李雷雷，丁曉文，梁躍強，張友杰，練茹楠

（1.北京市化工職業(yè)病防治院，北京 100093；2.中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083；3.中國煤炭工業(yè)協(xié)會咨詢中心，北京 100013）

瓦斯爆炸是煤礦極為嚴重的災害之一[1]，其產(chǎn)生的沖擊波和火焰鋒面均可以對井巷設(shè)施產(chǎn)生巨大破壞，形成垮落區(qū)，引燃瓦斯、木材等可燃物，有毒有害氣體也可能導致大量人員傷亡。瓦斯爆炸事故災區(qū)環(huán)境復雜多變，給應急救援增加了風險性。如2013年7月23日川煤集團芙蓉公司杉木樹煤礦因?qū)膮^(qū)環(huán)境認識不足而發(fā)生礦山救援隊員自身傷亡事故[2]。因此，研究瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境對應急救援非常重要。針對礦井瓦斯爆炸，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，內(nèi)容涵蓋瓦斯爆炸規(guī)律[3-4]、演變特征[5]及破壞效應[6]等方面。關(guān)于礦井瓦斯爆炸事故應急救援，相關(guān)學者也進行了研究，如對煤礦瓦斯爆炸事故應急救援機制[7]和應急決策問題[8]進行了探討，但鮮有針對瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境的研究。事故應急救援案例表明[9]，高溫、含有瓦斯等有毒有害氣體、存在垮落區(qū)是瓦斯爆炸事故災區(qū)的典型特征。基于瓦斯爆炸事故災區(qū)特征，救援人員應采取何種救災措施離不開對災區(qū)環(huán)境的判識。為提高煤礦瓦斯爆炸事故應急救援的安全性，救援人員需要掌握災區(qū)環(huán)境的形成機制。為此，通過到國家礦山應急救援平頂山隊、國家礦山應急救援大同隊、國家礦山應急救援芙蓉隊調(diào)研，收集相關(guān)事故資料，并應用爆炸力學及流體力學知識，對瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境的形成機理進行研究，并對典型地點瓦斯爆炸事故后的災區(qū)環(huán)境進行分析，進而探討應急救援方法，旨在提高礦井瓦斯爆炸事故應急救援能力。

1 瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境形成機制

將瓦斯爆炸發(fā)生至其影響區(qū)域得到完全恢復前的環(huán)境稱為災區(qū)環(huán)境，則礦井瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境是瓦斯爆炸沖擊波、火焰、有毒有害氣體及施救措施相互作用形成并不斷變化的。根據(jù)瓦斯爆炸過程及應急救援過程，可將災區(qū)環(huán)境的形成過程劃分為3個階段[10]：

1）爆炸沖擊破壞和火焰毀壞作用階段。瓦斯爆炸在空間上可分為瓦斯燃燒區(qū)和一般空氣區(qū)[11]，瓦斯燃燒區(qū)為沖擊波和火焰波耦合傳播，一般空氣區(qū)僅為沖擊波的傳播。因此，瓦斯爆炸過程中對生產(chǎn)區(qū)域的影響可分為瓦斯燃燒區(qū)的沖擊與火焰毀壞作用和一般空氣區(qū)的沖擊破壞作用。在瓦斯燃燒區(qū)，受瓦斯燃燒化學反應的驅(qū)動和巷道中障礙物的加速效應，爆炸波可能由爆燃狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z狀態(tài)[12-13]，使沖擊波在空間上對井巷設(shè)施產(chǎn)生更為嚴重的破壞，水平方向上對巷道中的機電運輸?shù)仍O(shè)施產(chǎn)生推動擠壓破壞，導致設(shè)施變形等，垂直方向上對頂板產(chǎn)生沖擊破壞作用，形成垮落區(qū)域。同時，在瓦斯燃燒區(qū)，火焰鋒面隨沖擊波傳播過程中，巷道中的瓦斯、木材等易被引燃，由于被引燃物質(zhì)在井巷中的分布具有分散性，致使瓦斯燃燒區(qū)不同地點具備存在次生火源的可能性。在一般空氣區(qū)，由于失去瓦斯燃燒能量的支持，在井巷設(shè)施等的摩擦作用及空氣的阻礙作用下，沖擊波在傳播過程中不斷衰減，其破壞作用逐漸減小。整個爆炸過程中，殘余瓦斯及爆炸產(chǎn)生的有毒有害氣體隨沖擊波傳播至受影響區(qū)域，進而形成了初步的災區(qū)環(huán)境。可見，爆炸強度、爆炸區(qū)域的空間尺寸、瓦斯涌出量及井巷設(shè)施是初始災區(qū)環(huán)境形成的重要影響因素。

