美国煤炭工业发展和煤矿安全相关性数据分析研究

樊 劭

(国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,100029)

★世界煤炭★

美国煤炭工业发展和煤矿安全相关性数据分析研究

樊 劭

(国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,100029)

梳理美国煤矿安全发展历程,以SPSS软件对美国煤炭产量、井工矿产量比重、煤矿数量、小煤矿数量、从业人员数量、机械化程度、人均煤炭产量等代表煤炭工业发展水平的重要因素和煤矿死亡人数、百万吨死亡率的相关性进行了数据分析,找出影响煤矿安全状况的主要因素,为我国推进煤炭工业改革、夯实煤矿安全基础提供借鉴。

相关性数据分析 煤炭工业发展水平 煤矿安全 美国煤炭工业

美国煤炭工业的发展历时百余年,经历了井工矿向露天矿的转变,经历了人工作业向机械化作业的转变,经历了行业无序发展向法规制度逐渐健全的转变,经历了事故多发向重特大事故基本杜绝的转变。本文利用SPSS软件对代表美国煤炭工业发展水平的重要因素和美国煤矿安全的相关性进行数据分析,以期找到影响煤矿安全的主要因素,为推进我国煤矿安全工作提供借鉴。

1 美国煤矿安全状况

1900-1930年,由于当时美国煤矿主要采用传统房柱式采煤法,机械化程度低,缺乏相应安全监管机构和监管法规,经常发生百人以上事故,每年美国煤矿事故死亡人数在2000人以上,百万吨死亡率在4以上。其中,1907年美国煤矿死亡人数为3242人,百万吨死亡率为7.144,达到历史最高。1923年资本主义经济危机开始,罗斯福新政迫使美国各工业制定本行业的公平经营章程和行业制度,煤炭行业向标准化和制度化迈进,从而促进煤矿安全水平的提高。1931-1951年,随着机械化采煤和运煤在美国普及,煤矿事故大幅度减少,百万吨死亡率降至1左右,1951年后,美国煤矿再没有发生过百人以上特别重大事故。

1952年,《联邦煤矿安全法》颁布实施,美国煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率持续降低,1970年,《联邦煤矿安全和健康法》生效,在当时被称为保护矿工健康和安全最为严苛的法案,1971年,煤矿死亡人数下降至200人以下。

1977年至今,由于联邦矿山安全与健康监察局的成立以及《联邦矿山安全与健康法》的出台和相应规范的完善,煤矿安全生产状况持续好转。2006年,美国颁布的《矿山改善和新应急反应法》进一步修正了《联邦矿山安全与健康法》,要求井工煤矿提高应对煤矿事故的能力。世界石油危机发生后,虽然美国煤炭产量大幅增加,但煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率却持续降低,重大事故偶有发生,但杜绝了特别重大煤矿事故的发生。1900-2012年美国煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率情况如图1所示。

图1 1900-2012年美国煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率

2 数据相关性研究方法

相关性分析是衡量事物之间或变量之间线性相关程度的强弱并用适当的统计指标表示出来。相关性分析的方法较多,比较直观的用于定性分析的方法就是绘制散点图法。为了能够更加准确地描述变量之间的线性相关程度,可以通过计算相关关系进行相关分析。相关系数是衡量变量之间相关程度的一个量值。如果是根据样本数据计算而来的,则称为样本相关系数,记为r。在统计学中,一般用样本相关关系r来推断总体相关系数。

对于相关分析中的两个变量X、Y,其方差lxx,lyy分别反映了各自的变异程度,计算公式分别为：

式中：Xi——变量X;

Yi——变量Y;

lxx——X的离均差平方和;

lyy——Y的离均差平方和;

lxy——X和Y的离均差积和。

上式即为相关系数的计算公式,r可以用来度量定距型变量间的线性关系。相关系数的取值范围为-1≤r≤＋1。

(1)若0＜r＜1,表明变量之间存在正相关关系,即两个变量的相随变动方向相同。

(2)若-1＜r＜0,表明变量之间存在负相关关系,即两个变量的相随变动方向相反。

(3)当r＝1时,表明变量之间完全正相关,当r＝-1时,表明变量之间完全负相关。

(4)当r＝0时,说明变量之间不存在线性相关关系,但这并不排除变量之间存在其他非线性关系的可能。

在说明变量之间线性相关程度时,根据经验可将相关程度分为以下几种情况：

3 影响美国煤矿安全的主要因素

选取美国煤炭产量、井工矿产量比重、煤矿数量、小煤矿数量、从业人员数量、机械化程度、人均煤炭产量等代表煤炭工业投入、科技、发展等方面的重要因素与煤矿安全的绝对指标煤矿事故死亡人数、煤矿安全的相对指标百万吨死亡率进行相关性分析。

