基于贝叶斯网络的煤矿火区瓦斯爆炸事故情景推演

兰泽全,李玉麟,旷永华,张丽娜,张 明

(1.华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201 2.贵州盘江精煤股份有限公司,贵州 六盘水 553536 3.内蒙古北联电能源开发有限责任公司,内蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

目前,我国煤层自然条件和开采条件复杂,随着开采规模的不断扩大和生产水平的延伸,矿井瓦斯涌出量逐渐递增,煤层自然发火增多,矿井瓦斯灾害与火灾共存现象越来越普遍,严重威胁着煤矿的生产安全[1-2]。通过对我国煤矿瓦斯爆炸事故的不完全统计,火区封闭过程中发生了多起严重的瓦斯爆炸事故,造成生命安全和经济财产的巨大损失,严重影响国家社会安全稳定和经济发展。

国内外学者对煤矿火区瓦斯爆炸事故进行了大量的研究。刘轶康等[3]利用Fluent软件分析了防火墙在漏风情况下火区内气体运移和分布情况;段玉龙等[4]研究了在不同压差、不同火区体积、不同时间的情况下,氧浓度随时间的变化规律;汪腾蛟等[5]基于瓦斯爆炸影响因素和数据拟合原理,构建了火区瓦斯爆炸危险性预测模型;时国庆、翟小伟、李芸卓等[6-8]对瓦斯爆炸危险区域分布特征和变化规律进行研究分析;兰泽全等[9]基于原点理论分析了火区封闭瓦斯爆炸的成因。以上文献从各个角度阐述了煤矿火区瓦斯爆炸的危险性以及火区内气体的运移规律,但对煤矿火区瓦斯爆炸的情景推演很少涉及,几乎处于空白。本文运用知识元和贝叶斯网络理论,将煤矿火区瓦斯爆炸事故的共性情景知识表示作为贝叶斯网络的节点变量,构建煤矿火区瓦斯爆炸事故的情景推演模型。结合实际案例验证该模型的合理性,为煤矿火区瓦斯爆炸事故的事前预防及事后处置提供技术支持。

1 煤矿火区瓦斯爆炸事故情景表示

1.1 知识元理论

知识元可以看作是事件中最小的实体单位,是对不同抽象事物的一种客观性表述[10,11]。知识元理论在煤矿火区瓦斯爆炸领域的运用具有重要意义,可以精细地刻画煤矿火区瓦斯爆炸的整个过程,具有很强的普适性,用于多种应急事件的分析和评估中。利用共性知识元对煤矿火区瓦斯爆炸事故进行表示,有助于深刻了解事故的演变过程和各要素之间的相互关系[12]。

1.2 事故情景知识表示

事故情景知识表示指的是对事故情景要素的一种描述,能够分析事故情景演变的规律和过程。运用情景演变路径分析方法,可以对煤矿火区瓦斯爆炸事故发展趋势做出有效预测,识别出影响事件发展的具体因素,并对每一个因素的作用机制和影响程度进行研究,从而能够为事故防治提供必要的指导。

在煤矿火区瓦斯爆炸事故中,需要对涉及的要素进行知识元提取,本文从情景状态S、应急目标T、处置措施M、孕灾环境E四个方面,提取出影响煤矿火区瓦斯爆炸事故的情景要素,形成对应的事故情景知识表示图,如图1所示。

图1 事故情景知识表示图

在图1中,由于孕灾环境E的影响,导致情景状态S发生,情景状态S是煤矿火区瓦斯爆炸事故的初始状态。应急决策主体会采取处置措施M对事故的发展进行干预,使其向应急目标T演变。如果煤矿火区瓦斯爆炸事故演变的结果达到应急目标T,事故就会以应急决策主体的期望演变到下一时刻的情景S1;如果对事故进行干预的演变结果一直能达到应急目标T,事故将会以乐观的方向演变,直至事故消失;当煤矿火区瓦斯爆炸事故演变结果未达到应急目标T时,就会向与应急决策主体目的背离的方向演变到下一时刻的情景S2,直到事故被完全合理解决或消亡。

2 火区瓦斯爆炸贝叶斯网络构建及情景推演

煤矿火区瓦斯爆炸事故情景演变过程是情景中各组成要素相互作用的过程。事故情景知识表示模型能够反映各要素之间的相互关系,也有助于从事故的形成机制和机理等方面,对所需要采取的措施进行决策和推断[13]。然而,煤矿火区瓦斯爆炸事故具有不确定性、随机性等特点,且决策者主观判断能力有限,给事故情景推演增添了很多不确定性。因此,通过以事故情景知识表示为基础,把关键事件作为节点变量,结合贝叶斯网络推演,实现对煤矿火区瓦斯爆炸事故的情景推演和演变路径分析[14-15]。

2.1 贝叶斯网络

贝叶斯网络(Bayesian network)是由Judea Pearl在1985年首次提出的一种概率图模型,是指基于概率分析、图论的一种描述不确定性知识和推理问题的模型,其拓扑结构是有向无环图(DAG)[16]。有向无环图中的节点是随机变量{X1,X2,…,Xn},节点间的有向边代表随机变量之间条件依赖关系,条件概率可以反映节点变量间的关联强度。若节点没有条件概率,则称为先验概率。对于任意的节点变量,其联合概率分布可以表示为各个节点的条件概率分布的乘积:

