瓦斯災(zāi)害時(shí)期人員安全疏散機(jī)理研究①

姚建 田冬梅 王春雨

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

瓦斯災(zāi)害時(shí)期人員安全疏散機(jī)理研究①

姚建②田冬梅 王春雨

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

本文針對(duì)國內(nèi)煤礦以往瓦斯災(zāi)害發(fā)生后群死群傷的情況，結(jié)合煤礦“六大系統(tǒng)”中有關(guān)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)的精神，分析了瓦斯災(zāi)害發(fā)生后瓦斯災(zāi)害的致傷形式及原因，研究了緊急情況下人員安全疏散機(jī)理，并得出井下人員安全疏散的判斷條件，該結(jié)論對(duì)提高煤礦瓦斯災(zāi)害后的遇險(xiǎn)人員生存概率，科學(xué)合理選擇煤礦井下永久避難硐室位置有十分重要的意義。

瓦斯;瓦斯災(zāi)害影響;安全疏散;緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)

有關(guān)專家對(duì)國內(nèi)36起典型煤礦事故進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在工作面發(fā)生的爆炸事故，工作面區(qū)域人員絕大部分立即死亡，發(fā)生在工作面以外的爆炸事故，工作面區(qū)域的人員絕大部分死亡于在逃生途中;火災(zāi)和窒息、氣體中毒事故的人員死亡主要發(fā)生在人員逃生或逃生受阻的過程中。有資料統(tǒng)計(jì)表明，造成75%人員傷亡是由于在疏散的途中遭遇有毒有害氣體造成的。如此看來，井下發(fā)生上述事故后，煤礦從業(yè)人員的傷亡是由于現(xiàn)有逃生方式機(jī)理不明朗，不能使礦工得到及時(shí)、有效救助［1］。因此，研究緊急情況下人員安全疏散機(jī)理對(duì)提高遇險(xiǎn)人員的生存概率，建設(shè)完善“六大系統(tǒng)”中的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 瓦斯爆炸超壓傷害影響

瓦斯是我國煤礦的第一殺手，瓦斯、煤塵爆炸往往導(dǎo)致特大事故。新中國建立以來19起一次死亡100人以上特別重大事故中，有14起是瓦斯爆炸或瓦斯與煤塵事故。我國瓦斯煤塵爆炸事故統(tǒng)計(jì)資料分析表明，礦井瓦斯煤塵爆炸大部分發(fā)生在煤層的采掘工作面，其中又以掘進(jìn)工作面居多。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，80%以上的瓦斯爆炸事故發(fā)生在掘進(jìn)、采煤工作面，因此，以掘進(jìn)、采煤工作面災(zāi)害為對(duì)象研究人員安全疏散機(jī)理是非常必要的。

瓦斯煤塵爆炸對(duì)人員傷害和礦井設(shè)備損壞的原因主要有三個(gè)：火焰鋒面的高溫灼燒、沖擊波的超壓破壞和井巷空氣中有毒有害氣體的毒害。其中造成人員當(dāng)場(chǎng)死亡的主要因素為沖擊波超壓傷害。

沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。瓦斯爆炸時(shí)，產(chǎn)生大量高壓氣體，使它周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，使其狀態(tài)(壓力、密度、溫度等)發(fā)生突躍變化，其傳播速度大于擾動(dòng)介質(zhì)的聲速，這種擾動(dòng)在空氣中的傳播就成為沖擊波。根據(jù)何學(xué)秋，張守中等人對(duì)于瓦斯爆炸超壓的TNT當(dāng)量法研究，瓦斯爆炸超壓公式：

式中：△P為空爆沖擊波超壓，MPa;VCH4為參與爆炸瓦斯體積，m3;R為離爆炸源距離，m;S為巷道斷面積，m2。

實(shí)踐證明爆炸后破壞最嚴(yán)重的地方不是在爆心而是在形成了尖峰壓力的地方，一般距爆心100m以外，多在200～300m處，本處取距離爆炸源200m為準(zhǔn)。現(xiàn)以某礦2502工作面巷道200m處為例進(jìn)行瓦斯爆炸計(jì)算，巷道斷面積S=9m2，瓦斯爆炸體積100m3。

也就是當(dāng)2502工作面發(fā)生煤塵瓦斯爆炸時(shí)，在200m范圍以外產(chǎn)生的沖擊波超壓還是能被人體接受，因此對(duì)于瓦斯爆炸災(zāi)害發(fā)生后，應(yīng)該研究200m范圍外逃生人員的安全疏散機(jī)理。

2 疏散時(shí)間

2.1 有害氣體下人的忍耐時(shí)間

有研究表明：火災(zāi)中85%以上的死亡者是由于煙氣的影響，其中大部分是由于吸入煙塵和有毒氣體致死的［2］［3］。火災(zāi)煙氣的毒害性表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是它的缺氧、窒息作用，另一方面是它的毒性、刺激性和腐蝕性作用。瓦斯爆炸及煤礦火災(zāi)中的有毒物質(zhì)主要是CO、HCL、HCN以及沒有燃燒的碳?xì)浠衔?，主要的毒性氣體是CO。如果考慮別的有害氣體，可以將它們的濃度轉(zhuǎn)化為可燃物相應(yīng)的當(dāng)量CO濃度或按照相關(guān)的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

