基于WSR-TSS模型的煤礦頂板事故風險評估

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

在煤礦生產過程中，頂板事故發生的概率較大，造成死亡人數多。據統計，2008—2017年，我國煤礦頂板事故占煤礦總事故數量的48.09%，造成的死亡人數占煤礦事故總死亡人數的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，僅2020年2月就發生2起[2]。因此，為降低頂板事故風險，減少生命財產損失，對煤礦頂板事故風險進行評估具有重要意義。

煤礦是一個復雜的系統，頂板事故的發生是系統內多種因素共同作用的結果，具有整體性、相關性和動態性等特征。近年來，國內外專家學者對頂板事故風險評估進行了大量研究。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險，但只考慮了支護方式一種因素對頂板事故風險概率的影響；GHASEMI等[4]將影響頂板事故的風險因素分為地質因素、設計因素、運行因素三大類，但忽略了人為因素在系統中的作用；PALEI等[5]用Logistic回歸模型預測頂板事故風險，只對單因素不同狀態風險大小進行了比較，無法比較不同因素之間風險大小。而在國內專家方面，廖敬龍等[6]以曙光礦頂板事故為背景分析冒頂原因，認為地質構造是冒頂的重要因素；牛福龍[7]對一起特大冒頂事故進行分析，得到頂板事故發生的原因有支護設計不合理、巖層活動和開采擾動等；高平等[8]通過統計分析得到工程質量差是頂板事故發生的主要原因。以上研究通過案例分析總結了頂板事故發生的原因，但由于統計樣本少，尚不能完整地描述頂板事故發生的原因。

隨著現代安全管理的發展，有多種評價方法應用于頂板事故風險評估，常用的有貝葉斯網絡模型、灰色關聯、模糊理論等。李賢功等[9]利用貝葉斯網絡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]基于灰色關聯和集對分析建立頂板風險評估模型，解決了單一集對分析聯系度不確定的問題，但只能從整體上確定頂板系統的安全等級，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行頂板事故安全評價，考慮了因素對頂板事故風險的影響程度和各因素之間的相關性，但只對因素影響程度進行排序，沒有確定因素對頂板事故發生概率的大小；佟瑞鵬等[12]提出一種模糊Bow-tie模型定量分析方法，定量分析各因素發生概率，但沒有分析各因素耦合情景對頂板事故風險的影響；李海麗等[13]融合事故樹、模糊數學和系統動力學分析頂板事故，針對薄弱事件提出改進措施，但事故樹分析的頂板事故因素較復雜，沒有分析耦合風險因素的影響；李世科[14]采用K-均值聚類與貝葉斯判別對頂板事故進行安全評價，定量描述頂板事故風險，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，但確立的綜合指標體系較為片面。上述方法在頂板事故安全評價時，達不到系統地分析導致頂板事故的風險因素的目的，且未考慮耦合風險因素發生的情景，與實際情況有一定差距。

在“物理-事理-人理”系統方法論(WSR)研究方面，顧基發等[16]基于前人的研究首次提出并闡釋WSR理論，WSR理論具有傳統的哲學思想，被廣泛應用于各個領域；周曉陽等[17]以WSR方法論為指導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方法論應用于智慧校園可持續發展綜合評價；雷帥等[19]利用WSR方法論給出了一種基于系統論的國防科技戰略情報研究方法。在情景構建理論(TSS)研究方面，國外最先將TSS理論應用于風險評估，經過幾十年的發展，TSS理論已成為風險管理的重要方法；夏登友等[20]利用TSS理論對危化品儲罐區事故的關鍵情景及演變過程進行了表示；王起全等[21]利用TSS理論探討在不同應急處置措施的應對下，火災爆炸事故的不同演化進程，分析事故情景消失的有效應急措施。為全面識別煤礦頂板事故風險因素，考慮耦合風險因素發生的情景并定量化，本文結合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理論構建頂板事故多維風險情景，從而形成WSR-TSS理論風險評估體系，對煤礦頂板事故風險進行評估，以期為煤礦頂板事故風險評估提供新思路。

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)和情景構建理論(TSS)的融合，互為補充。WSR理論方法論由系統科學專家顧基發教授等提出，大量成功應用證明其是解決復雜系統問題的有力工具，其核心思想是系統實踐活動由物質世界、系統組織和人類活動的動態統一，其實踐準則是“懂物理、明事理、通人理”[18]。TSS理論對可能發生的事故展開科學的假定，分析情景的變化過程和情景的災害影響，是近年來我國支撐應急準備能力建設的一種方法和思路，廣泛應用于公共安全領域應急準備行動[22]。

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

1.2 WSR-TSS理論模型

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

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

2 基于WSR理論的頂板事故風險評估模式

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

物理是自然存在的不以人的意志為轉移的基本規律。巷道在開挖支護完成后處于特定的地質環境系統中，系統中圍巖性質、地壓和水等要素影響巷道的穩定性，各要素相互聯系并相互影響。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、地下水和地質構造帶等；田苗等[23]通過現場調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，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)、地質構造(w3)、地壓大小(w4)、頂板破碎度(w5)和含水率(w6)，設物理層的頂板事故風險影響因素集為W={w1,w2,…,wi}(i=1,2,…,m)，表示物理層風險因素個數。

