李旭堅(jiān)，汪宗文

(1.煙臺黃金職業(yè)學(xué)院資源與土木工程系，山東 煙臺 265401；2.萊州市瑞海礦業(yè)有限公司，山東 煙臺 261400)

近年來，我國礦業(yè)技術(shù)領(lǐng)域碩果不斷，深部新礦體不斷被探獲，以西嶺金礦床為代表的探礦成果極大推動了國內(nèi)金屬礦產(chǎn)深部探礦技術(shù)的發(fā)展，深部探礦已經(jīng)成為未來探礦、采礦的發(fā)展趨勢[1]。隨著金屬礦床勘探深度的不斷增加，新建礦山的基建任務(wù)越來越重，基建工程耗時(shí)也越來越長，礦山基建期間的安全生產(chǎn)也面臨著更高挑戰(zhàn)。突發(fā)爆炸事故對基建礦井的傷害主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是爆炸沖擊傷害，爆轟波會以一定的波動值規(guī)避障礙物后沿巷傳播對巷內(nèi)人員造成傷害，且有極高概率對原有通風(fēng)系統(tǒng)所造成災(zāi)難性破壞[2-4]；二是毒害氣體傷害，相對密閉的井下爆炸會使CO濃度驟增，其擴(kuò)散與濃度分布會嚴(yán)重威脅井下人員生命健康[5-6]；三是低能見度傷害，以有色炮煙、粉塵為主的密集懸浮物在爆轟波的帶動下具有較高傳播速度，影響被困人員緊急避險(xiǎn)的同時(shí)嚴(yán)重阻礙救援隊(duì)伍下井搜救。救援初期因事故礦井生產(chǎn)系統(tǒng)尚未完全建成、礦井通風(fēng)網(wǎng)路不成熟、井筒沖擊損毀等原因，出現(xiàn)了原通風(fēng)系統(tǒng)失效、井筒能見度極低、礦井CO濃度嚴(yán)重超標(biāo)、新風(fēng)送給困難等阻礙施救問題。針對以上情況，現(xiàn)場以快速組建局部通風(fēng)為基礎(chǔ)，持續(xù)優(yōu)化通風(fēng)保障體系，保護(hù)井下被困人員安全待救，為救援隊(duì)伍的下井作業(yè)與免受二次傷害提供了通風(fēng)支持。

1 事故礦山基本情況

笏山金礦位于棲霞市西城鎮(zhèn)笏山村，是一座典型的非金屬礦基建礦山，礦區(qū)占地2.05 km2，設(shè)計(jì)采選綜合處理能力為1 500 t/d，主采礦種為金、銀、硫。原設(shè)計(jì)在礦區(qū)新建一條混合井和一條回風(fēng)豎井形成提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等井下生產(chǎn)系統(tǒng)，-450 m中段以下則采用盲豎井+盲回風(fēng)井的方式進(jìn)行開拓。其中，井下0 m至-650 m標(biāo)高內(nèi)每50 m形成一個(gè)開采中段，-450 m中段及以上礦體設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填采礦法和房柱采礦嗣后充填兩種方法。

在“1·10”爆炸事故發(fā)生前，礦山生產(chǎn)進(jìn)度顯示，井口標(biāo)高為+246.0 m的回風(fēng)井基建工程在一中段、二中段、三中段已分別掘進(jìn)巷道10.0 m，四中段掘進(jìn)20.0 m，五中段掘進(jìn)至450.0 m處遇到斷層塌方，正在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，距離與混合井五中段貫通尚有949.2 m，六中段掘進(jìn)550.0 m，尚有1 007.4 m與混合井六中段貫通。整個(gè)礦山井下尚未在任意中段形成貫通，回風(fēng)井在此生產(chǎn)階段是向井下運(yùn)送人員、設(shè)備、通風(fēng)、供水、供電的唯一通道。

