采空区瓦斯煤火耦合灾害伦理风险评估

司俊鸿，程根银，王乙桥，李 林，李沂蔓

（1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.华北科技学院 应急技术与管理学院，河北 三河 065201）

瓦斯和煤自燃是煤矿的主要灾害之一。据统计，国有重点煤矿中高瓦斯矿井约占70%，而高瓦斯易自燃矿井数量占1/3 以上[1-3]。

瓦斯与煤自燃灾害相互影响、相互制约，煤自燃为瓦斯爆炸事故提供了火源[4]。防治瓦斯的抽采技术改变了煤体的漏风流场，易增加煤体氧化进程，尤其对于采空区，它是复合灾害的主要场所[5]，受其空间的限制，使得灾害的隐蔽性增强、防治难度加大，给煤矿安全生产带来了极大的挑战。

根据事故防治理论，提升人的风险认知是有效预防事故的主要手段之一。伦理风险作为风险认知的环节经常被忽视，其为利益主体受某种因素的引诱，违反一般社会道德准则而产生的伦理负效应[6]，具有不确定性、复杂性、危害性等特点[7]。任何技术在成熟之前都需要经过实践，实践过程中必然存在风险[8]。一旦灾害发生，在生存为首要任务的前提下，社会已有的道德准则和价值观念通常会与人的生存意识发生冲突，失去其有效性[9]。受灾群体在灾害面前展现出脆弱性，灾害造成的破坏给其内心留下巨大的心理创伤，政府、公众等在救助过程中负有必要的道德责任。在与灾害抗争的过程中，自上而下与自下而上的政府和公众参与、媒体传播等行为深化了人类的道德品行[10]。

瓦斯煤火耦合灾害伦理风险是指在煤矿为保障安全生产的决策中，决策者在平衡相关利益的同时，由于受正面或者负面因素的影响，可能使煤矿安全生产在人与人、人与自然、人与社会的伦理关系方面产生不确定的事件或者条件，未受到伦理约束而使煤矿产生危害社会的伦理负效应的可能性。矿井煤自燃和瓦斯复合热动力学灾害发展进程复杂，具有灾害危险性大、难于进行辨识、预警和治理[2]等特征，国内外学者对其致灾机理、特性和模式以及防治技术等进行了相关研究[3,11-15]，提出了矿井瓦斯和煤自燃灾害具有交织共生特征，二者相互矛盾和制约[16]，存在复合灾害的安全隐患失衡问题。从灾害发生过程和灾害防治技术的协同性来看，如何在灾害发生的发展阶段减小瓦斯涌出量和氧化带宽度是当前亟待解决的关键问题，但均未考虑伦理风险；工程技术本身受到伦理道德的制约[17]，将工程技术、人和环境及其相互关系置于核心位置进行伦理决策是防范化解瓦斯煤火耦合灾害伦理风险的主要措施。

为此，以瓦斯煤火耦合灾害中涉及的伦理问题为研究对象，通过分析采空区瓦斯煤火耦合致灾影响因素，从伦理风险评估角度分析瓦斯和煤自燃复合动力学灾害问题的决策方案；研究成果对于复合动力学灾害研究具有重要的理论补充意义，对于保障矿井安全生产具有现实指导意义。

1 瓦斯煤火耦合灾害影响因素

1.1 采空区瓦斯煤火耦合致灾机理

矿井采空区中下部覆岩垮落破碎与遗煤混合的区域是煤自燃、瓦斯等灾害发生的重要部位，受区域特殊地理条件和煤体蓄热条件等因素的限制，灾害隐蔽性较强、流场复杂、监测难度大、火源定位困难，灾害单独治理时相互影响较大。

瓦斯抽采是有效治理瓦斯的重要手段，采空区进行瓦斯抽采时，采空区漏风通道增多，增加采空区氧含量和氧化程度，促使采空区温度升高，引起采空区与工作面气体对流，加大采空区漏风和氧化自燃。从煤自燃火灾的成因来看，煤自燃过程不仅与煤的氧化和放热特性有关，还与漏风供氧和蓄热环境密切相关，高温区域的位置、温度、漏风强度和氧体积分数随时间发生动态变化，使得采空区温度进一步上升、采空区气体组分发生变化，扩大了采空区瓦斯爆炸的条件，更易导致采空区瓦斯事故的发生，2 种灾害相互影响、相互作用和相互制约。采空区瓦斯煤火耦合致灾机理如图1。

