎度(w5)和支護(hù)方式(s1)和安全意識(r4)的耦合風(fēng)險率最高，與實際相符。三維風(fēng)險情景相對二維風(fēng)險情景增加了事理層因素支護(hù)方式(s1)，即使頂板破碎和人員的安全意識較差，若能對采取有效措施加強支護(hù)，也能預(yù)防此次事故的發(fā)生。

圖5 二維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故概率熱力圖Fig.5 Probability thermal diagram of a coal mine roofaccident under two-dimensional risk scenario

圖6 三維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故概率熱力圖Fig.6 Probability thermal diagram of roof accident ina coal mine under 3D risk scenario

基于上述分析，WSR-TSS理論模型能夠較好地評估煤礦頂板事故風(fēng)險，構(gòu)建二維風(fēng)險情景44個，三維風(fēng)險情景48個，將復(fù)雜的系統(tǒng)問題清晰地梳理出來，并定量表示了各風(fēng)險情景發(fā)生的概率。多維風(fēng)險情景下某煤礦頂板事故中物理層的因素風(fēng)險較高的有頂板破碎度(w5)、支護(hù)方式(s1)和安全意識(r4)，物理層因素是客觀存在不可控的，可以通過事理層和人理層進(jìn)行改善，案例中礦山在頂板破碎時若能加強支護(hù)或者增強作業(yè)人員的安全意識，則能夠減小事故發(fā)生的概率，避免此次傷亡事故。

5 結(jié) 論

1) WSR-TSS理論模型能較全面地識別煤礦頂板事故風(fēng)險因素。基于WSR-TSS理論模型識別煤礦頂板事故風(fēng)險因素12個，包括直接頂板的厚度、直接頂板的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地壓大小、頂板破碎度、含水率等6個物理層因素；支護(hù)方式和技術(shù)方案等2個事理層因素；以及管理制度、安全培訓(xùn)、實踐經(jīng)驗、安全意識等4個人理層因素。

2) WSR-TSS理論模型考慮了耦合風(fēng)險因素發(fā)生的情景?；赪SR-TSS理論模型對各種風(fēng)險進(jìn)行耦合，構(gòu)建了煤礦頂板事故二維風(fēng)險情景44個和三維風(fēng)險情景48個，能夠全面多視角地分析頂板事故風(fēng)險。

3) WSR-TSS理論模型能定量地表示風(fēng)險因素發(fā)生的情景。將WSR-TSS理論模型應(yīng)用于某煤礦頂板事故，二維風(fēng)險情景下頂板破碎度(w5)和安全意識(r4)的耦合風(fēng)險值最高，風(fēng)險值為0.598；三維風(fēng)險情景下頂板破碎度(w5)、支護(hù)方式(s1)和安全意識(r4)的耦合風(fēng)險率最高，風(fēng)險值為0.423 1，風(fēng)險分析結(jié)果與實際相符，證明WSR-TSS理論模型的有效性。將風(fēng)險因素發(fā)生的情景定量化，根據(jù)評估結(jié)果提出相應(yīng)的預(yù)防措施，物理層的因素不可控制，通過事理層和人理層的防控可降低事故發(fā)生的概率。