“1·10”爆炸事故發(fā)生時(shí)，存放于井下0 m水平的工業(yè)炸藥發(fā)生爆炸，將回風(fēng)井?dāng)r腰阻斷。井下大量爆炸碎屑及損毀雜物以0 m水平馬頭門為基準(zhǔn)向垂直方向輻射，對回風(fēng)井上下較大范圍造成堵塞，同時(shí)井下供風(fēng)、供水、供電、給養(yǎng)完全中斷。一線施工區(qū)域除工程公司開拓掘進(jìn)隊(duì)伍外，另有一支基礎(chǔ)設(shè)施安裝隊(duì)伍于事發(fā)前在井下安裝臨時(shí)泵站水泵和啟動柜，兩支作業(yè)隊(duì)伍合計(jì)22人被困井下。

2 通風(fēng)保障措施

2.1 快速組織局部通風(fēng)

事故發(fā)生后，地表值班板房及井筒井架較大程度受損，根據(jù)礦井災(zāi)變理論推測，瞬時(shí)的高能量釋放會在極短時(shí)間內(nèi)對井下原有設(shè)備及各項(xiàng)生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[7]，伴隨而來的高溫、高壓氣流可能會在較大范圍內(nèi)造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致有毒有害氣體擴(kuò)散，給救援工作帶來困難[8]。

實(shí)時(shí)檢測反饋，事故風(fēng)井機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)完全損毀，不能正常進(jìn)行礦井通風(fēng)，現(xiàn)場以快速施救為中心，依托最先到位的Φ500柔性風(fēng)筒及11 kW局扇等通風(fēng)設(shè)備，迅速組織局部通風(fēng)方案，現(xiàn)場設(shè)備如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場可用局扇及風(fēng)筒Fig.1 Local fans and air ducts available for the first time on site

考慮到風(fēng)筒向下延伸長度有限、井下被困礦工具體位置不明、柔性風(fēng)筒無法負(fù)壓作業(yè)、風(fēng)筒下探容易被爆破雜物刮傷等實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)以罐籠作為側(cè)壁尖銳物抵擋裝置，沿罐籠頂部中心位置固定局扇，并反接柔性風(fēng)筒實(shí)施抽出式通風(fēng)，通風(fēng)裝置如圖2所示。改造后的局部通風(fēng)裝置沿風(fēng)井逐漸下放，柔性風(fēng)筒末端設(shè)置在地表空曠處，在下放至距井口約80 m處進(jìn)行首次強(qiáng)制通風(fēng)，使用多功能氣體檢測儀測得排出氣體中CO濃度超過9 000 ppm，遠(yuǎn)大于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)規(guī)定的24 ppm，O2濃度在19.5%左右浮動，略低于“規(guī)程”要求的20.0%。礦山救援大隊(duì)下井偵查人員反饋信息顯示，此時(shí)距井口60 m處炮煙高度富集，濃度過高，可見度接近0 m，盡快排出井下炮煙是救援初期最重要的任務(wù)之一。

1-井壁；2-原供風(fēng)管；3-原供水管；4-罐籠；5-局扇；6-風(fēng)筒固定于罐籠邊緣內(nèi)側(cè)后垂直延伸至地表圖2 通風(fēng)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation device

2.2 依托區(qū)域響應(yīng)與設(shè)備抽調(diào)進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化

處于基建階段的生產(chǎn)礦山，人力編制、設(shè)備支撐等都處于發(fā)展階段，無法在事故發(fā)生初期及時(shí)滿足所有救援物資的需求。根據(jù)《全國安全生產(chǎn)應(yīng)急救援體系總體規(guī)劃方案》(安監(jiān)管辦字〔2004〕163號)要求，建立快速有效的搶險(xiǎn)、救援和應(yīng)急機(jī)制，完善區(qū)域響應(yīng)，就近支援、就近調(diào)配能很好解決因基建礦山自身儲備不足而造成的困境，能夠在救援初期以最快的速度滿足物資保障、設(shè)備技術(shù)升級等方面的需求[9]。

