煤矿重大瓦斯事故复杂性机理及管控研究

煤矿重大瓦斯事故复杂性机理及管控研究 第一节问题的提出及研究意义 1第二节事故致因理论文献述评 3第三节研究的主要内容、目标及路径 9第二章事故致因复杂性理论基础 第一节传统系统科学理论 第二节复杂性与复杂系统理论 第三节安全管理基本理论 21第四节突变理论 25本章小结 28第三章中国煤矿事故分析及瓦斯爆炸事故机理 第一节中国煤矿安全生产历史及现状 第二节中国煤矿重大瓦斯事故特征及原因 第三节煤矿瓦斯爆炸事故物理机理 本章小结 47第四章煤矿社会技术系统模型及事故致因复杂性 第一节煤矿社会技术系统的复杂性 第二节煤矿系统等级全息模型 第三节事故的致因过程及方式 第四节煤矿事故的致因复杂性 本章小结 第五章煤矿重大瓦斯事故复杂脆性致因 70第一节复杂系统脆性定义、特点及风险熵 第二节脆性联系、脆性结构与脆性过程 第三节基于故障树的重大瓦斯事故系统脆性分析 第四节煤矿内部子系统脆性关联实证分析 第五节降低煤矿系统脆性风险的方法 本章小结 第六章煤矿重大瓦斯事故反馈动态复杂性 第一节系统动力学建模技术简介 第二节煤矿系统动态反馈与延迟 第三节煤矿重大瓦斯事故系统动力学模型 第四节煤矿重大瓦斯事故仿真实证研究 第五节煤矿系统安全管理与控制 第六节反馈动态复杂性视角下的煤矿安全管理 本章小结 第七章煤矿生产重大瓦斯事故的控制与管理 第一节基于脆性理论的煤矿安全管控途径 第二节基于反馈动态复杂性的煤矿事故管控途径 第三节基于复杂性的夹河煤矿瓦斯事故管控建议 本章小结 随着社会的发展和技术的进步，现代煤矿系统越来越趋向于大型化和复杂化，系统、各级子(分)系统以及基本元素自身及其相互杂化的特点。在这种状况下，系统的安全性及系统安全管理由于关系到系统的稳定性、经济性和正常运行，逐渐成为人们关注的焦点产形势严峻，特别重大瓦斯事故时有发生，造成了人民生和社会福利的重大损失。虽然导致事故的直接原因是人的不安全行为、物的不安全状态和作业环境等因素，但从深层次看，对或不足是导致“事故多米诺骨牌链”倒塌的内在原因管理的致因复杂性进行深入研究和分析，以助于煤矿系统各层次和各部门对安全管理系统全面的认识，对系统存在重大事故风险进行及业的安全生产。现在多数的对事故致因模型的研究将事故认为是一系列事件的线性因果链。这种模型对于简单系统的个体因素导致的事故产生损失的情况处理得比较好。而从20世纪四五十年代以来，人们生产和生活中所接触的社会技术系统变化非常巨大。这些变化使得运用简单的事件因果模型来解释复杂系统的事故致(1)技术的进步随着技术的进步产生对原有系统的替代与更新，更多的不确定因素被引入到安全系统中去。使得系统内部各个要素之间的关系变得更加复杂。同时，社会进步与技术的革新速度的加快使得从个体事件角度去研究事故显得力不(2)事故特性的改变由于先进技术和管理信息系统应用的生产系统中，人们的行为在影响技术系统的同时，也受到技术系统的影响。某一事件的发生很难说是属于人的行为失误引起或者是机器的缺陷造成。(3)新类型危险源的出现社会进步带来技术的不断进步，同时对系统的各个要素都带来影响或更新。新技术的应用带来新的危险源，原有的事故致因模型在解释新系统事故机理时需要进行改进。(4)系统复杂性的增加技术的进步使得系统变得越来越复杂，尤其是系统内部要素之间的交互复杂性。人们对系统的需求使得系统内各个子系统之间按照设计的要求进行交互，但同时这种交互作用又受到更多因素的干扰，研究方法和解决问题的方法是通过分析系统的事故发生的因果链，寻找诱发事故的根源因素。然而，随着系统复杂性的增加，运果分析变得越来越难。寻找新的从系统角度去解决问题的方法成为当前研究的(5)人与自动控制系统之间的复杂性智能系统的发展使得系统的使用者和开发者在对系统的认识上的误差越来越大，由此导致系统在使用过程中产生人误的概率也大大增加。这些改变都对传统的事故致因模型提出了挑战。煤矿生产作业环境与其他行业相比，井下深处有限的空间，环境条件恶劣、多变。随着巷道掘进尺度的不断增加，工作环境中的危险因素也越来越多。在员的安全。矿井环境条件恶劣、多变的固有属性是引起煤矿事故多发的潜在危险因素。在中国的国有重点煤矿当中，存在煤尘爆炸危险的矿井占89.5%,存在高瓦斯、煤与瓦斯突出危险的矿井占49.2%,容易自然发火的矿井占57.5%,存在水害威胁的矿井占43%。有些矿井还有冲击地压、岩爆和高温危害等不安理失误和企业外部监察的缺失也是导致中国煤矿重大事故频发的原因。国家已经在煤矿安全生产管理工作中取得了巨大的成功，实现了对煤矿事故的产安全管理工作成效不甚理想，煤矿安全生产状况尤为严峻，煤矿事故时有发生，尤其是重大事故造成的影响极大。虽然中国煤炭的百万吨死亡率虽然已经于2008年降低到1以下，之后2012年降到0.5以下(0.374),但是与发达国家差距很大。要扭转中国煤矿安全管理在世界上的不利局面，依然任重道远。人为中心的组织，软件、硬件设施所组成的系统。当前因素的研究都有了一定的成果，不同的理论形成了不同的事故预防和控制方法。但在当前的研究中，从系统致因复杂性的角度研究各个因素之间交互作用以及整个复杂系统结构及状态变化引起事故的还比较少。对煤矿重大事故进行有效预防和控制，更需要在当前安全管理的基础上杂性，运用系统的安全管理方法实现整个煤矿系统的最大安全。在理论上，本研究在传统煤矿致因事故模型的基础上，素耦合模型中因素间复杂关系的分析，揭示中国煤矿生产重大瓦斯事故中复杂性致因机理，丰富重大事故的致因模型。本研究旨在明确对煤矿重大瓦斯事故的控制不仅仅要注重对人、机器设备、环境等要素的管理，还应该注重要素之间在实践上，本研究有助于提高煤矿管理者对系统致因复杂性引起事故的认识，使人们更加重视分析和控制其可能带来的系统安全问题。通过系统仿真揭示事故致因模型中多因素之间相互作用导致发生事故的复杂性机理，以制订有效的管理控制措施，从系统角度和复杂性角度消除导致煤矿重大瓦斯事故频发事故致因理论(AccidentCausingTheory)是从大量的典型事故的本质原因的分析、总结中所提炼出来的事故机理以及事故模型。这些机理以及模型反映安全管理工作的改进，从思路上和方法上提供科科学技术的发展，人们对事故致因的认识也在不断深入，丰富。下面论述国内外事故致因理论的研究现状。(一)事故频发倾向理论格林伍德(M.Greenwood,1919)和伍德(H.Woods,1919)对英国许多工厂里的伤亡事故数据中的事故发生次数按不同的统计分布进行统计分析，研究结果发现，工厂中存在某些工人较其他工人更容的人。从这种现象出发，钱姆勃(Chamber,1939)和法默(Farmer,1939)对此进行了进一步的补充，并明确提出了“事故频发倾向论”(AccidentPronenessTheory)。该理论认为，在从事同样的工作和在同样的工作环境下，企业里的某些人比其他人更容易发生事故，这些人被称作事故故发生的主要原因；如果通过人的性格特点区分出这部分人而不予雇佣或予以解聘，则可以减少工业生产中的事故，该理论把工业事故致的天性。(二)事故因果连锁理论1.海因里希事故因果连锁理论海因里希(W.H.Heinrich,1936)对当时美国工业安全实际经验进行总结Theory),用以阐明导致伤亡事故的各种因素之间以及这些因素与事故、伤害之系列原因事件相继发生的结果，即伤害与各原因相互之间具有连锁关系。2.博德事故因果连锁理论博德(FrankBird)在海因里希事故因果连锁理论的基础上，提出反映现代安全管理理念的事故因果连锁理论。博德认为事故的本质原因在于管理的缺陷。博德的事故因果连锁过程包括5个因素：本质原因(安全管理)、基本原因3.