王德明邵振魯朱云飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

我國近90%的煤炭為井工開采,加之礦井地質(zhì)條件和煤層賦存條件復(fù)雜,面臨熱動力災(zāi)害、突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓及頂板等重大災(zāi)害的嚴重威脅。近些年來,我國通過加大煤礦安全科技投入、強化安全監(jiān)管和優(yōu)化產(chǎn)能結(jié)構(gòu),煤礦安全生產(chǎn)狀況雖明顯好轉(zhuǎn),但形勢依然嚴峻,堅決防范和遏制煤礦重特大事故仍是煤礦安全發(fā)展的迫切需求。

熱動力災(zāi)害是指煤礦井下發(fā)生的非控制燃燒與爆炸造成的災(zāi)害,包括煤自燃、外因火災(zāi)、瓦斯燃燒爆炸、煤塵爆炸等災(zāi)害。2010—2019年,我國共發(fā)生煤礦熱動力重特大事故55 起,死亡1 074 人。其中2013-03-29,2013-04-01 吉林通化八寶煤礦采空區(qū)發(fā)生煤燃燒與瓦斯爆燃,封閉工作面時又發(fā)生瓦斯爆炸,共造成53 人死亡,是我國近年來最嚴重的一起煤礦熱動力特大事故。煤礦熱動力重特大事故時至今日還在發(fā)生,未被遏制。2019年,我國仍發(fā)生煤礦熱動力重大事故2 起,造成36 人死亡;還發(fā)生了一起11 人被困井下的重大火災(zāi)涉險事故;此外,還發(fā)生了8 起造成10 人以下死亡和多起造成嚴重經(jīng)濟損失的熱動力災(zāi)害事故。2020年,又發(fā)生了2 起重大火災(zāi)事故,共造成39 人死亡。

國外煤礦的熱動力重特大事故也十分嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計,國外近些年發(fā)生有報道的煤礦重特大事故49 起,其中熱動力災(zāi)害事故43 起,占88%。其中2010-04-05 美國西弗吉尼亞州UBB 煤礦的一個長壁采煤工作面上隅角先發(fā)生瓦斯燃燒、后出現(xiàn)爆炸,最后引發(fā)煤塵爆炸,造成29 人死亡,是美國近40 a來最大的一起煤礦事故。2014-05-14 土耳其索瑪煤礦井下發(fā)生火災(zāi),后又引起瓦斯爆炸,救援過程中采取反風(fēng)又導(dǎo)致事故擴大,最終造成301 人死亡,成為21世紀世界范圍內(nèi)最大的一起煤礦事故。

過去國內(nèi)外在煤礦熱動力災(zāi)害防治理論與技術(shù)方面開展了大量研究,取得了許多成果。但對于熱動力重特大事故的成災(zāi)、致災(zāi)機理和救災(zāi)風(fēng)險的基礎(chǔ)研究還比較缺乏,導(dǎo)致熱動力重大災(zāi)害預(yù)防和處理的科學(xué)性不足。為此,筆者凝練提出煤礦熱動力重大災(zāi)害防控亟需解決的幾個科學(xué)問題,并對它們的研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)及前景進行闡述與分析,為進一步有效防范與應(yīng)對煤礦熱動力重特大事故提供關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

1 科學(xué)問題的提出

為認識煤礦熱動力重特大事故的發(fā)生規(guī)律,筆者對我國2000—2019年一次死亡10 人及以上的509起煤礦重特大事故、1949—2019年一次死亡30 人及以上的302 起煤礦特大事故和24 起一次死亡百人以上事故進行了統(tǒng)計與分析,結(jié)果表明熱動力災(zāi)害在煤礦重特大事故中占比最高、致災(zāi)最嚴重。如圖1所示,熱動力災(zāi)害的事故起數(shù)在百人及以上事故中占91.6%,在30 人及以上的特大事故中占83.6%,在10 人及以上的重特大事故中占61.6%。

在煤礦開采技術(shù)經(jīng)歷了長期發(fā)展、科技水平日益進步的當(dāng)代,為何熱動力災(zāi)害還時有發(fā)生? 為何還不能遏制熱動力災(zāi)害重特大事故? 筆者通過對近年來國內(nèi)外的煤礦熱動力災(zāi)害重特大事故的總結(jié)分析、特別結(jié)合親身參與的多起事故救援與處理經(jīng)歷,對這些問題進行了剖析,認為過去未能遏制熱動力重特大事故發(fā)生的主要原因是對以下3 個科學(xué)問題認識不足,導(dǎo)致在防治和救援工作中缺少針對性和有效性:

