基于“情景–应对”的矿井水灾事故应急决策机制

连会青，杨俊文，韩瑞刚，孟 璐，韩 永

(华北科技学院安全工程学院，河北 燕郊 065201)

矿井水灾是影响煤矿安全生产的主要危害之一，不但影响矿井的正常生产，还有可能出现淹采区和淹井的突水事故，造成重大人员伤亡和经济损失。国家突发事件应急体系建设“十三五”规划中提出：提高突发事件专业信息汇集、应急决策和指挥调度的能力，提升应急平台智能辅助指挥决策等[1-2]。煤矿水灾事故应急体系建设在当今信息时代又面临新的机遇和挑战，运用大数据、智能决策等现代信息技术，提升矿井水灾事故应急救援能力是未来发展的趋势。应急决策是应急救援的核心，是整个应急救援过程的枢纽环节和提高应急救援能力的关键[3]，优化应急决策机制对水害应急救援至关重要。

近十年来，“情景–应对”概念被引入自然灾害和事故灾害应急决策领域，并成为新的研究热点。1967 年H.R.C.Kahn 在《2000 年》[4]中最早提到“情景”一词，是指对未来事态从初始状态向未来状态发展的一系列客观事实的描述；宗蓓华[5]认为“情景”的含义是指事物所有未来可能发展的态势，情景分析的实质是完成对事物所有可能的未来发展态势的描述；杨保华等[6]提出情景是一个包含了众多元素的集合，通过数学方法将其表达联系起来，便构成情景网络；姜卉等[7]针对罕见重大突发事件，指出传统“预测–应对”应急决策范式已不适用，必须向“情景–应对”应急决策范式转化；李从东等[8]提出事故情景的确定在应急救援工作中具有非常重要的作用，情景决定了应急管理中决策的制定和工作方式的指向性，影响应急工作的整体决策判断；赵云锋[9]提出构建“情景–应对”型非常规突发事件应急管理理念，并对非常规突发事件应急管理机制和方法进行了研究；舒其林[10]在深入分析了“情景–应对”决策范式与决策规则的基础上，给出“情景–应对”决策范式下非常规突发事件应急决策方案生成过程。

综上所述，国内外大量学者对情景分析理论在社会安全事件、自然灾害及公共卫生事件方面的应用进行了探索性的研究，但“情景–应对”在安全生产事故，尤其是矿井水灾事故的应急决策领域的应用，还缺乏系统、深入的研究。矿井水灾事故的紧迫性、复杂性和不确定性等特征，决定了传统的应急决策模式难以满足要求，引入“情景–应对”的概念，可以较好地根据事故具体情景做出实时决策。笔者以矿井水灾事故案例为基础，针对传统应急决策机制的不足，提出一种基于“情景–应对”的矿井水灾事故多阶段动态应急决策机制，为决策方案的快速生成提供技术支撑。

1 “情景–应对”分析法概述

1.1 分析机理

“情景–应对”分析的本质，可以简单地概括为深入探索影响事件(系统)变化的内外驱动力、结构要素和其间的因果关系[11]。“情景–应对”分析沿用了传统预测分析时采用的预测与控制方法，通过单一的方法路径将现状推向未来，并取得单一的推理结果。“情景–应对”分析不采用单一逻辑，对结果并非简单的线性预测，而是对未来的多种可能性进行评估。“情景–应对”是在对事物现状充分掌握的基础上，识别关键的不确定性因素，根据可能的变化和条件构建多个未来可能会发生的情景[12-13]。

1.2 应用意义

1.2.1 适应矿井水灾事故应急决策的紧迫性需求

对于矿井水灾事故来说，不同矿井之间的地质条件和工程状况均存在差异，已有案例的重复性和相似程度不高，简单地通过已发生的事故直接进行案例推理，无法适应现场决策的需求。矿井水灾事故具有突发性、时变性的特点，为了最大限度地保障灾害发生时井下人员的生命安全，将事故损失降到最低，现场应急决策人员需快速采取合理有效的应对措施。如果灾害初期能够将事故案例进行情景化组织和设计，有利于与多个相似的案例情景集合相对应，将大大提高推理的时效性和有效性，适应矿井水灾事故发生后应急决策的紧迫性需求。