亚当斯事故因果连锁理论故因果连锁理论相类似的因果连锁模型。亚当斯连锁理论的核心在于对造成现场失误的管理原因进行了深入的研究。他指出操作者的不安全行为及生产作业过程中的不安全状态等现场失误，是由于企业领导者和安全技术人员的管理失误造成的，管理失误又是由企业管理制度中存在的问的根源是企业中制度和规定的缺陷。4.北川彻三的事故因果连锁理论日本学者北川彻三在对海因里希的理论进行了一定的修正的基础上，提出了另一种事故因果连锁理论。他从技术原因、教育原因、身体原因、精神原因4个方面探讨事故发生的间接原因，并且认为事故的基本原因应该包括管理、学校教育、社会或历史等3个方面的原因。这里提到的基本原因中有些因素已经超出了煤矿生产安全管理工作的范围，但是，充分认识这些基本原因因素，对综合利用可能的技术、管理手段、法律法规、教育改革、安全文化建设等措施来间接调控这些因素，实现预防和避免事故发生的目的，是非常必要的。(三)能量意外释放理论吉布森提出了解释事故发生物理本质的能量意外释放理论。他认为，事故是一种不正常的或不希望的能量释放，各种形式的能量是构成伤害的直接原因。因此，应该通过控制能量或控制能量载体来预防伤害事故。1966年由哈登(W.Hadden)在此基础上引申出的“能量意外释放论”(EnergyTransferTheo-ry),是事故致因理论发展过程中的重要一步。该理论认为，事故是一种不正常(四)瑟利事故模型瑟利(J.Surry,1969)提出瑟利事故模型，该模型以人对信息的处理过程为基分为危险出现和危险释放两个阶段，这两个阶段各自(五)动态变化理论本尼尔(L.Benner,1972)提出了在处于动态平衡的生产系统中由于“扰动”导致事故的理论，即事故P理论(PTheoryofAccident),进而提出了“多线事件连锁法”(MultilinearEventsSequencingMethods)事故调查方法。此后，约翰逊(W.Johnson)于1975年发表了“变化一失误”模型，1981年佐藤吉信提出了本尼尔(L.Benner,1972)认为事故过程包含着一组相继发生的事件，可以将事故看作由事件链中的扰动(Perturbation)开始，以伤害或损害为结束的过2.变化—失误理论约翰逊(W.Johnson)将变化看作是一种潜在的事故致因。他认为：事故是由不希望的或意外的能量释放引起的，这种能量释放的发生是由于管理者或操作者没有适应生产过程中物的或人的因素的变化，产生了计划错误或行为失误，从而导致人的不安全行为或物的不安全状态，破坏了生了事故，由事故造成生产过程中的人员伤亡或财产损失。(六)轨迹交叉理论轨迹交叉理论认为，事故的发生是人的不安全行为和物的不安全状态两大因素同时相互作用的结果。人的因素和物的因素在事故致因中占有同样重要的地位，且可以相互关联、互为因果和相互转化，并说明在人间设置安全装置作为屏障，可提高机械设备的可靠性，又可大大降低概率。当人的不安全行为和物的不安全状态在各自发展过程(轨迹),在一定时间、空间发生了接触(交叉),事故就会发生。轨迹交叉论的重点是说明人为因素(七)Reason的复杂系统事故因果模型JamesReason针对复杂系统并以医疗事故为研究对象分别于1990年和2000年提出著名的纵深防御模型和SwissCheese模型。JamesReason的SwissCheese模型从系统防御体系存在的缺陷形象刻画了复杂系统失效时的发生过程，提出主动失误和潜在条件的共同作用是导致复杂系统防御层存在漏洞的原因，虽然该模型对复杂系统事故形成机制给出了一个形象解释，但并没有论及复杂系统事故控制模式。此外，Reason在SwissCheese模型中不再强调对具体的事故因果路径分析，而只考虑预防系统的可靠没有说明这些漏洞是如何形成的，以及复杂系统所需要的防御层数。必要条件而非充分条件，它们只是事故的触发器，系统的能限及管理的缺陷机会重合时，才会发生事故。Reaso管理错误ManagementFailures)。当没有发生其他技术失效或人误时，这些管理错误似乎并未对系统的安全构成威胁，因而往往不是错误。当事后追查事故的原因时，由于那些作为事故触发器的技术失效或人往被忽略。(八)系统理论事故模型(STAMP)莱文森(N.G.Leveson,2004)建立了基于系统理论的系统理论事故模型STAMP(SystemsTheoreticAccidentModelandProces角度出发，把安全看作是在一定环境下系统元素相互作用而产生的涌现(Emergent)特性，而涌现特性受到与系统元素行为相关的约束(Constraint)的第一章绪论控制或强制。相应地，事故致因中除了故障和人失误之外，还有元素之间非功能性的相互作用(DysfunctionalInteractions)。系统元素之间非功能性的相互作用引起的事故称为系统事故(SystemAccident),系统事故的发生是由于缺乏适当的控制来约束元素之间的相互作用。相应的安全理念是，防止事故需要辨识和消除或者减轻系统元素之间的不安全的相互作用，在系统开发、设计和运行过程中控制和强化有关的安全约束。此外，国外还有很多学者运用系统建模方法研究了复杂系统的风险控制，系统运行的可靠性等及员工健康安全管理等问题，这些研究的思路和方法都值得借鉴。二、国内研究现状中国安全管理专家在国外事故致因理论的发展基础上，提出由人、机、环境构成的复杂系统是事故致因理论研究的主要对象，而人的不安全行为和物的不安全状态始终是事故致因理论研究的两个基本方面。事故的直接原因是人的不安全行为和物的不安全状态，但是造成人失误和物的故障的直接原因常常是管理上的缺陷，管理系统中存在“潜在失误”。管理上的缺陷虽然是间接原因，但它却是背景因素，又常是发生事故的本质原因。(一)三类危险源理论陈宝智(1995)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。该理论认为：一起伤亡事故的发生往往是两类危险源共同作用的结果。第一类危险源是伤亡事故发生的能量主体，是第二类危险源出现的前提，并决定事故后果的严重程度；第二类危险源是第一类危险源造成事故的必要条件，决定事故发生的可能性。两类危险源相互关联、相互依存。田水承(2007)提出组织失误是第三类危险源，认为第三类危险源是事故发生的根本原因。(二)“流变—突变”理论何学秋(1998)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—突变”(“R—M”)理论。“安全流变与突变”就是事物在发展过程中安全与危险的矛盾的运动过程，这一矛盾随时间的运动过程就决定了事物发展各个阶段的安全状态，要把影响安全的物质划分出流变和突变的界限是很困难的，因为事物的发展总保持自身的连续性，总在一切对立概念所反映的客观内容之间存在中间过渡环节。(三)内外因事故致因理论国汉君(2005)提出了内外因事故致因理论。他根据事故致因的性质和作用，从人员、机器设备和环境的角度，将系统中不安定因素分为危险源和触发因子两种。煤矿事故发生需具备3个条件：客观存在着危险源和足够的破坏能量；煤矿重大瓦斯事故复杂性机理及管控研究煤矿危险源监测监控管理体系不完善；存在导致事故的各种不安全因素综合作用，危险源被偶然事件触发所造成的结果。(四)人的不安全行为与管理失误陈红(2005,2006)研究了中国煤矿中各类重大事故中的不安全行为，对中国煤矿生产六大系统重大事故的特征和规律进行了研究。从煤矿员工不安全行为不安全行为分为故意违章行为和管理失误行为，并建立了基于栅栏思想的重大事故控制对策。