劉永立， 王海濤， 沈 斌， 任夢(mèng)軒， 單麒源

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；3.黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程學(xué)院， 黑龍江 雞西 158100)

0 引 言

近些年來，我國(guó)煤礦安全事故和人員傷亡數(shù)量降低很快，但特重大事故偶爾發(fā)生，安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)依然不容樂觀。同時(shí)，高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了礦山智能化、信息化建設(shè)，煤礦從業(yè)人員管理技術(shù)和礦井裝備得到了飛躍發(fā)展，與之對(duì)應(yīng)的一些管理手段落后，裝備、技術(shù)陳舊等新問題急需解決，煤礦安全生產(chǎn)面臨新的挑戰(zhàn)[1]。

目前，一些學(xué)者對(duì)煤礦災(zāi)害管理體系進(jìn)行了大量研究。齊慶杰等[2]提出了從根本上消除煤礦事故隱患科技支撐的發(fā)展目標(biāo)、路徑、總體思路、主要任務(wù)和對(duì)策。李爽等[3]開發(fā)了煤礦智慧安全管控平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦可視化、智能評(píng)估、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等功能。呂禮國(guó)[4]建立了煤礦安全雙重預(yù)防機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控與事故隱患排查治理有機(jī)融合和持續(xù)改進(jìn)的目的。傅貴等[5]梳理了危險(xiǎn)源的定義和需要考慮的因素，得出危險(xiǎn)源的內(nèi)容非常寬泛，危險(xiǎn)源和隱患的含義相同。孟現(xiàn)飛等[6]總結(jié)了危險(xiǎn)源定義和分類，并進(jìn)行分類研究，得出了危險(xiǎn)源與隱患的關(guān)系。王龍康等[7-8]利用脆弱性和LEC法，提出了煤礦安全隱患動(dòng)態(tài)分級(jí)閉環(huán)管理方法，實(shí)際應(yīng)用效果良好。賀耀宜[9]提出建立本質(zhì)安全和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控體系平臺(tái)建設(shè)思路，從而實(shí)現(xiàn)礦井本質(zhì)安全化管理。

煤礦井下災(zāi)害事故形成機(jī)理復(fù)雜，誘發(fā)因素眾多，增大了煤礦災(zāi)害危險(xiǎn)源檢測(cè)、識(shí)別、預(yù)測(cè)、預(yù)警及應(yīng)急處置的難度，制約了煤礦災(zāi)害管理體系的發(fā)展。傳統(tǒng)意義上煤礦在同一地理空間內(nèi)，無論是災(zāi)害數(shù)據(jù)處理，還是災(zāi)害信息存儲(chǔ)，平臺(tái)都不統(tǒng)一，無法共享動(dòng)態(tài)變化的空間信息，數(shù)據(jù)“孤島和煙囪”嚴(yán)重。為此，筆者通過建立先進(jìn)的預(yù)警模型，完善煤礦災(zāi)害安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)災(zāi)害危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)采集，建立災(zāi)害危險(xiǎn)源指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫(kù)，研究并實(shí)現(xiàn)災(zāi)害危險(xiǎn)源的綜合閉環(huán)管理與預(yù)警，從根本上改變煤礦災(zāi)害的管理現(xiàn)狀。

1 總體設(shè)計(jì)思想

煤礦災(zāi)害閉環(huán)管理體系的先決條件是識(shí)別井下災(zāi)害危險(xiǎn)源的不安全狀態(tài)，核心資源是各類動(dòng)態(tài)空間信息和監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息，方法是最新的通訊和信息技術(shù)工具，關(guān)鍵難點(diǎn)是多學(xué)科核心技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)、集成的信息處理平臺(tái)和專業(yè)化的決策支持，處理手段是應(yīng)急處置，中心思想是形成一個(gè)閉環(huán)，動(dòng)態(tài)、完整的數(shù)據(jù)處理和決策支持流程，管理體系如圖1所示。

圖1 煤礦災(zāi)害閉環(huán)管理體系Fig. 1 Closed-loop management system of mine disasters

2 煤礦災(zāi)害閉環(huán)管理體系的設(shè)計(jì)