事理是基于物理有效處理事務的方法。根據巷道存在的地質環境選擇合理的支護方式可以有效地減小頂板事故的風險，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的控制措施，有效地控制了圍巖變形。合理的技術方案可以降低頂板事故風險概率，這里的技術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程度存在顯著差別；殷帥峰等[26]基于巷道尺寸效應研究了矩形巷道圍巖穩定性；武旭等[27]基于Unwedge程序對巷道塊體穩定性及巷道軸線方向進行分析，不同地質條件下巷道軸線方向影響巷道穩定性。通過分析和總結，選取2個頂板事故事理層影響因素，包括支護方式(s1)和技術方案(s2)。設事理層的頂板事故風險影響因素集為S={s1,s2,…,sj}(j=1,2,…,n)，表示事理層風險因素個數。

人理是指管理對象和過程中人與人的關系和人處理事的觀念和態度。頂板事故中人為因素起著關鍵性的作用，即使物理層和事理層因素增加了頂板事故風險，若礦山建有完善的管理制度、作業人員經常參加安全培訓、實踐經驗足、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、作業人員隊伍素質較低、作業人員經驗不足、管理工作不到位、管理制度不完善等。通過分析和總結，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(r2)、實踐經驗(r3)和安全意識(r4)，設人理層的頂板事故風險影響因素集為R={r1,r2,…,rk}(k=1,2,…,p)，表示人理層風險因素個數。

由此得到12個煤礦頂板事故風險影響因素，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險識別框架如圖2所示。

3 基于TSS理論的頂板事故多維風險情景構建

安全事故的發生通常是由兩個或多個因素交叉耦合作用導致的[28]，因此需要對多維風險情景下風險耦合，對同一層面的風險不需再進行耦合。基于TSS情景理論，結合頂板事故風險因素，構建多維度風險耦合過程，多個風險情景下的風險耦合示意圖如圖3所示。

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

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

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

在構建頂板事故風險情景時，一維風險情景表示為W/S/R，二維風險情景表示為WΘS/WΘR/SΘR，三維風險情景表示為WΘSΘR。 地下煤礦頂板事故風險的二維情景共44個，三維風險情景共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模型進行風險評估的實證研究。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根貼幫臨時柱頂倒，導致該處破碎頂板冒落，將正在附近攉煤的作業人員砸中。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；設計頂板支護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巖，堅硬、不易破碎，厚1.6～2.5 m，部分區域有偽頂，偽頂為泥巖，易碎、易冒落，厚0.1～0.4 m，底板為細砂巖或泥巖。

(1)

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

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

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

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

續表2

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

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

三維風險情景概率熱圖如圖6所示。由圖6可知，風險值較高的有36號(w5Θs1Θr4)、33號(w5Θs1Θr1)和40號(w5Θs2Θr4)，風險值分別為0.423 1、0.353 3和0.266 9。風險值最高的是頂板破碎度(w5)和支護方式(s1)和安全意識(r4)的耦合，其次是頂板破碎度(w5)和支護方式(s1)和管理制度(r1)，再次是頂板破碎度(w5)和技術方案(s2)和安全意識(r4)，三維風險情景中頂板破碎度(w5)和支護方式(s1)和安全意識(r4)的耦合風險率最高，與實際相符。三維風險情景相對二維風險情景增加了事理層因素支護方式(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，也能預防此次事故的發生。

圖5 二維風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險，構建二維風險情景44個，三維風險情景48個，將復雜的系統問題清晰地梳理出來，并定量表示了各風險情景發生的概率。多維風險情景下某煤礦頂板事故中物理層的因素風險較高的有頂板破碎度(w5)、支護方式(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行改善，案例中礦山在頂板破碎時若能加強支護或者增強作業人員的安全意識，則能夠減小事故發生的概率，避免此次傷亡事故。

5 結 論

1) WSR-TSS理論模型能較全面地識別煤礦頂板事故風險因素。基于WSR-TSS理論模型識別煤礦頂板事故風險因素12個，包括直接頂板的厚度、直接頂板的巖性、地質構造、地壓大小、頂板破碎度、含水率等6個物理層因素；支護方式和技術方案等2個事理層因素；以及管理制度、安全培訓、實踐經驗、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險因素發生的情景。基于WSR-TSS理論模型對各種風險進行耦合，構建了煤礦頂板事故二維風險情景44個和三維風險情景48個，能夠全面多視角地分析頂板事故風險。

3) WSR-TSS理論模型能定量地表示風險因素發生的情景。將WSR-TSS理論模型應用于某煤礦頂板事故，二維風險情景下頂板破碎度(w5)和安全意識(r4)的耦合風險值最高，風險值為0.598；三維風險情景下頂板破碎度(w5)、支護方式(s1)和安全意識(r4)的耦合風險率最高，風險值為0.423 1，風險分析結果與實際相符，證明WSR-TSS理論模型的有效性。將風險因素發生的情景定量化，根據評估結果提出相應的預防措施，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生的概率。