（安全技术及工程专业论文）综放面瓦斯爆炸危险性非线性分析模型及应用.pdf

s u b j e c t s p e c i a l 毋 ：a n a l y z eo nm o d e i sa n da p p l i c a t i o no fd y n a m i c ao v e r a i it h e d a n g e r o u so fg a se x p l o s i o no nf u um e c h a n i z e dc o a l f a c e ：s a f e 略e n g i n e e r i n g n a m e：y a nm i n i n s t r u c t o r：l is h u g a n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h eg a se m i s s i o ns h o w so b v i o u sv a r i e t i e sb e c a u s eo fm ei n c r e a s eo fo u t p u t 觚dh e i g h t o nd i g g i n gw k c hi i l f l u e n c et h es a f e t yp r o d u c t i o ns e a r o u s l y i no r d e rt 0m a s t e rt 1 1 ed a l l g e r o u s o fg a so nm l lm e c h a n i z e dc o a l f a c eo nt i m ea 1 1 dp r e v e n tt h eg a se x p l o s i o na c c i d e m s ，t h em a i n p u i p o s eo fr e s e a r c ho nt 1 1 ed a n g e r o u so fg a se x p l o s i o ni st 0m a k ec l e a fa b o u tn l el o g i c a l r e l a t i o n s 釉o n ga j l 斫r e c tf a c t o r sa r l dt h ed e g r e eo fg a se x p l o s i o n t l l i st h e s i sd i s c u u s s e st h e c o n s 饥l c t i o n 锄dc o m p o s i t i o n so fg 嬲e x p l o s i o no n 如um e c h a 血z e dc o a l f k eb a s e do nt h e a c c i d e n l c a u s i n gt h e o r y ，m a k e sa i lo v e r a l la n a l y z eo nf o u ra s p e c t so fg a se x p l o s i o no n 如u m e c h 撕z e dc o a l f a c e ：g a sc o n d “i o n s ，m a n ，m e r c h i n ea n dm a n a g e m e n t b u i l d su pas e to f e v a l u a t ei n d e xw h i c hc o u l ds h o wt h er e l a t i o n s 锄o n ga 1 1a 行e c tf a c t o r s 趾dt h en a t u r eo fg a s s y s t e n n c o n s i d e r i n gt 1 1 ed ) r i l 锄i c ac a r a c t o ro fg a l se x p l o s i o ns y s t e m ，t h i sa r t i c l eu s e sg r e y c o i l l l e c t i o nd e g r e em e t h o dt 0m a k es u l et h eg r e yc o m l e c t i o nd e g r e eb e t w e e nt h es e c o n da n d g o a ll a y e r s ，a i l dt h e nc a 盯i e so na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，b a s e do nt l l er e s u l t so fa h pa i l d s t a i l 洲s 锄p l e ，ag a se x p l o s i o na n a l y z em o d e lo nf h hm e c h a i l i z e dc o a l f a c ei sd e s i g n e dw i t h p r o c e d u r eo fb pn e u r a ln 的啪r kt 0a s s e s st h e 铲a d 【eo ff o u