煤矿事故应急处置流程仿真模型及实证研究

2014-02-28 20:17李新春刘全龙

中国人口·资源与环境 2014年2期

李新春　刘全龙

摘要煤矿事故发生后，如何及时有效地进行救援，是防止二次事故发生和降低人员伤亡率的关键。文章在分析煤矿事故应急救援特点的基础上，对瓦斯事故应急管理处置流程进行ExtendSim仿真，找出瓶颈所在。通过仿真结果分析和敏感性分析，得出煤矿事故应急救援的制约因素是报警接警的判断能力和准确度、应急救援的水平、扩大应急的能力和上级救援的效率。仿真结果表明：通过改进报警接警的效率、缩减应急救援的时间、扩大应急的时间和上级救援的时间，可以有效的提高事故应急救援的整体水平和效率。通过上述仿真结果提出改进方法，并对改进后的应急处置流程作近一步的仿真验证，通过改进前后流程仿真结果对比分析，得出改进后的应急处置流程提高了救援效率，能够在最佳的时间内有效的抢救更多的生命。最后结合应急处置流程的改进方法和伊利得煤矿瓦斯事故应急处置流程仿真结果，对煤矿事故的应急管理提出了对策和建议。

关键词煤矿事故；应急处置流程；ExtenSim仿真；敏感性分析

中图分类号TD77+1；C916文献标识码A文章编号1002-2104（2014）02-0154-07doi：103969/jissn1002-2104201402022

据国家能源部预测，到2050年煤炭还将在我国一次能源生产和消费结构中占50%以上，在未来相当长的时期内在我国一次能源结构中仍处于主体地位[1]。当前，煤矿灾害事故频发，二次伤亡事故在煤炭安全管理中变的十分严峻，由于我国煤矿复杂的地质条件，很多事故的发生存在不可控制因素，但有效的应急管理可以将事故损失减少到不采取应急措施导致损失的6%[2]。当事故或灾害不可避免时，及时有效地应急救援行动是唯一可以抵御事故扩大、蔓延并减轻危害后果的有力措施。因此，如何在事故发生后，在最短的时间内进行有效的救援，是当前急需解决的问题。国内关于应急管理方面的研究起步较晚且研究较少，基本上是对应急管理体系的研究，关于应急管理的流程研究很少涉及。事故发生后，进行及时有效地救援，是防止二次事故发生和降低人员伤亡率的关键。

针对这些问题，文章根据国内外建立的煤矿事故应急管理体系，针对应急处置流程进行ExtendSim仿真，找出瓶颈所在，对现有煤矿事故应急处置流程进行改进。煤矿瓦斯事故是发生最为频繁、危害后果也最为严重的是煤矿事故，所以文章以瓦斯事故为研究重点对象。根据具体案例模拟煤矿瓦斯事故发生后的应急救援流程，得出模型运行结果，并对模型进行敏感性分析，从而找出目前应急处理流程存在的问题和需要改进的地方，最终用最有效的控制手段和最合理的资源投入，将损失控制在最小范围。

1文献综述

应急管理方面的研究，国外的研究主要集中在应急响应、应急资源的配置、应急选址和应急的技术问题，如David Mendonca利用游戏模拟方法评估了群体决策支持系统的应急响应情况[3]；Simon McCarthya模拟了在特大洪水状况下，风险沟通在紧急响应中的作用[4]；I.M. Dokas则运用事故树和模糊专家系统方法研究固体废物垃圾填埋场的早期预警系统和应急响应系统[5]；W.K. Chow以机场人员紧急疏散为例，研究在拥挤条件下，人员疏散的等待时间对应急疏散的影响[6]；Ameya Shendarkar则研究了恐怖袭击情况下人员疏散应急仿真模型，建立了基于BDI（Belief， Desire， and Intention）的Agent框架[7]；Mohan R. Akellaa等通过建立模型对应急管理中的通讯设施的可靠性进行评估[8]；Daskin MS提出了最大期望覆盖选址问题，建立了MEXLP模型[9]；G Barbarosoglu，Yard则讨论了救灾物资运输计划编制中的两阶段随机规划框架[10]；Oded Berman[11]，Asad Tavakoli[12]等对事故应急管理中的机构选址和布局进行了研究；Mohan R. Akella等研究了满足一些应急覆盖需求的通讯网络基站选址与频道分配问题[13]。国内的研究主要从应急管理体系和应急机制、应急预案和应急评价等方面展开，邱永强指出应急管理体系由五大系统构成，并以这五大系统建立煤矿突发事件应急管理体系[14]；赵远飞，陈国华等提出并构建了基于多层PDCA模式的动态集成化应急管理体系[15]；袁智，郭德勇等提出将矩阵式结构运用于组建应急救援组织中[16]；廖国礼，王云海等提出编制矿山重大事故应急救援预案的基本结构，即应急准备、应急响应和预案管理[17]；郭德勇，郑茂杰等根据煤与瓦斯突出事故及事故救援过程的特征，将瓦斯突出事故应急预案划分为四个环节[18]；郑双忠，邓云峰指出城市突发公共事件应急能力评估体系包括十八个指标[19]；岳宁芳构建了煤矿重大灾害事故应急能力评估指标体系[20]。

