賈齊林，吳 蒸，沈 虎，劉 萌

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.陜西陜煤銅川礦業(yè)公司，陜西 銅川 727015)

?

基于瓦斯煤塵爆炸的礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)研究

賈齊林1，吳 蒸2，3，沈 虎4，劉 萌2

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.陜西陜煤銅川礦業(yè)公司，陜西 銅川 727015)

為了更科學(xué)合理地布置礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)，以瓦斯煤塵爆炸為例，引用炸藥爆炸規(guī)律將瓦斯煤塵爆炸的傷害劃分為非常嚴(yán)重區(qū)、嚴(yán)重區(qū)和輕微區(qū)；運(yùn)用爆炸超壓值衰減理論、熱輻射傷害準(zhǔn)則和毒物-濃度傷害準(zhǔn)則，建立了礦井瓦斯煤塵爆炸三區(qū)傷害范圍劃分準(zhǔn)則；結(jié)合瓦斯煤塵爆炸的特點(diǎn)及不同緊急避險(xiǎn)設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)井下避險(xiǎn)設(shè)施的合理位置和類(lèi)型進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：非常嚴(yán)重區(qū)和嚴(yán)重區(qū)以沖擊波傷害為主，輕微區(qū)以有毒有害氣體傷害為主；在非常嚴(yán)重區(qū)設(shè)置避難設(shè)施對(duì)瓦斯煤塵爆炸事故無(wú)效；在嚴(yán)重區(qū)中部應(yīng)設(shè)置抗爆性較高的可移動(dòng)救生艙；在輕微區(qū)內(nèi)宜設(shè)置密閉性較強(qiáng)的避難硐室。

緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)；瓦斯煤塵爆炸；三區(qū)傷害劃分準(zhǔn)則；臨時(shí)避難硐室

0 引 言

中國(guó)礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)研究和應(yīng)用起步較晚，在政府和煤礦企業(yè)的共同努力下，近年來(lái)得到了較快發(fā)展。在不到十年時(shí)間內(nèi)完成了從初步認(rèn)識(shí)到全面推廣應(yīng)用的過(guò)程。由于對(duì)相關(guān)理論和技術(shù)研究不夠，在推廣應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，對(duì)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。筆者認(rèn)為，緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)對(duì)礦井災(zāi)害的作用是值得肯定的，但就目前而言，針對(duì)不同災(zāi)害特點(diǎn)的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)理論尚未成熟，對(duì)一些科學(xué)問(wèn)題應(yīng)進(jìn)一步研究。

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，國(guó)有大中型煤礦中，26.8%是高瓦斯礦井，17.6%是煤與瓦斯突出礦井，55.6%是低瓦斯礦井；在地方國(guó)有煤礦和各類(lèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，15%是高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井。礦井重特大事故中，瓦斯煤塵爆炸事故占了相當(dāng)大的比例[2-3]?！睹旱V井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》要求：突出煤層的掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度及采煤工作面推進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)500 m時(shí)，應(yīng)在距離工作面500 m內(nèi)建設(shè)臨時(shí)避難硐室或設(shè)置救生艙；其他礦井在距離采掘工作面1 000 m范圍內(nèi)建設(shè)避難硐室或設(shè)置可移動(dòng)救生艙。針對(duì)瓦斯煤塵含量不同的煤礦，緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)如何布置才合乎科學(xué)，這對(duì)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和節(jié)約資金具有重要意義。所以，文中擬對(duì)瓦斯煤塵爆炸下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 瓦斯煤塵爆炸傷害模型

瓦斯煤塵爆炸是瓦斯煤塵在井下巷道中共同參與爆炸的結(jié)果，往往是瓦斯爆炸引起煤塵參與爆炸，其危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純的瓦斯爆炸[4-5]。瓦斯煤塵爆炸對(duì)井下人員的傷害主要分為沖擊波傷害、高溫火焰?zhèn)陀卸居泻怏w的中毒傷害。爆炸傷害的傳播因井下巷道布置及巷道內(nèi)設(shè)施而具有復(fù)雜性，為方便研究，文章不考慮巷道的拐彎、分岔或設(shè)施等的影響。以瓦斯煤塵爆炸對(duì)井下人員造成的傷害程度為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將爆炸傷害范圍以爆炸中心(簡(jiǎn)稱(chēng)爆心)為原點(diǎn)，傳播距離為半徑，劃分為非常嚴(yán)重區(qū)，嚴(yán)重區(qū)和輕微區(qū)3個(gè)區(qū)域。每種傷害都有其對(duì)應(yīng)的三區(qū)傳播范圍。