ra s p e c t so fg a se x p l o s i o n a c l a s t ，t h e c l o s e s tf k t o r ( g a se m i s s i o n ) o nac o n c r e t ef u l lm e c h a i l i z e dc o a l f a c ei sf o r e c a s t e da c c u r a t e l y 、】l ，i t ht h em o d e lo fb pn e u r a ln 娟v o r k t h ep m p o s eo ft 1 1 i st h e s i si st oc o i l i l e c tt t l ea r g 啪e n t a t i o no fd a n g e r o u s ，t h es c i e n t i f i c a l a s s e s s m e n to fp r e v e n t i o n a b i l i t ) r o fg a ss y s t e mo n 如um e c k m i z e dc o a l f a c ea n dt h e e 谢b l i g h m e mo fs a f e t ys e c u r ei n s t i t i j t i o n st i g h t l y t 0o 腩rag i s tf o r t h ec o n t 】的l l i n gs y s t e mo f g a se x p l o s i o na c c i d e n t sa sw e ua sr e a l i z em o d e mm a n a g e m e n tc e n t e m e d 、) r i mp r e v e n t i o no f a c c i d e n t k e y w o r d s ：t h ed a i l g e r o u so fg a se m i s s i o n t h et h ed y n a m i c aa 1 1 a l y z em o d e l t h e g r e yc o 彻e c t i o nd e g r e em e t h o da h pn e 嗽ln e t w o r kp r e d i c t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西妻彳争技大挲 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究_ 丁作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文- j 力【1 以标注和致谢的地方外，论文t 扣不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑处期：舻夕r 夕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适j f j 本声明。 学位做作者签名。歹 指导教师签 日 1 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 研究背景 1 绪论 煤矿开采作为一种生产活动，其生产空间和环境条件较为特殊，通常在地表以下数 百米甚至上千米的井下巷道或工作面内进行。绝大多数情况下，煤矿所处地质构造复杂、 地下水、地温、地层压力等许多因素难以确定，随着矿井开拓、开采的延深和工作面的 投产与结束，生产条件的变化，矿井的开拓、生产、通风、排水、供电、运输、提升以 及防火、防尘、防突、瓦斯抽放等各系统之间相互影响，关系十分密切、复杂，任何系 统的失误或疏漏都可能导致重大事故发生。这些客观条件，决定了煤矿事故隐患发生的 隐蔽性、复杂性、重复性和多发性。为此，长期以来，包括发达国家在内的世界所有产 煤国家，在防治矿井各种灾害事故，保证安全生产方面投入了大量精力。在2 0 世纪前 3 0 年，美国煤矿的安全状况也不容乐观，年均事故死亡人数在2 0 0 0 人以上，特别是1 9 0 7 年死亡人数达3 2 4 2 人，百万吨死亡率为8 3 7 ，但自2 0 世纪7 0 年代起，死亡人数便降 至千人以下【l 】。 我国作为煤炭资源和消费大国，由于煤层地质条件比较复杂，煤矿已成为我国矿山 伤亡最为严重的行业，其事故死亡人数占全国各类矿山事故伤亡总数的8 0 以上【2 l ，其 中瓦斯爆炸事故所造成的人员和经济损失最为严重【3 1 。在1 ：1 2 0 0 万中国煤矿瓦斯地质 图中，全国3 3 4 个矿区( 煤田) ，高瓦斯矿区有1 4 9 个，低瓦斯矿区为1 8 5 个【3 】。