1.2.2 适应矿井水灾事故应急决策的复杂性需求

灾害发生后，现场的应急决策是一个复杂的系统性工作。在2010 年山西王家岭煤矿“3·28”事故和内蒙古骆驼山煤矿“3·1”事故中，分别有153 名、77 名工作人员在井下作业，突水直接威胁到井下人员的生命安全，决策者要统筹全局，准确抓住水灾事故的主要因素，科学、迅速地做出决策。同时，矿井水害事故应急决策涉及多个程序、多个部门、多个方面内容，不可能一次性地作出应急决策，使事故完全一致地按照其他相似水灾案例的发展过程演化。把事故案例按照情景要素进行信息组织，可确定不同时刻的事故情景类型，以某阶段情景为单元运用“情景–应对”的模式进行推理，有利于抓住事故的主要矛盾，快速匹配到相似度高的情景单元，工作流程化繁为简，更好适应矿井水灾事故应急决策的复杂性需求。

2 矿井水灾事故的“情景”定义及组成因素

2.1 “情景”定义

对矿井水灾事故的情景进行明确的定义是研究“情景–应对”模式应急决策机制的基础，但目前对于矿井水灾事故的情景尚无清晰明确的界定，因此，针对矿井水灾事故案例建立结构化描述框架，总结必要的要素，引入“情景”概念，为矿井水灾事故的情景给出一个明确的定义是本文首要解决的问题。矿井水灾事故是一个多属性的集合，单指标描述方式难以实现对其进行定量分析，因此，可以通过多案例分析提取事件的属性，来实现矿井水灾事故的结构化描述。

a.多案例研究

为使研究结论更具普适性和客观性，采用允许跨案例研究的多案例研究方法[14-15]，应用多个数据收集方法从多个实体(个人、企业或组织)取得信息，并进行梳理和分析。

b.案例选取

需选取不同类型的水灾事故，以及同类水灾事故的多个事件进行案例内研究和跨案例比较分析[16]。据统计，2006—2016 年共发生426 起水害事故，其中老空水害占比近79%，底板奥灰水害占比约5%，居前两位。因此，共选取突水水源为老空水和奥陶系灰岩水(简称“奥灰水”)的事故案例11 例，作为研究对象进行相关分析(表1)。

c.案例分析与处理

处理思路：①以事故发展、演化和应急决策制定为主线，把每一起所研究的煤矿水害事故案例按照诱发阶段、演化阶段、救援阶段和复矿阶段4 个阶段来梳理整个水害事故的发展过程，得到关键要素和数据；② 将所选取的11 起老空水和奥灰水事故案例的关键要素和数据做归类研究，并进行最后的整理。

d.案例分析结论

经以上多案例分析，矿井水灾事故具有一个最基本的特征—多属性特征。属性是对某一事物性质和事物关系的刻画，在对煤矿水害事故案例分析的过程中发现，描述一起煤矿水害事故，需从突水水源、突水通道、采掘方式、出水量、淹没范围、被困人员生存空间等多个方面进行描述，这些都是煤矿水害事故的属性。同时，属性之间也存在差异，部分属性表明一个事物区别于其他事物，如，突水水源为老空水和底板奥陶系灰岩水的事故就有本质的区别，老空水多以静储量为主，水源补给有限，一旦突水，出水量大，破坏性强；奥陶系灰岩水则具有埋深大、压力大和补给强的特点，突水事故发生前一般会出现工作面底鼓、底板压力增大、裂隙增大、裂隙出现渗水，水质清澈、稳定、无臭味等特点。出水量、淹没范围等属性，是突水事故发生后伴生的属性元素，随着时间推移可动态描述事故的演化过程。

