基于复杂网络的煤矿火灾爆炸致因研究_杨应柳.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：杨应柳，晋良海，邵波，等 基于复杂网络的煤矿火灾爆炸致因研究中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：基于复杂网络的煤矿火灾爆炸致因研究杨应柳，晋良海，教授，邵 波副教授，陈 述教授，江 新教授，陈 颖（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌；湖北省水电工程施工与管理重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌；三峡大学（湖北）安环科技有限公司，湖北 宜昌）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（，）；教育部人文社科规划基金资助（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为预防或减少煤矿火灾爆炸事故的发生，挖掘煤矿火灾爆炸关键致灾因子，厘清致因间的作用机制，首先基于国内煤矿火灾事故案例，分析得出煤矿火灾爆炸的 个致灾因子；然后基于复杂网络理论构建煤矿火灾爆炸致灾因子网络，计算度数中心度、聚类系数、介数中心度等网络拓扑特征参数，探析煤矿火灾爆炸致灾因子特性；最后引入煤矿火灾致因链风险度指标，计算不同边的风险度，挖掘高风险度连边，并提出断链措施。结果表明：煤矿火灾爆炸关键致灾因子网络具有小世界网络特性，致因间转换路径较短，关键致灾因子包括工人违规操作、通风设备故障、停电以及监管人员失职；危险度最大的边为监管人员失职工人违规操作，次之为煤炭自燃高温辐射，火灾发生前采取有效措施管控关键节点，火灾发生后对风险度高的边进行断链操作即可达到防灾减灾的效果，主动控制煤矿爆炸火灾的发生与发展。【关键词】煤矿火灾；爆炸致灾因子；复杂网络；拓扑特征；风险度 ，（，；，；，）：，中国安全科学学报第卷年 ，：；引 言 煤矿一旦发生火灾爆炸事故，其井下空间有限，人员躲避、灭火救灾困难，同时，煤体燃烧爆炸生成的有毒有害气体，会造成严重后果。因此，研究煤矿火灾爆炸致灾因子特性，对制定防灾减灾方案具有重大现实意义。目前学者对煤矿爆炸火灾的研究集中在火区封闭与启封时间计算模型、封闭区内 与 积聚特征、瓦斯爆炸危险性定性分析及瓦斯爆炸相关特性等方面；而煤矿火灾爆炸的发生、发展是个动态过程，灾害呈现链式反应发展，该特性与复杂网络的基本特征相符，因此，可采用复杂网络理论研究灾害致灾因子及其关联因素。卢娜等将复杂网络理论运用于地下矿火灾研究，并构建了网络模型，分析得出节点间的影响关系，结果表明：地下矿火灾具有小世界以及无标度特性。煤矿火灾演化过程是复杂的非线性动力学和热力学过程，而煤矿火灾爆炸致灾因子间的耦合作用是导致煤矿火灾二次爆发、加重煤矿火灾伤害的重要原因。鉴于此，笔者将基于国内煤矿火灾案例，分析总结煤矿火灾爆炸致灾因子，利用复杂网络理论，识别关键致灾因子，并引入煤矿爆炸火灾致因链风险度指标，挖掘高风险度致因链，据此进行断链研究，实现主动减灾，以期为煤矿火灾爆炸的防范及制定减灾方案提供参考依据。煤矿火灾爆炸事故来源及分析 通过煤矿安全网公开的煤矿火灾事故报告，收集整理近 起国内煤矿火灾事故，筛选出具有代表性的案例，概况见表；案例中特别重大事故 起，其中 年 月贵州水城瓦斯爆炸致 人死亡，年 月新兴煤矿瓦斯燃爆致 人死亡；重大事故 起，其中 年 月东方煤业瓦斯燃爆致 人死亡，年 月恒大煤业煤尘燃爆致 人死亡；较大事故 起，一般事故 起，未发生人员死亡的事故仅 起。