曹庆仁(2006)通过将煤矿员工不安全行为看作是员工内在影响因素和外在影响因素综合作用的结果，分析了煤矿生产过程中管理者的不尽职行为的产生原因、影响因素，以及其对员工不安全行为的复杂性、群体行为和组织行为的复杂性，论证别制定了针对员工不安全行为、管理者的不安全行为(织错误的控制策略，并给出了行为安全控制的政策建议。卢建军(2007)认为，管理失误是导致矿山事故发启国(1998)认为：事故发生的机理，就是由管理成，管理原因随时随地地制约着人为、物质和环境3种原因，管理原因或管理原乱，就会导致人的不安全行为或物的不安全状态或环境事故的发生。(五)信息缺陷许名标、彭德红(2006)引入信息缺陷的概念。他们程中信息的缺陷。而煤矿事故的直接原因来自：煤矿工人的备和设施的不安全状态以及不安全的生产作业环境。(六)系统论许正权(2004)提出交互式安全管理理论，该理论对事故成因机理做出了论述，认为系统的安全性决定于系统的和谐性，社会技术系外部交互作用的不和谐性，即事故成因的整体交了不同复杂程度系统的事故控制模式及系统和谐实现方式。系统的安全性最终是通过微观层面的和谐交互以达到系统整体的和谐所实现的。翁翼飞，刘铁民(2008)都指出系统安全管管理的复杂性和系统安全的动力学特征。此外，突变理论应用到系统安全中，主要应用尖点直观明了。钱新明等(1995)提出事故致因的突变模型，认为事故的发生是由于结果。把人的因素和物的因素作为两个控制变量，把生产能力或系统功能作为状态参数突变理论应用到系统安全中，主要应用尖点突变化过程中系统状态出现的突变。金鸿章，吴红梅等人提出复杂系统脆性理论的煤矿系统的脆性，分析了乡镇煤矿、地方煤矿和国有煤煤矿系统内部子系统的脆性变化规律进行研究。在大多数研究当中，事故致因模型基于共同成因假设(CommonCauseHypothesis),即疏忽、小事故或大事故具有相同的成因，遵循共同的成因路径(CommonCausalPathway),复杂系统和简单系统都遵循同样的事故致因理论。这些研究强调对产生事故比较重要的因素(如人因和管理失误)的研究和控制，这类研究一方面取得了明显的研究和应用效果，另一方面也造成企业的安全管理决策过分注重对某些重要因素的控制管理和安全投入，无形中增加了安全管理成本。多数研究都没有系统分析导致事故发生的因素之间的相互作用所带来的复杂性对事故致因的影响。近年来，越来越多的学者开始注重对系统的事故致因复对事故的发生进行路径分析外，很多学者还从整个系统角度文森的系统理论事故模型(STAMP)等，这些理论提出分析系统元素之间的相互作用或事故成因的整体交互机制，并试图进行控变理论进行事故致因分析。煤矿生产系统是一个复杂的社会技术系统，其中关于重大瓦斯事故的致因因素和机理更具有复杂性。针对煤矿系统重大瓦斯事故中的致因复杂性机理进行研究，通过对事故致因复杂性的认知寻找控制煤矿重大瓦斯事故的管理方法。首先，通过对国内外相关领域研究文献的分析，学习本研究领域的已有成杂性和安全事故致因理论基础。接着对中国的煤矿事故的历史、构成进行资料的归纳和统计，分析中国煤矿重大瓦斯事故的特征及主要原因。运用系统复杂性理论分析煤矿这一社会技术系统的状态变化复杂性特征，指出事故致因复杂性的来源和特点。对该系统的要素功能进行分析，研究影响系统安全这一功能的各种约束条件。在初步分析煤矿这一复杂社会技术系统的基础之上，运用系统层次全息模型分析方法分析煤矿系统的结构和子系统的要素及其之间的关系，为之后的研究确定对象和范围。通过煤矿系统及子系统的脆性分析，对煤矿事故致因系统源、安全子系统在内的煤矿系统仿真分析反馈复杂性在煤矿重大瓦斯事故模型故为案例，进行实证分析煤矿反馈动态复杂性致因机理。根据上述系统仿真的结果，从基于系统脆性致因机理的关联的角度提出控制煤矿重大瓦斯事故脆性风险的方法；从基于反馈动态煤矿各个子系统事故预防与安全管理方法。(1)统计分析中国历年来煤矿重大事故的发生发展趋势、特征和主要原因。(2)从静态和动态角度深入研究煤矿重大瓦斯事故的系统内部综合复杂性致因，揭示中国煤矿重大瓦斯事故系统的致因复杂性机理。(3)针对中国煤矿重大瓦斯事故的致因复杂性机理，提出在煤矿生产过程中预防煤矿重大瓦斯事故管理控制途径。(1)煤矿系统重大瓦斯事故致因复杂性的来源问题，影响煤矿重大瓦斯事故的煤矿系统中各个层次、各个系统的致因有哪些?(2)在煤矿生产系统运行的过程中，各种致因因素如何相互作用导致煤矿重大瓦斯事故，煤矿中的人员、机器设备、环境和管理杂性致因机理中起到怎样的作用?煤矿重大事故的风险的发展演化过程是怎样的?(3)针对以上煤矿重大瓦斯事故致因复杂性研究的结果，从复杂性致因机理出发研究煤矿重大瓦斯事故控制问题以及管理问题。给出管理控制煤矿系统(1)一般与特殊相结合例研究煤矿重大瓦斯事故的机理以及管理控制。(2)静态研究与动态研究相结合统动力学方法研究煤矿系统动态变化下的事故致因过程、反馈动态复杂性致因机理。(3)定性分析方法①运用层次等级全息建模方法识别煤矿系统中层次要素、子系统以及全系统中导致煤矿重大瓦斯事故的致因因素的来源、性质，在事故致因过程中的作用。②以基于事故树的方法分析煤矿系统中导致瓦斯事故发生的直接原因和割集与最小径集，分析导致事故发生的可能性事件集合。(4)定量仿真方法运用复杂系统脆性理论中的脆性风险熵度量煤矿及其子系统的脆性度，运用集对分析来定量研究煤矿系统内部各个子系统之间的脆性联系。研究煤矿各个子系统在导致煤矿重大瓦斯事故中的不同作用。运用系统动力学方法建立模型，定量仿真包含生产子系统、人力资源子系各个致因因素和相关因素的演变过程以及相互之间的因果反馈关系。(5)实证研究方法以某一个存在重大瓦斯事故风险的具体煤矿系统为例，采用专家问卷调查统之间的脆性关联度以及整个煤矿系统的脆性风险。运用建立包括生产子系用的主要统计软件是SPSS13.0,仿真软件是VensimPLE5.4。四、研究的技术路线(见图1-1)研究背景研究背景文献研究选题研究方法理论基础煤矿重大瓦斯事故现状瓦斯爆炸事故的发生机理煤矿社会技术系统的复杂性控制与管理途径在煤矿安全管理中应用建议研究结论要素与结构层次等级建模脆性风险建模系统动力学建模反馈动态复杂性致因反馈复杂脆性致因系统论、控制论和信息论是20世纪40年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。虽然它们仅有半个世纪，但在系统科学领域中已是资它们称之为SCI论。系统论的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。系统论要求把自然界和社会系统中的事物当作一个整体或系统来研究，并用数学模型去描述和分析这些系统的结构和行为。所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合在一起形成的具有特定功能的有机整体；而每个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分(子系统)。贝塔朗菲旗帜鲜明地提出了系统观点、动态观点和等级(层次)观点。指出复杂事物功能远大于其组成因果链中各环节部分般系统结构理论。一般系统结构理论从数学上提出了一个新的一般系统概念体统行为之间存在固有的关系及规律，在给定的层次上的系统结构决定和支配。这一结论为系统研究提供了精确的理论基础。在这一结论的基础上，一般系统结构理论从理论上揭示了一系列的一般系统原理与规律，解决了一系列的一般系统问题，如系统基层次的存在性及特性问题，是否存在从简单到复杂的自然法则的问题，以及什而把系统论发展到了具有精确的理论内容并且能够有效解决实际系统问题的控制论是美国著名数学家维纳(N.Wiener)同他的合作者自觉地适应近代科学技术中不同门类相互渗透与相互融合的发展趋势而创始的。