基于系统动力学的矿山水患致灾机理研究

陈 杉 陈增虢 吴铭渝

(1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；2.山东省济南市莱芜区疾病预防控制中心，山东 济南 271100)

0 引言

矿山水患抢救时间长、抢救难度大，不仅会影响正常的生产，还会造成人员伤亡和财产损失，更严重的则会引发一系列的地质灾害和环境污染，严重制约了矿产资源的开发造成的社会影响极大。

近年来，矿井水患防治理念深入人心，防治措施更加科学，防治工作取得了新的进展。但是，防治形势仍然严峻不容松懈。如2013年，山东省济南市粘土矿“5·23”重大透水事故，造成9人死亡，1人失踪；2020年3月13日，河南省氟鑫矿业有限公司非法越界开采，导致井下发生透水事故，造成7人死亡，直接经济损失937.2万元；2021年6月10日，山西大红才铁矿发生重大透水事故，造成13人死亡。

水患事故频发，严重威胁着社会安定和矿山的正常生产。为了更好地遏制矿山水患事故的发生，科学地分析矿山水患的致灾机理及各影响因子间的关系，构建矿山水患致灾机理体系，才能有效地提出矿山水患的防治技术与方法，提高水患治理工作水平，改善水患综合治理不达标的现状。

1 矿山水患因果关系分析

1.1 矿山水患致灾影响因素分析

矿山水患致灾机理是一个复杂的巨系统，其内部各种因素共同作用导致矿山水患的发生。同时，矿山水患各影响因素间呈现非线性和动态性的特征，且存在较为复杂的因果关系。而系统动力学适用于分析研究复杂信息反馈系统的动态趋势，能充分考虑矿山水患致灾系统的特性，找出系统内部诸要素间和各子系统间的复杂因果联系，探索致灾系统的行为特性与安全状况的动态关系，为矿山水患致灾系统的动力学模型的模拟仿真奠定基础。因此，可以选用系统动力学的方法对矿山水患进行研究。

根据系统动力学的理论，构建矿山水患的致灾机理需首先明确矿山水患致灾系统的各种影响因素及各因素之间的因果关系。

通过相关研究和案例分析，水患发生的原因主要有以下几个方面：(1)水文地质条件不良。地形：盆形洼地，降水不易流走，容易补给水；围岩性质：围岩为松散的砂、砾层及裂隙、溶洞发育的灰岩等组成时，可赋存大量水；地质构造影响主要是指褶曲和断层。(2)防治水制度不健全。如矿山防治水制度未规定外包单位，现场管理混乱责任不明确；未按规定提取安全生产费用；未执行“有疑必探，先探后掘”制度；没有防治水技术人员和探放水设备，没有专职探放水队伍等。(3)防治水技术基础工作不到位。如钻孔施工记录、探放水设备台账等资料未统一管理，原始资料易丢失，保存资料不真实完整，部分资料不定期更新存档；水患预测预报和水患排查治理制度不落实等。(4)防治水措施不落实。一是矿山非法违法生产，如无证开采，超层越界、超深越界开采等。二是矿山违规违章生产，如未对可能影响矿井的地表水体针对性防范，探放水措施未落实，对废弃老窿等未彻底充填。(5)防治水设备设施不健全。部分矿山心存侥幸心理，未建立突水监测预警系统，未开展底板注浆加固工程。

矿山水患致灾系统同时受到人的行为水平、安全管理水平、环境水平、设备设施水平、技术水平、法制监管水平的综合作用影响，各个因素的水平提高将使矿山水患的状况得到整体改善，同时各因素之间又彼此影响，存在复杂的因果关系。结合系统论事故致因模型，矿山水患的因果关系图如图1所示。

图1 矿山水患致灾系统因果关系图

2 矿山水患致灾机理模型构建

根据矿山水患安全水平因果关系图，考虑到系统动力学方程建立的合理性，根据系统动力学理论，定义如下模型变量：模型变量含义如表1。

表1 模型变量含义

根据因果关系图和定义的模型变量，建立矿山水患致灾系统流图，如图1。

图1 矿山水患致灾系统流图

3 模型仿真与应用

本文使用Vensim PLE软件进行矿山水患致灾系统的仿真。设定3年后矿山水患方面的安全水平期望值为95。在设定条件下，仿真结果如下。

(1)理想状态下，矿井水患致灾系统的安全水平达到期望安全水平需27个月。不论是各因素还是系统整体，安全水平的提高都不能一蹴而就，是一个动态过程，贵在坚持，重在坚守。

(2)人的行为和环境的变化难度更大，人的行为水平2年半后达到预期，环境的安全水平3年半后达到预期。由此，可以帮助矿山更加科学地设立安全生产总目标和短期目标。

(3)不同因素对矿山水患的影响程度不通。其中“预警管理”的作用效率最大，其次是“人的行为”，其他因素的作用不太明显，这与该矿山水患的实际情况是相符的。因此，加强预警管理，规范人员操作行为是减少该矿山水患的重点，有助于矿山管理者采取相应的安全措施。

4 结论

(1)坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，采取“防、堵、疏、排、截、避”综合治理措施。

(2)健全防治水机构、明确水患防治责任，配足防治水专业技术人员和专职探放水作业人员。

(3)制定和落实防治水措施。对影响矿井开采的地表水体进行截排及封堵措施；对井下开采采取如下措施：留设防隔水矿(岩)柱；配备与矿井涌水量相匹配的水泵等设备；在水文地质条件复杂的矿井设置防水闸门，或在正常排水系统基础上配备排水能力不小于最大涌水量的排水系统。

(4)全面普查矿区内水患致灾因素。掌握地质、降水等资料，密切观察外部环境变化对矿山的影响。

(5)防范暴雨、洪水引发矿山水患事故。安排专人负责对矿区范围内、可能波及的地区和可能影响矿井安全生产的工程等重点部位进行巡视检查；关注水利、气象等部门发布的预警信息，密切监控隐患区域降雨情、水情变化，加强监测预警工作；暴雨洪水等事故灾害紧急情况下及时撤离的制度；在雨季前要开展一次隐患排查治理行动。

(6)健全落实水患应急处置机制。结合矿山水患实际情况，制定水患应急救援预案，编写针对性强、操作性强的现场处置方案，定期组织全体工作人员进行演练，提高防灾意识；充分利用安全监控、水害监测等系统，发现相关险情征兆时，应当立即启动应急预案，停产撤人避险，最大限度减少损失；定期检查、维修通风、排水等设施，确保正常运行；险情信息及时依法上报，以便有关部门安排后续人员救援、安置等工作。