表1 矿井水灾事故案例基本情况Table 1 Basic information of mine water inrush disaster examples

考虑到各种属性在矿井水灾事故中所起的作用不同，将矿井水灾事故的多属性进行归类划分，结构化框架如下。

矿井水灾事故={{静态属性(SA)}，{动态属性(DA)}}，并有以下界定：

SA={SA1,SA2,SA3,…,SAn}

DA={DA1,DA2,DA3,…,DAm}，其中m，n∈N。

各属性集合具体描述如下。

静态属性中的元素属于矿井水灾事故的致灾因素，是决定事故性质、事故类型、事故过程、事故后果且不随时间发生改变的元素。

动态属性中的元素属于矿井水灾事故发生后所产生的元素，可用来描述事故的动态演化，这个属性集合中的元素均随时间不断变化。

通过对表1 中11 起煤矿水灾事故案例详细地梳理和分析，可得到矿井水灾事故的一般结构化描述：

煤矿水灾事故={{突水水源，突水通道，采掘方式}，{出水量，淹没范围，生存空间}}

把这个集合定义为矿井水灾事故的“情景”，此定义既考虑了事故成因，也考虑了事故发生后灾情后果。整个集合中包含两个子集，一个静态子集，一个动态子集，这两个子集中又分别包含3 个子集，静态子集={突水水源(A)，突水通道(B)，采掘方式(C)}，动态子集={出水量(D)，生存空间(E)，淹没范围(F)}；A—F 这6 个集合中分别包含若干个元素，A—C 这3 个集合为有限集合，且集合中的元素是语义不同的文字字段，如：突水通道={断层裂隙(B1)，导水陷落柱(B2)，导水裂隙带(B3)，封闭不良钻孔(B4)}。D—F 这3 个集合中的元素是数值，故为无限集合，如：出水量={20 m3/min，250 m3/min，1 000 m3/min，…}，构成详见图1。

图1 矿井水灾事故的“情景”6 大子集构成Fig.1 Composition of the six subsets of the scenarios of mine water inrush disaster

2.2 “情景”要素的权重分析

2.2.1 构造判断矩阵

为获取合理的要素权重，本文运用AHP 分析法，计算各要素权重值。将6 个矿井水灾事故的情景要素分别设为A(突水水源)、B(突水通道)、C(采掘方式)、D(出水量)、E(生存空间)、F(淹没范围)，其各自对应的权重为W1、W2、W3、W4、W5、W6，则有：

对矿井水灾的6 个情景要素构造判断矩阵Aij，判断矩阵中每个元素aij的值严格按表2 中的赋值标度进行赋值[17]。

表2 判断矩阵aij 赋值标度Table 2 Assignment scale of judgment matrix

将6 个情景要素进行两两比较，其比值构成n×n判断矩阵Aij。

根据判断矩阵Aij的最大特征值λ和特征向量ξi计算出各要素的权重Wi，结果如表3。

2.2.2 一致性检验

利用一致性指标(CI)、平均随机一致性指标(RI)和一致性比率(CR)进行判断矩阵Aij的一致性检验，指标计算公式如下：

式中λmax为矩阵Aij的最大特征根；n为因素个数。

通过计算可知，λmax=6.135 6，CI=0.0271，RI=1.24，CR=0.022。CR＜0.1，通过一致性检验，上述各因素的权重值符合要求。

从权重的计算结果(表3)可以看出，静态要素中突水水源和突水通道权重值最大，因为在矿井水灾的应急决策时，专家主要依据突水水源和通道来预判突水发展趋势，确定救援指导思想和原则。若水源为奥灰水，一般补给强劲，则以堵水为主；若水源为老空水、顶板水，水源补给有限，则以疏水为主；若突水通道一时无法确定，可考虑以巷道截流为主。动态要素中权重最大的是生存空间，说明在矿井水灾发生后的动态演化过程中，人员生存空间是最受关注的要素，因为救援的首要任务为救人，只有查明被困人员的生存空间情况，才能制定出行之有效的排水方案、排水孔设计方案以及生命孔设计方案等。

静态要素的累计权重达到0.6，动态要素的累计权重为0.4，说明静态要素是矿井水灾的本质和基础，水源、通道和采掘方式决定着整个突水事故发展的宏观趋势。动态要素是水灾事故发生后随时间变化的特征属性，出水量、淹没范围、生存空间这3 个要素可描述某一特定时刻水灾事故的状态，是应急决策和救援的重要参考。此外，这些要素不是独立存在，而是相互关联、相互影响。