它摆脱了牛顿经典力学和拉普拉斯机械决定论的束缚，使用新的统计理论研究系统运动状态、规律去对系统进行干扰和控制，使系统依照预定目标运行的理论和方法。控制论的基本原理，同时也是管理控制职能最基本的原理，即反馈的机理。者的偏差进行控制的过程。如果输出信息的作用是抵消输入信息，则称为负反类社会中普遍存在的一种现象。统是一种典型的控制系统。管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示目标与标准之间的差，并采取纠正措控制论的理论与方法，也适合于分析和说明管理控制问题。技术，使我们有效地研究一般的控制和通讯问题，同时控制论为其他领域的科学研究提供了一套思想和技术，在维发表后的几十年中，各种冠以控制论名称的交叉学科如雨后春笋般生长出来。管理更是控制论应用的一个重要领域。也可以这样认为，人们对控制论原理最早的认识和最初的运用是在管理方面。从这个意义上说，控制论之于管理恰似青出于蓝。用控制论的概念和法分析管理控制过程，更便于揭示和描述其内在信息论是由美国数学家香农(C.E.Shannon,1916)创立的，它使用概率论制。信息就是指传递的消息中所包含的新内容与新知识，是用来减少和消除人们对于事物认识的不确定性。系统的信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础，也是改变一个系统结构和功能所必需的。狭义信息论是研究在通讯系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门理论和方法。广义信息论被理解为运用狭义信息论的观点来研究一切问题的理论。信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。信息论能够揭示人类认识活动产生飞跃的实质，有助于探索与研究人们的思维规律和推动与进化人们的思维活动。香农给出了信息的量度与它所代表的事件的随机性或事件发生的概率有关，事件发生的概率大，事先容易判断，有关此事件的消息排队事件发生的不确定程度小，则包含的信息量就小；反之则大。从这一点出发，信息论利用统计热力学中熵的概念，建立了对信息的量度方法。在统计热力学中，熵是系统的无序状态的量度，即系统的不确定性的量度。信息量所表示的是体系的有序度、组织结构程度、复杂性、特异性或进化发展程度。这是熵(无序度、不定度、混乱度)的矛盾对立面，即负熵。第二节复杂性与复杂系统理论一、系统复杂性的概念与分类“复杂性”的提出起源于20世纪初对理论生物学的研究。1928年，奥地利生物学家贝塔朗菲(L.V.Bertalanffy)在其《生物有机体》论文中首次提出了“复杂性”的概念。20世纪后半叶，在自然科学和工程技术和社会科学研究的各个领域，“复杂性”作为一个重要词汇涌现出来，并且迅速成为一种研究的新概念范式。在关于复杂性概念的界定上，麻省理工学院物理学家塞思·劳埃德通过电子邮件向美国记者约翰·霍根提供的关于复杂性定义的清单中，复杂性的定义包括信息、参数个数或自由度或维度、规则复杂性、复杂适应系统、混沌边缘等45种之多。圣菲研究所的关于经济学领域的复杂性研究提出：复杂性概念主要包括复杂自适应系统、涌现、混沌边缘、报酬递增和路径依赖等。关于复杂性的定义主要包括：自组织、复杂适应系统、路径依赖、涌现、混沌边缘、奇怪吸引子等。而美国匹兹堡大学的雷谢尔教授，从哲学观上总结了复杂性概念，并对复杂性进行了分类(见表2-1),在一般意义上复杂性不仅是纯粹本体论的或纯粹认识论的，而是包括了这两个方面。描述复杂性：为了给系统提供一个恰当描述生成复杂性：提供产生系统的一个途径而必须类别复杂性：构成要素的多样性，物理构造中组织复杂性：相互关系的不同模式中组分排吴彤在分析国外关于复杂性的定义时，将国外现有研究归为八类三十八种，第九类则是隐喻型描述复杂性(15种)。具体包括：(1)信息类10种，包括信息、费希尔信息、Chernoff信息、共有信息或通道信息、算法信息含量；(2)熵类3种，即熵、Renyi熵、计量熵；(3)描述长度或距离类8种，包括自描述代码长度、纠错代码长度、最小描(4)容量类1种，拓扑机器容量；(5)深度类2种，逻辑深度和热力学深度；(6)复杂性类10种，包括Lempel-Ziv复杂性、随机复杂性、有效或理想复杂性、层级复杂性、同源复杂性、时间计算复杂性、空间计算复杂性、基于信息的(7)多样性，树形多样性和区别性2种；(8)独立参数个数或维数，参数个数或自由度或维数、分形2种；(9)综合(隐喻)类有15种，包含混合、相关性、分辨力、自组织、自组织临界混沌理论对于复杂性研究能够做的贡献比较有限。在进行复杂系统分析的时候，对于初始条件的敏感性并不是如此重要的话题，而且，正是复杂系统的鲁棒(Robust)性，即在不同条件下以同样的方式发生作用的能力，保证了系统的生存。对于复杂性的量化问题，他提出了熵，但仅仅用香农的信息熵却是不合适中国著名哲学家苗东升教授认为，复杂性是现代科学中最复杂的概念之一，至今无法给出统一的定义是正常的，也许根本就不存在统一的复杂性定义。但低层次的复杂性代替高层次的复杂性，也不可以拿高层次的复杂性否定低层次(一)源于系统规模的复杂性造成现有方法无法处理的复杂性。复杂性的形成需要足够的系统规模，规模巨大就会带来描述和处理的困难，小系统或大系统的方法无济于事。简单系统不存在源于规模的复杂性，具有足够规模(圣塔菲要求系统有中等规模，钱学森要求达到巨系统规模)是产生复杂性的必要条件，但不是充分条件，即使巨系统也不一定是复杂系统。(二)源于系统结构的复杂性组成成分的多样性和差异性造成组分之间相互关系的多样性和差异性，是杂性的主要根源之一，复杂性研究者几乎都强调这一点。只有要素和整体两个合任务，需要经过不同层次逐级整合才能最终形成系统整体。因而在要素与系统整体之间还有中间层次的系统，才是等级层次结构。复杂性只可能出现于等(三)源于开放性即外部环境的复杂性封闭系统没有复杂性，复杂性必定出现于开放系统。自适应系统被当作复性。但对外部环境开放也不是产生复杂性的充分条件。即使外部环境对系统的加扰动的方法或者黑箱方法，足以有效地处理。只有当外部环境对系统的作用不再被当作干扰，而是系统自身特性的有机组成部黑箱方法都失效，这种系统必然呈现某种复杂性。开放性也是复杂性的重要根源，系统与环境相互关系的复杂性是系统复杂性的重要表现。(四)源于动力学特性的复杂性动态因素变化可以忽略不计的系统，或者动态因素变化可以作为静态模型的干扰因素来对待的系统，可以当简单系统来处理。动力学过程可能产生无穷杂性的重要机制，复杂性只能出现于动态系统，复杂性一定是某种动力学特性。动力学因素是产生复杂性最重要的物理学根源。(五)源于非平衡态的复杂性平衡态不可能产生复杂性，处于平衡态的系统都是简单的。非平衡态也不以小的修正。复杂性只能出现于远离平衡态，在这种条件下系统通过自组织形成耗散结构，即自组织地产生出复杂性。复杂系统必定是处于非平衡态的系统，耗散结构才具有最小的复杂性。物理化学层次的耗散结构还不可能具有生物复(六)源于非线性的复杂性统产生复杂性的根本内在机制，复杂性只能出现于非线性系统。但非线性自身(七)源于不确定性的复杂性确定性连通简单性，不确定性连通复杂性。首先是源于随机性的复杂性。但随机性也不是产生复杂性的充分条件，平稳随机过程属于简程才可能出现复杂性。随机性与复杂性是截然不同的。