圖1 我國煤礦重特大事故類型統(tǒng)計Fig.1 Statistics of major coal mine accidents in China

(1)對采場中氣、固相可燃物(瓦斯與煤)復(fù)合燃燒及點火特性認識不足。瓦斯與煤作為氣、固相可燃物在煤礦井下的采場中同生共存,過去將瓦斯災(zāi)害、煤自燃和煤塵爆炸分類對待,較少關(guān)注不同相態(tài)復(fù)合可燃物的成災(zāi)特性,也缺少有效防治措施,導(dǎo)致常發(fā)生瓦斯與煤復(fù)合燃燒的重特大事故,如我國八寶煤礦、美國UBB 煤礦、土耳其索瑪煤礦等熱動力重特大事故都具有瓦斯與煤復(fù)合燃燒(爆炸)的共同特征。即使認識到2 者有聯(lián)系,也只認為煤自燃是瓦斯的點火源,未認識到采場中含石英砂巖頂板垮落產(chǎn)生壓電火花等點火源可引發(fā)瓦斯燃燒(爆炸)、進而引發(fā)煤著火再形成引燃瓦斯的點火源,可導(dǎo)致瓦斯多次爆炸,這正是瓦斯與煤復(fù)合燃燒(爆炸)的特征,如寧夏白芨溝煤礦2421-1 采空區(qū)發(fā)生了上百次爆炸、吉林八寶煤礦-416 采區(qū)發(fā)生了5 次爆炸(爆燃)、安徽任樓煤礦Ⅱ7322 采空區(qū)發(fā)生了8 次爆炸等。過去對這種復(fù)合燃燒的最初點火原因和采場中含瓦斯混合空氣的時空特性缺少研究,導(dǎo)致不了解采場中復(fù)合可燃物的燃燒特性,也缺少針對性的防治措施。

(2)對熱動力災(zāi)害致災(zāi)因素與通風(fēng)系統(tǒng)耦合的致災(zāi)作用認識不足。煤礦熱動力災(zāi)害的致災(zāi)因素為火焰、煙氣和沖擊波,造成人員大量傷亡的原因主要是有害煙氣。過去只認識到了火風(fēng)壓對通風(fēng)系統(tǒng)的影響,但對火焰與沖擊波對通風(fēng)系統(tǒng)的破壞作用、不可靠(脆弱)通風(fēng)系統(tǒng)與災(zāi)變擴大的關(guān)系、災(zāi)變時期通風(fēng)與煙流的控制方法等缺少研究,導(dǎo)致目前仍缺少有效的應(yīng)對方法和技術(shù)。凡是造成大量人員傷亡的熱動力重特大事故都與通風(fēng)系統(tǒng)不可靠(脆弱)有關(guān),例如阜新孫家灣、水城木充溝、銅川陳家山、開灤劉官屯等煤礦發(fā)生的死亡百人以上的熱動力災(zāi)害事故,事故采區(qū)都為下行通風(fēng),有的還存在缺少專用回風(fēng)巷、一巷多用、通風(fēng)裝備與設(shè)施不可靠等問題,當(dāng)發(fā)生熱動力災(zāi)害時,沖擊波、火風(fēng)壓首先破壞脆弱通風(fēng)系統(tǒng),然后有毒煙流擴散到更大區(qū)域釀成重特大事故。2020年我國又發(fā)生2 起重大熱動力(火災(zāi))事故(重慶松藻煤礦“9·27”重大火災(zāi)事故、重慶吊水洞煤礦“12·4”重大火災(zāi)事故),盡管這2 起火災(zāi)的起因并不復(fù)雜,但都發(fā)生了因火風(fēng)壓導(dǎo)致的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,正是高溫?zé)熈髋c脆弱通風(fēng)系統(tǒng)的耦合作用造成煙侵區(qū)域擴大。