3.1 煤炭产量

煤炭是美国重要的矿物资源和能源资源,自19世纪工业革命以后一直是美国国民经济的主要动力保证。20世纪30年代受经济危机影响,煤炭产量急剧下降,从1923年的5.12亿t跌至1933年的3.48亿t。第二次世界大战导致能源和钢铁需求快速增长,煤炭产量急剧上升,1947年美国煤炭产量增至6.24亿t。20世纪50-60年代,由于廉价石油和天然气的冲击,煤炭产量保持在4～5.5亿t。1973年中东产油国对美国实行石油禁运,美国提出了“能源自给计划”,采取重视发展煤炭生产的能源政策,煤炭产量持续回升,煤炭产量从1973年的5.37亿t增长至1998年的10亿t,此后至今美国煤炭产量一直在9亿t左右波动,如图2和图3所示,2015年跌至8亿t左右。

图2 美国1900-2012年煤炭产量与死亡人数变化趋势

图3 美国1900-2012年煤炭产量与百万吨死亡率变化趋势

美国1900-2014年煤炭产量与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,利用SPSS数据分析软件进行相关性计算分析可知,1900-1934年煤炭产量和煤矿死亡人数相关性系数0.59为中度正相关, 1935-1954年两者相关性系数0.179为不相关;1900 -1934年煤炭产量和百万吨死亡率相关性系数0.461为低度正相关,1935-1954年两者相关性系数0.185为不相关;1955-2014年煤炭产量与死亡人数和百万吨死亡率的相关性系数分别为-0.874、-0.867,均为高度负相关性。

20世纪60年代之前,美国煤炭产量与安全生产状况有一定的相关性,表现为随产量上升或下降,死亡人数和百万吨死亡率相应上升或下降。进入20世纪60年代,因煤炭需求逐年提高,煤炭产量逐年增长,更多的资金和技术投入到煤炭开采中,为煤炭安全生产提供了有力保证,从而打破了这种正相关性,改变了煤矿安全状况受到煤炭生产强度的影响,虽然煤炭产量持续提高但安全状况持续好转。

3.2 井工矿产量比重

1931年美国的露天矿产量比重仅为5.7%,由于长时间的开采,原先煤炭主产地美国东部地区的井工矿开采深度逐渐增加,导致生产成本和安全成本不断提高。煤炭生产逐渐转向露天矿,特别是在20世纪70年代,美国加大了西部露天矿资源的开发力度,至2010年露天矿产量比重超过70%,同时露天矿数量也占美国煤矿数量的70%以上。

井工矿产量比重的大幅度降低,减少了煤炭生产过程中伤亡事故发生的几率,也减少了重特大事故发生的几率。

美国1900-2012年井工矿产量比重与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图4和图5所示。利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究,1930-2012年井工矿产量比重与死亡人数相关性系数0.909、与百万吨死亡率相关性系数0.92,均为高度相关性,表明随着井工矿产量比重的持续下降,煤矿安全状况逐渐好转。

图4 美国1931-2012年井工矿产量比重与死亡人数变化趋势

图5 美国1931-2012年井工矿产量比重与百万吨死亡率变化趋势

3.3 煤矿数量

美国煤矿数量随煤炭需求量显著变化,在20世纪40年代和80年代分别因为第二次世界大战爆发和石油危机导致煤炭需求量显著提升,带动煤矿数量的增长。随着西部露天矿井产能的逐步释放和市场竞争力的突显,生产重心转移至西部大型露天矿井,导致美国煤矿数量至今一直保持下降趋势。

煤矿数量的减少导致煤炭生产企业间的竞争减弱,非法违法行为显著降低,同时矿井数量减少使相对的监管力量和监管效率大大提升都促进煤矿安全形势的好转。

美国1931-2012年煤矿数量与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图6和图7所示。利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究得出,1955-2012年煤矿数量与死亡人数和百万吨死亡率之间相关性系数分别为0.589、0.591,表现为中度的正相关性,随着煤矿数量的减少煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率也随之减少。

图6 1931-2012美国煤矿数量与死亡人数变化趋势

图7 1931-2012美国煤矿数量与百万吨死亡率变化趋势

3.4 小煤矿井数量比例

小煤矿井是指煤炭产量低于30万t/a的煤矿, 1983年美国矿井数量为3199处,产量不足30万t/a的小煤矿数量为2795处,占矿井数的87.37%;小型煤矿总产量为2.03亿t,占美国煤矿总产量的28.9%。2012年美国矿井数量降为1973处,其中产量不足30万t/a的小煤矿数量为878处,占总矿井数的44.5%;小煤矿井总产量0.83亿t,占美国煤矿总产量的8%,小煤矿的煤炭产量占煤炭总产量的比例也持续降低。

随着小型矿井数量比例的下降,煤矿安全状况趋于好转。美国1983-2012年小煤矿数量比例与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图8和图9所示,利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究得出,1983-2012年小煤矿数量比重与死亡人数和百万吨死亡率之间相关性系数分别为0.607、0.587,表现为中度的正相关性。

图8 美国1983-2012年小煤矿数量比例与死亡人数变化趋势

图9 美国1983-2012年小煤矿数量比例与百万吨死亡率变化趋势

3.5 从业人员数量

随着采煤机械化的普及,美国从事煤炭开采的人数呈现下降趋势,人员的减少降低了安全培训和安全管理方面的投入,有效保证每名参与生产的矿工得到足够的安全培训,配备充足的安全保护设备。1931-2011年,美国煤矿职工人数基本保持下降趋势,从原先的60万人下降至2011年的14.3万人。