救援初期快速搭建的應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)伴隨通風(fēng)深度的增加存在著一系列問題，包括11 kW局扇本身工作效率較低，理論峰值風(fēng)壓、風(fēng)量并不能滿足迫切的救援需求；風(fēng)筒反接的方式使深部風(fēng)筒固定較為困難，施工效率較低；依托體積龐大的空罐作為尖銳物抵擋裝置，容易在深部被障礙物卡住，無法繼續(xù)下探風(fēng)機(jī)；系統(tǒng)通風(fēng)距離受限，伴隨深度增加，排風(fēng)量將出現(xiàn)降低的趨勢。針對以上可能出現(xiàn)的問題，在快速組建局部通風(fēng)的同時(shí)，組織協(xié)調(diào)周邊礦山抽調(diào)高效率風(fēng)機(jī)與負(fù)壓風(fēng)筒支援救援現(xiàn)場。以最先入場的FBDNo5.6/2×11 kW對旋式風(fēng)機(jī)替換掉原11 kW軸流式風(fēng)機(jī)，以Φ600負(fù)壓風(fēng)筒替代Φ500柔性風(fēng)筒，采用將對旋式局扇固定在地表，首節(jié)風(fēng)筒對稱配重，逐漸向井下延伸的正接方式優(yōu)化已有局部通風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3 對旋式風(fēng)機(jī)與負(fù)壓風(fēng)筒Fig.3 Counter-rotating fan and negative pressure air duct

優(yōu)化后的局部通風(fēng)系統(tǒng)依托地表施工的便捷性，大幅度提高了風(fēng)筒加裝的效率。原通風(fēng)系統(tǒng)因局扇加裝在罐籠頂部，在實(shí)際向下通風(fēng)的過程中，罐籠被卡在距井口156 m處無法繼續(xù)下放，導(dǎo)致超出有效吸程的深部炮煙排出效率低下，而依托井筒探障設(shè)備與體積更小的負(fù)壓風(fēng)筒，通風(fēng)深度也有了較大程度的進(jìn)尺，一次裝配下放深度達(dá)到距井口270 m處，快速的區(qū)域響應(yīng)與技術(shù)優(yōu)化，為深部通風(fēng)與井下清障工作的順利開展提供了必要條件。

2.3 下放礦井探測儀確定井下情況并測算被困處可用氧氣量

礦井災(zāi)變時(shí)期，尤其是發(fā)生在基建礦山的爆炸事故，高溫高壓的沖擊波作用具有瞬時(shí)性且十分復(fù)雜，不僅會對礦井基建設(shè)施、通風(fēng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，還有可能誘發(fā)火災(zāi)、冒頂?shù)榷螢?zāi)害，增加災(zāi)害的損失和救援的難度[10]。在礦井具備一定可視條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)及時(shí)應(yīng)用井下探測技術(shù)輔助救援決策。另外，伴隨救援時(shí)間的延長，確定被困礦工聚集點(diǎn)，測算被困處可用氧氣量，對于優(yōu)化后續(xù)救援工作也具有十分重要的指導(dǎo)意義。

在笏山金礦事故風(fēng)井的救援推進(jìn)中，經(jīng)過優(yōu)化后的局部通風(fēng)系統(tǒng)效率得到顯著提高，經(jīng)過一定時(shí)間通風(fēng)，位于排風(fēng)口處實(shí)時(shí)監(jiān)測的氣體檢測儀數(shù)據(jù)顯示，井下有毒有害氣體濃度有了大幅度降低，深部低視野的情況同步有了較大程度的改善。為了盡快與井下被困人員取得聯(lián)系，初步了解井下生存環(huán)境，掌握井筒破壞的具體情況，確定是否存在次生災(zāi)害，現(xiàn)場分兩次于事故風(fēng)井北側(cè)下放礦井監(jiān)測探頭。首次下探至距井口300 m處遇阻，顯示井筒內(nèi)已無明顯火源反應(yīng)，但內(nèi)部構(gòu)筑裝備多處嚴(yán)重受損，井壁雜物交織。二次調(diào)整下探位置后，繼續(xù)下放至距井口336 m處，發(fā)現(xiàn)井筒內(nèi)裝備凌亂，爆炸產(chǎn)生的雜物在該水平略下處將風(fēng)井空間完全封堵，繼續(xù)下放監(jiān)測探頭已不再可能，但畫面反饋井下炮煙已較為稀薄，可見程度尚可，已具備人工下井清障的基本條件。