(3)對熱動力災(zāi)害救援的不確定性風(fēng)險特性認識不足。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜,熱動力災(zāi)害的發(fā)生具有隱蔽性和突發(fā)性、發(fā)展具有動態(tài)性,災(zāi)情信息難以準確、及時獲取,救援決策常面臨不確定性的災(zāi)情和風(fēng)險。但是,已有的救援方法與技術(shù)主要針對確定性問題或風(fēng)險,缺少處理不確定性風(fēng)險的能力,當(dāng)面對未知的狀態(tài)和不確定性風(fēng)險時,常常束手無策或容易冒險決策。由于災(zāi)情發(fā)展的動態(tài)性和后果的嚴重性,當(dāng)認識不到不確定性風(fēng)險時,冒險決策就會產(chǎn)生嚴重后果,如吉林八寶煤礦2013-04-01 處理災(zāi)情時造成17 名救援人員死亡、新疆大黃山煤礦2014-07-05 處理災(zāi)情時也造成17 人遇難。對救援的不確定性風(fēng)險缺少認識,主要是缺少發(fā)現(xiàn)和處理不確定性風(fēng)險的方法與技術(shù),這是導(dǎo)致救援困難和決策失誤的主要原因。

2 科學(xué)問題的研究現(xiàn)狀與分析

2.1 采場中氣、固相可燃物(瓦斯與煤)復(fù)合燃燒及點火特性

瓦斯與煤作為氣、固相可燃物在煤礦井下的采場中同生共存,在煤礦開采過程中,采場中遺留的浮煤可能發(fā)生自燃,逸出的瓦斯則可能發(fā)生燃燒與爆炸。過去將煤自燃、瓦斯災(zāi)害分類對待,較少關(guān)注2 者的相互關(guān)系,但近年來煤與瓦斯復(fù)合致災(zāi)的重特大事故時有發(fā)生,人們開始關(guān)注煤與瓦斯復(fù)合成災(zāi)的原因。

采空區(qū)具有煤自燃與瓦斯積聚共存的特點,故不少學(xué)者對采空區(qū)煤自燃與瓦斯的相互作用關(guān)系進行了研究。有的研究了高瓦斯易自燃煤層綜放開采下瓦斯與煤自燃的綜合治理問題、瓦斯抽采對工作面采空區(qū)煤炭自燃的影響[1-4],有的開展了抽采與通風(fēng)條件下不同工作面采空區(qū)瓦斯分布的數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試研究[5-6],有的開展了模擬采空區(qū)條件的煤樣在含甲烷濃度到達爆炸界限的混合空氣中升溫并引燃瓦斯的實驗研究[7],有的對采空區(qū)中不同瓦斯?jié)舛葓觥⒚鹤匀佳鯕鉂舛葓龅葪l件下的煤與瓦斯交匯區(qū)域的危險性進行了分析[8]等。相關(guān)研究認為抽采瓦斯對采空區(qū)煤自燃的“三帶”有顯著影響,抽采負壓帶來的漏風(fēng)增加了煤自燃和形成可燃瓦斯混合空氣的危險性,沿工作面的新鮮通風(fēng)區(qū)域與富含瓦斯氣體結(jié)合的邊緣處是采空區(qū)瓦斯爆炸與煤自燃耦合成災(zāi)的危險區(qū)域等。這些研究都是致力于尋找采空區(qū)中煤易自燃、瓦斯易爆的交匯區(qū),在發(fā)生采空區(qū)瓦斯爆炸的點火原因上,都認為煤自燃是瓦斯燃燒爆炸事故的最初點火源。