2）熱量及有毒有害氣體的再分布階段。瓦斯爆炸發(fā)生后至應急救援開始實施的過程稱為災區(qū)環(huán)境形成的第2階段。受流體效應影響，瓦斯爆炸結(jié)束時的環(huán)境并非開始應急救援時的災區(qū)環(huán)境。這期間災區(qū)環(huán)境主要受風流及氣體擴散作用控制。在有風流的區(qū)域，爆炸產(chǎn)生的熱量及有毒有害氣體逐漸被排離災區(qū)。但在通風系統(tǒng)破壞區(qū)域，通常無風流或微風，災區(qū)瓦斯等有毒有害氣體通過擴散作用向開放空間逸散[14]。有毒有害氣體在運移過程中，堆積在巷道中的垮落物對氣體運移產(chǎn)生阻礙作用，為瓦斯積聚提供空間，致使垮落區(qū)域有可能成為應急救援的安全隱患區(qū)域，垮落堆積物造成瓦斯等有毒有害氣體在局部區(qū)域積聚。2006年軒崗煤電公司焦家寨礦“11·5”特大瓦斯爆炸將進風巷局部通風系統(tǒng)破壞，在局部區(qū)域形成5處大型垮落區(qū)，積聚了大量瓦斯[15]。同時，受火焰鋒面的影響，易自燃區(qū)域的垮落煤粉在高溫作用下加快氧化，成為可能的隱蔽性火源。因此，瓦斯爆炸后受災區(qū)域呈現(xiàn)出動態(tài)變化特性。在動態(tài)變化過程中，逐漸形成應急救援前的災區(qū)環(huán)境。

3）施救措施對災區(qū)環(huán)境的干擾階段。救援過程中，實施救災措施能夠改變?yōu)膮^(qū)環(huán)境。針對礦井瓦斯爆炸事故，除偵察搜救外，排放瓦斯、恢復通風及封閉災區(qū)是常用的施救措施，具體表現(xiàn)為局部通風、清理垮落物、修復通風系統(tǒng)和構(gòu)筑密閉墻，其中局部通風和構(gòu)筑密閉墻對災區(qū)環(huán)境的影響較大。采用局部通風方式排放災區(qū)瓦斯時，風筒送入的部分新鮮風流會與未排放區(qū)瓦斯混合，容易形成爆炸性混合氣體。對于煤層易自燃的區(qū)域，局部通風可能會為煤自燃提供氧氣。構(gòu)筑密閉時，由于風流被阻斷，導致爆炸區(qū)域局部壓力降低，如在采煤工作面區(qū)域，采空區(qū)瓦斯容易逸散至開放空間，形成大規(guī)模瓦斯爆炸的條件，增加了救災的危險性。1992年11月5日至6日鐵法礦務(wù)局大興煤礦連續(xù)瓦斯爆炸事故表明，礦山救援隊在施救期間改變?yōu)膮^(qū)通風狀況會造成災區(qū)瓦斯積聚區(qū)域變化，發(fā)生不同強度的連續(xù)瓦斯爆炸[9]?？梢?，應急救援過程中救援措施的實施會形成新的災區(qū)環(huán)境。若施救措施合理，則災區(qū)環(huán)境不斷被改善，進而得到恢復。

2 典型瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境變化規(guī)律

不同地點的瓦斯爆炸往往形成不同的災區(qū)環(huán)境，正確判識災區(qū)環(huán)境的危險性有助于安全施救。因此有必要對典型地點的瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境進行研究。有關(guān)研究表明[16]，采煤工作面，掘進工作面和巷道是瓦斯爆炸發(fā)生的典型地點。基于應急救援安全性的需求，對這類地點的瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境進行分析很有意義。