李新春等：煤矿事故应急处置流程仿真模型及实证研究中国人口·资源与环境2014年第2期根据以上国内外对应急管理研究的现状，可知国外研究主要集中在应急资源的配置、应急选址和应急的技术问题，而国内研究主要集中在借鉴国外的应急体系来研究国内的应急体系建设，以及应急资源配置和应急能力的评价问题。应急管理主要集中在民航、城市等公共突发事件领域中的研究，在煤矿事故应急管理研究方面很少涉及，而应急管理流程方面的研究更少，应急管理流程对事故发生之后的救援工作起到至关重要的作用，而现有煤炭企业的应急管理流程大都存在很多缺陷，需对其进行改进。

2煤矿事故应急处置流程仿真建模

煤矿事故应急管理是指煤矿事故发生后，煤矿企业调动各种可以利用的应急资源，采取各种可行的方法和方式，将危险降低到最低水平。随着煤矿经济的快速发展，煤矿事故往往会在人们意想不到的时间、地点以人们意想不到的方式发生，给国家经济和人民的生命财产、生存环境造成难以估量的损失。但是事故的发生通常并不是导致伤亡和损失的唯一原因，应急救援不力引发连锁反应，进而产生的一系列次生或衍生事故也是煤矿事故后果严重的主要原因之一。

2.1煤矿事故应急处置流程

由煤矿事故应急救援特点（紧迫性、协调性和救援难度大）可知，煤矿事故整个救援过程对时间、救援能力和协作能力要求比较高。所以文章主要从时间、救援能力和协作能力等方面对应急处置流程进行仿真，找出现有流程的瓶颈，从而提出改进措施。

煤矿事故应急管理体系的运行机制中，影响煤矿事故救援效率的最重要的因素之一是煤矿事故应急处置流程，即事故发生后，信息如何传递，救援决策是否正确等问题，关系到整个事故的救援效率和抢救人员生命的效果。根据国内学者关于煤矿事故应急响应程序的研究[21]，对其进行简化得出应急处置流程。以瓦斯事故为例，煤矿事故应急处置流程如图1所示。

煤矿事故发生后，报警信息应迅速汇集到应急救援指挥中心（调度室）并立即传送到各部门或区域应急指挥中心，性质严重的重大事故的报警应及时向上级应急指挥中心和相应行政领导报送。应急救援指挥中心接到警报后，应立即与事故现场的地方或企业应急机构联系，如果事故不足以达到启动应急救援体系的最低响应级别，则通知应急机构和其他有关部门关闭应急响应。应急响应级别确定后，相应的应急救援指挥中心按所确定的响应级别启动应急程序。现场应急指挥中心迅速启用，救援中心应急队伍及时进入事故现场，当事态仍无法得到有效控制，向上级救援机构（场外应急指挥中心）请求实施扩大应急响应。

2.2煤矿事故应急处置流程仿真模型

根据图1煤矿事故的应急处置流程，利用ExtendSim仿真软件进行建模，目的是从时间和资源利用率两个方面进行仿真，找出瓶颈所在，提高煤矿企业的应急能力，从而提高救援效率。