除了煤自燃可作為點燃瓦斯的點火源外,人們還關(guān)注了煤礦中巖石、金屬等堅硬物體間摩擦撞擊產(chǎn)生的點火源,但至今對巖石之間的摩擦撞擊點火成因仍不明確。最早開展相關(guān)研究的是英國[9],從1928年起到20世紀90年代,英國的煤礦管理部門就對煤礦中瓦斯燃燒的點火源進行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)含石英的堅硬巖石是摩擦點火的常見原因;隨后美國、南非、前蘇聯(lián)、澳大利亞等國都對金屬、巖石摩擦點火引起的煤礦瓦斯事故進行了統(tǒng)計與調(diào)查,結(jié)果表明摩擦點火引發(fā)的瓦斯燃燒爆炸事故至少占事故總數(shù)的1/4 以上,有的達75%。自20世紀末起,國內(nèi)一些研究者開始關(guān)注巖石冒落摩擦撞擊引發(fā)瓦斯事故的原因,開展了相關(guān)的實驗,但開展的巖石摩擦撞擊實驗僅根據(jù)熱點火的溫度標準來衡量其點火能力,相關(guān)實驗結(jié)果表明,巖石摩擦測試的最高溫度沒有超過160 ℃,巖石撞擊摩擦產(chǎn)熱沒有超過250 ℃[10-12]。由于難以在實驗室模擬并驗證實際條件下的頂板巖石摩擦撞擊產(chǎn)熱點火,人們在實際分析采空區(qū)點火源時很少將頂板巖石冒落摩擦認定為點火源,由于一般認為采空區(qū)內(nèi)沒有其他人為的外部熱源,如果不能確認頂板巖石冒落摩擦撞擊的點火作用,就普遍將煤自燃認定為引發(fā)瓦斯燃燒爆炸的點火源。但需要指出的是,點燃瓦斯的最低溫度為650 ℃,煤自燃若作為點火源,其煤溫要到達650 ℃以上,此時的煤炭已處于明火燃燒狀態(tài),在此之前需經(jīng)歷相當(dāng)長的蓄熱過程,且一定會出現(xiàn)煤自燃指標氣體濃度持續(xù)升高,并出現(xiàn)煙霧和氣味等明顯發(fā)火征兆,如果前期無征兆,直接認定煤自燃為點火源就缺少依據(jù)。此外,如果堅硬巖石摩擦撞擊產(chǎn)生摩擦火花或含石英巖石受壓斷裂的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電火花,其點火能量就能達到點燃瓦斯的電點火條件(0.28 mJ 以上)。筆者團隊近年開展了采空區(qū)含石英頂板巖石的壓電效應(yīng)實驗,八寶、任樓煤礦的頂板巖石石英質(zhì)量分數(shù)分別為81.6%,63.3%,初步實驗結(jié)果表明石英質(zhì)量分數(shù)超過60%的頂板巖石受壓破裂產(chǎn)生的壓電效應(yīng)非常顯著,巖石破裂時壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場放電形成電火花,這從壓電效應(yīng)新角度揭示了采空區(qū)瓦斯燃燒爆炸點火源的特性。

綜上所述,現(xiàn)有研究大多認為煤與瓦斯復(fù)合災(zāi)害發(fā)生在開采自燃(易自燃)和高瓦斯煤層的礦井,只認識到煤自燃是瓦斯燃燒爆炸事故的點火源,這是一種對煤與瓦斯復(fù)合災(zāi)害認識的誤區(qū),許多實際案例表明,開采高瓦斯、不易自燃煤層的礦井更易發(fā)生煤與瓦斯復(fù)合災(zāi)害,這是由于瓦斯的點火能量低、易點燃,瓦斯燃燒后引燃煤炭、燃燒時間持久、還可再引燃(爆)瓦斯的緣故。目前,對瓦斯與煤作為氣固復(fù)合可燃物的最初點火原因和燃燒特性還缺少深入研究,防治措施也缺乏針對性。針對瓦斯與煤復(fù)合可燃物的特點,需進一步研究采場中瓦斯與漏風(fēng)形成可燃混合氣體的時空特性;研究采空區(qū)中可能存在的點火源及其點火特性,包括煤自燃、各類堅硬物體摩擦撞擊產(chǎn)生的熱點火條件及特性,含石英砂巖頂板應(yīng)力變化造成的壓電效應(yīng)和頂板受壓破裂壓電放電的電點火及特性;研究煤與瓦斯復(fù)合燃燒形成的連續(xù)爆炸原因、條件和規(guī)律。通過這些研究,有針對性地加強和完善瓦斯抽采與頂板控制技術(shù),預(yù)防含瓦斯混合空氣的形成,弱化和控制礦井頂板初次及周期來壓造成的壓電效應(yīng),消除點燃瓦斯的最初點火源,提高礦井的防災(zāi)能力。