當(dāng)發(fā)生瓦斯煤塵爆炸時(shí)，井下人員能夠得以逃生，主要跟2個(gè)距離和2個(gè)速度有關(guān)，即：事故現(xiàn)場(chǎng)到工作人員之間的距離s1，工作人員到避險(xiǎn)設(shè)施的距離s2，災(zāi)害的蔓延速度v1，工作人員的逃生速度v2，如圖1所示。

圖1 爆炸現(xiàn)場(chǎng)、逃生者、避難設(shè)施相對(duì)位置示意圖Fig.1 Explosion spot，survivor and shelter relative position

非常嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的工作人員距事故現(xiàn)場(chǎng)較近，即s1

嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的工作人員相對(duì)距離事故現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，距避難設(shè)施較近，即s1>s2.同非常嚴(yán)重區(qū)一樣，t1=(s1+s2)/v1，t2=s2/v2。此時(shí)，若t2>t1，則工作人員直接死亡；若t1>t2，則工作人員有機(jī)會(huì)進(jìn)入避難設(shè)施進(jìn)行躲避。所以，嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的工作人員具有逃生的可能。

輕微區(qū)內(nèi)的工作人員距離事故現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，即s1≥s2，事故發(fā)生時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的工作人員有充足的逃跑時(shí)間可以逃至地面。當(dāng)逃生路線(xiàn)被阻需要進(jìn)入避難設(shè)施躲避時(shí)，t1>t2，即他們可以進(jìn)入就近的避難設(shè)施，等待救援。所以輕微區(qū)雖然處于事故的波及范圍內(nèi)，但其內(nèi)的工作人員具有逃生能力和逃生時(shí)間。

2 瓦斯煤塵爆炸傷害準(zhǔn)則

2.1 TNT當(dāng)量計(jì)算

首先，采用TNT當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓦斯煤塵爆炸的能量進(jìn)行量化，其公式[6]為

MTNT=0.945VCH4+1.58MC.

(1)

式中MTNT為參與爆炸的瓦斯煤塵的TNT當(dāng)量質(zhì)量，kg；VCH4為參與爆炸的瓦斯體積量，m3；MC為參與爆炸的煤塵質(zhì)量，kg.

2.2 沖擊波傷害三區(qū)范圍

關(guān)于沖擊波對(duì)人的傷害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合人體本身的特點(diǎn)，在利用動(dòng)物做了大量實(shí)驗(yàn)研究后表明：當(dāng)沖擊波超壓達(dá)到P1=0.02 MPa時(shí)，人體將開(kāi)始受到輕微傷害；當(dāng)該壓力達(dá)到并超過(guò)P2=0.1 MPa時(shí)，沖擊波將會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害；當(dāng)超壓達(dá)到P3=0.3 MPa時(shí)，沖擊波將會(huì)直接造成人體的死亡。標(biāo)準(zhǔn)炸藥爆炸的超壓值衰減公式[6]如下

(2)

式中P為距爆心R米處的爆炸超壓值，kPa；S為巷道凈斷面積，m2；R為距爆心的距離，m.

將P1，P2，P3值代入式(2)得

(3)

式中R1為非常嚴(yán)重區(qū)邊界到爆心的距離，m；R2為嚴(yán)重區(qū)邊界到爆心的距離，m；R3為輕微區(qū)邊界到爆心的距離，m.

2.3 高溫火焰?zhèn)θ齾^(qū)范圍

研究瓦斯爆炸高溫灼傷過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，火焰峰面?zhèn)鞑ゾ嚯x以及傷害范圍很難直接確定。因此，為方便理論研究，假設(shè)爆炸是在井下巷道中瞬時(shí)完成的，并且高溫氣體主要以火球熱輻射的形式對(duì)井下人員造成傷害。中國(guó)學(xué)者宇德明根據(jù)Pietersen熱輻射傷害概率公式，推導(dǎo)出熱劑量傷害準(zhǔn)則[7]，見(jiàn)表1.