物理系统随机性的规律一般只服从大数定律，仍属于简单性范围，可以用会系统、意识系统的组分具有智能，组分之间具有复杂的相律不能揭示其本质特征，宏观整体特性不能仅仅看作是大量微观组分相互碰撞的结果，现在的概率统计方法不足以处理这类系统中的随机过程。另一种重要模糊集理论就是为处理复杂性而提出来的。他的不相容性原理认为，系统的复杂性超过一定阈值，描述的精确同描述的有意义互不相前的复杂性科学尚未涉足模糊性问题。(八)源于主动性、能动性的复杂性统与环境之间互为因果，互动互应(所有组分都既是被作用者，又是主动作用分有一定的自适应能力时，在不断适应环境的行为过程中必然产生出整体的复杂性。圣塔菲的一个基本信念是适应性产生复杂性，所谓复杂适应系统(CAS),就是在不断适应环境的过程中通过演进产生出复杂性的系统。(九)源于系统要素智能的复杂性由于智能组成部分构成的系统(如耗散结构理论和协同学理论研究的贝纳级。组分智能是复杂性的重要根源之一。(十)源于人类理性与非理性的复杂性以人作为构成要素的系统，其行为必须考虑人的理性因素的作用。尤其公可能产生复杂性。述的行为特征，包括国内研究者所说的人理，这也是复杂前的科学发展还极少涉及这类复杂性来源。西蒙所谓的“人工性和复杂性这两个论题不可解脱地交织在一起”,其中的人工性同时包含人的理性和非理性上述论述可以表明的确存在本质上属于复杂性的对象领域，简单性与复杂性有根本上的区别。诸多复杂性成因中的每一种都难以单独造成真正的复杂性，现实存在的复杂性是由多种因素交织在一起而造成的。复杂系统是相对牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统相比而言的，两者具有根本性的不同。简单系统通常具有少量个体对象，它们之间的相互作于我们能够应用简单的统计平均的方法来研究它们的行为。而复杂并不一定与系统中的个体一般来讲具有一定的智能性，例如组织中的细胞、股市中的股民、的部分环境通过自己的规则进行智能的判断或决策。全相同。在1999年4月出版的《Science》杂志上，列出了以下几种定义：(1)N.Goldenfeld和Kadanoff认为复杂系统是一种高度结构化的系统，它表现出多种多样的结构属性。(2)Whitesides和Ismagilov认为复杂系统是一种在演化过程中对于初始路径的系统。(3)Weng,Bhalla和Iyengar则认为复杂系统是一种在设计、功能或两者都很难去理解或确认的系统。(4)D.Rind认为复杂系统是系统的许多构成部分之间存在多元交互关系(5)W.BrianArthur认为复杂系统是其过程随时间不断进化并且显现的中国学者宋学锋认为，虽然目前国内外关于复杂系统的认识与定义尚未统一，但是对复杂系统的基本特征的认识却比较一致。一般认为复杂系统具有以(1)非线性与动态性：普遍认为非线性是产生复杂性的必要条件，没有非线性就没有复杂性。复杂系统都是非线性的动态系统。非线性说明了系统的整体大于各组成部分之和，即每个组成部分不能代替整体(2)非周期性与开放性：复杂系统的行为一般是没有周期的。非周期性展现了系统演化的不规则性和无序性，系统的演化不具有明显的规律。系统在运动过程中不会重复原来的轨迹，时间路径也不可能回归到它们以前所经历的任何一点，它们总是在一个有界的区域内展示出一种通常是极其“无序”的振荡存和发展是不可能的。任何一种复杂系统，只有在开放的条有在开放的条件下才能维持和生存。开放系统还具有自组织能力，能通过反馈进行自控和自调，已达到适应外界变化的目的；具有稳定性能力，保证系统结构稳定和功能稳定，具有一定的抗干扰性；在同环境的相互作用中，具有不断的演化能力；受到自身结构功能和环境的种种参数的约束。(3)(积累效应)初值敏感性：初值敏感性，即所谓的“蝴蝶效应”或积累效应，是指在混沌系统的运动过程中，如果起始状态稍微有一点改变，那么随着系统的演化，这种变化就会被迅速积累和放大，最终导致系统行为发生巨大的变化。这种敏感性使得我们不可能对系统做出精确的长期预测。(4)奇怪吸引性：复杂系统在相空间里的演化一般会形成奇怪吸引子。吸引子是指一个系统的时间运行轨道渐进地收敛到的一系列点集。换句话说，吸引子是一个系统在不受外界干扰的情况下最终趋向的一种稳定行为形式。而奇怪吸引子既不同于稳定吸引子，它使系统的运行轨道趋向于单点集(点吸引子)或者一些周期圆环(极限环);也不同于不稳定吸引子，它使系统趋向于一些完全随机的行为形式。(5)结构自相似性(分形性):所谓自相似是指系统部分以某种方式与整体相似。分形的两个基本特征是没有特征尺度和具有自相似性。对于经济系统，这种自相似性不仅体现在空间结构上(结构自相似性),而且还体现在时间序列的自相似性中。一般来说，复杂系统的结构往往具有自相似性，或其几何表征具有分数维。在现代科学的发展过程中，复杂性的种类很多，从不同的角度可以进行不同的分类。如可以分为物理(自然系统)复杂性、生物复杂性、社会复杂性；从认识论角度可以分为主观复杂性与客观复杂性。美国安全工程师Heinrich在1931出版的著作《安全事故预防：一个科学的方法》中，阐述了根据当时的工业安全实践总结出来的工业安全理论，这个理论的主要内容是：(1)工业生产过程中人员伤亡的发生往往是由于一系列因果连锁之末端事故的结果，而事故常常起因于人的不安全行为和机械、物质(统称物)的不安全状态。(2)不安全行为是大多数工业事故的原因。(3)因为不安全行为而受到了伤害的人，几乎重复了300次以上没有造成(4)在工业事故中，人员受到伤害的严重程度具有随机性。大多数情况下，人员在事故发生时可以免遭伤害。(5)防止事故的方法与企业生产管理、成本管理及质量管理的方法类似。海因里希的工业安全理论主要阐述了工业事故发生的因果连锁论、人与物中最基本的问题，该理论曾被称作“工业安全公理”(AxiomsofIndustrialSafety),受到世界上许多国家安全研究学者的赞同。但是海因里希工业安全理论也与事故频发倾向理论一样，把大多数工业事故的责任都归因于人的不安全行为，表现出时代的局限性。则，如图2-1所示。它是通过分析55万起工伤事故的发生概率，为保险公司的经营提出的。该法则认为，在1个死亡重伤、害事故背后，有29起轻伤害事故，29起轻伤害事故背后，有300起无伤害虚惊事件，以及大量的不安全行为和不安全状态存在。从海因里希“安全金字塔”塔底向上分析可以看出，若不对不安全行为和不安全状态进行有效控制，可能形成300起无伤害的虚惊事件，而这300起无伤害虚惊事件的控11不安全行为100……0不安全状态无伤害事故，必须消除日常不安全行为和不安全状态；是作为预防死亡重伤害事故的最重要的基础工作。现实中我们就是要从细节管全状态，从而实现企业当初设定的总体方针，预防重大事故的出现，实现全员安全。20世纪50年代以来，科学技术进步使设备、工艺及产品越来越复杂，这也使工业系统的安全问题面临着新的挑战。战略武器研制、宇宙开发及核电站建设等使得作为现代科学技术标志的大规模复杂系统相继问世，这些复杂的系统系统的过程中，逐渐萌发了系统安全的基本思想。于是，美国在20世纪50年代到60年代研制洲际导弹的过程中，系统安全理论应运而生。行为的结果偏离了预定的标准，人的不安全行为可被看作是人失误的特例。人失误可能直接破坏对物理系统的控制，造成能量或危险物质的意外释放。例如，错合了开关使检修中的线路带电；误开阀门使有害气体泄放等。人失误也可能造成物的故障，物的故障进而导致事故。例如，超载起吊重物造成钢丝绳断裂，发生重物坠落事故。物的因素问题可以概括为物的故障。故障是指由于性能低下不能实现预定功能的现象，物的不安全状态也可以看作是一种故障状态。