表3 矿井水灾“情景”要素权重Table 3 The weight of the“scenario”elements of mine water inrush disaster

3 “情景–应对”型应急决策机制

3.1 情景库、案例库、对策库的构建

3.1.1 情景库

对于已确定的矿井水灾事故“情景”的定义来说，具体构建情景库时遵循以下6 条取值原则(以老空水害和奥灰水害为例)。

a.突水水源：老空水、底板奥灰突水。

b.突水通道：正常岩层突水、断层突水、陷落柱突水。

c.采掘方式：现场突水主要在开采和掘进两种作业过程中产生的；开采方式：仰采、俯采；掘进方式：上山掘进、下山掘进、独头掘进、双巷交替掘进。

d.出水量：对于已发生事故案例，按照突水量大小，分为特大、大、中、小4 个等级；对于正在发生的事故，出水量随时间变化。

e.淹没范围：对于已发生事故案例，按照突水后最终水位标高确定；对于正在发生的事故，淹没范围随时间变化。

f.生存空间：对于已发生事故案例，以受困人员实际生存地点确定；对于正在发生的事故，生存空间随时间变化。

对于已经发生的事故来说，突水水源、突水通道、采掘方式和出水量可以明确；对于正在发生的事故来说，突水水源、突水通道和采掘方式确定后，出水量、淹没范围和生存空间随时间不断演化。因此，提出两种“情景”的定义。

a.判别“情景”

判别“情景”相当于水灾事故发生后搜索已有事故案例时的“索引”。选择“突水水源、突水通道、采掘方式、出水量”4 个要素参与情景构建，情景构建和结构见图2，总计有192 种类型，每一种类型就是一种情景，192 条记录组成了一个判别“情景”数据库。

b.事故“情景”

事故“情景”主要针对正在发生的水灾事故，需要不断研究、判断水情演化和事故后果，包括全部6 个要素：突水水源、突水通道、采掘方式、出水量、淹没范围和生存空间，重点是动态分析出水量、淹没范围和生存空间。

3.1.2 案例库

大量收集矿井水害事故资料，按照“突水水源、突水通道、采掘方式、出水量”这4 个要素对事故进行整理和结构描述，给192 个不同情景分别匹配一个或多个水害事故案例，所有的事故案例便构成案例库。案例库是联系情景库和对策库的“纽带”，192 种矿井水灾的情景类型，每一个类型均有匹配的事故案例，案例名称按照“煤矿名称+事故日期”的方式命名，如骆驼山煤矿“3·1”特别重大突水事故={底板奥灰水，煤层下方隐伏陷落柱，独头掘进(回风大巷)，突水量特大(72 000 m3/h)}，可匹配情景1；大兴煤矿“8·7”特别重大突水事故={老空水，断层导通，仰采，突水量大(1 000 m3/h)}，可匹配情景2。按照这样方式依次给情景库里每一个情景匹配一个或多个典型矿井水害事故案例。

图2 判别“情景”的构建结构Fig.2 Construction structure for identification of the“scenario”

对于每一例事故案例，其记录除了包括以上4个要素外，还需延伸记录包括突水机理、事故征兆、水情蔓延特点、人员生存空间、事故等级、应急等级、灾情后果、救援措施和技术这8 个方面的内容，完善案例库相关内容。

3.1.3 对策库

本决策机制的最终目的是从案例库中为正在发生的事故检索出相似案例的救援措施和处置技术，为现场决策者提供参考。因此，在分析案例时，救援措施和技术这部分内容需单独建立一个数据库，称之为对策库。每一起矿井水灾事故案例中的每一个救援措施和技术称之为1 条对策。对策包含事故名称、事故阶段、具体措施、设备数量和型号这4个基本要素，即，对策={事故名称，事故阶段，具体措施，设备数量和型号}。