表 代表性事故原因及伤亡统计 地点概况地点概况贵州水城矿灯起火，引爆瓦斯和煤尘，人死亡嫩草冲煤矿矿灯失爆起火引爆瓦斯，人死亡新华区四矿电缆短路起火引爆瓦斯，人死亡松林煤矿停电风机产生火花引爆瓦斯，人死亡屯兰煤矿风机开关爆炸瓦斯燃爆，人死亡田玉煤业钢丝绳与耙斗车摩擦起火引爆瓦斯，人死亡李生文矿气割掉落高温熔渣引发火灾，人死亡水井湾煤矿矿灯失爆起火引爆瓦斯，人死亡肖家湾煤矿绞车信号装置失爆引爆瓦斯，人死亡祖保煤矿电缆短路起火引起煤尘爆炸，人死亡伊川煤矿明火引爆瓦斯，人死亡永吉煤业煤炭自然引瓦斯爆炸，人死亡私庄煤矿违规使用风镐煤与瓦斯突出，人死亡大河边煤矿电机内爆起火引爆瓦斯，人死亡宝马煤矿电焊火花引起瓦斯燃爆，人死亡梁宝寺煤矿电缆燃爆引发火灾，人死亡万宝煤矿绞车配电盘产生火星引发火灾，人死亡大树煤矿矿灯电缆短路产生火花引爆瓦斯，人死亡霞流冲煤矿电器失爆起火引爆瓦斯，人死亡奋进煤矿煤粉氧化自然引发火灾，人死亡巨源煤业火工品起火引爆瓦斯，人死亡华龙煤业手机爆炸引爆瓦斯，人死亡第 期杨应柳等：基于复杂网络的煤矿火灾爆炸致因研究续表 地点概况地点概况砚石台煤矿瓦斯浓度超限遇明火，人死亡群力煤矿引爆器起火引爆瓦斯，人死亡杏花煤矿高温引燃煤体，人死亡土朱煤矿吊椅与台阶摩擦起火引爆瓦斯，人死亡鸡西矿业违规操作引发火灾，人死亡阜生煤业托盘、锁具脱落摩擦起火，引爆瓦斯，人死亡百吉矿业运煤车产生火花，引爆煤尘，人死亡株山冲煤矿引爆器起火引爆瓦斯，人死亡吉盛煤矿工字钢垮落撞击产生火花引爆瓦斯，人死亡常村煤矿棚腿内错摩擦起火瓦斯燃烧，人受伤昌隆煤矿瓦斯爆炸，人死亡厚信煤业“裸爆”致高温引爆瓦斯，人死亡王庄煤矿变电所起火，引燃煤体，人死亡桑树坪煤矿煤粉与钻具产生高温煤体阴燃，人死亡八宝煤矿漏风，煤炭自燃，引爆瓦斯，人死亡任楼煤矿漏风煤炭自燃引瓦斯燃爆，人死亡兴利矿业电焊引燃木板引发火灾，人死亡维新煤业煤屑与铁矿摩擦高温，引燃煤屑和瓦斯，人死亡豫新煤业明火，氧气与瓦斯浓度超限，引爆瓦斯，人死亡米村煤矿磁力启动装置起火引爆瓦斯与煤尘，人死亡松藻煤矿胶带与车辊摩擦起火引燃煤体，人死亡郭庄煤业切割引起乙炔气燃爆，人死亡高坑煤矿违规放炮引爆瓦斯，人死亡，人伤余吾煤业打火机照明引起瓦斯燃爆，人伤二亩沟煤业爆破产生明火引爆瓦斯，人死亡夏店煤矿违规放炮造成瓦斯燃烧兴源煤矿继电器高温起火引爆瓦斯，人死亡李阳煤业供氧增大造成煤层自燃湘峪煤矿岩石滚落摩擦起火引爆瓦斯，人死亡余吾煤业顶板来压造成瓦斯突出红土田煤矿违规放炮引爆瓦斯，人死亡隰东煤业超前钻探揭露老空巷，造成瓦斯异常涌出泰源煤矿压风机电缆起火，引燃煤层，人死亡潞宁煤业填充材料高温起火引燃煤体 基于收集整理的煤矿火灾案例，总结出煤矿事故火灾 个重要致灾因子，见表；多因子共同作用，决定煤矿火灾规模及损失程度。根据复杂网络建立煤矿火灾爆炸致灾因子网络（，），其中 为网络节点集，为网络连边集，记 ，为致灾因子集。若某一致灾因子对另一致灾因子的出现有影响，则表明该致灾因子间具有连边，例如：年 月贵州水城发生特别重大火灾事故，该事故涉及的致灾因子有、，其中，导致 发生，导致、发生，而为整个事故发生的间接原因。表 致灾因子及编号 编号致灾因子编号致灾因子编号致灾因子工人违规操作机械摩擦起火停电监管人员失职煤屑与铁矿摩擦起火煤炭自燃安全培训不到位矿石撞击火花通风设备故障浮煤堆积电缆燃爆起火火工品起火气割掉落高温熔渣电路短路起火打火机明火爆破起火顶板来压可燃物高温打钻起火漏风高温辐射放炮起火瓦斯浓度超限氧气含量增大电焊火花设备失爆 火灾爆炸致因网络构建与分析.煤矿火灾爆炸致因网络构建 复杂网络是由节点和连边构成的网络模型，通过复杂网络理论，把构成单元抽象为节点，把节点间关系抽象为连边，研究并关注复杂系统中个体间相互关联作用的拓扑结构，是理解复杂性系统性质和功能的基础。根据复杂网络理论将煤矿火灾爆炸各致灾因子映射为网络节点，将各致灾因子间的联系映射为网络连边，构建有向网络，得到致灾因子的无权有向网络图，个致灾因子由圆形节点表示，各致灾因子影响关系由带箭头连线表示，如图 所示。.煤矿火灾爆炸致因网络整体特征 选取致灾因子网络指标来度量复杂网络的整体特征，见表。