(1)

式中,X为节点变量;Px(Xi)为节点Xi的所有父节点。

动态贝叶斯网络是把不同变量通过毗邻时间步骤联系起来的模型,可以看作是具有相同结构的贝叶斯网络沿时间轴扩展而得到的。

2.2 基于贝叶斯网络的火区瓦斯爆炸情景推演

经对事故情景演化过程的分析,构建模糊贝叶斯网络,具体步骤如下:

(1) 节点变量的确定。根据近年来我国发生的煤矿火区瓦斯爆炸事故调查报告和相关资讯,提取共性情景知识元,按照情景状态(S)、应急目标(T)、处置措施(M)、孕灾环境(E)四个方面汇总分类,将其作为贝叶斯网络模型中的节点变量,并确定各要素的取值范围。

(2) 节点变量间关系的确定。基于事故的演变规律,使用有向边将各个节点变量连接起来,体现出各个变量间的相互依赖关系,从而结合实际发展情况绘制煤矿火区瓦斯爆炸事故情景推演图。

(3) 节点条件/先验概率的确定。条件/先验概率依据专家打分来确定,设定5个评估等级,即V={v1,v2,v3,v4,v5}={高,偏高,一般,偏低,低},设置评估等级的取值范围(0.8,1),(0.6,0.8),(0.4,0.6),(0.2,0.4),(0,0.2)。邀请专家评估煤矿火区瓦斯爆炸事故节点发生的可能性,将打分结果汇总,计算均值。

(4) 计算节点概率。把各个节点的先验概率、条件概率代入公式(1)可得到情景状态(S)、应急目标(T)的后验概率。

3 应用实例

3.1 事故概述

2014年7月,某矿在708工作面密闭火区未熄灭的情况下,盲目决定缩小封闭范围。在违规打开原密闭、施工新密闭过程中,新鲜风流进入封闭区域,氧气和瓦斯浓度达到爆炸界限,遇采空区明火,发生瓦斯爆炸。事故发生后,某矿立即启动应急预案,并向有关部门报告。有关部门赶赴现场指挥救援,成立了抢险救援指挥部,全力开展抢险救援工作。专家组和救援指挥部成员对灾区的情况进行了科学分析,决定采取先灭火后搜寻的处置方案,对矿井西翼708以上进行全部封闭,建立防爆墙。

事故链:火区未真正熄灭并违规启封旧密闭→新鲜空气进入火区→火区瓦斯被稀释→违规缩小封闭范围构筑新密闭墙→引起瓦斯积聚达到爆炸极限并形成瓦斯爆炸条件→瓦斯爆炸

3.2 事故情景知识表示

以2014年7月某矿火区瓦斯爆炸事故为例,对于其演化过程进行分析,该事故可以按照关键情景点分阶段描述,提取不同情景阶段所涉及的情景状态(S)、应急目标(T)、处置措施(M)、孕灾环境(E)四类要素,见表1。

表1 煤矿火区瓦斯爆炸事故情景知识表示表

(1) 初始情景为工作面存在煤炭和其他可燃物或采空区遗留煤柱和破碎浮煤(E1),在一定条件下出现工作面/采空区煤炭着火(S1)。针对初始情景S1,如果及时采取构筑密闭墙、绝氧处理(M1)等措施,并达到灭火的应急目标T1,则会出现事故消失S2的情景状态。

(2) 若初始情景S1发生后,应急救援指挥部对工作面/采空区煤炭着火未采取相关措施或采取的措施未达到灭火T1的应急目标,受孕灾环境火区封闭不严密(E2)影响,将会出现火区明火扩散蔓延(S3)的情景。针对情景S3,若及时修补或重新构筑密闭,并采取注浆、注入惰性气体、均压等综合灭火措施(M2),就能达到阻止明火进一步蔓延、灭火(T2)的应急目标,即会出现事故消失S4的情景状态。

(3) 情景状态S5是由于火区中煤炭瓦斯持续涌出(E3),从而导致瓦斯积聚,若及时采取对密闭墙加强观测、监测、维护等措施(M3),并达到防止引起瓦斯爆炸T3的应急目标,则会出现事故消失S6的情景状态。

(4) 若情景状态S5发生后,未进行有效处置措施或处置措施未达到防止引起瓦斯爆炸T3的应急目标,并且同时存在引爆火源—煤炭自燃和火区封闭不良,存在漏风(E4)的环境影响,即会出现发生瓦斯爆炸S7的情景状态。针对情景S7,如果救援人员在瓦斯爆炸后及时地检查瓦斯浓度,扑灭残留火源,避免出现二次爆炸以达到组织救援T4的应急目标。