物的故障可能直接漏电；管路破裂使其中的有毒有害介质泄漏等。有时一种物的故障可能导致另声和振动等物理环境，以及企业和社会的软环境。不良的物理环境会引起物的作场所强烈的噪声影响人的情绪，分散人的注意力而发生人失误。企业的管理系统安全理论包括很多区别于传统安全理论的创新概念，具体如下：(1)在事故归因理论方面，改变了人们只注重操作人员的不安全行为而忽略硬件的故障在事故归因中作用的传统观念，开始考虑如何通过改善物的系统(2)没有任何一种事物是绝对安全的，任何事物中都潜伏着危险因素。通常所说的安全或危险只不过是一种主观的判断。能够造成事故的潜在危险因素称作危险源，来自某种危险源的造成人员伤害或物质损失的可能性叫做危险。危险源是一些可能出问题的事物或环境因素，而危险表征潜在的危险源可能造(3)不可能根除一切危险源和危害，但可以减少来自现有危险源的危险性，宁可减少总的危险性而不是仅仅彻底去消除几种固定的危险。(4)由于人的认识能力有限，有时不能完全认识危险源和危险，即使认识了危险源也不可能完全根除。由于不能全部根除危险源，只能把危险降低到可接工程的基础之一。研究可靠性时，涉及物的因素时，使用故障(Failure,Fault)复杂作用的结果。因此.在预防事故时必须在弄清事故因素相互关系的基础上防御漏洞理论的基础是曼彻斯特大学教授JamesReason在其著名的心理统致因，并以一个逻辑统一的事故反应链将所有相关因素进行了理论串联。该如图2-2所示，该理论认为：事故的发生不仅有一个事件本身的反应链，还同时存在一个被穿透的组织缺陷集，触发事故的因素和组织各层次的缺陷(或安全风险)是长期存在并不断自行演化的，但是这些事故促因和组织缺陷并不一定造成不安全事件，当多个层次的组织缺陷在一定条件下同时或次第出现缺陷时，不安全事件就会失去多层次的阻断屏障而发生。既然安全事件的发生是由于安全保障各个环节的缺陷处于贯通状态，那么二是要避免各个环节上所存在的缺陷具有关联性(即要防止上一环节缺陷的发生导致下一环节产生贯通位置的缺陷)。对复杂系统事故形成机制给出了一个形象独到的解释，模型中不再强调对在条件”造成的系统防御层上的漏洞是事故成因。但并没有论及复杂系统事故控制模式。但越来越多的学者认同运用系统的、复杂的观点来看待系统事故致因理论并进行事故的预防与控制。思。突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性突变论的创始人是法国数学家雷内托姆，他于1972年出版的《结构稳定性突变论方法正是试图用数学方程描述这种过程。突变论的研究内容简单地说，是研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论认为，某个函数会取得唯一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极就在这一刹那间发生了突变。突变论给出了系统状态的参数变化区域。突变论提出，高度优化的设计很可能有许多不理想的性质，因为结构上最优，常常联系着对缺陷的高度敏感性，就会产生特别难于对付的破坏性，以致发生真正的“灾变”。在工程建造中，高度优化的设计常常具有不稳定性，当出现不可避免的制造缺陷时，由于结构高度敏感，其承载能力将会突然变小，而出现突然的全面的塌陷。突变论不仅能够应用于许多不同的领域，而且也能够以许多不同的方式来应用。突变论对哲学上量变和质变规律的深化，具有重要意义。很长时间以来，关于质变是通过飞跃还是通过渐变，在哲学上引起重大争论，历史上形成三大派观下，如果质变中经历的中间过渡态是稳定的，那么它就是一个渐变过程。质态的转化，既可通过飞跃来实现，也可通过渐变来实现，关键在于控制条件。应用突变论还可以设计多种解释模型。例如经济危机模型，它表现经济危机在爆发时是一种突变，并且具有折迭型突变的特征，而在经济危机后的复苏则是缓慢的，它是经济行为沿着“折叠曲面”缓慢滑升的渐变。此外，还有“社会舆论模型”、二、突变论的两类模型(一)基于流形的突变突变论应用于系统安全分析的早期，人们主要采用尖点突变模型，即在其流形(Manifold)上对所研究系统的安全状况进行分析和描述。尖点突变流形由上、中、下三叶组成，如图2-3所示。上、下两叶分别表示两个吸引子(Attractor),中叶是不稳定的。系统安全分析中尖点突变流形常见的形式为：p(x—xo)³+q(u—uo)(x—x式中，x为系统的安全状态值，u,v为系统安全状态的控制变量，p,q均为系数，xo,uo,v。为系统固有的特征系数。与式(2.2)相对应的尖点突变流形在u,v平面的投影为下式：式中，a,b均为常数。系统的安全状态x受控制变量的约束，x随着控制因素u,v的变化而变化。有些学者认为u,v分别是影响系统安全的人的因素和物的因素的数量值，或者是一类危险源和二类危险源的数量值。一般认为流形的上叶表示系统处于安全状态。下叶表示系统功能极差，且已发生事故，中叶为不可达区域。若系统运行不经过分叉集如路径a₁→b₁,则控制因素的不断恶化不能引起系统功能状况的突变。若控制因素变化越过分叉集时，即系统功能状态沿路径a₂→C₂→d₂→b₂变化时，系统不可避免地发生事故。当控制因素的值愈大时，则系统功能恶化程度愈大，反映到突变流形上是安全状态的变化量△r(△x=x₂一xa₂)也变大。显然，安全工作的任务就是保障系统运行时不跨越分叉集，从而防止事故发生。(二)基于势函数的突变基于势函数的突变分析应用了突变理论原始的数学定义。在事故致因中常用于分析因为能量的意外或不正常的释放而导致人员伤亡的事故过程，如建筑结构的坍塌破坏，矿井煤与瓦斯突出，岩爆等事故。折叠突变：尖点突变：燕尾突变：V(x:u,v,w)=x⁵+ux³+ux椭圆脐点突变：双曲脐点突变：蝴蝶突变：V(x,t:w,u,v)=x⁶+tx⁴+ux³+ux²+wx抛物脐点突变：V(x,y:t,w,u,v)=y⁴+x²y+wx²+ty²-ux-vy式(2.4)～式(2.10)中，势函数V冒号左边变量为系统的状态变量，其变量个数表示系统安全状况的空间维数，反映系统的安全状况；冒号右边的变量为系统安全状况的控制变量，其变量个数表示系统运行时控制因素集的空间维数，控制变量的变化决定了系统的可能状态。本章小结统复杂性的概念与分类、系统复杂性产生的根源以及复杂系统的定义。系统研也是后续章节中研究思路和研究方法的基础。其次，对安全管理的基本理论进行了阐述，为后续的模型分析与事故管理控制方法的研究提供了支持。煤矿系展以及突变论中的两种模型做了深入介绍，这些理论都是接下来要研究内容的基础和方法指导。第三章中国煤矿事故分析及瓦斯爆炸一、中国改革开放前煤矿安全生产形势从人们对能源的开发和利用的历史来看，煤炭在所有的矿产资源中无论是储量、产量还是消费量都占有相当重要的地位。自19世纪下半叶以来，煤炭一直是人类社会赖以发展的主要能源。煤炭既是动力燃料(发电用煤占煤炭消费的50%以上),又是化工和制焦炼铁的原料，素有“工业粮食”之称。自从工业化占据不可替代的地位。而煤矿行业却是一个高危行业，安全生产是煤炭生产高速发展的有力保证，是关系到煤炭工业健康发展的头等大事。中国是世界上主要的产煤大国之一，煤炭资源95%属于地下开采，煤矿地大事故时有发生。中国的能源结构决定了在相当长的历史时期里仍然以煤炭为重要的能源和燃料。由于煤炭工业的基础地位，实现煤炭工业安全、实现经济重大战略目标的可靠保证，对中国现在以及未来的国民经济发展起着决定性的作用。而要确保煤炭这一基础产业健康有序的发展，煤矿企业的安全必须得到保障。