表1 瞬態(tài)火災(zāi)作用下熱劑量傷害準(zhǔn)則

在不考慮巷道壁面粗糙程度對(duì)熱輻射傳播的影響以及空氣對(duì)熱輻射吸收作用的情況下，火焰在井下受巷道約束，通過(guò)火球熱輻射傳播規(guī)律[7]得到火焰?zhèn)嚯x公式

(4)

式中 Q為當(dāng)量火球熱輻射計(jì)量，kJ/m2；T為火球溫度，一般取值2 580K.

將傷害準(zhǔn)則代入式(4)得

(5)

2.4 有毒有害氣體傷害三區(qū)范圍

瓦斯煤塵爆炸后，有毒有害氣體的成分以CO為主。氣體隨著風(fēng)流擴(kuò)散至整個(gè)礦井，只有長(zhǎng)時(shí)間吸入有毒有害氣體，才會(huì)造成中毒。故而利用毒物-濃度傷害準(zhǔn)則[8]作為瓦斯煤塵爆炸下的有毒有害氣體的傷害，傷害準(zhǔn)則見(jiàn)表2.

表2 有毒有害氣體傷害準(zhǔn)則表

研究表明，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，當(dāng)巷道平均風(fēng)速0.32～4.55 m/s，摩擦阻力系數(shù)為0.008～0.047 N·s2/m4，雷諾數(shù)Re為1×104～1.36×105，縱向紊流彌散系數(shù)Ex為0.922～7.921 m2/s時(shí)，巷道毒害氣體濃度隨距離變化的關(guān)系式[9]為

Cmax=0.035Mr-1/2α-1/4R-1/2.

(6)

式中Cmax為有毒有害氣體濃度，g/m3；M為參與爆炸的煤塵量，m3；R為井巷半徑，m；α為井巷摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4.

將式(6)帶入表2，按50 g/m3(體積分?jǐn)?shù)為4%)的瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的CO量來(lái)計(jì)算爆炸后有毒有害氣體在巷道中的傷害范圍，得如下公式

(7)

2.5 爆炸傷害準(zhǔn)則

式(3)(5)(7)分別為直線(xiàn)巷道中沖擊波、高溫火焰以及有毒有害氣體所對(duì)應(yīng)的三區(qū)傷害范圍距離公式。這些距離公式因各自準(zhǔn)則的不同，所以各傷害范圍也不相同，實(shí)際瓦斯煤塵爆炸中需要對(duì)這3類(lèi)傷害范圍進(jìn)行綜合考慮，以便選擇合理的傷害分區(qū)作為參考依據(jù)。三者的傷害范圍均是參與爆炸的瓦斯煤塵爆炸質(zhì)量的函數(shù)。在爆炸物質(zhì)量一定的情況下，若僅考慮煤塵爆炸，通過(guò)計(jì)算對(duì)比、取并集，可得三區(qū)中各傷害傳播范圍，如圖2所示。

圖2 三區(qū)中各傷害傳播范圍示意圖Fig.2 Transmission range of every damage in the three regions

同理，若僅考慮瓦斯參與爆炸的情況下，傷害范圍對(duì)比情況與煤塵爆炸傷害范圍對(duì)比情況相同。故三區(qū)標(biāo)準(zhǔn)傷害范圍應(yīng)為非常嚴(yán)重區(qū)和嚴(yán)重區(qū)以沖擊波傷害范圍為準(zhǔn)，輕微區(qū)傷害范圍以有毒有害氣體為準(zhǔn)，見(jiàn)表3.

實(shí)際上，瓦斯煤塵爆炸的傷害在井下傳播受多種因素影響，如巷道內(nèi)障礙物[10]、巷道斷面變化、巷道壁粗糙度、轉(zhuǎn)彎和分岔[11]以及風(fēng)流等等。由于井下條件復(fù)雜多變，目前此方面研究仍不完善?？偟膩?lái)說(shuō)，在這些因素影響下，原來(lái)的傷害范圍會(huì)有所改變，即

R′=λR.

(8)

式中 R′為爆炸實(shí)際傷害范圍，m；λ為爆炸傷害影響因數(shù)；R為爆炸理論傷害范圍，m.

