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]，其產生的沖擊波和火焰鋒面均可以對井巷設施產生巨大破壞，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對災區(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，國內外學者開展了大量的研究，內容涵蓋瓦斯爆炸規(guī)律[3-4]、演變特征[5]及破壞效應[6]等方面。關于礦井瓦斯爆炸事故應急救援，相關學者也進行了研究，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研，收集相關事故資料，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)轉變?yōu)楸Z狀態(tài)[12-13]，使沖擊波在空間上對井巷設施產生更為嚴重的破壞，水平方向上對巷道中的機電運輸等設施產生推動擠壓破壞，導致設施變形等，垂直方向上對頂板產生沖擊破壞作用，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?？梢?，爆炸強度、爆炸區(qū)域的空間尺寸、瓦斯涌出量及井巷設施是初始災區(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，具體表現為局部通風、清理垮落物、修復通風系統和構筑密閉墻，其中局部通風和構筑密閉墻對災區(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?；趹本仍踩缘男枨?，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，瓦斯爆炸產生的沖擊波在傳播過程中對巷道脆弱區(qū)域產生很大破壞，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施產生嚴重的破壞。一旦通風系統遭受破壞，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，短時間內將形成高體積分數瓦斯積聚區(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)生在聯絡巷、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，采煤區(qū)域瓦斯爆炸后主要出現有以下情況：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，瓦斯爆炸產生的高溫在短時間內難以消散，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，救災過程中也不產生火源，特別應防止災區(qū)被破壞的設施產生火花，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)的偵察結果表明井巷設施遭到嚴重破壞，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 語

1）瓦斯爆炸發(fā)生到應急救援結束的整個過程中，災區(qū)環(huán)境變化經歷了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)是否存在火源的關系。根據以往事故救援案例與經驗，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)。