2.2 熱動力災(zāi)害致災(zāi)因素與通風(fēng)系統(tǒng)耦合的致災(zāi)作用

熱動力災(zāi)害煙氣和沖擊波可在井巷網(wǎng)絡(luò)中遠距離傳播,這是導(dǎo)致重特大事故的主要原因。過去對火災(zāi)煙流在通風(fēng)系統(tǒng)中產(chǎn)生火風(fēng)壓及其導(dǎo)致的風(fēng)流紊亂有較多研究,但對火風(fēng)壓、沖擊波與通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)系及致災(zāi)作用研究較少。

在礦井火災(zāi)煙氣擴散及致災(zāi)作用方面,BUDRYK最早研究了礦井火災(zāi)時期的風(fēng)流紊亂現(xiàn)象,提出過量煙氣學(xué)說和局部火風(fēng)壓理論,開創(chuàng)了礦井火災(zāi)時期風(fēng)流紊亂研究的先河。20世紀70年代起,波蘭、中國、日本、德國和美國開展了一系列礦井火災(zāi)實驗,考察了煤礦常見可燃物的燃燒特性,以及在不同火源強度和通風(fēng)狀態(tài)下煙氣在巷道中的蔓延規(guī)律和多參數(shù)演化特征,尤其對煙流逆退、風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、節(jié)流效應(yīng)等火災(zāi)煙流熱動力現(xiàn)象進行了探討[13-14],得到了井巷網(wǎng)絡(luò)中火災(zāi)時期的風(fēng)流紊亂規(guī)律。基于此,國內(nèi)外學(xué)者自20世紀70年代起應(yīng)用計算機編程技術(shù)研究了火災(zāi)煙氣在復(fù)雜井巷網(wǎng)絡(luò)中的傳播,當(dāng)時成為了國際上礦井通風(fēng)理論研究的熱點,如美國MFIRE 程序、波蘭POZAR 程序能對礦井復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)的火災(zāi)發(fā)展過程進行動態(tài)模擬[15]。這些研究為礦井火災(zāi)時期的災(zāi)情分析和發(fā)展預(yù)測提供了一定基礎(chǔ),但已有研究僅局限于穩(wěn)定通風(fēng)狀態(tài),沒有考慮災(zāi)變時期通風(fēng)系統(tǒng)的變化和致災(zāi)因素對通風(fēng)系統(tǒng)的影響,其研究結(jié)果難以獲得實際應(yīng)用。

在爆炸沖擊波傳播及致災(zāi)作用方面,薩文科最早開始研究礦井瓦斯爆炸在井巷中的傳播及致災(zāi)規(guī)律,他利用管道爆炸實驗得出了沖擊波通過直巷、分岔和轉(zhuǎn)彎處的衰減系數(shù),得到了沖擊波強度基本取決于巷道斷面尺寸的認識。從20世紀60年代起,波蘭、日本、美國、澳大利亞、中國等學(xué)者在各類尺寸管道和大型實際巷道中對瓦斯煤塵爆炸的火焰區(qū)長度和傳播速度、沖擊波壓力的峰值與變化規(guī)律和爆炸破壞效應(yīng)等進行了實驗研究[16],研究表明爆炸具有明顯的尺度效應(yīng),即小尺寸實驗結(jié)果只能獲得定性參考,不能用于定量推斷大尺寸條件下的災(zāi)變特性。有學(xué)者也開展了依經(jīng)驗公式和計算流體力學(xué)的瓦斯爆炸數(shù)值模擬研究,前者受限于經(jīng)驗公式提出背景和特定條件,對變參數(shù)場景模擬的還原性較差[17];多數(shù)學(xué)者應(yīng)用后者還原小尺寸管道實驗以拓展實驗無法反映的參數(shù)特征[18],但有關(guān)礦井瓦斯爆炸的數(shù)值模擬研究還鮮有報道[19-20]。關(guān)于瓦斯爆炸的破壞效應(yīng),挪威學(xué)者Eckhoff 對火焰、超壓和動壓對人體和設(shè)備的傷害方式進行了較系統(tǒng)的總結(jié)和研究[21],前蘇聯(lián)提出了井下抗爆設(shè)計的計算方法,美國在巷道中放置采掘運輸?shù)仍O(shè)備并建造密閉墻進行破壞形式和抗爆性能的實驗[22]。事故調(diào)查表明,瓦斯爆炸的超壓和動壓均具有巨大的致災(zāi)作用。由于瓦斯爆炸正超壓的數(shù)值大且易于測量,當(dāng)前破壞效應(yīng)的研究主要關(guān)注沖擊波正超壓,但仍無法較好解釋正超壓對礦井設(shè)施及構(gòu)筑物的作用特征,更未深入研究負超壓和動壓的破壞特性。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性方面,國外學(xué)者采用結(jié)構(gòu)法、模擬模型法及統(tǒng)計法將通風(fēng)系統(tǒng)的失效分為3級[23-24],國內(nèi)學(xué)者借鑒其它領(lǐng)域的可靠性研究方法對通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的理論和指標體系等進行了探索[25-28]。但目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性理論還不完善,可靠性指標尚無統(tǒng)一的標準,更缺乏結(jié)合熱動力致災(zāi)因素評價通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的研究。