在加速推進(jìn)風(fēng)井清障與救援鉆孔兩條生命通道施工的同時(shí)，為了解井下涌水與可用氧氣情況，確定被困礦工可能的聚集地點(diǎn)并估算其可存活時(shí)間，根據(jù)事故發(fā)生時(shí)被困人員所處的工作中段與各中段實(shí)際布置情況和開拓進(jìn)度，同時(shí)考慮到井巷實(shí)際氣體比例難以精準(zhǔn)確定，且在沒有貫穿風(fēng)流的情況下仍存在部分氣體擴(kuò)散作用參與，因此采用式(1)進(jìn)行估算。

(1)

式中：T為尚可存活時(shí)間，h；a0為巷道初始氧濃度，%；a為維持人體正?；顒铀璧淖畹脱鯕鉂舛?，%；n為該中段被困人員數(shù)，人；γ為個(gè)人單位時(shí)間耗氧量，m3/h；V為該中段已完成開拓巷道體積和，m3；ε為考慮擴(kuò)散作用的修正系數(shù)，此處取1.15。

由于事故發(fā)生時(shí)有9人被困于距離井口596 m，-350 m水平的5中段，13人被困于距離井口646 m，-400 m水平的6中段，且兩中段尚未形成天井聯(lián)通，因此需分別進(jìn)行可用氧估算。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的施工圖紙與實(shí)際施工情況，分別獲取了兩中段已完成開拓巷道的總體積，并以低活動量的人體耗氧量0.022 9 m3/h作為計(jì)算基準(zhǔn)，利用以上公式分別進(jìn)行計(jì)算，得到五中段氧氣含量尚可支持約16.7 d，六中段氧氣含量可支持約13.6 d。

鑒于井下大立方蓄水池的存在，在救援初期上部中段不會被漫水減少空間，因此該公式并沒有反應(yīng)出涌水情況對井巷空間的影響。而隨著被困時(shí)間的延長，井下涌水將會首先漫過六中馬頭門，進(jìn)而壓縮井巷空氣體積，壓迫被困礦工生存空間，為緩解以上問題，應(yīng)繼續(xù)調(diào)整通風(fēng)策略，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)的穩(wěn)定輸送。

2.4 車載鉆機(jī)配合高性能空壓機(jī)強(qiáng)送新風(fēng)

基建礦山在發(fā)生爆炸事故時(shí)，唯一的升井通道極有可能被截?cái)?，被困人員更容易被置于斷水、斷電、斷聯(lián)系、斷絕給養(yǎng)的極端生存環(huán)境下。在黑暗中，若完全感受不到風(fēng)流的存在容易迷失方向并衍生絕望心理。此時(shí)強(qiáng)送新風(fēng)是維持被困人員良好生命體征、穩(wěn)定心理情緒的重要手段。

在事故礦山的具體操作過程中，經(jīng)過應(yīng)急通風(fēng)方案的實(shí)施，井下有毒有害氣體指標(biāo)已基本達(dá)到正常范圍，允許實(shí)施送風(fēng)作業(yè)。但事故風(fēng)井在距井口336 m處被爆炸產(chǎn)生的雜物交織封堵，正常采用風(fēng)筒送風(fēng)的方式在該水平被卡住，無法下探至井下五中段、六中段。原動力供風(fēng)管路在0水平被攔腰炸斷，也無法實(shí)現(xiàn)深部壓風(fēng)供氧。為了克服以上問題，以現(xiàn)場備用的車載鉆機(jī)與高性能空壓機(jī)為設(shè)備依托，加載中空鉆桿，直接由事故風(fēng)井向下鉆探。在鉆機(jī)的持續(xù)作業(yè)下，作為正常通風(fēng)補(bǔ)充方案的鉆機(jī)-空壓機(jī)組合首次突破雜物網(wǎng)封堵，實(shí)現(xiàn)礦井深部新風(fēng)的壓入。