因此政府历来都很重视煤炭工业的健康良性发展，采取了诸多措施，包括设立法律法规、设置专门机构、配备专职队伍生产管理。在政府不懈的努力下，中国煤矿安全生产状况总体上呈现出相对稳没有得到根本的改善。这些不仅严重影响了煤炭工业的可持续发展，而且影响到了中国的国际声誉。由于煤矿企业的安全生产状况和煤炭行业的整体发展状况是紧密相连的，而且煤矿安全生产中所反映出来的一些深层次原因也与煤炭生产的发展历史有不可割舍的联系，因此本部分首先简单介绍中国煤炭生产情况以及中国煤炭的安全生产历史，然后引入统计资料分析中国煤矿企业安全生产的现状，最后分析导致中国煤矿重大瓦斯事故频发的主要原因。自1949年新中国成立之后，中央政府在强调大规模恢复煤矿生产的同时，护用品保障方面，也获得了较大的改善，从而使煤矿安全生产有了初步的保障。在这个时期，全国煤矿百万吨死亡率为由1949年的22.54下降到1979年的7.72(如图3-1所示)。50年份基层管理干部和技术人员进行轮流培训，使煤矿从业人员的技术和管理水平有了很大的提高。同时全国煤矿设立了三级技术安全监察机构并加大了对煤矿的资金投入，到1957年全国煤矿百万吨死亡率下降到5.65。从1958年开始，受致使中国煤矿事故高发，伤亡巨大，造成新中国成立后煤炭事故的第二个高发期。全国煤矿百万吨死亡率由“一五”时期的7.11上升到13.43。此段时间一次死亡百人以上的事故发生5起，其中山西大同矿务局老白洞煤矿一次煤尘爆炸事故死亡684人，为新中国成立以来最大的一起煤矿事故。1961年国家重申产的恢复与提高，百万吨死亡率下降至4.43。1966年，由于煤矿生产受到冲击，二、中国改革开放以来煤矿安全生产形势从1978年开始，煤炭工业部重新提出“生产必须恢复，安全形势也开始好转。到1982年，煤炭工业部制定了《煤矿安全监察条例》,煤矿安全形势趋于稳定，并且煤矿百万吨死亡率开始下降(如图3-2所示)。人/百万吨人/百万吨年份86420数据来源：《中国煤炭工业统计资料汇编1949～2004》、《中国煤炭工业年鉴》(2005～2010年)煤炭百万吨死亡率为7.0,比“六五”时期下降7.3%。其中国有重点煤矿百万吨死亡率平均为2.44,比“六五”时期下降44.04%。如图3-2所示，进入20世纪90年代后，全国煤矿在坚持“安全第一，预防为化水平和安全管理水平。其中1995年煤矿采掘机械化率由1985年的44.9%提高到71.6%,大大减少了生产过程中的人员伤亡。“八五”时期的百万吨死亡率比“七五”时期下降21%,其中国有煤矿百万吨死亡率下降到1.31。在“九五”则，加大瓦斯灾害治理力度，这一时期的全国煤矿百万吨死亡率为5.1。从2000煤矿安全形势有所恶化。之后随着煤炭价格的提高，煤炭企业效益的转好以及图3-3描述了中国从1980年至2010年煤矿事故死亡人数具体数量。从图中可以看出，1986年开始至2005年的二十年间，中国煤矿每年死亡人数基本都在6000人以上，煤矿事故总共夺去了十几万人的生命。社会经济的发展不能亡人数持续逐年下降，在2010年煤炭产量再创历史新高的情形下，煤矿死亡人数较以前有了明显的下降，煤矿死亡人数比2002年下降了50%多。研究显示，数也曾创下一年3242人的纪录。美国、英国走出事故易发期用了60年和70安全事故易发期。相信随着国家和社会的努力，中国的煤炭安全生产形势也将年年份数据来源：《中国煤炭工业统计资料汇编1949～2004》、《中国煤炭工业年鉴》(2005～2010年)三、中国近年来煤矿伤亡事故构成特点从中国煤矿的所有制和煤矿规模来看，中国煤矿存在多种所有制煤矿企业对全国煤矿生产能力的核定结果，截至2006年年底，全国共有煤矿16465处。小型煤矿占煤矿数量的将近一半的比例。中国的小型煤矿基本都是乡镇煤矿。障能力低等不利因素。设备设施的落后以及管理的低下、粗放导致小煤矿事故由图3-4可以看出，根据煤矿所有制划分的中国煤矿死亡人数中，乡镇煤矿占绝大部分比例，是煤矿事故高发的主体。乡镇煤矿的安全投入普遍欠账严重，是其煤矿事故发生率高的原因。由于乡镇煤矿事故发生的频繁性，乡镇煤矿的关闭乃是生产发展的趋势。但是近几年来，由于中国经济发展对煤炭需求量日些地方经济发展也依靠乡镇煤矿来拉动。因此，国家对于乡镇煤矿的关闭与复工甚至进入了一个不良的反馈循环(如图3-5所示)。现在，国家和地方政府采取的是允许有条件、符合安全生产要求的乡镇煤矿继产条件的煤矿进行坚决关停。□国有重点年份0数据来源：《中国煤炭工业统计资料汇编1949～2004》、《中国煤炭工业年鉴》(2005～2012年)关闭小煤矿十小煤矿事故率升高煤炭市场供在产煤矿产量上升煤炭市场供十应不足，出十十现电荒十十在产煤矿安全形势变差，事故率升高十小煤矿复工从以上分析可以看出，由于国有大矿产能有限，在需求上升的情况下，煤炭价格升高，就会存在小煤矿数量的增加。但图3-5所示的循环不会持续很长时间，随着大煤矿产能的扩大和小煤矿的关闭，当大煤矿的煤炭产量足以支撑整个煤炭市场的需求时，整个问题循环的反馈作用将会降低。尤其是近两年来，山西、内蒙古、河南等产煤大省(自治区)快速推进煤矿企业整合，创建大型矿井和大型煤炭企业，小煤矿数量也快速下降。可以预见，图3-4所示的结构未来几年内将会发生改变，同时，中国对煤矿事故的监管也将转向大中型煤矿。总的来说，当前中国煤炭行业的事故率和死亡人数已经有了明显的下降，但与发达国家以及政府和人民的期望相比，仍然需要更大的努力，实现煤炭安全形势的明显改观。如此的形势也对国家煤炭安全生产监督管理部门以及煤炭企业乃至整个社会提出了更高的要求。四、中国煤矿事故的分类统计分析根据事故的诱发因素，事故发生所造成的伤害后果大小、事故的类型等，可以将煤矿事故按照以下方式进行分类：(1)按诱发因素的不同，将事故分为责任事故和非责任事故两种类型。非责任事故主要包括：自然灾害事故和因人们对某种事物的规律性尚未认识，目前的科学技术水平尚无法预防和避免的事故等。责任事故是指人们在进行有目的的活动中，由于人为的因素，如违章操作、良等原因造成的事故。这类事故是可以预防的。(3)根据事故造成的人员伤亡或者直接经济损失，煤矿事故分为以下等级：①特别重大事故，是指造成30人以上死亡，或者100人以上重伤(包括急性工业中毒，下同),或者1亿元以上直接经济损失的事故；②重大事故，是指造成10人以上30人以下死亡，或者50人以上100人以下重伤，或者5000万元以上1亿元以下直接经济损失的事故；③较大事故，是指造成3人以上10人以下死亡，或者10人以上50人以下重伤，或者1000万元以上5000万元以下直接经济损失的事故；④一般事故，是指造成3人以下死亡，或者10人以下重伤，或者1000万元以下直接经济损失的事故。他8类事故。依照煤安字〔1995〕第50号文件《煤炭工业企业职工伤亡事故报告故分为以下8类：②瓦斯事故。指瓦斯(煤尘)爆炸(燃烧),煤(岩)与瓦斯突出，瓦斯中毒、窒③机电事故。指机电设备(设施)导致的事故。包括运输设备在安装、检④运输事故。指运输设备(设施)在运行过程发生的事故。⑤爆破事故。指爆破崩人、触响瞎炮造成的事故。⑥火灾事故。指煤与矸石自然发火和外因火灾造成的事故(煤层自燃未见⑦水害事故。指地表水、采空区水、地质水、工业用水造成的事故及透黄第三章中国煤矿事故分析及瓦斯爆炸事故机理⑧其他事故。以上7类以外的事故。从图3-6中可以看出，在1993～2011年的各个年份的煤矿各类事故当中，人数占煤矿事故总死亡人数的30%～40%,其中采煤工作面顶板事故约占70%～75%。顶板事故的高伤亡是中国煤矿死亡率居高不下的主要原因之一。而瓦斯事故发生的频率较低，一旦发生则会造成较大的人员伤亡和财产损失。