表3 瓦斯煤塵爆炸三區(qū)傷害范圍準(zhǔn)則

3 緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的布置

緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)主要由避災(zāi)路線(xiàn)和避險(xiǎn)設(shè)施組成。其作用有2個(gè)：第一，在災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中保護(hù)井下人員不受災(zāi)害直接傷害。如在瓦斯爆炸發(fā)展、火災(zāi)和水災(zāi)發(fā)生及蔓延過(guò)程中，井下人員在來(lái)不及逃至地面的情況下，可進(jìn)入就近的避難所，以避免受到傷害。第二，在災(zāi)害發(fā)生后，在逃至地面的路線(xiàn)被阻斷的情況下，為受阻人員提供必要的條件以維持生命，等待救援。如在井巷垮塌、被水淹沒(méi)、被煙火阻斷等人員無(wú)法通行的情況下，可進(jìn)入就近的避難所躲避，以等待救援。影響緊急避難系統(tǒng)的類(lèi)型選擇、系統(tǒng)布置、作用發(fā)揮的主要因素有：埋深、開(kāi)拓方式、逃生距離等。不同的礦井，應(yīng)選擇不同類(lèi)型的避險(xiǎn)系統(tǒng)，采用不同的布置方式。

3.1 避險(xiǎn)設(shè)施的合理位置

采掘面是煤礦主要作業(yè)點(diǎn)，避難設(shè)施距采掘面的距離并不是越小越好[12]。若距離采掘面太近，不但因增加搬遷頻率而增大成本，更重要的是采掘面附近是事故高發(fā)地點(diǎn)，一旦采掘面或其附近發(fā)生瓦斯煤塵爆炸可能會(huì)對(duì)避難設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p害從而失效。相對(duì)于非常嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的人員來(lái)講，嚴(yán)重區(qū)或輕微區(qū)內(nèi)的工作人員有2種情況：一種是在其他采掘面作業(yè)的人員，另一種是在路途中的上下班人員，或沿途作業(yè)人員，或處于沿途硐室中的作業(yè)人員。

3.1.1 非常嚴(yán)重區(qū)內(nèi)

一般來(lái)說(shuō)，非常嚴(yán)重區(qū)的起始邊界應(yīng)從采掘面開(kāi)始。正如上文所述，發(fā)生瓦斯煤塵爆炸事故時(shí)，該區(qū)域主要以沖擊波傷害為主，其內(nèi)工作人員直接死亡，因此在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置避險(xiǎn)設(shè)施對(duì)瓦斯煤塵爆炸是無(wú)效的。如果在此處設(shè)置避難設(shè)施則一定是針對(duì)其他災(zāi)害的。

3.1.2 嚴(yán)重區(qū)內(nèi)

嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的傷害形式雖然也是以沖擊波傷害為主，但傳播至此區(qū)域時(shí)其能量將不會(huì)使人員直接死亡。也就是說(shuō)，在嚴(yán)重區(qū)作業(yè)的人員，如果就近有避難設(shè)施，其逃生是有條件的。從最大化救人的角度講，避難設(shè)施應(yīng)布置在嚴(yán)重區(qū)中部。因此，在嚴(yán)重區(qū)中部設(shè)置避難設(shè)施將會(huì)對(duì)井下人員的生命安全提供一定的保障。

3.1.3 輕微區(qū)內(nèi)

輕微區(qū)距離爆炸現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，且傷害形式以有毒有害氣體為主，其內(nèi)的工作人員有充足的時(shí)間逃至地面。若避災(zāi)路線(xiàn)受阻，則可躲避到就近的避難設(shè)施內(nèi)。所以，在輕微區(qū)也應(yīng)該設(shè)置避難設(shè)施。輕微區(qū)內(nèi)避險(xiǎn)設(shè)施的布置位置，可按以下公式計(jì)算

L=wVT.

(9)

式中 L為避險(xiǎn)設(shè)施距嚴(yán)重區(qū)邊界的距離，m；V為緊急情況下，人員在井下的平均步行速度，取值60m/min；T為自救器有效時(shí)間，自救器的實(shí)際有效時(shí)間應(yīng)該是60*a，a為影響系數(shù)，取值范圍在0.4～0.8之間，水平巷道取值0.6，上坡巷道取下限，下坡巷道取上限[13]；w為安全系數(shù)，一般取值0.5.

