彭 然

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，技術(shù)手段的不斷完善，國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)狠抓落實(shí)，安全形勢(shì)已有較大好轉(zhuǎn)，2021年全國(guó)安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定向好，事故總量持續(xù)下降，但死亡10人以上的重大事故依然有16起。2021年6月，鶴壁煤電股份有限公司六礦掘進(jìn)工作面發(fā)生煤與瓦斯突出事故，井下被困8人遇難；2020年9月重慶綦江松藻煤礦膠帶燃燒導(dǎo)致事故，造成16人死亡、42人受傷；2020年12月四川吊水洞煤礦發(fā)生重大火災(zāi)事故造成23人死亡、1人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2 632萬元。經(jīng)事后調(diào)查分析得出，自救器防護(hù)時(shí)間與逃生距離不匹配導(dǎo)致二次事故發(fā)生是造成重大事故發(fā)生的重要原因之一。因此，針對(duì)超大井田礦井逃生方式，探索逃生用自救器的臨界適用深度至關(guān)重要，對(duì)提高災(zāi)害發(fā)生時(shí)的自救成功率可發(fā)揮重要作用。

1 超大井田礦井逃生模式簡(jiǎn)介

大型現(xiàn)代化超大井田礦井具有明顯的大巷長(zhǎng)度長(zhǎng)、工作面推進(jìn)距離長(zhǎng)、井田面積大，多煤層開采、多工作面開采，淺埋深，井筒位置相對(duì)集中等特點(diǎn)[1]，主要災(zāi)害為水災(zāi)、火災(zāi)、頂板和瓦斯煤塵爆炸等。從緊急避險(xiǎn)逃生的原則來看，以逃為主，避險(xiǎn)為輔，災(zāi)害發(fā)生后人員在最短時(shí)間內(nèi)逃離災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)到達(dá)地面是最安全的，逃生時(shí)間越長(zhǎng)，逃生過程中發(fā)生的不可預(yù)見性危險(xiǎn)越多。因此現(xiàn)有的逃生模式多采用自救器接力逃生+緊急避險(xiǎn)裝置+逃生通道逃生的一體化逃生模式[2-5]，逃生全程使用自救器進(jìn)行防護(hù)，現(xiàn)有的逃生通道多為預(yù)鉆孔大直徑逃生通道和斜井井筒[6-7]。

2 大直徑鉆孔和斜井逃生時(shí)間計(jì)算

大直徑預(yù)鉆孔和斜井示意如圖1所示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，提出以下3點(diǎn)假設(shè)：

(1)大直徑鉆孔孔口與斜井井口標(biāo)高相同，且底部位于同一水平，即遇險(xiǎn)人員在井筒逃生過程中垂直逃生的高度相同；

(2)逃生人員在大直徑鉆孔內(nèi)和斜井井筒內(nèi)保持恒定的速度；

(3)逃生人員在大直徑鉆孔內(nèi)通過逃生梯逃生。

依據(jù)我國(guó)相關(guān)建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從爬樓梯的最佳舒適度角度分析，推薦樓梯角度為30°，假設(shè)人員行進(jìn)速度與角度呈線性關(guān)系，傾角為α?xí)r人員的行進(jìn)速度見式(1)：

(1)

式中：vα——傾角為α?xí)r人員行進(jìn)速度，m/s；

v0——傾角為0時(shí)人員行進(jìn)速度，根據(jù)人員疏散基本參數(shù)分析，30～60歲人員平均疏散行進(jìn)速度為1.18 m/s；

v30——傾角為30°時(shí)人員行走速度，取0.58 m/s。

根據(jù)圖1所示，由式(2)確定斜井井筒逃生時(shí)間：

(2)

式中：tl——斜井井筒逃生時(shí)間，s；

L——斜井井筒長(zhǎng)度，m；

vl——斜井內(nèi)行進(jìn)速度，m/s；

H——為大直徑鉆孔長(zhǎng)度，m。

圖1 大直徑預(yù)鉆孔和斜井示意

因?yàn)槲覈?guó)相關(guān)建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的樓梯角度和一般工業(yè)用逃生梯的角度均為30°，因此，采用30°作為逃生梯的代表性角度，并以此計(jì)算其適用深度和井底到井口逃生人員沿逃生梯實(shí)際行走的長(zhǎng)度(H/sin 30°)。由式(3)計(jì)算得出大直徑鉆孔內(nèi)人員逃生時(shí)間：

(3)

式中：th——大直徑鉆孔內(nèi)逃生時(shí)間，s；

vh——大直徑鉆孔內(nèi)行進(jìn)速度，m/s；

β——速度折減系數(shù)，由于逃生梯內(nèi)行進(jìn)速度略慢，取0.8。

則大直徑鉆孔與斜井逃生時(shí)間的比值η可由式(4)計(jì)算得出:

(4)

