基于功能共振的煤礦透水事故分析

李芳瑋

(應急管理部信息研究院，北京市朝陽區，100029)

1 水害事故基本情況

近年來，我國煤礦安全工作取得顯著成效，全國煤礦事故起數、百萬噸死亡率和重特大事故起數呈現逐年下降的趨勢，生產安全水平實現由事故多發、傷亡慘重向持續穩定好轉的歷史性跨越。但總的來說，我國煤炭生產安全事故仍然時有發生，特別是近3年來水害事故呈現抬頭趨勢，煤礦安全生產形勢不容樂觀[1]。根據國家礦山安全監察局官方網站以及煤礦安全網公布的數據資料，近3年煤礦共發生水害事故15起，死亡85人，發生涉險事故12起，特別是2021年發生的煤礦重大事故都是水害事故。為深入研究透水事故發生的共性原因，有效遏制煤礦透水事故發生，以湖南省衡陽市源江山煤礦透水事故為例，運用功能共振(FRAM)分析，從技術和管理兩個角度研究煤礦生產系統功能之間的相互作用和耦合關系，解釋復雜煤礦生產系統中的事故發生機理，研究避免失效功能鏈接的屏障措施，為預防同類事故發生提供依據和借鑒。

2020年11月29日，湖南省衡陽市源江山煤礦發生重大透水事故，造成13人死亡，直接經濟損失3 484.03萬元。事故調查報告顯示，事故直接原因是該礦非法組織開采，隱瞞超深越界行為，在-500 m水平老空水淹區域下，采用上山巷道式開采急傾斜煤層，沒有按探測報告要求對“異常區”進行探放水，作業人員僥幸頂水作業，在礦壓和上部水壓共同作用下發生抽冒，導通導子二礦采空區積水，同時出現透水征兆后未及時組織撤人，老空積水迅速潰入該礦-500 m水平，致使該水平井巷全部被淹，造成重大人員傷亡和財產損失。

2 功能共振分析(FRAM)方法概述

在安全科學發展的過程中，事故致因模型對事故原因的分析起到重要的作用，傳統的事故致因模型大都基于事故統計分析，應用于線性分析比較有優勢，但對于復雜社會-技術系統中事故原因之間的耦合關系分析則有明顯的不足，無法對事故進行全面分析[2]，而系統模型從功能角度出發，不限于結構、事件和場景，正好能夠解決復雜的系統及系統中各元素的相互耦合等問題。針對簡單線性及復雜線性事故致因理論無法解決的系統問題， HOLLNAGELE在2012年提出一種基于系統安全的非線性事故致因模型——功能共振分析方法(Function Resonance Analysis Method，以下簡稱FRAM)[2]，分析系統的主要功能，從系統功能正常運行的全新角度，分析功能薄弱環節，查找功能失效的原因，深化對導致事故的原理和機制的認識，構建屏障措施，對系統中同類事故進行預測與控制，避免同類事故重復發生。近十年，國內外相關學者對此方法進行了研究和探索，將此方法應用于事故分析中，從系統功能變化的角度分析事故，填補了傳統理論的不足。FRAM來源于物理系統中的共振現象，通過識別系統正常運行的基本功能，分析功能的6個單元要素，構建功能網絡圖，建立各要素之間的聯系，研究各功能之間的相互關系，綜合考慮組織、技術和人員三要素的行為變化，從來源、時間和精確度輸出變化來分析功能的耦合變化及產生功能共振的因素，找出各個功能之間的失效鏈接，分析事故的原因[3]。

利用FRAM模型對事故進行分析主要包括以下4個步驟。

(1)識別系統功能，并通過輸入(I)、輸出(O)、控制(C)、前提(P)、時間(T)和資源(R)等6個功能要素來描述系統構成。

(2)通過分析行為變化的特征，識別功能輸出的變化，研究功能性能變化的來源，了解行為變化的時間和精度表述。

(3)研究變化的聚合，確定功能共振。在分析出功能模塊的變化特征后，進一步研究自身變化與功能上下游耦合變化，將存在潛在變化的功能要素互相鏈接，進行一致性檢驗后構建系統功能網絡圖。

(4)分析結果并建立屏障措施。屏障措施可以從消除功能變化的產生到預防變化的聚合來阻止事故的發生或減輕事故后果。

FRAM模型的原理和步驟在一些相關文獻中都有詳細的描述[4-8]，功能共振分析方法在航空航天領域和道路交通領域應用較多，主要是分析事故和風險隱患，但在煤礦領域應用較少。本文應用功能共振分析方法，結合源江山煤礦重大透水事故案例進行研究。針對煤礦水害事故的特殊性，結合事故調查報告，從技術和管理兩個角度進行功能共振分析，探索功能共振分析在煤礦安全及事故調查研究領域的適用性，為FRAM的應用和發展做出一點貢獻。

3 從技術角度進行功能共振分析

3.1 識別系統基本功能

通過分析事故調查報告，針對水害事故結合《煤礦防治水細則》和《煤礦安全規程》對生產系統進行研究，了解該社會-技術系統中的事件和隨時間發展的正常生產活動系統S1。構成S1系統的基本功能包括：下達生產任務(F1)、檢查生產設備(F2)、探放水(F3)、掘進巷道(F4)、開采煤炭(F5)、運輸煤炭(F6)。針對每個環節的工藝技術流程，分析其6個功能要素，利用FMV軟件識別功能模塊之間的關系，繪制功能網絡圖，建立功能共振模型，如圖1所示。