2.2.1煤矿事故应急处置流程的ExtendSim建模

ExtendSim是一种时间驱动的流程建模方法，在煤矿事故处置过程中，事故发生是随机时间，因此，文章采用离散时间建模的方法进行分析。

（1）事故发生一般是随机的，在时间上跨度比较大，文章为了仿真需要，将事故发生缩小在一定的时间范围内。在仿真中，事故发生采用事件发生器（Create）模块。

（2）报警接警采用延时器模块（Activity），报警接警时间由延时器的D端口所连接的随机数发生器产生。

（3）报警接警之后进入警情判断即输出选择器（Select Item Out），一部分事故由煤矿企业采取适当的措施就可以解决，另外部分事故进行下一步的救援中。

（4）应急启动和应急救援采用延时器模块（Activity），时间由模块（Activity）属性中时间分布模式产生。

（5）煤矿企业应急救援之后进入事态控制判断即输出选择器（Select Item Out），一部分事故企业自身可以进行控制解决，另外部分事故需要上级增援进行进一步的救援。选择器根据一定的概率进行选择。

（6）申请增援、扩大应急、上级救援和应急恢复采用延时器模块（Activity），时间由模块（Activity）属性中时间分布模块产生。

（7）应急结束采用离开模块（Exit）。

煤矿瓦斯事故应急处置流程所对应的ExtendSim建模过程如图2所示，将该建模过程在ExtendSim环境中建模，模型完成后的界面图略。

2.2.2模型中参数设置和处理说明

煤矿企业在应急响应时间上并没有统一的界定或仅仅规定接警报警的最高期限。在时间的选取上，由于煤矿事故的救援时间具有一定的不确定性，文章根据实际情况，在仿真时，根据具体实例进行仿真。

（1）接警报警处理时间：是指煤矿事故发生后，现场人员将事故信息传达到调度室和调度室将事故信息进一步传达给各个部门和领导的时间和。

（2）应急救援时间：煤矿企业自身进行紧急救援的时间，没有具体的规定和说明，一般根据瓦斯事故的级别和煤矿企业的具体情况而定，文章根据具体案例来确定。

（3）扩大应急时间：指上级领导接到事故通知后到达现场的时间和救援决策的时间之和，文章根据安全监管总局、国家煤矿安监局联合出台的《煤矿生产安全事故报告和调查处理规定》中的相关规定和案例的具体情况而定。

（4）上级救援时间：进一步进行救援时间，一般时间较长，视具体情况而定。文章根据案例来确定。

（5）应急恢复时间：是指现场清理、人员清点和撤离、警戒解除、善后处理和事故调查等所有时间加总，一般时间持续非常长，文章根据案例来确定。

2.2.3流程评价指标

文章采用流程周期时间和资源利用率两个指标对流程的运行效率进行评价。

第一个指标是一次事故发生时整个流程的周期时间，它是流程中各个阶段的平均处理时间之和，周期时间长，代表整个流程的处理时间长，流程的效率低。

第二个指标是流程中各个单位的资源利用率，它是资源的工作量与工作能力之比，资源的工作量是资源平均每次事故的工作量，资源的工作能力是指该资源一次事故所能承受的最大的工作量。资源利用率低，表示该资源有剩余的能力；资源利用率高，表示该资源紧缺。

3煤矿事故应急管理流程实证分析

2003年10月29日21时05分伊利得煤矿14层掘进工作面发生瓦斯事故，乌海煤矿安全监察办事处30日0时20分接通知，40分钟后赶到现场，伊盟鄂托克旗煤炭局有关人员30日2时左右到达现场，海勃湾矿业公司救护队30日2时30分到达现场，救援队3时18分入井救援，4时15分升井，后续清理工作持续了近一个月。

3.1模型参数设置及运行结果分析

根据以上说明和伊利得煤矿瓦斯事故案例，文章模型假设如下（时间单位：分钟）：模型运行的仿真时间是30天，一天24小时（43 200 min），为了仿真需要及根据各部分时间能否进一步减少，假设应急启动时间服从正态分布N（2，0.01），申请增援时间服从正态分布N（2，0.01），应急恢复处理时间服从正态分布N（120，0.01）。由对伊利得煤矿瓦斯事故一些数据进行处理，得出本文的参数设置，本文煤矿事故应急处置流程模型各步骤的时间分布如表1所示。