在国 有重点煤矿中，高瓦斯矿井占矿井总数的2 5 ，有煤与瓦斯突出危险的矿井2 0 0 多个【9 】， 据统计，2 0 0 0 年7 月至2 0 0 9 年3 月，我国煤矿发生瓦斯爆炸事故达8 5 1 次，1 8 7 起为 特大瓦斯爆炸事故，其中6 起瓦斯爆炸事故一次死亡人数超过1 0 0 人：2 0 0 2 年黑龙江鸡 西矿务局城子河煤矿西二采区“6 2 0 瓦斯爆炸事故死亡1 2 4 人；2 0 0 4 年陕西铜川矿 务局陈家山煤矿“1 1 2 8 瓦斯爆炸事故死亡1 6 6 人，河南郑州矿务局大平矿“1 0 2 0 瓦斯爆炸事故死亡1 4 8 人；2 0 0 5 年辽宁阜新矿业集团孙家湾煤矿“2 1 4 ”瓦斯爆炸事 故死亡2 1 4 人；黑龙江龙煤矿集团七台河分公司东风煤矿“1 1 2 7 瓦斯爆炸事故死亡 1 7 1 人；河北唐山市刘官屯煤矿“1 2 7 ”瓦斯爆炸事故死亡1 0 8 人。虽然2 0 0 6 年1 9 月全国煤矿瓦斯事故总体呈平稳下降的态势，但煤矿瓦斯防治工作面临的形势依然严 峻，9 月3 0 日1 0 月6 日短短7 天就连续发生了5 起重特大瓦斯事故，死亡4 1 人，1 0 月1 4 1 6 日3 天又发生5 起重大瓦斯事故，死亡2 6 人。2 0 0 7 年1 2 月5 日，山西省临 汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司( 位于洪洞县左木乡红光村原新窑煤矿) 井下发生瓦斯 爆炸事故，1 0 5 人遇难。2 0 0 9 年2 月2 2 日，山西西山煤电集团屯兰煤矿南四盘区发生 西安科技大学硕士学位论文 瓦斯爆炸事故，当班井下4 3 6 人，截至1 8 时，抢险搜救工作结束，有3 6 2 人安全升井， 造成7 8 人死亡，住院治疗1 1 4 人，其中危重伤员5 人。 这些特别重大事故频发，暴露出我国煤矿安全生产基础仍很薄弱，煤矿科技工作者 面临着严峻的挑战【6 】，应大力着手加强对瓦斯危险性的研究，有针对性地进行煤矿瓦斯 爆炸危险性分析，深入探索有效的瓦斯爆炸危险性事故分析方法，为准确进行瓦斯爆炸 危险性评价，实现分类管理、重点控制【9 】，提供客观、科学的基础准备，确保矿井的安 全生产。非线性科学的发展为瓦斯爆炸危险性的研究提供了良好的平台，其机理能够准 确地模拟瓦斯爆炸事故的非线性动力学过程。 1 1 2 非线性科学的发展及其在相关学科的应用 在非线性动力学理论建立之前，人们对于自然界的认识被长期局限在“线性”范畴 里，然而，由于自然界的本质非线性，这种认识仅仅是各种事物之间非线性关系的特殊 形式。 从广义上来说，非线性动力学理论包括耗散结构理论、突变理论、协同论、混沌动 力学、神经网络理论、分叉理论、分形理论、重整化群方法等【5 j ，他们的共同目标是探 索自然界中的复杂性，从不同角度揭示复杂现象中的规律。 非线性科学理论是2 0 世纪7 0 年代以后发展起来的，如果说一般系统科学研究的是 系统的物理状态构成、要素之间的作用与联系，那么非线性科学理论研究的就是系统的 性质及其演化。这些非线性动力学理论正成为解决非线性复杂系统问题的有力工具，也 是研究非线性系统理论的数学基础。 近2 0 多年来，非线性科学理论取得了令人瞩目的成就，被称为2 0 世纪内继量子力 学、相对论两项重大科学发展的第三次科学革命【5 j 。 我国学者在非线性动力学理论的基础研究和应用领域研究也取得了一系列重大进 展。郝柏林等系统研究了分叉、混沌、奇怪吸引子之间的关系1 5 j 。目前非线性动力学理 论已经渗透到各个研究领域。自1 9 9 3 年1 1 月中国力学学会召开“分叉、突变和混沌力 学 学术交流大会以来，我国掀起了非线性科学的研究应用高潮【5 】。近年来，为推进非 线性科学由抽象数学研究转向工程应用，国家自然科学基金委员会资助了一大批相关的 科研项目，由此可见，非线性科学即其应用必然成为2 1 世纪科学发展的主要方向。近 年来，随着非线性科学在其他领域的研究与应用( 如岩石力学、工程地质等) ，在煤矿 瓦斯系统方面主要用于瓦斯涌出量的预测以及矿井瓦斯危险性评价。 综放面作为一种复杂的人一机一环境综合系统，非线性是煤矿开采过程中瓦斯动态 运动行为的本质特征，综放面瓦斯的运动过程实际上是非线性、动态的、不可逆的演化 过程【4 j 。瓦斯系统内部结构的复杂性、模糊性和不确定性使得传统的瓦斯危险性预测方 法难以很好的符合实际，表现为不能较为真实地反映瓦斯的动态变化过程。综放面瓦斯 2 l 绪论 的涌出量、煤层地质结构、周期来压、瓦斯抽放等等过程均表现出高度的非连续性、非 线性和复杂性，使得综放面瓦斯爆炸的诱发因素情况难以确定。对于这个高度复杂的非 线性系统，要实现对瓦斯爆炸危险性的评价，必须在现有瓦斯爆炸危险性评价方法基础 之上，借助于当代非线性科学理论，引进先进的理论和方法，研究和建立基于瓦斯系统 非线性机理和规律的非线性科学理论模型，以丰富和发展矿井瓦斯研究的非线性理论体 系。 神经网络由于其学习和适应、自组织、较好的容错性、函数逼近和大规模并行处理 等能力，具有用于智能系统的潜力】。神经网络在模式识别、信号处理、系统辨识和优 化等方面的应用已有广泛研究。在控制领域，已经做出许多努力，把神经网络用于控制 系统，处理控制系统的非线性和不确定性以及逼近系统的辨识函数等【1 2 1 。若运用神经网 络系统进行综放面瓦斯爆炸危险性非线性分析，在考虑综放面瓦斯系统的各项性能指标 以及各指标数据的预处理问题之后，由于指标体系已经给出了综放面瓦斯爆炸各影响因 素及其之间的逻辑关系，如果应用灰色关联理论对各大类进行关联性分析，则至少知道 一组确知分类的输入模式数据，这刚好与神经网络中的b p 算法的基本数据需求、功能 目的、函数逼近相结合。