綜上所述,礦井火災(zāi)實驗和仿真模擬已有較成熟的成果,可基本實現(xiàn)火災(zāi)時期的煙流動態(tài)預(yù)測模擬;但對爆炸沖擊波在井下的傳播及致災(zāi)作用還認識不足,缺少在礦井原型尺度通風(fēng)系統(tǒng)中的沖擊波傳播及致災(zāi)特性研究,更缺少沖擊波與煙流的復(fù)合致災(zāi)作用的研究,導(dǎo)致對構(gòu)建和評價礦井通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力缺少方法與標準。針對現(xiàn)有研究的不足和實際需求,應(yīng)當(dāng)開展2 個方面的研究,一是沖擊波與火災(zāi)煙流的復(fù)合致災(zāi)作用,包括沖擊波在復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)中的傳播特性及對通風(fēng)系統(tǒng)的破壞、對人員傷害的致災(zāi)范圍及致災(zāi)程度,通風(fēng)系統(tǒng)遭破壞后的災(zāi)變煙流擴散范圍及致災(zāi)程度等,為礦井避險系統(tǒng)設(shè)計、礦井救援和人員逃生等提供計算模型和依據(jù);二是開展礦井抗災(zāi)能力研究,包括井下消防系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,人員集中區(qū)域的局部反風(fēng)系統(tǒng)、煙流短路控風(fēng)系統(tǒng)、人員避險設(shè)施,通風(fēng)系統(tǒng)抵御沖擊波的方法與設(shè)施等。通過這些研究,掌握沖擊波與煙流在通風(fēng)系統(tǒng)中的傳播范圍及致災(zāi)程度的規(guī)律,建立沖擊波與煙流在通風(fēng)系統(tǒng)中的傳播范圍及致災(zāi)程度的正反演模型,構(gòu)建可靠通風(fēng)系統(tǒng)和有效避險系統(tǒng),為災(zāi)變預(yù)防、發(fā)展預(yù)測和救援處理提供理論和技術(shù)基礎(chǔ),提高礦井的抗災(zāi)與減災(zāi)能力。

2.3 熱動力災(zāi)害救援的不確定性風(fēng)險與應(yīng)對

井工煤礦開采的一個特點是作業(yè)地點及地質(zhì)環(huán)境不斷變化,煤巖構(gòu)造、瓦斯含量及涌出、浮煤堆積、采空區(qū)漏風(fēng)等都具有不確定性;井下通風(fēng)系統(tǒng)又是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),熱動力災(zāi)害發(fā)生時產(chǎn)生的高溫和沖擊波會破壞通風(fēng)設(shè)施,火風(fēng)壓、節(jié)流效應(yīng)會造成通風(fēng)系統(tǒng)紊亂。因此,煤礦井下作業(yè)的動態(tài)與多變性和熱動力災(zāi)害的復(fù)雜性,使煤礦熱動力災(zāi)害的處理與救援具有很大風(fēng)險。風(fēng)險指可能發(fā)生的災(zāi)變事故,是一種隨機事件,已知概率的風(fēng)險為確定性風(fēng)險,未知概率的風(fēng)險為不確定性風(fēng)險。由于井下災(zāi)區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性和災(zāi)情的動態(tài)性,應(yīng)急救援常面臨不確定性風(fēng)險。現(xiàn)有救援方法與技術(shù)主要針對確定性問題或風(fēng)險,對不確定性風(fēng)險的特性缺少研究,更缺少應(yīng)對方法與技術(shù),使救援決策及災(zāi)變處理十分困難,應(yīng)對不確定性風(fēng)險成為應(yīng)急救援的瓶頸。