2.1 煤礦井下災(zāi)害危險(xiǎn)源識(shí)別

煤礦開采以煤巖為主，生產(chǎn)過程中存在的危險(xiǎn)源具有分布廣、實(shí)時(shí)變化、影響因素多、隱蔽性強(qiáng)、事故傷亡隨機(jī)性變化大、管理難度高等特點(diǎn)。煤礦生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)其危險(xiǎn)源的辨識(shí)涉及到眾多學(xué)科[3，10-11]，因此只有對(duì)采礦、數(shù)學(xué)、信息網(wǎng)絡(luò)等眾多學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)分析，才有可能全面地識(shí)別出危險(xiǎn)源。災(zāi)害識(shí)別設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

圖2 災(zāi)害識(shí)別流程模型Fig. 2 Disaster identification process model

由于系統(tǒng)涉及大量的空間信息和監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，所以為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、模型實(shí)用”的目標(biāo)，必須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和倉(cāng)庫(kù)，開發(fā)統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)和組態(tài)軟件。煤礦災(zāi)害危險(xiǎn)源的辨識(shí)是災(zāi)害閉環(huán)管理的前端工作，其辨識(shí)、排查的質(zhì)量將影響到危險(xiǎn)源治理的成敗。經(jīng)過文獻(xiàn)梳理和煤礦現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行對(duì)照、分析，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性分級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果錄入后形成適合特定煤礦的企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)，根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控要求，自動(dòng)創(chuàng)建風(fēng)險(xiǎn)管控任務(wù)并下發(fā)，形成完整的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)視清單，為后期人工檢查和系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)管提供依據(jù)。

2.2 煤礦井下災(zāi)害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煤礦井下災(zāi)害危險(xiǎn)源的分類與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究是災(zāi)害危險(xiǎn)源預(yù)測(cè)和預(yù)警的前提。煤礦井下作業(yè)環(huán)境與地面存在很大差異，主要表現(xiàn)在井下具有特有的煤自燃、瓦斯、沖擊地壓等多種突發(fā)災(zāi)害因素[12]，這些突發(fā)自燃災(zāi)害因素對(duì)煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)造成了巨大不確定性安全隱患，迫使對(duì)煤礦企業(yè)管理者和決策者的執(zhí)行能力、效率以及準(zhǔn)確性提出更高的要求。因此，管理者和決策者必須能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，理清事故的發(fā)生規(guī)律，預(yù)測(cè)事故可能發(fā)生的等級(jí)，及時(shí)采取與之等級(jí)相對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。災(zāi)害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括面對(duì)危險(xiǎn)源的單一評(píng)價(jià)以及危險(xiǎn)源相互間制約的區(qū)域評(píng)價(jià)，主要研究?jī)?nèi)容包括煤礦危險(xiǎn)源的分級(jí)體系、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、相關(guān)指標(biāo)的定量化問題以及指標(biāo)體系庫(kù)的構(gòu)建，設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 災(zāi)害評(píng)價(jià)流程模型Fig. 3 Disaster evaluation process model

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)災(zāi)害危險(xiǎn)源隱患識(shí)別、預(yù)測(cè)和預(yù)警與決策支持分級(jí)體系還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。參照國(guó)家自然災(zāi)害救助應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)、某煤礦多年生產(chǎn)安全事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和應(yīng)急預(yù)案等資料，將煤礦災(zāi)害危險(xiǎn)源中最為主要的火、水、瓦斯和頂板作為研究對(duì)象，建立了指標(biāo)體系庫(kù)，具體內(nèi)容見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面廣而雜，這就要求災(zāi)害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和確定要全面、精確和適度。評(píng)價(jià)指標(biāo)因素過多會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，提升了評(píng)價(jià)難度，掩蓋了災(zāi)害事故的主要關(guān)鍵因素；反之，會(huì)使評(píng)價(jià)過程過于簡(jiǎn)單，出現(xiàn)以偏概全現(xiàn)象，不能系統(tǒng)客觀地反應(yīng)煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況。

引發(fā)煤礦安全生產(chǎn)問題，幾乎涵蓋了生產(chǎn)技術(shù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括：地質(zhì)因素(地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、煤層賦存條件等)、災(zāi)害因素(內(nèi)外因火災(zāi)、瓦斯突出與爆炸、煤塵爆炸等)、生產(chǎn)方法因素(采煤方法、掘進(jìn)方法、運(yùn)輸方式等)、生產(chǎn)裝備因素(工作面機(jī)械化程度、機(jī)械化設(shè)備狀況、機(jī)械設(shè)備維護(hù)等)、人員素質(zhì)因素(學(xué)歷程度、培訓(xùn)次數(shù)、工作年限等)、環(huán)境條件因素(溫度、濕度、粉塵濃度等)和礦井危險(xiǎn)源因素(瓦斯積聚超限、內(nèi)外因火源、機(jī)電設(shè)備失爆等)7類[13]。