因此，利用神经网络算法的自学习、非线性动态模拟和大规模 并行处理特性【i3 j 对综放面瓦斯爆炸危险性进行分析，能够避免建立复杂的数学模型描述 非线性关系遇到的困难，并且能克服传统分析方法的片面性，通过灰色关联理论的运用 和神经网络模型的训练，可以在考虑诸多因素共同作用的前提下较好地评价综放面瓦斯 爆炸危险性。因此，运用人工神经网络对综放面瓦斯爆炸危险性进行分析是可行的。 1 1 3 研究意义 瓦斯爆炸作为煤矿事故中危险性最大的一种，现已成为制约煤矿安全生产的主要矛 盾例。综放面的瓦斯系统稳定性随着煤炭开采量的增大呈现不规律变化，由于综放面极 易发生瓦斯积聚和爆炸，瓦斯扩散性强，瓦斯爆炸产生高温、高压和大量有毒有害气体， 对矿井设施、设备及现场作业人员造成惨重后果和长期而深远的恶劣影响【l5 1 。为吸取事 故的沉痛教训和防止瓦斯爆炸事故的重复发生，深入分析瓦斯爆炸危险性很有必要。 综放面瓦斯爆炸危险性分析是为获知综放面瓦斯系统状态的真实水平，辨明瓦斯治 理、管理系统的薄弱环节，通过尝试研究影响煤矿瓦斯爆炸不安全因素、瓦斯爆炸危险 性评价和瓦斯爆炸危险性预测的新方法，对综放面生产系统存在的瓦斯爆炸危险性进行 定性、定量、全面客观的分析与预测。 进行综放面瓦斯爆炸非线性分析，是做好煤矿瓦斯安全管理工作重要基础之一【1 6 1 ， 有利于实现国家对煤矿按风险类型、严重程度、生产规模等进行分级分类管理和监察【1 7 】； 有利于对煤矿综放面的瓦斯安全状况进行动态监控，根据不同时间段的实际情况适时做 出调整，以此来强化对煤矿瓦斯安全生产的监管，提高国家煤矿安全监察的科学性、针 3 西安科技大学硕士学位论文 对性。因此，开展综放面瓦斯危险性分析及瓦斯涌出量预测，科学、系统地控制矿井瓦 斯风险，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。 1 2 危险性分析以及评价软件的国内外研究现状 1 2 1 危险性分析国内外研究现状 危险性分析也就是安全分析，即从安全角度对系统中的危险因素进行分析，主要 分析导致系统故障或事故的各种因素及其相互关系，达到定量危险性评价的目的，其 分析技术基于事故致因理论【1 8 】。目前，对危险性分析概念确定的焦点主要在于危险辨 识、分析、诊断的区别和联系上【1 9 1 。国内外各行各业均有相关性应用，然而用于煤矿 瓦斯危险性分析的研究比较少，预测方法也不多，且各自有其不同的适用范围。 危险性分析中主要有两种情况，一是对己经发生的事故进行分析，即从事故中找 出引起事故发生的隐患，又称为事故分析；二是对现有生产系统进行安全性分析，即 安全评价，找出隐患并予以消除引。国内外的危险性分析方法有许多种，目前常用的 有几十种，可按实行分析过程的相对时间进行分类，按分析的对象、内容进行分类， 或按数理方法分类( 定性分析和定量分析) 和按逻辑方法分类( 归纳分析和演绎分析) ， 可适用于不同的危险性分析过程【l 圳。 目前，国内外瓦斯爆炸危险性事故分析方法遵从广义的事故分析方法，包括安 全检查方法( s 疵t ) rr e v i e w ，s r ) 、安全检查表法( s 娟哪c h e e kl i s ta n a l y s i s ，s c a ) 、 预先危险性分析( p r e l i m i n a d rh a z a r da n a l y s i s ，p h a ) 、故障类型和影响分析( f a i l u r e m o d ee 脏e t sa n a l y s i s ，f m e a ) 、危险性和可操作性研究( h a z a r da n do p e r a b i l i 锣 m i d y ，h a z o p ) 、事件树分析( e v e mt r e ea m a l y s i s ，e t a ) 、事故树分析( f a u l tt r e e a n a l y s i s ，f t a ) 和因果分析( h 啪a nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，h r a ) 等，这类方法的特 点是理论简单、便于操作、分析过程及结果直观。 国外安全评价应用较为广泛的方法主要有：指数法、概率法、检查表法和综合评 价法【2 0 1 。 指数法又称评分法，是根据评价对象的具体情况选定评价项目，每个项目均订出 评价的分值范围，在此基础上由评价者给各个评价项目评分，然后通过一定的运算求 出总分值1 2 。根据总分值的大小对工作系统进行危险等级评价，并决定采取何种预防 与保护措施。美国道化学公司的火灾、爆炸指数法，英国帝化学公司“蒙德火灾、爆 炸、毒性指数评价法 和日本劳动省公布的“化工厂六阶段安全评价法”等评价法均 属此类【2 2 】。 概率法是2 0 世纪6 0 年代后期随着航天、航空和核工业等高技术的迅速发展，把 预测事故后果的分析同实际事故发生概率结合起来【2 。根据系统各组成要素的故障率 4 1 绪论 及失误率，确定系统发生事故的概率，然后同既定的目标值比较，判明其是否达到预 期的安全要求，或者将概率值划分为若干个等级，作为对系统安全性评价及制定安全 措施的依据。