2.1 采煤工作面災區(qū)環(huán)境變化規(guī)律

針對采煤工作面，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過程中對巷道脆弱區(qū)域產(chǎn)生很大破壞，在進回風巷道形成垮落區(qū)，同時瓦斯爆炸火焰易在災區(qū)誘發(fā)火災。對于外因火源造成的瓦斯爆炸事故，采空區(qū)涌向工作面方向的瓦斯等氣體易被引燃，甚至再次爆炸。瓦斯爆炸發(fā)生后，災區(qū)瓦斯等有毒有害氣體在風流的作用下或自身擴散作用下再分布，形成一個動態(tài)變化的災區(qū)環(huán)境。災區(qū)垮落區(qū)域為瓦斯等有害氣體積聚，形成瓦斯氣體庫創(chuàng)造了有利條件。應急救援過程中，改變?yōu)膮^(qū)壓力的救災措施能夠控制災區(qū)氣體的運移方向，在一定程度上控制了災區(qū)環(huán)境的變化。對于火區(qū)瓦斯爆炸，一方面，建立密閉墻封閉災區(qū)會導致災區(qū)壓力減小，采空區(qū)瓦斯涌向工作面及巷道，導致瓦斯不斷積聚[17]，救災過程中，積聚區(qū)域的變化控制瓦斯爆炸的規(guī)模及程度；另一方面，建立密閉墻的過程中，通過注入惰氣能夠有效防止災區(qū)壓力減小并惰化災區(qū)氣體，但注惰過程形成的射流效應可能將災區(qū)原有瓦斯等有害氣體推向災區(qū)深部[18]。封閉災區(qū)過程中曾發(fā)生重特大瓦斯爆炸事故[19-20]，封閉災區(qū)過程中瓦斯爆炸案例見表1。值得注意的是，鎖風縮封工作對采煤工作面區(qū)域災區(qū)環(huán)境也可以產(chǎn)生很大影響，表1中豫新1號井瓦斯爆炸事故表明違章鎖風縮封很有可能形成瓦斯爆炸的條件，造成救援人員自身傷亡事故。

表1 封閉災區(qū)過程中瓦斯爆炸案例Table1 Gas explosion accidents in sealing the disaster area

2.2 掘進工作面災區(qū)環(huán)境變化規(guī)律

掘進工作面采用局部通風方式，很多情況下，掘進工作面瓦斯爆炸對風筒等局部通風設(shè)施產(chǎn)生嚴重的破壞。一旦通風系統(tǒng)遭受破壞，瓦斯等有害氣體不能被有效排入回風巷，大量瓦斯將在掘進工作區(qū)域積聚，并逐漸向開放空間擴散。針對風險極高的高瓦斯煤層工作區(qū)，由于壓力變化，短時間內(nèi)將形成高體積分數(shù)瓦斯積聚區(qū)。尤其對于煤層易自燃區(qū)域，瓦斯爆炸火焰及其形成的高溫環(huán)境對自燃具有一定的加速作用。這形成了救災前的災區(qū)環(huán)境。

為應對掘進工作面瓦斯爆炸事故，采用局部通風方式排放災區(qū)瓦斯等有害氣體是應急救援的常規(guī)手段，但這一救災措施在排放瓦斯的過程中，部分風流不斷與災區(qū)深部瓦斯混合，容易形成具有爆炸性的混合氣體，多發(fā)生在排放災區(qū)高濃度瓦斯的過程中。在隱蔽性火源存在的前提下，排放瓦斯極具危險性。

2.3 巷道災區(qū)環(huán)境變化規(guī)律

巷道瓦斯爆炸多發(fā)生在聯(lián)絡(luò)巷、回風巷及巷道交叉處等地點。由于巷道的兩端開放性，瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波、火焰鋒面及有毒有害氣體將在很大程度上傳播至開放空間，波及范圍較大。不同巷道瓦斯爆炸后的災區(qū)環(huán)境差異較大。發(fā)生在采掘工作區(qū)域巷道的瓦斯爆炸形成的災區(qū)環(huán)境與采掘工作面瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境具有相似之處，但發(fā)生在大巷中的瓦斯爆炸形成的災區(qū)環(huán)境則有所差異，有時可以將礦井整個通風系統(tǒng)破壞。由于大巷瓦斯爆炸相對少，瓦斯爆炸造成的破壞會因煤礦差異而有所不同，災區(qū)環(huán)境演化也會呈現(xiàn)多樣性。