3.2 避險(xiǎn)設(shè)施的類(lèi)型選擇

緊急避險(xiǎn)設(shè)施包括永久避難硐室、臨時(shí)避難硐室和可移動(dòng)式救生艙[14]?？梢苿?dòng)救生艙是一種可移動(dòng)的、獨(dú)立的避難所，其外殼具有較強(qiáng)的抗爆和耐高溫能力，其內(nèi)部配備有完善的生命保障系統(tǒng)，可最大限度地適應(yīng)煤礦采掘作業(yè)點(diǎn)移動(dòng)的要求，是一種理想的井下避難設(shè)施。避難硐室是一種固定的避難場(chǎng)所，其中臨時(shí)避難硐室服務(wù)時(shí)間短，服務(wù)范圍小，對(duì)其要求較寬；而永久避難硐室服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，服務(wù)范圍大，對(duì)其要求也相對(duì)較嚴(yán)。緊急避難設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表4.

表4 緊急避險(xiǎn)設(shè)施比較表

通過(guò)比較分析可知，針對(duì)其他災(zāi)害而言，在非常嚴(yán)重區(qū)內(nèi)應(yīng)選擇可移動(dòng)救生艙，其對(duì)抗爆性的要求可大大降低；在嚴(yán)重區(qū)中部也應(yīng)選擇可移動(dòng)救生艙，但需要較高的抗爆性；在輕微區(qū)內(nèi)宜設(shè)置(臨時(shí))避難硐室，但對(duì)其密閉性要求較高。

4 結(jié) 論

1)以人員受傷程度為標(biāo)準(zhǔn)，建立了傷害分區(qū)模型，將瓦斯煤塵爆炸傷害區(qū)域分為非常嚴(yán)重區(qū)、嚴(yán)重區(qū)和輕微區(qū)；

2)通過(guò)比較計(jì)算給出了三區(qū)傷害范圍準(zhǔn)則，并得到非常嚴(yán)重區(qū)和嚴(yán)重區(qū)以沖擊波傷害為主，輕微區(qū)以有毒有害氣體傷害為主；

3)在非常嚴(yán)重區(qū)設(shè)置可移動(dòng)救生艙對(duì)瓦斯煤塵爆炸事故無(wú)效，若針對(duì)其他災(zāi)害設(shè)置，可降低其抗爆性；

4)針對(duì)瓦斯煤塵爆炸事故，應(yīng)在在嚴(yán)重區(qū)中部設(shè)置具有較高抗爆性能的可移動(dòng)救生艙；在輕微區(qū)內(nèi)宜設(shè)置密閉性較強(qiáng)的(臨時(shí))避難硐室。

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Emergency refuge system of coal mine under gas and coal dust explosion

JIA Qi-lin1，WU Zheng2，3，SHEN Hu4，LIU Meng2

(1.ChinaCoalXi’anDesignEngineeringCompanyLimited，Xi’an710054，China；2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；4.TongchuanMiningCo.，Ltd.,Tongchuan727015，China)

In order to arrange coal mine emergency refuge system more scientifically and more reasonably，taking mine gas and coal dust explosion accidents as an example，the law of explosive detonation is referenced to divide injury regions into very serious region，serious region and gentle region.Used the attenuation theory of explosion overpressure，the injury criterion of thermal dosage and poison-concentration，the criterion of range classification of three regions is given.Combined with the characteristics of gas and coal dust explosion and the advantages and disadvantages of different refuge facilities，we study the reasonable position and types of the emergency refuge installations.The results show that the very serious region and the serious region are subject to blast wave，and the gentle region is subject to poisonous gases.And refuge facilities don’t work in very serious region.And movable rescue chamber with strong explosion-proof should be set in the middle serious region.And refuge chamber with good airtightness should be set in the gentle region.

emergency refuge system；gas and coal dust explosion；criterion of three regions range classification；temporary refuge chamber

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0605

1672-9315(2016)06-0787-06

2016-06-12 責(zé)任編輯：楊泉林

陜西省自然科學(xué)基金(2011jy005)；陜西省巖層控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13JS066)

賈齊林(1957-)，男，河南沁陽(yáng)人，高級(jí)工程師，E-mail：18710800817@163.com

TD712；TD77+

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