应用概率法评价，主要通过对系统可能发生的事故进行事故树分析或事 件树分析，建立数学模型，选定目标函数，然后求解。美国原子能委员会对核电站安 全性评价即是此法的实例【2 3 j 。这类评价法在工业发达国家的许多项目中得到了广泛的 应用，开发安全评价相关软件作为独立的产业形式在国外发达国家正方兴未艾【2 3 】，【2 4 】。 综合评价法是根据评价对象的要求，将一些不同种类及不同适用范围的方法组合 起来，以使评价更为完善1 2 副。 国外煤炭工业的安全评价具体的研究和应用主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 矿山安全评价。就是把矿井生产系统中隐患导致事故的概率与隐患造成的损 害的乘积作为系统状态的危险度，隐患发生概率和造成的损害经过统计数据获得【2 0 1 ， 但是对隐患发生的概率和损害统计不够细致，缺乏实用性，且只讨论了数据的模糊性 问题。 ( 2 ) 伤亡事故统计。包括损失时间、职业病、死亡、重伤、轻伤、以及与其他的 因素相关并建立了工伤数据库等。其中有代表性的是美国宾夕法尼亚州r v 罗曼尼教 授所研究的评价危险和安全工伤事故类型分析、工种和工伤源的分析，致伤的身体部 位、致伤的程度、可靠性分析和经济分析等【2 0 1 ，以便深入分析和确定事故的原因和可 能的消除办法。 ( 3 ) 生产系统安全评价。应用数据库和计算机技术实现对评价对象的客观存在属 性、危险物质的物理化学指标数据，系统运行过程状态的历史数据，系统已有的灾变 的种类、原因、后果及发展态势、发生过程等有效数据的计算机管理【2 6 1 ，为准确的评 价过程中的有关参数，合理的推测系统可能的危险灾害模式及其存在形态提供了现代 化的技术手段。人工智能技术与安全评价技术的结合使得安全评价过程的判断、推理 及其边界条件确定成为可能，为建立新的安全评价方法结构体系创造了有利条件。 我国安全评价自2 0 世纪8 0 年代后期开始，在安全评价的理论、方法的研究和应 用方面发展较快，许多行业管理部门都制定了自己的安全评价方法或标准，广泛开展 了企业的安全评价工作【2 2 j 。1 9 8 8 年初，机械电子工业部颁发了机械工厂安全性评 价标准，化工、冶金、建材、航空航天、兵器工业等行业部门，也都先后制定了本 行业安全评价标准并开展了安全评价工作【2 3 】；9 0 年代，中国石化总公司制定了“石油 化工企业安全评价实施方法”，化工部制定了“化工厂危险程度分类方法，冶金部 制定了冶金工厂危险程度分类方法，核工业部参照国外标准对秦山核电站建设项 目进行了安全性评价。另外，由中国劳动科学研究院等单位完成的国家科委“八五”攻 关课题易燃、易爆、有毒重大危险源的评价技术研究提供了一套适合我国国情的 辨识和评价重大危险源的理论和方法，对进一步开展重大危险源的安全评价工作有着 5 西安科技大学硕士学位论文 重要意义阱】。同时，一些高等院校、研究单位和企业等相继开展了评价技术的研究和 开发工作。特别是在1 9 9 4 年我国相继发生了多起特大火灾事故后，安全评价受到了 政府部门和社会的重视，1 9 9 4 年、1 9 9 5 年分别在太原、成都召开了全国各行业安全 研究的研讨会【2 7 】，安全评价工作在各行业系统内逐步推广和展开。 煤炭工业的安全管理和评价研究与其他行业相比，时间上几乎同步，但研究的规 模、深入程度要落后于上述行业。1 9 8 2 年，煤炭工业部制定并颁发了矿井通风质量 标准及检查评定办法【2 0 】，作为矿井通风安全管理部门的检查标准；1 9 8 6 年，原煤 炭工业部制定了生产矿井质量标准化标准【2 8 l ，作为行业标准实行的，后于1 9 9 4 年进行了修订，其内容包括了开采、通风、运输、瓦斯、掘进，是目前煤矿使用最多 的评价标准。目前煤矿安全评价技术的研究与开发大部分集中在高校。 1 2 2 评价软件国内外研究现状 安全评价软件的开发与应用直接受信息处理技术和计算机技术的进步与发展影 响。国外的安全评价软件主要有s a f e t i 、s a v ei i 、s i g e m 、w h a z a n 、e f f e c t s 、 i 列m s 、p h a s t 、砌s k c u r v e s 、s a v e m o d e 、s t a r 等f 2 4 】，【2 9 】，【3 0 】。它们共同点是都 有大而全危险物质数据库和一系列事故模型，使得安全评价科学化和自动化，评价结 果更客观合理。 s a f e t i ( s o f h a r ef o ra s s e s s m e n to ff l a m m a b l e ，e x p l o s i v e ，t o x i ci m p a c t ) 系统 是由英国t e c h n i c a 公司于1 9 8 2 年开发的，含有危险物质数据，用户数据库和一系 列事故模型，是一种多功能的定量风险分析和危险评价软件包，适用于化工厂和其它 类型工厂及交通运输行业。 s i g e m 系统包括含有1 2 0 0 多种物质( 每年新增5 0 种) 的危险物质数据库和6 种可并行使用的模型，是由意大利t e m a 公司于1 9 8 4 年开发的一种应急管理软件， 适用于风险管理者和应急计划制定者，主要用于风险评价。 