將式(4)繪制成曲線如圖2所示，由此可得到：從逃生時(shí)間考慮，大直徑鉆孔與斜井逃生時(shí)間的比值η與埋深H無關(guān)，即不能將埋深作為選擇大直徑鉆孔和斜井逃生方式的依據(jù)；傾角α≤15°或α≥40°時(shí)，大直徑逃生鉆孔逃生時(shí)間較短，傾角15°<α<40°時(shí)，斜井逃生時(shí)間較短，當(dāng)選用斜井逃生方式時(shí)，斜井的傾角應(yīng)該在15°～40°之間。

圖2 大直徑鉆孔與斜井逃生時(shí)間對(duì)比曲線

3 自救器臨界適用深度試驗(yàn)論證

3.1 自救器理論防護(hù)時(shí)間

在井下災(zāi)害發(fā)生時(shí)，避險(xiǎn)逃生過程中人員體力消耗大，狹小黑暗環(huán)境下心理承受能力存在極限，逃生時(shí)間不宜過長(zhǎng)[8]。綜合考慮人員逃生體力和心理承受能力，在井筒內(nèi)逃生佩戴常規(guī)的45 min自救器較為合理，這是由于45 min自救器具有相對(duì)體積小、重量輕、攜帶方便等特點(diǎn)，且在礦井普遍配備，更適合人員在大直徑鉆孔內(nèi)的逃生梯以及斜井內(nèi)逃生使用。

逃生人員在劇烈運(yùn)動(dòng)情況下，瞬時(shí)耗氧量大幅增加，因此還要考慮到自救器有效防護(hù)時(shí)間存在低于額定防護(hù)時(shí)間的可能性。根據(jù)登樓梯能量消耗的測(cè)量與統(tǒng)計(jì)中研究結(jié)果表明，耗氧量隨時(shí)間的變化規(guī)律初始階段呈急劇上升趨勢(shì)，高度到達(dá)5～6層或70 s時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，隨之變化規(guī)律進(jìn)入平穩(wěn)階段。以不同年齡人群均速90 步/min爬樓梯[9]，20歲男性平均耗氧速率為29.6 mL/(kg·min-1)，50歲男性平均氧耗速率為27.6 mL/(kg·min-1)，計(jì)算過程中取平均值28.6 mL/(kg·min-1)[10]。進(jìn)入逃生通道前已逃生一段時(shí)間，體能產(chǎn)生一定的消耗，可以認(rèn)為其耗氧速率已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)期。則避險(xiǎn)人員在逃生時(shí)的耗氧量見式(5)[11]：

(5)

式中：Y——避險(xiǎn)人員在逃生時(shí)的耗氧量，mL；

M——人員體重，我國(guó)男性平均體重66 kg；

t——登樓梯時(shí)間，min。

將相關(guān)數(shù)值代入式(5)得，Y=1 887.6t。

額定防護(hù)時(shí)間45 min，是指能夠按照1.2 L/min持續(xù)穩(wěn)定供氧45 min，則自救器可以提供的總氧氣量Y=54 000 mL。由此可得，45 min自救器登樓梯過程中的等效防護(hù)時(shí)間t=29 min。

3.2 防護(hù)時(shí)間內(nèi)登高高度

為了合理掌握井下逃生人員負(fù)載登梯的速度、高度、時(shí)間、平均心率、最大心率、熱耗、自救器使用時(shí)間之間的關(guān)系，組織試驗(yàn)人員進(jìn)行模擬登高試驗(yàn)。試驗(yàn)人員選取年齡在40～50歲之間，3人；30～40歲之間，3人；20～30歲之間，3人[12]，佩戴45 min壓縮氧自救器，通過數(shù)據(jù)采集儀器，將記錄速度、心率、壓力、時(shí)間、高度等數(shù)據(jù)。不同年齡段試驗(yàn)人員高度、自救器余壓與時(shí)間關(guān)系如圖3。

圖3 不同年齡段試驗(yàn)人員高度、自救器余壓與時(shí)間關(guān)系

由圖3可以得出，45 min壓縮氧自救器在高強(qiáng)度活動(dòng)條件下，如井下工人逃生過程等環(huán)境中有效的使用時(shí)間約30 min。由于試驗(yàn)人員的體能相比煤礦工人較差，所以年齡段在40～50歲的試驗(yàn)人員的登樓高度不具有現(xiàn)實(shí)代表意義。

通過理論計(jì)算和試驗(yàn)論證的綜合分析，可以得出45 min壓縮氧自救器的有效使用時(shí)間為29 min。由于我國(guó)煤礦井下工人配備使用的自救器的額定防護(hù)時(shí)間多數(shù)為45 min，相比其他規(guī)格的自救器更適用于井下工人的逃生條件。

由圖3可以看出,20～30歲年齡段試驗(yàn)人員所達(dá)到樓層高度為95層，經(jīng)過計(jì)算，達(dá)到的垂直高度約245 m；30～40歲年齡段試驗(yàn)人員所達(dá)到樓層高度為75層，經(jīng)過計(jì)算，達(dá)到的垂直高度約194 m。