2.3 煤礦井下災(zāi)害危險(xiǎn)源預(yù)警體系

要想有效解決煤礦災(zāi)害危險(xiǎn)源預(yù)警問題，還需要一定的空間分析模型與方法，目前基于GIS危險(xiǎn)源識(shí)別、預(yù)警預(yù)報(bào)主要有3類模型(單體評(píng)判、區(qū)域評(píng)判以及單體-區(qū)域聯(lián)合評(píng)判)[14-15]。其中，單體評(píng)估預(yù)警模型能夠?qū)μ囟?zāi)害危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)對(duì)象給出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)，重點(diǎn)對(duì)少數(shù)關(guān)鍵災(zāi)害隱患進(jìn)行評(píng)估預(yù)警，并對(duì)區(qū)域預(yù)警預(yù)報(bào)進(jìn)行驗(yàn)證，從而為其建立提供參考依據(jù)；區(qū)域評(píng)價(jià)預(yù)警模型能夠給出煤礦風(fēng)險(xiǎn)源在整個(gè)區(qū)域空間內(nèi)的分布情況，從宏觀上展現(xiàn)煤礦危險(xiǎn)源的發(fā)生規(guī)律，主要針對(duì)煤礦整體危險(xiǎn)源的隱患進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，同時(shí)指導(dǎo)單體預(yù)警預(yù)報(bào)的開展；單體-區(qū)域預(yù)警模型聯(lián)合應(yīng)用能夠有效融合各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，極大地提高了預(yù)警預(yù)報(bào)的效率和準(zhǔn)確性。

綜上，筆者結(jié)合3類GIS模型特點(diǎn)，針對(duì)某礦應(yīng)用了單體-區(qū)域聯(lián)合危險(xiǎn)源辨識(shí)與預(yù)警模型，具體設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 基于GIS的單體-區(qū)域聯(lián)合評(píng)判預(yù)警模型Fig. 4 Warning model of regional-monomer joint evaluation based on GIS

2.4 應(yīng)急處置閉環(huán)管理體系的建立

2.4.1 應(yīng)急處置閉環(huán)管理模型

應(yīng)急處置閉環(huán)管理信息化的實(shí)施關(guān)鍵在于管理模式的重構(gòu)或改善，實(shí)現(xiàn)基于工作流程的改造，達(dá)到實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照流程共享與傳輸[16-18]。但是，應(yīng)急處置閉環(huán)管理信息化并不是簡(jiǎn)單管理的改進(jìn)，而是一種復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)施，必須依據(jù)流程實(shí)現(xiàn)部門之間數(shù)據(jù)的管理與共享，建立的安全閉環(huán)管理模型如圖5所示。

圖5 安全閉環(huán)管理模型Fig. 5 Security closed-loop management model

煤礦工作流模型是煤礦工作過程的模型化和抽象化表示形式，它的主要功能是把工作業(yè)務(wù)數(shù)字化，以便于計(jì)算機(jī)處理。利用模型中的建模工具，把煤礦日常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化成信息系統(tǒng)可處理的數(shù)字信息化。建立閉環(huán)管理工作流模型，可消除重復(fù)性工作，提高效率，實(shí)時(shí)監(jiān)督管理煤礦日常生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化辦公。具體優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)如下：

(1)數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)集中化。使用B/S結(jié)構(gòu)+C/S結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立關(guān)系，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦工作地點(diǎn)火情、瓦斯?jié)舛?、水位、頂板壓力等?shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理與評(píng)價(jià)監(jiān)控。

(2)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，無需再進(jìn)行錄入處理，達(dá)到快速反應(yīng)的目的。

(3)流程化的數(shù)據(jù)管理。工作流程中的用戶可以用自身的權(quán)限對(duì)災(zāi)害危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照規(guī)定的流程進(jìn)行在線流程辦公，有責(zé)任分派給人，落實(shí)到人，規(guī)范管理。

2.4.2 應(yīng)急處置業(yè)務(wù)管理模型

應(yīng)急處置管理是一個(gè)“雙向通道”系統(tǒng)，它既能實(shí)現(xiàn)煤礦基層生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)表、文檔、視頻、圖片等向上傳輸，又能實(shí)現(xiàn)煤礦管理層各類管理文件、章程、應(yīng)急處置措施等向下分發(fā)。應(yīng)急處置業(yè)務(wù)流程是一個(gè)縱向的專業(yè)管理，即生產(chǎn)區(qū)隊(duì)—礦管理部門—礦領(lǐng)導(dǎo)—集團(tuán)分管部門—集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)無反饋現(xiàn)象直接提示或報(bào)警，直到信息反饋處理為止。其業(yè)務(wù)管理流程見圖6。

