基于复杂系统脆性理论的煤矿通风安全分析

鲁 璐

（平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院，河南 平顶山 467000）

0 引 言

煤炭一直以来都是我国的主要能源，在经过几十年的工业化开采后，矿井开采深度日益增加，地应力、瓦斯压力、地热等危害随之加重，造成煤矿事故频发，给煤炭的开采带来了一系列的难题[1-2]。煤矿通风系统是保证煤矿安全生产的主要系统之一，一方面可为井下人员提供足够的新鲜空气，另一方面可降低瓦斯和粉尘等有毒有害气体的浓度，并将其排出井下工作面[3]。而通风系统也时常出现故障，引起瓦斯爆炸、火灾、煤层自燃等灾害，若通风系统设计安全合理，则可防治瓦斯、煤尘和火灾等灾害的发生[4]。可见，通风系统对煤矿的安全生产具有极大的贡献；因此，有必要开展基于复杂系统脆性理论的煤矿通风安全分析[5]。

1 煤矿通风系统简介

一般来说煤矿通风系统由通风设备、通风构筑物、巷道风流及用风地点等几部分构成，常见的煤矿通风系统示意图如图1 所示。随着煤炭资源开采深度的日益增加，许多煤矿的瓦斯涌出量也随之增大，地热等灾害亦趋于严重,矿井的需风量大大提高，通风系统更加复杂，通风网络的时变性、关联性等耦合因素较多，风流的控制和调整难度增大。这种情况下，通风系统的故障主要是井下通风阻力随时间逐渐演变的过程，而通风阻力的随机演变与煤矿本身的地质条件、生产工艺等多种因素有关，可基于复杂系统脆性理论来对通风系统进行分析，从而确定通风系统的可靠性，阻断脆性风险的传导。

图1 煤矿通风系统示意图

2 复杂系统脆性理论

2.1 脆性理论的基本概念

“脆性”一词定义为物体在外力作用下未发生显著变形而突然破坏的现象，即材料在破坏断裂之先并没有发生可察觉到的塑性形变。我们将物体的脆性定义引入到复杂系统中，便可形成复杂系统的脆性理论。复杂系统的脆性定义为：在复杂系统S 中，存在对外界环境较为敏感的子系统Si,当外界环境作用于子系统Si 时，子系统Si 受到强烈的扰动发生崩溃，从而导致其他子系统和整个复杂系统的崩溃。引起复杂系统崩溃的子系统Si 称为脆性源，若复杂系统具有脆性源则该系统具有脆性，发生脆性崩溃的现象为脆性行为。在工业社会中，脆性是一个复杂系统的固有属性，对于煤矿通风这种较为复杂的技术系统，脆性表现得更加明显。复杂系统的脆性被激发可使系统的生产指标急剧下降，系统需要一定的时间才能恢复到原来的生产水平，复杂系统脆性理论如图2 所示。

图2 复杂系统脆性理论

2.2 煤矿通风事故的脆性特征

煤矿通风事故的脆性特征是指煤矿通风事故与复杂系统脆性所共有的特点，煤矿通风事故的脆性特征如下：

1）隐蔽性。煤矿通风事故的发生往往是由已存在的不安全因素导致的，这些不安全因素可能存在已久只是未被人员发现和重视。当外界致灾因子作用于这些隐蔽的不安全因素时，便可引发事故，可见煤矿通风系统事故具有隐蔽性。

2）关联性。煤矿通风系统网络复杂，通风巷道和构筑物之间的影响和关联性强，单一危险因子引起的事故可导致其他相关区域或构筑物发生事故，甚至影响整个通风系统。且通风系统与矿井其他子系统如采掘系统、提升系统等也具有较强的关联性，通风系统发生的事故可波及这些子系统，影响整个矿井的生产系统。由此可以看出，对于煤矿来说不仅通风系统具有脆性，矿井的整个生产系统同样存在脆性。