图1 采空区瓦斯煤火耦合致灾机理Fig.1 Mechanism of coupling disaster of methane and coal fire in goaf

1.2 瓦斯煤火耦合灾害主控因素

影响瓦斯煤火耦合灾害的主要因素包括物理因素、开采因素、环境因素和技术因素，耦合灾害主控因素如图2。

图2 耦合灾害主控因素Fig.2 Main control factors of coupling disaster

2 耦合灾害伦理及风险防范

耦合灾害防控过程不仅涉及技术的可行性，还涉及防控技术与人、设备、环境以及技术之间等错综复杂的伦理关系，以及技术实施的目的手段和实施后果的正当性。通过对技术行为的伦理调节，可以协调技术发展与人和社会间紧张的伦理关系。耦合灾害伦理风险防范程序如图3。

图3 耦合灾害伦理风险防范程序Fig.3 Ethics risk prevention procedure of coupling disaster

瓦斯煤火耦合灾害伦理风险防范过程包括培养伦理主体具有良好的伦理意识。不同主体具有不同的职业要求和标准时，在特定情况下会发生伦理冲突，如工程师应按照技术标准，保证监测预警和防控技术安全有序运行，而管理者往往需要兼顾效率。发生灾害之后的决策者，其个人对于灾害的认识水平以及伦理意识，直接决定灾害事故的处理结果。因此，在个人品德和社会公德等方面，应遵循社会伦理和公序良俗，遵守伦理原则。

在底线原则的基础上，应及时修正相关伦理准则和规范，具体表现在耦合灾害防控技术上，矿井需建立安全可靠的瓦斯煤火耦合灾害防控技术，提出工程技术的判断标准、技术可靠性评估标准和安全性检验标准程序等，从瓦斯、煤自燃单一灾害和耦合灾害3 个方面进行伦理风险评估，加强对技术风险的识别、分类及其应对策略研究。

技术决策带来的安全利益、社会利益和生态利益得失会直接引发技术伦理问题，只有守住技术决策伦理红线，才能使技术工程师遵循技术标准规范，组织管理者遵循行为规范和决策规范，相关利益者做出符合切身利益的行为，避免技术开发阶段只注重技术经济，而缺乏长期环境治理与人员健康保护视野的发展模式。

3 耦合灾害伦理风险评估数学模型

3.1 评估模型层次结构

结合瓦斯煤火耦合灾害主控因素，在层次分析法的基础上，建立耦合灾害伦理风险的评估模型，耦合灾害伦理风险评估模型层次结构如图4。

图4 耦合灾害伦理风险评估模型层次结构Fig.4 Hierarchy of coupled hazard ethical risk assessment model

耦合灾害伦理风险评估模型分为目标层（O）、准则层（Cx）、子准则层（Cxy）和方案层（Pm），目标层为瓦斯煤火耦合灾害；准则层C1～C4分别表示物理因素、开采因素、环境因素和技术因素；子准则层C11～C43分别为孔隙率、遗煤量、瓦斯浓度和瓦斯抽采等14 个子准则层；方案层P1～P3分别为煤自燃、瓦斯灾害和耦合灾害。

3.2 判断矩阵

根据评估模型层次结构，对于同一层次的各元素关于上一层次的重要性进行两两比较，采用综合评分法[12]，构建判断矩阵B：

式中：bij为同一层次因素i 关于因素j 的标度；n 为评估模型层次结构中同一层次因素个数。

综合评分法标准见表1。

表1 综合评分法标准Table 1 Comprehensive scoring principles

3.3 因素指标权重计算

1）采用特征值法求出判断矩阵的特征向量及最大特征值λmax。

2）计算判断矩阵一致性指标CI 和一致性比例CR，进行一致性检验。

式中：λmax为判断矩阵B 的最大特征值。

式中：RI 为随机指标。

RI 取值见表2。

表2 RI 取值表Table 2 RI values table

若CR＜0.1，判断矩阵的一致性可以接受，否则需要修正。

3）对求出的特征向量进行归一化，即为各因素权重。

3.4 方案层权重计算

对方案层的3 个因素进行综合量化求解，其对应目标层的权重为各层因素权重的乘积和，即：

式中：ωx为准则层因素Cx的权重；ωxy为子准则层因素Cxy的权重；ωm为方案层因素Pm对应于子准则层因素Cxy的权重；ωPm为方案层因素Pm对应于目标层的权重。