各输出节点主要是警情判断和事态控制判断，一般而言瓦斯事故的级别分类是根据事故死亡人数进行确定。有些煤矿利用瓦斯浓度和瓦斯事故的严重性来决定事故处置方式，文章根据煤矿企业的具体情况和瓦斯事故的特点来决定各输出节点的概率分布。流程中输出节点报警接警的排除的概率和不能排除的概率分别为（0.76，0.24），输出节点事态控制的排除的概率和不能排除的概率分别为（0.73，0.27），将上述参数带入模型中运行。模型运行结果流程中各步骤的处理时间以及流程中各个资源的占用情况如表1所示。

可以看出各步骤的处理时间基本符合数据的分布规律，以均值为中心，在方差的范围内波动。从表4看出，前三个步骤资源利用率高，应急救援资源利用率最高。这是因为瓦斯事故发生后，报警接警、应急启动和应急救援是煤矿企业进行救援的必须步骤，而应急救援是瓦斯事故处理的关键步骤，煤矿企业自身救援资源紧缺，需要加大救援队伍建设和应急资源的投入。应急启动资源利用率不高，从反面说明煤矿企业的预警系统有待进一步提高；后

应急恢复5#三个步骤申请增援、扩大应急和上级救援的利用率很低，这是因为大多数煤矿瓦斯事故发生后，基本上是煤矿自身进行救援，从而使这些资源利用率不高。

近几年来，瓦斯事故呈现事故影响大，死亡率高的特点，假设当瓦斯事故发生时大多数情况下需要上级救援时。流程中输出节点报警接警的排除的概率和不能排除的概率分别为（0.76，0.24），输出节点事态控制的排除的概率和不能排除的概率分别为（0.1，0.9），将上述参数带入模型中运行，流程中各个资源的占用情况如表2所示。

通过对比可以看出，当瓦斯事故变得非常严重时，扩大应急和上级救援的利用率得以提高，这就要求企业与上级之间的沟通变得十分重要。煤矿企业自身的应急救援利用率下降，说明了煤矿自身的压力下降，煤矿企业和上级之间的合作救援可以很好的综合两方面的救援力量，从而提高救援水平。

3.2敏感性分析

敏感性分析，即通过改变某一个参数，观察其对整个流程的影响幅度，从而找出提高应急处置流程的方法。文章为了研究方便，只考虑需要上级救援时的整个流程运行的情况，由于需要上级救援时的瓦斯事故处理流程具有一定的概率性，所以在完成瓦斯事故救援的事故次数随时间的变化关系具有一定的不确定性。关于应急流程影响因素的研究，对在时间上能够进一步减小的因素进行敏感性分析，即对报警接警时间、应急救援时间、扩大应急时间和上级救援时间进行敏感性分析。

当报警接警时间改变时，依次减少2分钟，模型运行四次，完成瓦斯事故救援的事故次数随时间的变化关系，运行4次之后结果表明处理同样数量的瓦斯事故，随着接警报警时间递减，整个事故处理过程的时间整体上是递减的，所以通过改进接警报警的效率，可以有效的提高瓦斯事故救援效率，节约时间，挽救更多的生命。

当应急救援时间改变时，依次减少10分钟，运行四次，运行4次之后结果表明处理同样数量的瓦斯事故，随着应急救援时间递减，事故处理整个过程的时间整体上是递减的。所以应急救援时间对整个事故处置时间具有很大的影响。

当扩大应急时间改变时，依次减少10分钟，运行四次，运行4次之后结果表明处理同样数量的瓦斯事故，随着扩大应急时间递减，事故处理整个过程的时间整体上是递减的。所以缩短扩大应急时间是提高应急救援效率的关键因素之一。

当上级救援时间改变时，依次减少5分钟，运行四次，运行4次之后结果表明处理同样数量的瓦斯事故，随着上级救援时间递减，事故处理整个过程的时间整体上是递减的。所以提高上级救援决策水平和效率，缩短救援时间，是提高煤矿企业应急能力的因素之一。