3 應急救援方法

由于瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境處于動態(tài)變化之中，應急救援必須考慮災區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定性。通過災區(qū)行動風險性評估分析并控制應急救援措施對災區(qū)環(huán)境的影響作用，逐步改善災區(qū)環(huán)境以實現(xiàn)安全救援。

3.1 采煤工作區(qū)域應急救援

由于爆炸前采煤區(qū)域是一個完整的通風系統(tǒng)，采煤區(qū)域瓦斯爆炸后主要出現(xiàn)有以下情況：爆炸后的垮落物將采煤工作面區(qū)域巷道堵塞，不同爆炸的堵塞程度存在差異；瓦斯爆炸火焰將殘余瓦斯或木材引燃，產(chǎn)生火源。施救前必須對爆炸破壞情況做出充分的評估，制定措施消除災區(qū)爆炸危險性。在采面區(qū)域巷道被嚴重堵塞的情況下，災區(qū)環(huán)境會演化成獨頭巷道爆炸后的情況，在施救過程中應謹慎處置垮落物堆積形成的含瓦斯氣體庫，如1999年8月24日平頂山市韓莊礦務(wù)局二礦瓦斯煤塵爆炸事故中，機巷和風巷多處冒頂使火區(qū)處于封閉狀態(tài)，形成濃煙庫，救援過程中高溫濃煙短時間從裂隙中大量涌出，致使救災工作中斷[9]。在火源存在的情況下，如果不能及時撲滅，應及時撤人，堅持安全施救。若采取封閉災區(qū)措施，應防止封閉災區(qū)過程中發(fā)生次生瓦斯爆炸，封閉災區(qū)過程中次生爆炸可能較初次爆炸威力更大。在微弱風流存在的情況下，災區(qū)瓦斯等有害氣體處于微弱的動態(tài)變化中，瓦斯仍有可能在某些區(qū)域積聚，救援過程中防止瓦斯爆炸依然很關(guān)鍵，同時應避免窒息事故的發(fā)生。

3.2 掘進工作區(qū)域應急救援

根據(jù)掘進工作區(qū)域瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境特點可知，瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫在短時間內(nèi)難以消散，在瓦斯涌出量較大的情況下，災區(qū)瓦斯體積分數(shù)較高。救援人員偵察搜救時應嚴格遵照救援計劃，在保證安全的情況下執(zhí)行救援計劃，盡量減少在災區(qū)的暴露時間，嚴防體力不支造成自身傷亡。為恢復災區(qū)通風，通常采用局部通風方式排放災區(qū)瓦斯等有害氣體。排放瓦斯有2個重要前提：①確保災區(qū)不存在火源，尤其是無自燃火源，救災過程中也不產(chǎn)生火源，特別應防止災區(qū)被破壞的設(shè)施產(chǎn)生火花，如破損的礦燈；②在災區(qū)環(huán)境模糊的情況下，即無法確定災區(qū)是否存在自燃火源，排放瓦斯過程中災區(qū)可能出現(xiàn)爆炸性氣體的情況下，應考慮采用其他方式處理災區(qū)，如遠距離封閉災區(qū)，注惰氣等方式，保證災區(qū)安全后再處理。

3.3 巷道瓦斯爆炸區(qū)域應急救援

發(fā)生瓦斯爆炸的具體巷道位置不同，瓦斯爆炸造成的破壞也會存在較大差異。發(fā)生在采掘工作區(qū)域巷道的瓦斯爆炸，其破壞情況與發(fā)生在采煤工作區(qū)域和掘進工作區(qū)域的情形相似。但對于特殊原因造成的瓦斯在運輸大巷及封閉區(qū)域外的巷道中積聚的情況，瓦斯爆炸后果往往比較嚴重，可能引起一些非常規(guī)突發(fā)事件。針對這類瓦斯爆炸事故，處理由瓦斯爆炸事故引發(fā)的次生事故或突發(fā)事件是應急救援的關(guān)鍵點[21]。對于巷道瓦斯爆炸事故，因爆炸波傳播的雙向性，破壞范圍較大，災區(qū)偵察的重點之一是探測并撲滅次生火源。應注意的是，對于礦井主要通風系統(tǒng)被破壞的情況，應為施救創(chuàng)造有利條件。在恢復礦井主要通風的過程中，應在災區(qū)環(huán)境穩(wěn)定后，才可采取下一步的救災措施，尤其要避免利用爆炸間隙時間進行施救。