矿井水灾突发事件从发生到影响结束，具有动态演化和危害程度难以估计等特点，其间经历多个发展阶段，决策者在每个阶段面临的决策情景不同，相应的决策目标和决策任务也会发生变化，需要针对矿井水灾发展演变的不同阶段，制定和选择相应的应急处置方案(图3)。因此，采用多阶段动态决策过程，在不同决策阶段针对不同的决策目标和对策措施，可以更好地适应矿井水灾事故的特点。基于对事故案例的普遍分析，整个事故过程可以划分为3 个阶段，分阶段进行对策检索将更便捷、更具有针对性。

第一阶段为事故发生后72 h。“黄金72 小时”是矿井水灾事故黄金救援期已是应急救援领域内的共识，这个阶段的决策目标是井下被困人员，决策任务是全力以赴救人、抢救尽可能多的被困人员。第二阶段为72 h 到8 天8 夜。根据收集的水害事故资料显示，2010 年山西王家岭煤矿“3·28”事故中115 名井下被困作业人员生还时间为8 天8 夜，是近20 年来我国重大及特大煤矿水灾事故中的最长生还时间。这个时间阶段里，井下被困人员即使有生存空间，但其身体状况和精神状况会越来越接近极限状态。这个阶段首要决策任务依然是救人，但决策者必须尽快寻找适用于当前且最有效的救援方案，如通过地面钻进生命孔，给井下被困人员输送食物、水和营养液，尽可能维持被困人员生命。第三阶段为8 天8 夜直到矿井修复，超过8 天8 夜还未被抢救出来的人员生还概率渺茫，但无法排除极个别的生命“奇迹”，因此，这个阶段的决策任务是继续搜救，确认是否存在生命迹象；若无生命迹象，则进行清理砂石淤泥、设备等修复巷道的一系列复矿工作。

图3 矿井水灾事故发展阶段示意Fig.3 Schematic diagram of mine water inrush disaster development stages

3.2 “情景–应对”实现流程

事故发生后，通过以下操作实现情景–应对(图4)：a.情景判别，通过情景要素确定当前事故的情景类型；b.检索案例，在案例库中检索到与该情景匹配的事故案例；c.检索对策，通过案例名称在对策库中检索到对应的对策措施；d.初步应急方案的生成，以情景类型为指标，对事故案例库进行检索，匹配具有高相似度的水灾事故案例，从判别提取后的事故案例中，再次提取该情景类型下的事故演变特征、救援措施、事故后果等信息，形成一个该情景下的初步应急方案；e.应急方案的评估和优化，根据矿井的地形条件、地质条件、排水设备、钻探设备等实际情况，对照事故“情景”的动态演化过程，对初步方案进行可行性评估，重点对方案实施后人员获救可行性进行评估，全面考量人员救援和经济损失两方面，给出最终的抢险救灾决策方案，为现场抢险救援提供服务。

图4 “情景–应对”应急决策方案生成及实施流程Fig.4 Flow chart of generation and implementation of“scenario-response”emergency decision-making scheme

通过多个阶段前后衔接的递进决策，实现矿井水灾事故发生后的整体应急决策目标，形成了完整的“情景–应对”型应急决策机制。机制的形成，来源于已有事故案例，服务于正在发生的事故，“情景–应对”作为决策过程的核心理念，整个决策机制符合“情景–应对”的科学理论，贴近实际灾后的救援过程。该决策方法和机制的形成可以高效辅助现场决策者开展矿井水灾事故的应急救援工作。

4 结论

a.提出矿井水灾事故情景由静态要素和动态要素构成，把集合{{突水水源，突水通道，采掘方式}，{出水量，淹没范围，生存空间}}定义为矿井水灾的事故“情景”，把集合{突水水源，突水通道，采掘方式，出水量}定义为矿井水灾的判别“情景”。以底板奥灰水害和老空水害为范例，给出判别“情景”的定义和类型划分原则。

b.以判别“情景”和事故“情景”构建为核心，给出了“情景–应对”实现的步骤，为决策机制的形成奠定基础。

c.以“黄金72 小时”“8 天8 夜”为时间节点，把事故应急处置过程分成3 个阶段，给出多阶段“情景–应对”型应急决策机制。

d.研究成果有助于构建“情景–应对”型矿井水灾事故应急决策和救援的理论体系，对提升矿井水灾事故应急救援能力和应急管理水平具有重要意义。