我國《煤礦安全規(guī)程》、《礦山救護規(guī)程》等規(guī)程以及煤礦企業(yè)編制的《礦井災(zāi)害預(yù)防和處理計劃》對處理確定性風(fēng)險都有明確的規(guī)定與要求,但煤礦熱動力災(zāi)害救援處理常面臨不確定風(fēng)險,這種救援特點給決策者帶來了困難。周心權(quán)等[29]對煤礦重大災(zāi)害的救災(zāi)決策特點進行了分析,指出因災(zāi)情的動態(tài)性導(dǎo)致決策依據(jù)不確定,處理原發(fā)性災(zāi)害時可能引發(fā)繼發(fā)性災(zāi)害,故決策十分困難且面臨巨大風(fēng)險。筆者在所著的《煤礦熱動力災(zāi)害學(xué)》[16]中對熱動力災(zāi)害事故救援中的風(fēng)險概念及不確定性風(fēng)險特性進行了介紹,指出了依靠專家救災(zāi)知識與經(jīng)驗處理不確定性風(fēng)險的優(yōu)點及不足。近年來,隨著我國煤礦安全監(jiān)測、預(yù)警等現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,特別是當(dāng)代人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的突飛猛進,為構(gòu)建智能救援決策系統(tǒng)提供了條件,但目前相關(guān)研究還十分滯后。

救援決策的基礎(chǔ)是災(zāi)情信息的準確獲取。當(dāng)前煤礦井下主要通過各類傳感器、束管系統(tǒng)獲取各測點溫度和氣體組分與濃度數(shù)據(jù),并通過光纖通訊系統(tǒng)將信息傳輸至地面監(jiān)測監(jiān)控中心。溫度數(shù)據(jù)的采集主要采用熱電偶和光纖測溫技術(shù),氣體組分測定技術(shù)主要包括基于催化燃燒式[30]、熱導(dǎo)式[31]、電化學(xué)式[32]等各類傳感器的原位測量技術(shù),以及基于束管抽氣系統(tǒng)的色譜分離技術(shù)[33]、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)[34-36]、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)[37-38]和非分散紅外光譜技術(shù)(NDIR)[39]。

隨著微電子及人工智能科技的發(fā)展,國內(nèi)外相繼開展了井下探測救援機器人的研究,通過掛載攝像頭、溫度及氣體傳感器進入災(zāi)區(qū)獲取災(zāi)情信息,用于事故后的災(zāi)區(qū)無人偵查工作[40-41]。但救援機器人目前只能在較為理想的環(huán)境中(障礙物少、無積水、短距離)和特定的救援階段使用。近年來,微小型無人機技術(shù)取得很大發(fā)展,因其體積小、質(zhì)量輕、機動性及可操控性好、能夠在狹小空間中飛行等優(yōu)點,國內(nèi)外學(xué)者圍繞無人機在煤礦井下巷道中自主飛行的導(dǎo)航、障礙物檢測和路徑規(guī)劃等方面開展了研究。通常無人機利用自身攜帶的GPS[42]或IMU 慣性傳感器[43]實現(xiàn)自主導(dǎo)航,但是在井下巷道中由于無法獲取GPS信號,而IMU 慣性傳感器不可避免地存在誤差累積的缺點,難以滿足無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)在井下巷道狹窄空間中長距離精確定位的要求。此外,煤礦井下巷道中光線弱或無光線,且熱動力災(zāi)害產(chǎn)生的煙氣充斥在巷道內(nèi),即使采用一定的照明方式,煙氣也將大大減弱光線的穿透能力,導(dǎo)致巷道中能夠被提取的特征參照物不明顯,無法實現(xiàn)對災(zāi)區(qū)環(huán)境信息的及時、準確獲取。目前尚缺乏能夠穿透煙氣的探測裝備,災(zāi)區(qū)偵查無法實現(xiàn)在無光線、濃煙氣條件下獲取災(zāi)情信息。