3）破坏性。煤矿井下危险源较多，作业空间狭小更增加了事故发生后的破坏威力，对于通风系统存在瓦斯、煤尘和其他有毒有害气体等多种危险源。若通风系统发生故障往往引起瓦斯煤尘爆炸、作业人员中毒窒息等重大事故。具有极强的破坏性，引起大量的人员伤亡和经济损失。

4）多样性。煤矿通风系统的事故可以是设备的损失，人员的伤亡，也可是通风线路和构筑物的破坏和故障等，可见，煤矿通风系统事故具有多样性。所以煤矿通风系统是一个复杂的脆性系统。

3 煤矿通风系统脆性分析

3.1 煤矿通风系统子系统确定及脆性分析

依据煤矿通风系统的特点，可将煤矿通风系统的脆性分析从“人”、“机”、“环”、“管”的角度分为参与者子系统，设备设施子系统和安全管理子系统。下文将对煤矿通风系统脆性分析的各子系统作详细介绍，并建立各子系统的脆性分析因子。

1）参与者子系统。“人”是一切社会工业生产的核心元素，人的行为受自身和外界环境的影响表现出多变性、差异性和不规范性等。对于煤矿通风系统来说，人的安全行为是保证通风系统安全的核心，并在很大程度上影响着通风系统的脆性特征。有关数据表明，煤矿生产中，人的不安全行为引起的事故占事故总数的50%以上。对于煤矿通风系统中参与者子系统的脆性因子可从特种人员持证上岗制度、作业人员教育水平、员工培训和再教育、个人安全意识和操作经验及生理和心理素质锻炼等方面来构建，如图3 所示。

图3 参与者子系统脆性因子构建及关联图

2）设备设施子系统。对于综合机械化开采的煤矿来说机械设备的重要程度不言而喻，煤矿通风系统同样包含主要通风机、辅助通风机、局部通风机及其他风阻、风压等监测设备。这些设备正常运转是保证通风系统安全的重要条件，但是在实际生产中常常发生超负荷运转、人员不当操作等引起的设备设施损耗。对于煤矿通风设备设施子系统的脆性因子可从通风构筑物如风门、风窗的密闭性、供电系统的稳定性及瓦斯抽放设备、防尘防火设备、安全监测设备、通风机等方面构建，如图4 所示。

图4 设备设施子系统脆性因子构建及关联图

3）安全管理子系统。安全管理是进行工业生产的必备过程，同样也是一个动态变化的过程。煤矿通风系统的安全管理是使各子系统能够相互结合、统一管理，达到安全状态的有机过程。安全管理的主要目的是在保证安全生产的条件下，进行一系列的安全管理工作，提高作业人员安全意识和系统安全水平，保证煤矿的正常生产经营。煤矿通风安全管理子系统的脆性因子可从管理人员的技术水平、组织机构的合理性、设备管理制度、员工再教育制度和安全承诺，危险源及隐患整改及通风系统特殊物资的管理水平等方面来构建，如图5 所示。

图5 安全管理子系统脆性因子构建及关联图

3.2 煤矿通风系统脆性分析总体结构

由参与者子系统，设备设施子系统和安全管理子系统所构建的煤矿通风系统脆性分析总体结构如图6 所示。

由图6 可知，关键脆性因子之间存在单向或双向的可传递的脆性联系，如供电线路的损坏可导致通风机停转，引起巷道瓦斯积聚等事故。事故脆性结构的特点决定了事故发生路径，结构越复杂，也意味着管理和防御措施越多。切断脆性传导路径，能够有效预防和阻断脆性风险的传导。

图6 煤矿通风系统脆性分析总体结构

4 结 论

1）简述了煤矿通风系统的组成，阐明了脆性理论的基本概念，总结了煤矿通风事故的脆性特征包括：隐蔽性、关联性、破坏性和多样性。

2）基于复杂系统脆性理论将煤矿通风系统从“人”、“机”、“环”、“管”的角度分为参与者子系统，设备设施子系统和安全管理子系统，构建了3 类子系统的脆性因子和其关联性，并确立了煤矿通风系统脆性分析的总体结构，依据通风系统脆性分析结构，可切断脆性传导路径，有效预防和阻断脆性风险的传导。