圖6 應(yīng)急處置業(yè)務(wù)管理流程Fig. 6 Emergency management process

對(duì)于災(zāi)害危險(xiǎn)源的識(shí)別、預(yù)警，必須快速傳遞給相關(guān)責(zé)任人，以便對(duì)可能出現(xiàn)的事故及時(shí)進(jìn)行處置。其中，災(zāi)害危險(xiǎn)源信息分層處理反饋管理模式，是一種基于工作流的多部門協(xié)作共享應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了不同組織、不同部門、不同層次人員的分層處理。一旦一個(gè)崗位信息的反饋不及時(shí)，就會(huì)上報(bào)給相應(yīng)的上級(jí)主管部門和人員，實(shí)現(xiàn)了信息的靈活運(yùn)用、逐級(jí)審批和反饋機(jī)制。

3 煤礦火災(zāi)閉環(huán)管理的應(yīng)用

針對(duì)黑龍江某礦工作面煤自燃危險(xiǎn)性大，綜合分析了采空區(qū)等漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯、地質(zhì)構(gòu)造、回采期間丟煤情況及煤自燃?xì)怏w涌出特征等因素，確定了采空區(qū)煤自燃高溫隱患的分布范圍及發(fā)展?fàn)顟B(tài)，制定了隱患應(yīng)急控制與分階段綜合治理方案，采取均壓與噴漿結(jié)合減少漏風(fēng)、注氮惰化采空區(qū)等措施達(dá)到隱患應(yīng)急控制的效果。在此基礎(chǔ)上，劃分出治理煤自燃隱患的有效措施區(qū)域，采用復(fù)合泥漿封堵、液態(tài)CO2冷卻降溫覆蓋隔氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱患高效治理目標(biāo)，構(gòu)建了“堵漏控風(fēng)+惰化降溫+覆蓋隔氧”多位一體的工作面煤自燃綜合防治技術(shù)體系，如圖7所示。

圖7 煤礦火災(zāi)綜合防滅火技術(shù)體系Fig. 7 Coal mine fire integrated fire prevention and extinguishing technology system

該管理體系建立了完整的火災(zāi)隱患數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，做到了隱患數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)取和存儲(chǔ)。管理體系根據(jù)隱患數(shù)據(jù)調(diào)用和存儲(chǔ)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)，將隱患分為4級(jí)，并賦予不同顏色?；谠摴芾眢w系建立的火災(zāi)管理系統(tǒng)于2021年在該礦投入使用。之后，針對(duì)該礦近3 a采煤工作面火災(zāi)隱患統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2019年該工作面隱患數(shù)86，隱患二次復(fù)發(fā)數(shù)26，復(fù)發(fā)率30%；2020年該工作面隱患數(shù)88，隱患二次復(fù)發(fā)數(shù)23，復(fù)發(fā)率26%；2021年該工作面隱患數(shù)34，隱患二次復(fù)發(fā)數(shù)3，復(fù)發(fā)率9%。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，管理體系平臺(tái)的應(yīng)用前后，工作面隱患數(shù)和復(fù)發(fā)率存在明顯差別，說明該工作面火災(zāi)隱患得到了有效治理，有效消除了該礦煤自燃高溫隱患，保障了工作面的安全高效開采。

4 結(jié) 論

(1)煤礦災(zāi)害閉環(huán)管理體系的設(shè)計(jì)思路和構(gòu)想，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦各類安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的匯總，存儲(chǔ)分析，建成煤礦各個(gè)部門“橫向協(xié)同”，集團(tuán)公司、煤礦、部門之間“縱向貫通”的安全生產(chǎn)管理體系，為后續(xù)礦井系統(tǒng)平臺(tái)的拓展和建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

(2)體系的建成有利于煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源全方位全面的辨識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源的定量和定性分析，也明確了各指標(biāo)的預(yù)警準(zhǔn)則。

(3)基于工作流應(yīng)急處置閉環(huán)管理體系，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照流程共享與傳輸，有利于提高煤礦災(zāi)害的辨識(shí)、預(yù)測(cè)效率、評(píng)估以及應(yīng)急處置工作能力，同時(shí)提高了企業(yè)的安全管理水平。