圖1 生產系統S1功能模型

3.2 識別耦合變化，確定功能共振

為了從技術上對煤礦水害事故進行功能共振分析，本文以源江山煤礦透水事故為例，采用功能共振模型對于系統中各項功能的實際功能類型、功能發生變化的內外部來源、精確度相關輸出變化、時機相關輸出變化等4項指標進行綜合評估，得出事故系統中功能輸出的變化性，為更具體表現功能發生的實際變化，對于精確度及時機變化指標采用更詳細的敘述，參考事故調查報告內容對事故中實際發生的變化進行提煉總結。源江山煤礦事故的功能輸出變化見表1。

表1 源江山煤礦事故S1系統功能輸出變化

根據表1對系統功能共振圖中的失效鏈接進行標注，分析功能間的失效鏈接以及功能共振可能的情況。源江山煤礦事故S1系統失效功能鏈接見表2。

由表2可以看出，有6個環節存在功能共振，F1對F5的輸出存在非法組織生產行為，F2對F1又沒有很好地反饋，同時，該礦未嚴格執行“三專兩探一撤”措施，導致F3的輸出對掘進和采煤均失效，導致的失效鏈接就是事故發生的主要原因。通過事故調查報告發現非法組織生產、未嚴格執行探放水措施、安全管理混亂、發現征兆后未及時撤出作業人員等是導致事故發生的主要原因；同時不同環節的違法行為、政府監管缺失等共同作用導致事故發生。不過從技術角度分析尚不夠全面，從管理角度再進行功能共振分析，可以使事故分析更加全面和準確。

表2 源江山煤礦事故S1系統失效功能鏈接

4 從管理角度進行功能共振分析

4.1 識別系統基本功能

從事故的生產安全責任角度出發，依據《安全生產法》，得到生產系統正常運行所需基本功能要素并辨識其功能[9-10]，建立正常生產活動系統S2。構成S2系統的基本功能包括：煤礦企業(F21)，設備、工藝(F22)，委托機構(F23)，安全監管機構及監察人員(F24)，施工作業人員(F25)，安全監管部門(F26)，法規、標準(F27)。 生產系統S2功能模型如圖2所示。

圖2 生產系統S2功能模型

4.2 識別耦合變化，確定功能共振

根據事故調查報告，繪制功能輸出變化分析表，見表3。綜合變化類型、變化可能來源、精確度相關輸出變化、時機相關輸出變化對行業系統功能輸出變化進行綜合評估，確定事故中變化較大、對事故影響較大的功能失效共振。源江山煤礦事故S2系統失效功能鏈接見表4。

表3 源江山煤礦事故S2系統功能輸出變化

表4 源江山煤礦事故S2系統失效功能鏈接

圖2和表4可以從系統結構的角度體現上、下游功能之間的耦合關系，一項功能若在事故中表現出較大變化，則認為在生產系統正常運行中功能出現問題，導致事故發生。F21“煤炭企業”超層越界、非法組織開采，其輸出導致F22、F24、F25都發生失效，這說明煤礦企業對于生產工藝、設備、企業內部安全監管和從業人員施工作業都出現較大問題。F23“委托機構”和F24“安全監管機構及監察人員”的失職也導致相關功能失效。F26“安全監管部門”發生失效較多，反映出安全監管部門在日常生產監督檢查中對企業違法行為沒有有效管控，對第三方機構監管不嚴，在此次事故中輸出鏈接對事故產生巨大影響。

5 制定屏障措施

從技術和管理兩個角度，識別系統功能并評估各功能的耦合變化，設置屏障措施來防止功能失效，降低事故發生的可能性。

我國煤炭賦存特點決定了煤礦生產條件比較復雜，煤炭企業作為責任主體，是管理環節的源頭，要嚴格依法組織生產，這是生產系統安全運行的前提。要加大對中介機構的監管力度，很多第三方機構對于生產現場的評估檢測敷衍了事，甚至出具虛假報告，導致現場施工情況不明或者違法施工。而煤礦行業正因為其高危險性，才更應重視安全檢查的過程和結果，加大檢查的力度，因此提高安全檢查人員的職業道德素養尤為重要。除此之外，還需有政策驅動，使檢查人員對其檢查結果負責并進行追蹤。從安全監管的角度來看，企業監管部門和政府監管機構都要充分發揮作用，落實明察暗訪等專項檢查措施，堅決制止超深越界，嚴格監管執法，增加企業違法成本，可有效控制功能失效鏈接。從技術角度來講，嚴格遵守《安全生產法》《煤礦安全規程》《煤礦防治水細則》等各項法律法規和規章制度，按規定設置防治水機構、配備專業技術人員和專用探放水設備，按照地質勘探和探放水有關要求，嚴格執行“三專兩探一撤”措施，也可有效屏障失效鏈接。

6 結語

煤礦水害事故原因錯綜復雜，通過運用功能共振分析方法，可有效對復雜系統事故原因進行分析。從技術和管理兩個角度分別構建FRAM模型，可以更好地分析影響生產系統正常運行的因素。研究表明，FRAM模型與煤礦透水事故分析契合度較高，分析失效鏈接可以很好地解釋上下游功能之間的耦合關系，體現生產系統中動態性和非線性特征。通過分析影響系統正常運行的失效鏈接，有針對性地制定屏障措施，可以有效避免生產系統功能失效共振導致事故發生，對控制煤礦水害事故具有一定的理論和現實意義。