在熱動力災(zāi)害處理方面,目前主要采用水、黃泥漿、惰性氣體(N2,CO2)、凝膠、三相泡沫、細水霧等防滅火技術(shù)。早在20世紀50年代,波蘭、德國、蘇聯(lián)等國的煤礦以注水注漿、注惰氣(N2,CO2)等方法處理井下火源,并在實際應(yīng)用中形成了一整套滅火工藝和技術(shù);此外,捷克首次使用了液態(tài)惰性氣體防滅火技術(shù),其后,該技術(shù)在英國、德國、法國、南非及中國也得到了應(yīng)用。然而,由于陰燃煤體熄滅的極限氧體積分數(shù)極低(1%～3%),惰性介質(zhì)防滅火技術(shù)難以消除火源。此外,采用注惰性介質(zhì)(液態(tài)或氣態(tài))進行采空區(qū)滅火還可能存在致爆的問題,有關(guān)學(xué)者[44-46]對注惰引起的火區(qū)氣體運移規(guī)律進行了研究,闡述了注惰對火區(qū)氣體的稀釋和活塞作用,但對注惰抑爆或致爆的原因及機理仍缺乏深入研究。泡沫滅火技術(shù)具有滅火能力強、速度快等特點,國內(nèi)外都研制了適應(yīng)巷道滅火的可移動高倍數(shù)泡沫滅火裝備,但采用專用風(fēng)機供風(fēng),出口壓力小,在實際應(yīng)用中受到限制。進入21世紀后,中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的應(yīng)用惰氣或壓縮空氣的三相泡沫滅火技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,其具有向高處堆積,短時間內(nèi)填滿火區(qū),可遠距離快速滅火等特點。細水霧因具有經(jīng)濟、環(huán)保、消焰效果好、滅火降溫迅速、耗水量低和破壞性小等優(yōu)點,已成為國內(nèi)外研究的熱點[47-48]。

綜上所述,煤礦救援主要針對確定性問題或風(fēng)險,對不確定性風(fēng)險特性、發(fā)現(xiàn)和處理不確定風(fēng)險的方法與技術(shù)缺少研究,當(dāng)前缺乏基于大數(shù)據(jù)和人工智能的災(zāi)變分析與決策、災(zāi)區(qū)復(fù)雜環(huán)境多信息探測、適應(yīng)災(zāi)變條件使用的滅火降溫等應(yīng)對不確定性風(fēng)險的方法與技術(shù)。為突破該瓶頸,筆者提出將不確定性風(fēng)險救援分為發(fā)現(xiàn)風(fēng)險和處理風(fēng)險2 個環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)風(fēng)險是重點,需研究三維激光雷達、紅外熱成像儀、氣體傳感器綜合應(yīng)用的探測不確定狀態(tài)災(zāi)區(qū)環(huán)境的探測技術(shù),并采用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)構(gòu)建風(fēng)險識別的模型與方法,開發(fā)應(yīng)對救援不確定性風(fēng)險的輔助救災(zāi)決策系統(tǒng);同時,為處理風(fēng)險,針對目前缺乏適合救護隊員應(yīng)用的簡便高效滅火降溫裝備及處理隱蔽火源的方法與技術(shù)的現(xiàn)狀,筆者提出開發(fā)適合救援人員使用的自吸氣泡沫和細水霧降溫滅火裝備。通過這些研究,構(gòu)建發(fā)現(xiàn)和處理熱動力災(zāi)害不確定性風(fēng)險的方法與技術(shù)體系,提升熱動力災(zāi)害的救援與處理能力。

3 結(jié) 語

煤礦熱動力災(zāi)害至今還嚴重威脅著煤炭工業(yè)的安全發(fā)展,但目前對煤與瓦斯復(fù)合燃燒的成災(zāi)原因、沖擊波與煙流在通風(fēng)系統(tǒng)中的傳播與致災(zāi)作用、救援的不確定性風(fēng)險缺乏科學(xué)的認識,對其防治和應(yīng)對還缺少有效方法與技術(shù),導(dǎo)致熱動力重特大事故時有發(fā)生,救援處理時常面臨嚴重困難。為堅決防范與遏制煤礦熱動力重特大事故,需掌握氣固復(fù)合可燃物的成災(zāi)規(guī)律,構(gòu)建可靠通風(fēng)系統(tǒng)和有效避險系統(tǒng),開發(fā)應(yīng)對不確定性風(fēng)險的救援方法與技術(shù),以提高礦井防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力。