4 实例分析

4.1 工作面概况

上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿Ⅳ1 采区7#煤层2010 年瓦斯突出危险性鉴定结果为实测瓦斯压力0.45 MPa，瓦斯含量为4.48 m3/t，矿井-1015 m 以上无煤与瓦斯突出危险性。2018 年瓦斯等级鉴定结果为矿井绝对瓦斯涌出量0.931 3 m3/min，相对瓦斯涌出量0.246 6 m3/t；Ⅳ1 采区绝对瓦斯涌出量0.491 8 m3/min，煤矿为低瓦斯矿井。7#煤层自然倾向性为Ⅱ类自燃。

煤层直接顶为砂质泥岩，厚度0.50～3.20 m，平均厚度为1.30 m，断口不平坦。基本顶为中砂岩，厚度为5.21～9.61 m，平均厚度为6.52 m。底板岩性为砂质泥岩，厚度为1.80～3.92 m，平均厚度为3.10 m，断口不平坦。基本底为细砂岩，厚度为2.21～14.89 m，平均厚度为9.60 m。

7436 综放工作面位于IV1 采区深部，上邻7434采空区，下方为采区边缘，工作面标高为-847～-976 m，工作面走向长度为1 301 m，倾向长度为230.20 m。7#煤煤层厚度为4.30～4.80 m，平均厚度为4.50 m，7436 综放工作面回采时先采煤2.50 m 左右，然后放煤1.70 m 左右，煤层倾角在18°～22°之间，平均倾角为20°，回采率为93%，工作面回采期间瓦斯涌出量约为3.0 m3/t，工作面进风量、回风量约为2 300 m3/min。

4.2 评估模型计算

根据IV1 采区和7436 工作面概况，构建判断矩阵，判断矩阵及取值见表3。表3 中O-Cx、Cx-Cxy和Cxy-Pm分别为目标层与准则层、准则层与子准则层和子准则层与方案层比较分析的判断矩阵及取值。因素指标权重计算见表4。

表3 判断矩阵及取值Table 3 Judgment matrix and values

由表4 可以看出：所有判断矩阵的CR＜0.1，满足一致性检验；其中，物理因素（C1）、开采因素（C2）、环境因素（C3）和技术因素（C4）4 个因素的权重分别为0.292 6、0.186 3、0.413 5 和0.107 6。7436 工作面受环境因素影响最大，其次为物理因素，技术因素影响最小。

表4 因素指标权重计算Table 4 Factor index weight calculation

根据式（4）分别计算方案层3 个因素的综合量化权重，计算结果为：P1=0.262 3，P2=0.205 4，P3=0.529，由大到小排序结果为：P3＞P1＞P2。可见，在7436工作面回采期间应特别关注瓦斯煤火耦合灾害的发生。在单独治理煤自燃灾害和瓦斯灾害时，煤自燃灾害发生的概率高于瓦斯灾害。

5 结 语

1）通过分析采空区瓦斯煤火耦合致灾机理，从物理因素、开采因素、环境因素和技术因素4 个方面提出了影响采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的主控因素。

2）从灾害防治的伦理意识、伦理原则、伦理风险评估和决策伦理4 个方面设计了耦合灾害伦理风险防范程序，提出了解决瓦斯煤火耦合灾害伦理问题基本思路。

3）在层次分析法的基础上，通过构建评估模型层次结构、模型决断矩阵，计算因素指标权重及方案层权重，建立了瓦斯煤火耦合灾害伦理风险评估模型。孔庄煤矿7436 综放工作面应用结果表明，7436综放工作面回采期间发生煤自燃的权重为0.262 3，发生瓦斯灾害的权重为0.205 4，瓦斯煤火耦合灾害发生的权重为0.529，因此，工作面回采期间应特别关注瓦斯煤火耦合灾害的发生，在单独治理煤自燃灾害和瓦斯灾害时，煤自燃灾害发生的概率高于瓦斯灾害。