中国安全科学学报第卷年图 煤矿火灾事故致灾因子网络拓扑 表 致灾因子网络结构属性 指标名称指标值指标名称指标值节点数 个网络直径连边数 条聚类系数.平均度.平均路径长度.紧密度系数.由表 可知：网络直径越小，说明整个网络各节点间的连通性越好，各火灾致灾因子间的距离越小；网络直径为，表明任意 节点间的最大距离为；聚类系数为.，大于.；聚类系数较大而平均路径长度较小，表明该致灾因子网络具有小世界效应，不同致灾因子需.次可转换为另一致灾因子，表明火灾爆炸致灾路径较短。有向网紧密度系数可表示为：（）（）式中：为网络节点数；（）为网络关系数量的最大可能值；为节点 和 间距离。聚类系数是度量相邻节点 和 间连接的严密情况，反映整个网络连接的紧密程度，聚类系数越大，表明整个煤矿火灾爆炸致灾因子网络紧密程度越高，各致灾因子间关联性越强；灾害网络分析，旨在减小灾害网络内部联系，阻断灾害发展过程，聚类系数可用于度量断链分析的断链效果。计算公式为：（）（）式中：为节点 的实际连边数；（）为节点 与其余剩余节点相连时最多的连边数。平均路径长度可由下式计算：（）（）式中：为网络节点数；为节点 和 之间的距离。.煤矿火灾爆炸致因网络个体特征 选取度数中心度和介数中心度研究各致灾因子的个体特征；节点的度数中心度反映了与该节点相连的节点数量，在有向网络中，节点度又分为节点出度和节点入度，节点度值越大，表明该节点与其他节点联系越多，在火灾致灾因子中网络中地位越重要，应作为重点干预对象。其计算结果如图 所示，由图 可知：连出度较高且与连入度值较低的致灾因子有：工人违规操作、通风设备故障、停电以及监管人员失职，表明这些致灾因子对其他致灾因子的影响较大。连入度较高且与连出度值较低的致灾因子有：高温辐射、可燃物高温起火、瓦斯浓度超限，表明该致灾因子最容易受其他致灾因子的影响。图 致灾因子的度数中心度 网络各致灾因子的中间中心度计算结构如图 所示，网络的平均介数中心度为.，可知：不同致灾因子的介数中间度不同，排名前 为：工人违规操作、漏风、顶板来压、煤炭自燃和浮煤堆积，且致灾因子介数中心度远大于网络平均值，表明该致灾因子在不同致灾因子转换过程中重要程度不同，即对其他致灾因子影响较大，故在火灾管控中应着重于该因子。.断链减灾措施 设定煤矿火灾爆炸致灾因子网络共有 条边，边介数的取值范围为，边界数值最大的边为安全培训不到位工人违规操作；依次去除边介数值第 期杨应柳等：基于复杂网络的煤矿火灾爆炸致因研究图 致灾因子的介数中心度 前 条，计算整个致灾因子网络的紧密度系数、平均介数中心度和聚类系数，结果如图 所示。图 紧密度系数、平均介数中心度和聚类系数变化 ，由图 可知：断链条数依次由 增加至，平均聚类系数、平均中间中心度和紧密度系数均呈下降趋势，表明断链行为可减弱煤矿火灾爆炸致灾因子间相互影响，切断煤矿火灾关键致灾因子间的联系便能达到防灾减灾作用。.煤矿火灾爆炸致因链风险度指标 .节只考虑了煤矿火灾爆炸致灾因子间的影响关系，未考虑实际火灾发生中各致灾因子导致的火灾频率；为进一步度量频率，引入风险度指标：（）式中：为致灾因子 和 间连边 的致灾率；为致灾因子 的损失，由 的度数中心度代替；为网络中边 的脆弱度。致灾因子间连边 的致灾率 为：（）式中：为致灾因子 引起致灾因子 的频数；、分别为、的频数。网络中边 的脆弱度 为：（）式中：为边 的介数；为移除边 后的网络平均路径长度；为移除边 后的网络连通度；计算图 中 条边的风险度指标并排序，结果见表。其中，（，）代表节点 指向节点 的边。由表 可知：煤矿火灾爆炸致灾因子网络所有连边的平均风险度为.，风险度值最大为.，对应连边为（监管人员失职工人违规操作），风险度值次之的为.，对应连边为（煤炭自燃高温辐射）；风险度最大的 条连边及其断链方式见表。表 边的介数及风险度 边边边边（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.（，）.中国安全科学学报第卷年表 风险度较大