因此在45 min壓縮氧自救器的有效使用時(shí)間內(nèi)，逃生人員登高所達(dá)到的高度在194～245 m之間，如果使用45 min自救器逃生一段距離或者防護(hù)一段時(shí)間，實(shí)際能達(dá)到的高度遠(yuǎn)低于此高度，取1.2的安全系數(shù)[13]，在實(shí)際試驗(yàn)中，自救器可以達(dá)到高度為162～204 m，此試驗(yàn)對(duì)逃生梯中逃生的適宜深度具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

3.3 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析

不同年齡段試驗(yàn)人員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度如圖4所示。由圖4(a)可以看出，年齡段在40～50歲的試驗(yàn)人員一直處于高強(qiáng)度無氧運(yùn)動(dòng)，個(gè)別事件點(diǎn)已經(jīng)處于過度運(yùn)動(dòng)(危險(xiǎn))階段，分析其原因是試驗(yàn)人員自身的體能較差，長(zhǎng)時(shí)間的登高運(yùn)動(dòng)過程中體能衰減較快，產(chǎn)生氣喘、嘔吐等反應(yīng)。這種現(xiàn)象與試驗(yàn)人員長(zhǎng)期不從事重體力勞動(dòng)有關(guān)，因此不能代表煤礦工人的較好體能；由圖4(b)和圖4(c)可以看出，這部分試驗(yàn)人員的運(yùn)動(dòng)大部分處于肌耐力訓(xùn)練階段，隨著登高的高度增加，逐漸進(jìn)入到高強(qiáng)度無氧運(yùn)動(dòng)階段，說明試驗(yàn)人員體能較好，切合煤礦井下工人的真實(shí)體能。

圖4 不同年齡段試驗(yàn)人員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度

4 自救器臨界適用深度理論計(jì)算

4.1 逃生梯踏步速度

通過折返樓梯登梯試驗(yàn)，可以得到試驗(yàn)人員的登梯速度變化和心率變化曲線，選取具有代表性的曲線，如圖5所示。

圖5 不同年齡段試驗(yàn)人員登梯速度變化和心率變化曲線

根據(jù)測(cè)試軟件對(duì)試驗(yàn)人員的速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出試驗(yàn)人員的平均速度，見表1。

表1 不同組別試驗(yàn)人員平均速度

選取試驗(yàn)人員最低平均速度為標(biāo)準(zhǔn)速度，通過環(huán)境參數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行修正，得到人員在逃生梯內(nèi)的平均速度，速度修正公式見式(6)：

(6)

n——踏面寬度影響系數(shù)，即踏面寬度與試驗(yàn)臺(tái)階踏面寬度比值，取0.72；

q——爬梯影響系數(shù)，取0.92。

將相關(guān)數(shù)值代入式(6)，得到逃生梯中踏步逃生的平均速度約為1.3 km/h。

4.2 適用深度理論分析

為了安全，大直徑鉆孔孔底設(shè)置避難硐室[14]，作為保障生命安全的最終防線。極端情況下，地面壓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)損壞，人員在進(jìn)入逃生梯之前需要更換新的自救器[15]，人在劇烈體力消耗的過程中，需氧量增大，按照登高過程等效防護(hù)時(shí)間29 min計(jì)算，得出適用高度見式(7)：

(7)

則H≤320.2 m。

因此，為了保障安全，選取安全系數(shù)f=1.2，基于等效防護(hù)時(shí)間的大直徑鉆孔逃生梯逃生最大適用深度Hh≈267 m。

同理由式(2)可得：

(8)

將相關(guān)數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)算，則：

(9)

當(dāng)15°<α<40°時(shí)，斜井逃生時(shí)間較短，由Mathematica軟件計(jì)算得知，α=27.3°時(shí)，H值最大，為492 m。

為了保障安全，選取安全系數(shù)f=1.2，則基于等效防護(hù)時(shí)間的斜井最大適用深度Hl=410 m。

5 結(jié)論

(1)從逃生時(shí)間考慮，大直徑鉆孔與斜井逃生時(shí)間的比值與埋深無關(guān)，埋深不能作為選擇逃生方式的依據(jù)，當(dāng)斜井傾角α在15°～40°之間時(shí)，選擇斜井逃生時(shí)間最短，其余角度直井為宜。

(2)通過自救器理論防護(hù)時(shí)間計(jì)算和登高試驗(yàn)得出，逃生過程中有效的使用時(shí)間約30 min，理論與實(shí)際計(jì)算結(jié)果一致，折返梯登高高度在162～204 m 之間，對(duì)逃生梯的適用深度具有參考意義。

(3)通過對(duì)逃生梯踏步速度計(jì)算得出，平均速度約為1.3 km/h，大直徑逃生鉆孔逃生梯最大適用深度267 m，斜井最大適用深度410 m，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程中逃生通道適用深度選擇具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。