4 案例應用

以杉木樹煤礦N3022風巷瓦斯爆炸事故為例說明災區(qū)環(huán)境判識及控制對于應急救援的重要作用。2013年7月22日，川煤集團芙蓉公司杉木樹煤礦N3022風巷發(fā)生瓦斯爆炸事故，該風巷長620m，已掘進工作面切眼10m。事故發(fā)生后，礦山救援隊對災區(qū)的偵察結(jié)果表明井巷設(shè)施遭到嚴重破壞，災區(qū)充滿大量有毒有害氣體，“7·22”瓦斯爆炸后災區(qū)氣體情況見表2（巷道地點為距離巷道開口的距離）。由表2可知，巷道150m處至磧頭處范圍內(nèi)的氣體具有爆炸危險性。

表2 “7·22”瓦斯爆炸后災區(qū)氣體情況Table2 Gas situation in disaster area after“7·22”gas explosion

由于使用紅外線探測儀器沒有發(fā)現(xiàn)火源，且沒有考慮隱蔽火源的存在，在排放瓦斯時誘發(fā)“7·23”瓦斯爆炸事故，造成7名礦山救援隊員身亡，說明缺乏充分的災區(qū)環(huán)境判識會導致救援傷亡?！?·23”瓦斯爆炸后災區(qū)氣體情況見表3。

表3 “7·23”瓦斯爆炸后災區(qū)氣體情況Table3 Gas situation in disaster area after“7·23”gas explosion

為應對“7·23”瓦斯爆炸事故，隨后組建的搶險救援指揮部根據(jù)災區(qū)含有爆炸性氣體（巷道480m處）和火源隱蔽性極強的情況，通過制定安全措施進行施救，向災區(qū)注入足夠的氮氣，將災區(qū)惰化，消除了災區(qū)的爆炸危險性，成功將遇險隊員救出。該救援過程表明災區(qū)環(huán)境判識及控制對制定應急救援措施具有很大作用。惰化后的災區(qū)氣體情況見表4。

表4 惰化后的災區(qū)氣體情況Table4 Gas situation in disaster area after inerting

上述案例表明，假如能在排放瓦斯前對災區(qū)環(huán)境進行危險性評估，采取惰化災區(qū)的施救方案，杉木樹煤礦“7·23”瓦斯爆炸事故則可以避免。實際上，惰化災區(qū)的措施是對災區(qū)環(huán)境的改善，消除了災區(qū)氣體的爆炸危險性。而忽視災區(qū)環(huán)境的危險性，直接排放瓦斯對災區(qū)環(huán)境改善的過程使礦山救援隊員長時間暴露在危險環(huán)境中，救援風險性很大?？梢姷V山救援自身傷亡事故很可能發(fā)生在不合理的施救措施對災區(qū)環(huán)境的干擾階段。

5 結(jié) 語

1）瓦斯爆炸發(fā)生到應急救援結(jié)束的整個過程中，災區(qū)環(huán)境變化經(jīng)歷了3個階段：第1階段為瓦斯爆炸沖擊波與火焰鋒面對井巷設(shè)施的破壞以及有毒有害氣體的傳播過程；第2階段為熱量和有毒有害氣體在災區(qū)的流動和擴散再分布過程；第3階段為施救措施對災區(qū)環(huán)境的影響過程。

2）對采掘工作面及巷道瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境形成過程的研究表明：不同地點瓦斯爆炸災區(qū)環(huán)境的形成存在差異性，應急救援過程中不合理的施救措施可能會導致災區(qū)環(huán)境更加危險，形成次生瓦斯爆炸的條件，且爆炸破壞效應可能較初次爆炸大。

3）提出了通過災區(qū)環(huán)境判識及控制逐步改善災區(qū)環(huán)境的應急救援方法。災區(qū)環(huán)境判識及控制對應急救援的安全性有重要作用。杉木樹煤礦“7·23”瓦斯爆炸事故表明，救援過程中，應及時掌握災區(qū)環(huán)境的變化，分析救災措施對災區(qū)環(huán)境的影響，尤其需要考慮爆炸性氣體的形成與災區(qū)是否存在火源的關(guān)系。根據(jù)以往事故救援案例與經(jīng)驗，在爆炸性氣體存在與火源可能存在的情況下，為安全施救，應采取措施惰化災區(qū)或盡可能遠距離封閉災區(qū)。