(5) 情景S7发生后,会产生冲击波和大量有毒有害气体E5,从而导致情景状态S8造成人员伤亡发生。针对情景S8采取恢复通风(确保没有火源的情况下),排出有毒有害气体及烟雾,供给新鲜空气,抢救遇险遇难人员(M5)等措施,对现场反复搜索,确认现场无埋压、被困人员,且失联人员全部找到后,应急救援工作宣告结束,即得到情景S9。

根据上述的情景—环境—措施—目标知识元结构,分析煤矿火区瓦斯爆炸事故情景要素间演变的相关性,以有向的箭头将各要素连接起来,从而构建出2014年7月某矿火区瓦斯爆炸事故情景推演图,如图2所示。

图2 某矿火区瓦斯爆炸事故情景推演图

3.3 概率计算

煤矿火区瓦斯爆炸事故节点间的先验概率和条件概率见表2。

表2 某矿火区瓦斯爆炸事故节点变量的先验概率及条件概率表(节选)

利用公式(1)和表2,计算情景状态S1为True的状态概率如下:

P(S1=T)=P(M1=T)P(E1=T)P(S1=T|M1=T,E1=T)+P(M1=T)P(E1=F)P(S1=T|M1=T,E1=F)

+P(M1=F)P(E1=T)P(S1=T|M1=F,E1=T)+P(M1=F)P(E1=F)P(S1=T|M1=F,E1=F)=0.9528

(2)

情景状态S1为False的计算如下:

P(S1=F)=P(M1=T)P(E1=T)P(S1=F|M1=T,E1=T)+P(M1=T)P(E1=F)P(S1=F|M1=T,E1=F)

+P(M1=F)P(E1=T)P(S1=F|M1=F,E1=T)+P(M1=F)P(E1=F)P(S1=F|M1=F,E1=F)=0.0472

(3)

同理,通过以上这种方式对其余各节点变量的状态概率进行计算,进而通过Netica软件得到如图3煤矿火区瓦斯爆炸事故概率分布图。

图3 某矿火区瓦斯爆炸事故概率分布图

3.4 结果分析

由以上结果,可以发现该煤矿火区瓦斯爆炸事故情景:工作面/采空区着火S1→火区明火扩散蔓延S3→瓦斯积聚S5→瓦斯爆炸S7→造成人员伤亡S8→遇险遇难人员全部被找到、救援结束S9,发生的概率分别为95.3%、89.1%、84.4%、81.7%、78.3%、74.1%。实际的事故也基本上是按照此情景状态随时间的推移而出现,证实该模型的有效性。

该事故的初始情景S1工作面着火一开始就处于非常高的发生概率,该问题的产生说明事故企业对矿井综合防灭火措施落实不到位,因此必须尽快弥补这方面的缺陷,切实落实安全生产主体责任,加强煤矿瓦斯治理和防灭火管理,强化应急管理能力。节点中火区明火扩散蔓延S3发生概率较高,此次事故中由于构筑密闭的材料和方法(木板密闭)不能达到有效灭火的目标,导致事故无法消失,瓦斯发生爆炸。因此,要严格按照规定构筑高质量密闭,并加强检查,防止漏风。

根据上述的情景推演图和事故概率分布图可以看出,事故的演变过程受处置措施M和孕灾环境E的影响较大。例如,工作面着火S1→事故消失S2的演变过程受到处置措施M1的影响,及时有效的处置措施可以使事故向乐观的方向演变;孕灾环境即爆炸产生冲击波和大量有毒有害气体,使应急救援工作难以进行,这不但导致事故向更恶劣的方向发展,同时也给应急救援工作提出了更高的要求。因此,在事前制定应急预案和现场制定救援方案时,必须综合考虑处置措施和孕灾环境对灾害产生的影响,并针对不同演化阶段进行相应的调整与改进。

无论处置措施和应急目标是否合理,事故仍有较高的可能性向恶劣的趋势演变,但并不意味着处置措施和应急目标不会对事件的演变趋势产生影响,科学合理的处置措施和应急目标不仅可以延缓事故的恶化,为应急响应争取时间,还能在一定程度上降低事故造成的损失。

4 结论

(1) 本文在分析煤矿火区瓦斯爆炸事故演变规律的基础上,构建了基于知识元的煤矿火区瓦斯爆炸事故情景知识表示,从情景状态(S)、应急目标(T)、处置措施(M)和孕灾环境(E)四个要素方面对煤矿火区瓦斯爆炸事故的情景进行了描述,详细阐述了事故情景演变的过程,实现对事故趋势的预测,可以为火灾和瓦斯耦合事故风险的防范、应急预案的完善与演练、应急培训、应急救援决策提供一定的技术支持。

(2) 基于贝叶斯网络的情景推演模型可得到煤矿火区瓦斯爆炸事故演变概率,与实际发展情景基本一致,为决策者针对未来可能发生的灾害事故风险提前做出新的应对方案。

(3) 由于煤矿火区瓦斯爆炸事故涉及的影响因素复杂多样,导致推演过程所需要的数据主要依赖专家的经验和专业知识能力,因而存在一定的局限性。因此,在数据足够完善、专家经验足够丰富时,灾害事故的推演结果会更加精准。