美国1931-2012年美国矿工人数与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图10和图11所示,利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究得出,1931-2012年,矿工人数与死亡人数和百万吨死亡率之间相关性系数分别为0.925、0.91,表现为高度的相关性。煤矿职工人数的减少,表明矿井生产机械化水平的提高,也促进煤矿安全状况不断改善。

图10 1931-2012年美国矿工人数与死亡人数变化趋势

图11 1931-2012年美国矿工人数与百万吨死亡率变化趋势

3.6 采煤机械化程度

美国井工矿采煤方法主要有传统房柱式、连续采煤机房柱式和综合机械化长壁式。美国传统的房柱采煤法是沿煤层掘多条平行巷道,巷间隔一定距离开联络横贯,在前面开掘煤房的同时,后面回采残留的煤柱。20世纪前,这种采煤方法基本是手工掏槽、电钻或风钻打眼放炮落煤,人工装煤。1916年出现了电动截煤机,1936年,采用井下运煤的电动梭车使房柱式采煤法逐渐实现了机械化。1948年,连续采煤机的出现实现了房柱式采煤法的全面机械化。房柱式连续采煤机机械化程度高、高效安全,迅速在美国国内推广。20世纪60年代,美国从西欧引进长壁综采技术,解决了厚砂岩坚硬顶板控制的难题。70年代开始逐步推广应用,长壁综采在地下井工开采量中所占比重逐渐增高。

美国1950-1975年美国采煤机械化程度与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图12和图13所示,利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究得出,1950-1975年,采煤机械化程度与死亡人数和百万吨死亡率之间相关性系数分别为-0.9、-0.931,表现为高度的负相关性。机械化采煤程度的提高大大减少煤炭生产过程中人员受伤的几率。

图12 美国1950-1975年采煤机械化率与死亡人数变化趋势

图13 美国1950-1975年采煤机械化率与百万吨死亡率变化趋势

3.7 人均产煤量

随着煤矿机械化程度的提高,美国煤矿人均月采煤效率也不断提高,从1931年的56 t增长至2004年的770 t,此后由于煤炭价格快速增长,煤炭企业雇佣人数少量增加,使人均月采煤量略微降低。

美国1931-2012年美国人均每月产煤量与事故死亡人数和百万吨死亡率之间的变化趋势,如图14和图15所示,利用SPSS数据分析软件进行相关性定量研究得出,1931-2012年人均产煤量与死亡人数和百万吨死亡率之间相关性系数分别为-0.72、-0.717,表现为中度的负相关性。

图14 1931-2012年人均月产煤量与死亡人数变化趋势

图15 1931-2012年人均月产煤量与百万吨死亡率变化趋势

4 总结

(1)从以上数据分析可知,从业人员数量、井工矿产量比重、采煤机械化率、煤炭产量的变化和煤矿安全状况具有显著相关性;人均每月采煤量、煤矿数量、小煤矿数量比重和煤矿安全状况具有中度相关性。具体表现为随着煤矿开采技术的进步,提高了煤矿生产效率,使露天矿井的开发变为可能,降低了作业人数,减少了群死群伤的可能性,有效避免了事故发生。

(2)从对美国煤矿安全发展的历程可以看出,煤矿安全不仅和政府监管、法治有关,煤矿安全水平和煤炭工业发展的一系列指标有关。我国煤炭工业发展主要指标和美国相比仍存在较大的差距,如表1所示。虽然在煤矿安全监管监察机构的持续努力下,我国煤矿安全状况较以往有了巨大提升,但重大事故仍时有发生,这说明我国煤矿安全基础仍存在提升空间。我国煤炭工业发展具有显著的“二元化”特征,我国既有先进的大规模的露天矿井、井工矿和无人生产工作面,也有大量的9万t/a以下的炮采矿井。因此,我国煤炭工业表现出的平均水平与世界发达国家仍差距较大。

表1 “十二五”期间中国和美国煤矿安全基础指标对比

(3)参照美国煤矿安全发展的历程和途径,结合我国实际情况,建议在当前我国煤炭产能严重过剩的情况下,推进供给侧改革,关闭盈利困难、不具备安全生产条件的煤矿,减少危险岗位作业人员数量,调整煤炭产业结构,有利于夯实煤矿安全基础,从根本上杜绝重特大事故的发生的可能性。

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(责任编辑 张 梦)

Correlative data analysis and research on US coal industry development and coal mine safety

Fan Shao
(China Coal Information Institute,Chaoyang,Beijing 100029,China)

The author introduced process of US coal mine safety development,used SPSS software to analyze the correlation between main factors that presenting coal mine development level including US coal production,production proportion of underground mines,quantities of coal mines and small coal mines,number of employees,level of mechanization,percapita coal yield and coal mine death toll,million tons death rate．The analysis results helped to locate the main factors impacting coal mine safety,which providing

for China to promote reform of coal industry and consolidate coal mine safety foundation．

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TD79

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樊劭(1983-),男,天津人,硕士,工程师,现就职于国家安全生产监督管理总局信息研究院。