2.5 利用鉆孔組建自然通風(fēng)網(wǎng)路并實(shí)施生命探測

事故發(fā)生后，定位生命探測維持的3#鉆孔在定向鉆進(jìn)技術(shù)的糾偏下順利貫穿井下五中段?，F(xiàn)場通過錘擊鉆桿傳遞聯(lián)系信息并獲得井下回應(yīng)，初步確定了部分被困人員的基本位置與存活情況。在完成鉆孔套管護(hù)壁、投放給養(yǎng)、線纜架設(shè)的同時(shí)，通風(fēng)保障方面規(guī)劃利用鉆孔實(shí)現(xiàn)貫穿風(fēng)流的給入。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙實(shí)測，3#鉆孔距離巷道口的沿程距離約140 m，巷道設(shè)計(jì)坡度為5‰，因此3#鉆孔通巷位置與巷道口實(shí)際有約0.72 m高差，且救援季節(jié)處于冬季，地表溫度較低，以上條件均利于自然通風(fēng)網(wǎng)路的組成?，F(xiàn)場立即以3#鉆孔作為進(jìn)風(fēng)井，通盤考慮即將貫通的其他鉆孔位置，以事故風(fēng)井為回風(fēng)井，組建自然通風(fēng)網(wǎng)路，并實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)風(fēng)風(fēng)量。在后續(xù)的方案實(shí)施中，雖然3#鉆孔可以順利的完成送風(fēng)任務(wù)，但由于前期偏斜等原因?qū)е裸@孔涌水量過大，因此決定將鄰近的4#備用鉆孔實(shí)施貫通并封堵3#鉆孔止水，以4#鉆孔替代3#鉆孔成為給養(yǎng)進(jìn)風(fēng)通道，同時(shí)利用地表待命空壓機(jī)輔助加壓，提高新風(fēng)輸送能力。在給養(yǎng)與通風(fēng)網(wǎng)路穩(wěn)定后，通過貫通鉆孔與井下礦工交流信息反饋，五中段炮煙已基本散去，新風(fēng)輸送充足，呼吸不再困難。同理以貫通六中段的1#鉆孔為依托組建該中段自然通風(fēng)網(wǎng)路進(jìn)行新風(fēng)輸送，但在該中段下放的生命探測及通訊設(shè)備均未獲得被困人員反饋。

3 結(jié)論與思考

經(jīng)過15個(gè)晝夜的連續(xù)作業(yè)，2020年1月24日救援工作取得重大進(jìn)展，11名被困礦工成功升井獲救。在這場搶險(xiǎn)救援中，多專業(yè)聯(lián)動、互輔互通是貫穿整個(gè)救援流程的關(guān)鍵要素。礦井通風(fēng)保障作為其他救援工作展開的先行條件與基礎(chǔ)條件，在救援初期及救援穩(wěn)定期都具有極其重要的實(shí)際意義，如何解決好救援通風(fēng)工作，做好礦山救援通風(fēng)保障是值得深思與反思的內(nèi)容。以此次笏山金礦爆炸事故救援為例，映射其他基建礦山，得到以下結(jié)論和思考。

1)在基建礦山爆炸事故的救援中，基于現(xiàn)場實(shí)際條件，因地制宜，以最快速度組建應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)，降低有毒有害氣體濃度，特別是CO濃度，是提高被困人員生還率，保障下井救援人員生命安全的必要條件。

2)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，利用強(qiáng)制通風(fēng)凈化有限空間視野，提高井下可視度，是初期救援通風(fēng)的第二目標(biāo)，是井下探測與井筒清障提的必要保障。

3)做好應(yīng)急通風(fēng)設(shè)備儲備，定期維護(hù)檢修，完善區(qū)域響應(yīng)制度，減少所需設(shè)備調(diào)集及安設(shè)時(shí)間，對于救援工作具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4)救援工作需及時(shí)了解井下可利用氧氣情況，在CO濃度達(dá)標(biāo)的前提下，可以合理壓風(fēng)送風(fēng)，以確保井下被困中段有充足的氧氣供給，同時(shí)能夠起到有效緩解被困人員心理恐慌的作用，提高救援成功率。

5)整體救援一盤棋，通風(fēng)網(wǎng)路的建立應(yīng)與其他施救工藝通盤考慮，并依托一切可利用的設(shè)施、工藝穩(wěn)定井下給養(yǎng)供風(fēng)。

6)基建開拓建議結(jié)合整體布局，提前建立壓風(fēng)自救系統(tǒng)或考慮布置獨(dú)立通風(fēng)鉆孔，優(yōu)先貫通安全出口，盡快形成負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)，以預(yù)防并減少事故發(fā)生時(shí)有毒有害氣體富集、氧氣不足等狀況對井下人員的傷害。