e f f e c t s 是由荷兰应用科学研究院( t n o ) 于1 9 8 5 年开发的，是一种定量风险 分析软件包，具有危险辩识和建模功能。 w h a z a n 系统由英国t e c h n i c a 公司于1 9 8 6 年开发的，是含1 3 种火灾、爆炸 和毒物泄漏事故模型，可及时估计可能发生的火灾、爆炸、毒物泄漏事故的后果，是 定量评价石油、化工、天然气等过程工业危险性的计算机软件系统。 i m s 系统是欧共体i s p t a 联合研究中心1 9 8 6 年开发的环境评价和风险分析软件 包，拥有一系列与风险管理有关的数据库和模拟模型。 s a v ei i 系统是1 9 8 9 年由荷兰咨询科学家公司开发的，是一种定量风险分析软件 包，有1 5 个事故模型，可用于火灾、爆炸、毒物泄漏危险评价、工厂安全设计、安 6 1 绪论 全报告以及事故预防等目的，评价结果可用数值或图形显示工厂的个人和群体风险 率。 p h a s t 系统是英国t e c h n i c a 公司1 9 8 9 年在s a f e t i 系统的基础上开发的风 险评价软件包。 s a f e m o d e 系统是美国t e c l u l o l o g y & m a j l a g e m e n ts y s t e m 二公司1 9 8 9 年开发的 定量风险评价软件。 s t a r 系统是意大利s t a 公司1 9 8 9 年开发的风险评价软件，适用于制订安全计 划、应急反应、居民迁移、安全报告等。 砒s k c u r v e s 系统是荷兰1 n 0 1 9 9 0 年开发的概率危险评价软件，主要适用于工 业活动定量危险分析。 一些发展中国家也对高危险作业场所火灾、爆炸和有害物质泄漏事故的危险评价 技术和后果仿真进行了研究，如印度于1 9 9 8 年开发的主要应用于对有害物质意外泄 漏的危险性和后果分析的h a z d i g 系统【3 l l 。 我国的安全评价软件也有一定程度的发展。交通部水运科学研究所开发了重大危 险源评价软件d a n g e r s ( 交通部“九五 科技攻关成果) 【2 3 】。1 9 9 5 年东北大学开 发了重大事故后果分析计算机仿真系统n e f e c t ，主要用于分析易燃、易爆气体泄漏 进扩散影响范围及引起的火灾、爆炸事故的后果，其编程环境是v bf o rw i n d o w s ，系 统充分考虑了重大事故后果分析中的不确定性因素的影响，较好地解决了参数的不确 定性分析，己成功对一些石油化工企业进行危险评价【2 们。中国职业安全健康协会网站 ( h 卸：、m c l l i n a s a f e 够g o v c n ) 于2 0 0 1 年1 1 月2 9 日曾介绍过北京燕山石油化工公 司等单位联合开发的石化装置安全评价及信息管理系统( p e n - o c h e 面c a ls a f e ) 【2 4 j 是针 对石油化工生产和安全评价的迫切需要，在微型计算机上开发的大型安全应用软件， 内容包括安全评价方法、安全卫生数据库和安全台帐管理三大部分。系统选用“检查 表检查火灾爆炸指数评价故障树分析灾害评估 四种方法，由定性到定 量，构成了一个层次型的综合评价体系，并有化学危险物品安全卫生数据库，典型石 化事故案例数据库和图形库支持，为石化企业的技术人员和管理人员进行危险性评 价、灾害评估和安全管理提供了方便工具和有效手段。 随着安全科学理论研究的深入，工程应用的推广，计算机技术和信息技术与安全 科学越来越紧密的结合，目前，将专家系统和人工神经网络相结合，应用人工神经网 络理论的学习、联想、记忆和非线性并行分布处理功能，建立基于神经网络理论的安 全评价方法已取得了一系列进展。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 2 3 瓦斯爆炸危险性分析的研究现状 对于瓦斯爆炸危险性分析，国内外主要有以下几种分析方法( 均建立在事故致因 理论基础之上) ： ( 1 ) 瓦斯灾害指标评分分析模型 这种方法由张秉义等【3 2 1 提出，其分析模型为： w 瓦= c ( d + e + f + g + h + i + j ) ( 1 1 ) 式中，瓦斯爆炸危险性严重程度； c 矿井瓦斯等级因素因子； d 井瓦斯管理因素因子； e 瓦斯检查员素质因素因子； f 机电工人素质因素因子； g 爆破工素质因素因子； h 机电设备失爆率因素因子； i 通风管理因素因子； j 领导执行安全第一方针因素因子。 对于瓦斯爆炸危险性分析过程，瓦斯灾害指标评分分析简单，但是存在评分指标模 糊的缺点，同时对所列的各项指标在评价中的不同作用未予考虑，各因子的取值不合理， 而且对矿井环境因素考虑不全面，因此，该方法只能作为瓦斯爆炸危险评价的一种尝试， 没有多大的使用价值。 ( 2 ) 作业区域瓦斯爆炸危险分析 这种方法在某些方面比现有传统的煤矿瓦斯分级方法更有创造性，充分考虑了矿井 瓦斯等级和瓦斯的偶然积聚的严重程度对瓦斯爆炸灾害的不同作用【3 3 1 ，其作业区域瓦斯 爆炸评价公式可表示为： k = r p 。l p ( 1 2 ) 式中，k 作业区域瓦斯爆炸危险性程度； r 。