通过敏感性分析可以得出，处理同样数量的瓦斯事故，随着报警接警时间、应急救援时间、扩大应急时间和上级救援时间递减，事故处理整个过程的时间整体上是递减的。所以缩短和提高这四个方面的时间和救援能力，就是提高煤矿企业应急能力。

3.3应急管理处置流程改进

通过对瓦斯事故应急处置流程中的关键因素敏感性分析，可以看出报警接警的判断能力和准确度、应急救援水平、扩大应急能力和上级救援效率对瓦斯事故救援的整体水平和效率起到重要的影响。因此，文章在原有瓦斯事故处置流程的基础上对其进行改进，以提高煤矿企业应急管理能力。改进后的应急管理处置流程如图3所示。

根据改进后的瓦斯事故应急处置流程进行ExtendSim仿真，改进后的应急处置流程各步骤处理时间分布不变，各输出节点概率分布不变，即警情判断后排除的概率为0.76，煤矿企业自身救援的概率为0.18，上级救援的概率为0.06。模型运行后流程中各个资源改进前后的资源占用情况比较如表3所示。

根据改进前后应急处置流程中各资源的占用情况可以看出，在不改变时间分布和输出节点概率的情况下，应急处置流程改进后，煤矿企业应急救援的利用率降低，申请增援，扩大应急和上级救援的利用率提高，也即事故发生后，提高警情判断能力，可以有效的进行救援，煤矿企业和上级能够很好的进行配合，节约救援时间，尽可能的救出更多的生命。

当降低报警接警、救援、扩大应急和上级救援的处理时间时，也即提高这四个方面的处理能力，各步骤的处置时间分布和模型运行后各步骤的处置时间前后比较分别如表4所示。

由表4可以看出，瓦斯事故应急流程各步骤处置时间之和在改进后缩短了，由此我们可以看出，改进后的流程

可以提高煤矿企业应急处置能力，提高煤矿企业与上级的配合能力和整体应急救援水平。

4结论及应急管理建议

文章对瓦斯事故应急处置流程进行ExtendSim仿真，并对关键因素敏感性分析，得出报警接警的判断能力和准确度、应急救援水平、扩大应急能力和上级救援效率对瓦斯事故救援的整体水平和效率起到重要的影响。在原有应急管理流程仿真和敏感性分析的基础上，提出改进应急管理处置流程的方案，即提高报警接警判断能力和准确度、应急救援水平、扩大应急能力和上级救援效率来提高煤矿事故应急救援效率。通过以上分析，对煤矿事故的应急管理提出如下建议：

（1）加强法律法规的执行力和有关部门的监督力度。伊利得煤矿出现瓦斯事故的最重要的原因就是没有按照有关法律法规规定进行经营，从而导致很多方面存在重大的安全隐患。在伊利得煤矿事故中，乌海煤矿安全监察办事处发现伊利得煤矿的安全隐患时没有及时制止，仅仅是下达整顿的命令，没有进行严格处理和实施相应的措施。

（2）加强信息化建设，提高报警接警和警情判断能力。在报警接警方面，很多煤矿利用电话和小灵通进行传递信息，难免出现信息失误的现象，影响了上级对事故情况的判断和决策。因此，煤矿企业加大投入信息化水平建设，加强煤矿企业部门之间的沟通能力，提高预警能力和信息传递效率。

（3）提高警情判断能力。煤矿企业应根据自身的矿井特点和相关规定提出符合自身的警情判断标准，以提高警情判断能力，从而为正确的应急决策提供指导和参考。

（4）提高应急救援能力。煤矿企业应急救援能力直接影响整个事故的救援结果。提高煤矿企业应急救援能力，需要煤矿企业加强应急预案的培训和演练以及有关人员的救援水平。

（5）完善应急管理体系，提高决策水平。应急救援决策的正确性往往取决于应急救援的预先准备的充足性，煤矿企业对应急管理体系应不断完善，定期进行评估找出其不足进行改进。

（6）加强各部门与上级之间的合作和协作能力。企业与上级之间的沟通和协作能力是影响救援的最佳时间，如何加强各部门及企业与上级之间的合作和协作能力是提高应急处置效率和降低应急处置时间的关键所在。

（编辑：常勇）

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