瓦斯事故死亡人数占煤矿事故死亡人数约30%～50%。据统计，中国2000~2008年发生的重大和特别重大瓦斯爆炸事故154起，其中死亡10人以上30人以下的重大瓦斯爆炸事故117起，死亡30人以上的特别重大瓦斯爆炸事故37起，7起死亡百人以上的特别重大瓦斯爆炸事故都是发生在低瓦斯矿井，这对安全管理认为高瓦斯矿井的瓦斯爆炸风险大，低瓦斯矿井的瓦斯爆炸风险小的传 一火灾图3-6中国1993～2011年按事故类型统计的煤矿事故死亡人数本书所研究的煤矿重大瓦斯事故是指煤矿中造成重大伤亡及以上的瓦斯事故。从事故伤亡程度上看，煤矿重大瓦斯事故的死亡人数都在3人以上。事故煤矿重大事故一旦发生，将会给煤矿造成多种多样的重大损失。首先是人员生命的损失，这也是煤矿事故给社会造成的最大影响，也是社会对发生的煤矿事故尤其关注的地方。可以说，煤矿安全关系着众多家庭的幸福。其次是设备的关闭。分析起来，中国煤矿重大瓦斯事故具有如下特点。(1)重大瓦斯事故多发，损失严重。瓦斯、煤尘爆炸事故是当前煤矿安全生产中威胁最大、最突出的一个问题。瓦斯事故具有破坏性大，事故伤亡损失严重，社会影响恶劣的特点。根据统计，中国2000～2008年发生的重大和特别重大瓦斯爆炸事故154起，其中死亡10人以上30人以下的重大瓦斯爆炸事故117起，死亡30人以上的特别重大瓦斯爆炸事故37起。(2)低瓦斯矿井和高瓦斯矿井的低瓦斯区域成为事故的多发点。可能与人们的认识不同的是，在2000～2008年间，中国发生的重大瓦斯爆炸事故中，低瓦斯煤矿占41%,高瓦斯煤矿占44%(其中发生在高瓦斯煤矿的低瓦斯区域的事故占到了66.7%);特别重大瓦斯爆炸事故中，低瓦斯矿井占42%,高瓦斯矿井占43%(其中发生在其低瓦斯区域的事故占到了92.3%);特别地，发生重大瓦斯爆炸事故的乡镇煤矿中，低瓦斯矿井占45%,高瓦斯矿井占50%(其中发生在其低瓦斯区域的事故占到了36.4%);发生特别重大瓦斯爆炸事故的乡镇煤矿中，低瓦斯矿井占64%,高瓦斯矿井占36%(其中发生在其低瓦斯区域的事故占到了60%),这说明中国低瓦斯矿井(低瓦斯区域),特别是乡镇煤矿的低瓦斯矿井的瓦斯防治工作值得特别关注。(3)导致环境变化的突发事件是瓦斯事故的重要原因。突发事件引起的重大和特别重大瓦斯爆炸事故和正常条件下的重大隐患引积聚瓦斯，与小矿巷道连通导致积聚瓦斯涌入，放顶煤采不安全区域。此外，加上员工对低瓦斯矿井的瓦斯灾害认识不足，重视程度不够，放松了对瓦斯的治理，甚至还存在认为有低瓦斯矿井就是无瓦斯的错误观点。同时，由于突发事件出现概率小，令人们忽视因突发事件改变正常生产程井和高瓦斯矿井发生重大和特别重大爆炸事故的比例相当、低瓦斯矿井的高瓦斯区域和低瓦斯矿井常发生重大和特别重大瓦斯爆炸事故的新特点。(4)非正规采煤方法是乡镇煤矿发生重大和特别重大瓦斯爆炸事故的重要原因。2000～2008年间，发生重大瓦斯爆炸事故的采煤工作面有86%使用的是非正规采煤方法，可见非正规采煤方法对中国煤矿特别是乡镇煤矿采煤工作面瓦仍然是今后煤矿工作的重点。总的来说，乡镇煤矿安全生产水平低，重大隐患多且应对突发事件能力差，容易发生重大瓦斯爆炸事故。国有煤矿对正常生产条件下的重大隐患整治较生多起重特大瓦斯爆炸事故的主要原因之一。导致中国煤矿重大瓦斯事故频发的原因是多方面的。从对中国煤矿生产历史上事故案例的分析来看，中国煤矿重大瓦斯事故频发主要以下几个方面的(1)在自然条件与环境方面，中国大部分煤炭资源赋存条件相对较差。虽然中国煤炭资源总体储量丰富，但是煤层埋藏深，地质95%的煤矿都是井工矿，露天矿很少。而美国，澳大利亚等国家以露天矿为主。矿井瓦斯等级分为低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井。中国高瓦斯和瓦斯突出矿井占46%,煤层容易自燃的占一半。客观来说，中国大部分地区的煤炭开采条件是非常不利的。(2)在投入与机器设备方面，虽然许多国有矿井和新建矿井的机械化水平矿，长期投入不足，存在安全欠账严重的问题。中国煤矿2004年机械化程度为82.52%,明显低于发达国家。另外，仍然存在大多数小型煤矿由于自然条件差，不适宜使用大型机械设备，靠部分机械或人工来采入的规模成本也使得私营和地方煤矿经济上不会选择提高采煤的机械化水平。故的必然条件。例如，煤矿井下照明和机械设备的电源、电气装置不符合规定；花引爆瓦斯。(3)在人的因素方面，瓦斯检查制度执行不严，有的煤矿瓦斯检查工人数不其应有的作用。够或用多母线爆破，进行裸露爆破或放连环炮。有的工作面虽然分上、下段爆职工的违章行为，有的职工违章在井下使用明火，违章拆卸设备，擅自动用电焊等。(4)在煤矿管理方面，通风管理不善。有的矿井局部通风机随意开停；有的不按需要配风，巷道冒落堵塞，风流短路；有的风筒脱节、漏风、被压，不及时处理；有的风筒口距离掘进工作面太远，使得风量过小、风速较低，导致掘进工作面微风作业或无风作业，导致瓦斯积聚。引火引发。采空区和旧巷不及时封闭或封闭不严，残煤自然发火或火区复燃；还有的是胶带着火引发瓦斯爆炸。瓦斯抽放不到位。有的矿井虽然建有瓦斯抽放系统，但抽放效果不佳，抽放时间不够，致使开采时瓦斯超限。部分有煤与瓦斯突出危险的矿井，没有采取预抽卸压、开采解放层等措施，导致煤与瓦斯突出。此外，从大的方面来讲，中国法律法规不健全，监督执行效果不佳。当前，中国煤矿行业尚未形成一套综合、系统、严密、持续改进的煤矿安全生产监察体系。国家和地方监管部门无法对煤矿生产形成有效监管。中国煤矿监管面临着行政规制力量不足、地方保护主义严重以及执法腐败等问题。在许多地方，违背技术政策和法律法规开采的情况在已发生事故矿井中比较常见。一、瓦斯与瓦斯爆炸事故的条件(一)瓦斯的概念与组成1.瓦斯的概念瓦斯是在煤矿生产过程中形成的一个概念。狭义的瓦斯，指甲烷(CH₄),是一种无色、无味、无臭的气体，在标准状态(温度为0℃、大气压为101325Pa)下，瓦斯密度为0.7168kg/m³,相对密度为0.554。由于瓦斯较轻，故常积聚在巷道的顶部、上山掘进面及顶板冒落空洞中。广义的瓦斯，是指在煤炭开采过程中，从煤岩层中涌出的以甲烷为主的各种有毒有害气体的统称，在地质学上称为煤层气。矿井瓦斯成分很复杂，主要成分是甲烷(CH₄,俗称沼气),其次是二次碳(CO₂)和氮气(N₂),另外还有少量或微量的氢气(H₂)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO₂),硫酸氢(H₂S)和重烃类气体(乙烷C₂H₆、丁烷C₄H₁₀、戊烷C₅H₁2)等。2.瓦斯的性质瓦斯的性质是瓦斯所含各个成分性质的总和。不同地区、不同煤层、不同深度，瓦斯成分不尽相同。在此，择其主要和有害成分加以说明。(1)甲烷(CH₄)下[1atm(101325Pa),温度为0℃]其密度为0.716kg/m³,比空气轻；具有很强的扩散性。在1个标准大气压和温度20℃时，溶解度为3.5%,微溶于水。甲烷虽无毒，当空气中CH₄的浓度大于50%时，能使人缺氧而窒息死亡。《煤矿安全规程》规定：矿井总回风巷或一翼回风巷中瓦斯浓度不得超过0.75%;采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度不得超过1%。国内外对煤层瓦斯组分的大量实测表明，煤层中的瓦斯有约20种组分，但煤层中瓦斯的主要成分是甲烷，一般占到煤层瓦斯组分的80%以上。(2)一氧化碳(CO)一氧化碳(CO)是一种无色、无味、无臭的气体。与空气的相对密度为0.97,微溶于水(约溶3%),能与空气均匀的混合。常温常压