通风停止8 h 后瓦斯浓度超过5 的实际瓦斯积聚概率； l 。电器设备点燃爆炸性混合气体的概率。 作业区域瓦斯爆炸危险预测方法较好地处理了瓦斯突然积聚造成的危险评价问题， 对火源的考虑有其独特的特点。但是，对瓦斯突出、顶板冒落、其它火源等因素的影响 考虑不足。该方法只能较好地分析瓦斯突然积聚所造成的危险，而无法对引起瓦斯爆炸 的所有危险进行分析；此外，对k 和l d 的统计也较为困难。 ( 3 ) 隧道安全评价法 隧道安全评价法起源于同本【2 2 1 。对于瓦斯爆炸事故，考虑其影响因素有地质条件、 8 1 绪论 巷道延伸距离、 式中， 巷道断面和空间状态等，给出了瓦斯爆炸事故的评价函数： e = g 。( l k + q h + s h ) ( 1 3 ) e 瓦斯爆炸预测函数； g 地质因素分数值； l 。延伸距离分数值； q 。空间状态数值： s 。巷道断面分数值。 隧道安全分析法只考虑了环境因素，对人员、管理等因素没有考虑。因此，应用也 受到了限制。 ( 4 ) 综合系统分析方法 包括模糊数学分析法( f s ) 、灰色系统分析法( g s ) 、数据包络分析法( d e a ) 、层 次分析法( a h p ) 等【3 4 】的基本思路、特点及适用条件的研究，主要是将多种分析方法综 合运用，取长补短，以达到增强实用性、通用性的目的。 ( 5 ) 数值模拟、人工智能和神经网络方法 随着现代数学方法和计算机科学技术的发展，以模糊数学为基础的危险性预测方法 得到了进一步发展和应用，并拓展了原有的方法和应用范围，如应用模糊故障树分析、 模糊概率法等方法及计算机专家系统、决策支持系统、人工神经网络技术对生产系统进 行实时、动态的危险性评价等【3 们。这些新的数学方法和计算机应用技术使得危险性评价 进入了更广阔的应用领域。在西方发达国家，如美国、英国、意大利和德国等，都在危 险性评价领域引入新的数学方法和计算机应用技术，且在化工、核工业、环境以及能源 行业等得到了广泛的应用【3 5 1 。这类方法在瓦斯危险性评价的系统理论和原理上作为评价 过程中的新技术和新方法，其发展的速度、方法的优越性和应用潜力已经十分突出。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 瓦斯爆炸危险性分析就是在大量数据的基础上，充分考虑影响瓦斯含量及瓦斯爆炸 的因素( 包括不可预测因素、随机因素的影响) ，发现和掌握瓦斯爆炸发展过程中的固 有的规律，对煤矿生产中存在的瓦斯爆炸危险源进行定性、定量分析和预测，探求煤炭 开采过程中可能出现的瓦斯爆炸事故隐患，为煤矿瓦斯安全系统提供建设性意见。 鉴于此，本论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 对可能出现的初始的、诱发或直接引起瓦斯爆炸的各种危险因素及其相互关系 进行调查和分析；对与瓦斯系统有关的环境条件、设备、人员、已有的防止、控制瓦斯 爆炸的措施及安全防护措施进行分析；对现有的适应于矿井瓦斯系统的危险性分析方法 9 西安科技大学硕士学位论文 的分析。 ( 2 ) 建立综放面瓦斯爆炸危险性事故分析模型，采用合理、可靠的方法分析影响瓦 斯爆炸事故发生的原因及其相互关系。 ( 3 ) 确定综放面瓦斯爆炸危险性分析指标体系。这一体系应该是结合现场管理人员、 工人、工程师、专家的建议，能对各影响因素进行定性、定量分析，并能确定矿井综放 面瓦斯系统的安全状况的体系，是数学理论和知识积累的集成体系，是系统科学、计算 机应用技术、人工智能和合理的危险性分析方法有机结合的体系。 ( 4 ) 运用非线性理论中的灰色关联理论确定综放面瓦斯爆炸危险性各单个影响因素 的关联系数，找出对象各因素指标与标准数据序列之间的比较，利用层次分析法对几个 综放面的灰色关联结果进行权重分析，与灰色关联分析结果结合得出各综放面的危险等 级，将分析结果作为非线性人工神经网络b p 算法训练模型的目标值，待b p 神经网络 训练结束后，利用该网络分析具体综放面瓦斯爆炸危险性等级，看其是否与灰色关联和 层次分析的结果一致，以评价该模型的准确性。 ( 5 ) 某具体综放面瓦斯爆炸危险性最主要影响因素危险性预测。根据综放面危险性 分析结果找出某矿最主要的瓦斯爆炸影响因素，运用合适的预测方法对其进行预测，以 达到事先预防的目的。 1 3 2 技术路线 煤矿瓦斯爆炸危险性分析在一个考察周期内，其变化属于非线性问题，瓦斯固有 危险源具有非线性动力性质。由于瓦斯爆炸危险性分析的非线性特征主要体现在关联 性分析方法和评价方法的非线性方面，需要建立能够如实反映瓦斯系统各因素之间的 非线性相互影响关系的分析模型和评价模型。其技术路线如图1 1 所示： 1 0 1 绪论 图1 1 综放面瓦斯爆炸危险性分析技术路线 西安科技大学硕士学位论文 2 综放面瓦斯爆炸危险性事故分析模型的建立 综放面瓦斯爆炸事故分析是确保综放面安全的前提，也是对综放面瓦斯爆炸危险性 非线性分析的第一步，通过事故分析，可以客观、科学地辨识综放面瓦斯爆炸灾害的危 险因素。由博德事故因果链锁理论发展起来的现代事故致因理论能够针对矿井综放面瓦 斯爆炸事故的结构组成和致灾因素作出合理的分析，本章将在现代事故致因理论基础上 建立综放面瓦斯爆炸危险性事故分析模型，为后续危险性评价作铺挚。 2 1 瓦斯爆炸危险性分析方法的选择 由危险性分析的国内外研究现状可知，目前的危险性分析模型均是针对某一具体行 业建立的，多为静态分析模型，不能反映安全系统中危险与控制这一矛盾斗争运动过程 的动态性，评价模型的评价函数与系统安全状态往往不是客观的映象关系。同时评价方 法需要大量基础数据，这些数据在目前技术条件下往往难以获得，不能保证选取恰当的 数据以及建立j 下确的数据关系。 在瓦斯爆炸危险性分析方面，瓦斯灾害指标评分法的评分模型过于简单，且各因素 的取值不合理，作业区域瓦斯爆炸危险分析方法仅较好地考虑了影响瓦斯爆炸基本条件 的因素，对予作业区域与瓦斯相关的环境因素考虑不周全，且指标统计较为困难，隧道 安全评价法也只针对环境因素做出考虑，忽略了人员及管理因素的影响，这三者都不能 作为综放面瓦斯爆炸灾害这一复杂、动态过程的分析方法。 综合系统分析方法作为综合评价中的内容之一，主要目的在于研究综合评价指标体 系构建原则、构建方法【2 5 1 ，包括运用模糊数学、灰色系统理论、人工神经网络、数据包 络、层次分析法( a h p ) 等的基本思想，综合性地运用这些思想进行指标体系思路构建、 特点及适用条件的研究。 作为综放面瓦斯爆炸灾害，在井下有限空间内，其最大特点是动态性、随机性和模 糊性，决定了安全状态的变化并不按照某一特殊的规律或函数变化，整个瓦斯爆炸事故 是非线性动力学过程【2 6 1 ，在不同的时刻，不同地点，井下瓦斯存在的状态及其爆炸影响 因素之间的相互作用均具有动态特性。综合系统分析法的特性正好可以弥补现有单个分 析方法的不足，避免传统方法的局限性和专家评价的主观性以及数据来源的单一性而导 致的模型和对象间不客观的简化，通过对各种分析方法的优缺点比较，找出适用于瓦斯 爆炸事故的分析方法，在一定条件下加以综合，对于解决非线性、离散系统的危险性分 析过程中因素变权等关键问题有独特的优势，同时，这类方法是较好的评价模型组织形 式和工作平台，是危险性分析技术发展的方向，有着广阔的应用前景。因此，运用综合 系统分析法作为综放面瓦斯爆炸危险性分析方法具有较高的适用性。 1 2 2 综放面瓦斯爆炸危险性事故分析模型的建立 2 2 事故分析模型建立的理论基础 进行瓦斯爆炸危险性分析，首先要了解瓦斯爆炸事故机理，建立事故的数学分析模 型，才能定性定量地讨论瓦斯爆炸事故的危险性。 事故致因理论( a c c i d e n tc a u s i n gt h e o 巧) 是从大量的典型事故的本质原因的分析中 所提炼出来的事故机理和事故模型【3 2 1 。这些机理和模型反映了事故发生的规律性，能够 为事故原因的定性、定量分析，为事故的预防和改进安全管理工作，从理论上提供科学 的、完整的依据。随着科学技术的发展，事故发生的本质规律在不断变化，人们对事故 原因的认识也在不断深入，先后出现了十几种事故致因理论。其中，具有代表性的事故 致因理论有事故频发倾向理论、事故因果连锁理论、能量意外释放理论、以人失误为主 因的瑟利事故模型、动态变化理论以及轨迹交叉理论【3 7 】 【47 】以及其他一些事故致因理论 ( 如1 9 9 5 年陈宝智教授在对系统安全理论进行系统研究的基础上，提出了事故致因的 两类危险源理论【2 l 】以及1 9 9 8 年何学秋教授针对事物发展变化的流变一突变规律，提出 了安全科学的流变一突变 ( “r m ) 理论【4 8 】) 等等。它们之间的关系如图2 1 所 示： 图2 1 事故致因理论机理图 1 3 西安科技大学硕士学位论文 其中，博德事故因果链锁理论在事故致因理论中，提出了现代工业生产条件下的事 故发生和演变连锁关系。博德认为，尽管人的不安全行为和物的不安全状态是导致事故 的重要原因，必须认真追究，却不过是其背后原因的征兆，是一种表面现象【4 9 1 。他认为 事故的本质原因在于管理的缺陷。对于大多数工业企业来说，由于各种原因，完全依靠 工程技术措施预防事故既不经济也不现实。只能通过完善安全管理工作，才能防止事故 的发生。 博德事故因果理论反映了现代安全观点，与当前我国煤矿生产安全管理工作的实践 比较一致，对于发展我国煤矿事故致因理论具有较强的借鉴意义。并由此演变成本文图 2 2 所示的现代事故致因理论。 理失 1 2 时，便 引发瓦斯爆炸事故3 5 1 。按照层次分析法将瓦斯爆炸事故的诱因分层，可得出瓦斯爆炸危 险性的事故分析模型，如图2 4 所示。 2 4 本章小结 ( 1 ) 总结国内外现有多种事故致因理论，根据瓦斯爆炸灾害特性选取了现代事故致 因理论阐释瓦斯爆炸事故发生的机理及其影响因素之间的相互关系，为综放面瓦斯爆炸 非线性分析从理论上提供科学、完善的依据。 ( 2 ) 进行了综合系统分析法在瓦斯爆炸危险性分析中的可行性研究。对比现有国内 外瓦斯爆炸危险性分析方法，根据综放面瓦斯爆炸事故特性和适用条件，选择综合系统 分析分析法作为本文研究的核心方法，综合运用该分析法的思想指导瓦斯爆炸危险性事 故分析模型的建立、指标体系构建以及非线性评价。 ( 3 ) 根据瓦斯爆炸系统危险物质、设施、装置和环境的结构特性参数，运用人一机 环境系统分析法和层次分析法相结合的方式，通过分析事故与人一机一环境系统的关 系，揭示瓦斯爆炸事故现象与本质的关系