大量事故調(diào)查結(jié)果表明，在事故中死亡的煤礦工人在死亡之前，已經(jīng)吸入有毒氣體而失去行動(dòng)能力，因此，致使人失去行動(dòng)能力的氣體毒性界限的時(shí)間結(jié)合礦井自救器的有效使用時(shí)間，是考慮人員能安全避難的決定因素。在以CO作為火災(zāi)發(fā)生時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)有毒氣體時(shí)，失去行動(dòng)能力的CO限量應(yīng)為致死量的1/2，為此，根據(jù)上圖可以擬合失去行動(dòng)能力的時(shí)間與CO濃度的關(guān)系如下：

式中t1為CO條件下的極限忍受時(shí)間(min); ρ為CO的濃度(%)。

2.2 高溫下人的忍耐時(shí)間

在高溫環(huán)境中，對(duì)于健康的著裝成年男子，克拉尼(cranee)推薦了溫度與極限忍受時(shí)間的關(guān)系為：

式中t2為高溫環(huán)境下的極限忍受時(shí)間(min);T為空氣溫度(℃);B1為常數(shù)(一般取1.0);B2為另一常數(shù)(一般取0)。上式可以簡(jiǎn)化為：

上面兩關(guān)系式?jīng)]有考慮空氣濕度的影響，當(dāng)空氣濕度增大時(shí)，人的極限忍耐時(shí)間降低，因?yàn)樗魵馐侨紵a(chǎn)物之一，火災(zāi)煙氣的濕度較大是必然的。由于人耐高溫環(huán)境的能力差異很大，在應(yīng)用該公式時(shí)，應(yīng)考慮一個(gè)安全系數(shù)，安全系數(shù)可以設(shè)置為0.8，此時(shí)，上式可以表示為：

在火場(chǎng)中人對(duì)有害氣體的忍耐時(shí)間(t1)和對(duì)高溫的忍耐時(shí)間(t2)不可能相同，故兩種危害時(shí)間哪個(gè)最先到來就可作為疏散的危險(xiǎn)時(shí)間，即有T危險(xiǎn)=(t1，t2)。

2.3 人員疏散有效時(shí)間

目前，國內(nèi)在計(jì)算疏散時(shí)間時(shí)是假設(shè)災(zāi)害發(fā)生后，人員立即投入到疏散行動(dòng)中的理想化狀態(tài)［4］。而實(shí)際上，災(zāi)害中人員是否能夠安全逃生的影響因素要復(fù)雜一點(diǎn)，作者根據(jù)礦井實(shí)際情況在一般災(zāi)害的基礎(chǔ)上設(shè)應(yīng)有四種時(shí)間決定(如圖1所示)。

圖1 災(zāi)害時(shí)人員疏散過程時(shí)間示意圖

(1)T感應(yīng)——從災(zāi)害發(fā)生到傳感器察覺到災(zāi)害之間的時(shí)間間隔。災(zāi)害發(fā)生后，產(chǎn)生的煙氣啟動(dòng)災(zāi)害探測(cè)器報(bào)警，使人們知道有異常情況發(fā)生，這段時(shí)間就是前面說人對(duì)災(zāi)害感應(yīng)時(shí)間;(2) T反應(yīng)——從人員感知到災(zāi)害發(fā)生到開始逃生的時(shí)間間隔。人員意識(shí)到有火情時(shí)，一般不急于疏散，而是首先通過獲取信息進(jìn)一步確定是否真的發(fā)生了災(zāi)害，然后采取相應(yīng)的行動(dòng)，這段時(shí)間的長短因人而異，通常情況下人一旦感到危險(xiǎn)來了便會(huì)迅速做出反應(yīng)，因此這段時(shí)間很短;(3)T自救器——從打開自救器到自救器失效時(shí)刻的時(shí)間間隔。人在災(zāi)害情況下，緊張慌亂是呼吸急促，所以自救器實(shí)際有效使用時(shí)間一般小于自救器的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)時(shí)間;(4)T疏散——從人員開始逃生到疏散至安全地點(diǎn)的時(shí)間;(5)T總——礦井災(zāi)害發(fā)生到安全疏散結(jié)束后的所有時(shí)間。

圖1描述了災(zāi)害發(fā)展及人員疏散過程中的各個(gè)時(shí)間段的關(guān)系：由前面的分析可以得知，T感應(yīng)，T反應(yīng)和T疏散是安全疏散時(shí)間的組成部分，所以人員逃生所需總的時(shí)間為：

人員是否能安全逃生，決定于在自救器有效時(shí)間內(nèi)，能否逃離危險(xiǎn)區(qū)域，也就是在T自救器－T危險(xiǎn)＞0，且T自救器－T總=T自救器－(T疏散+T感應(yīng)+ T反應(yīng))＞0時(shí)，人員能安全逃生，反之不能安全逃生。因此安全逃生的公式如下：

一般T感應(yīng)，T反應(yīng)相對(duì)于自救器的時(shí)間是很短暫，取值各約為20s，60s。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求，本文中的工作人員選用礦用隔絕式自救器，安全使用時(shí)間為30min。則本次疏散實(shí)驗(yàn)中的躲避災(zāi)難總體有效時(shí)間T自救器=30min。判斷人員安全逃生的原則是如果井下人員在感覺到災(zāi)害后，立即佩戴自救器的情況下在30min內(nèi)到達(dá)安全地點(diǎn)，基本是可以逃生的。

3 疏散時(shí)間檢驗(yàn)

本文采用地鐵中火災(zāi)人群疏散原理，由于一般的煤礦生產(chǎn)在不斷的進(jìn)行中，疏散距離也不斷變化，所以取最遠(yuǎn)距離的工作面人員的疏散為例，對(duì)礦井災(zāi)害安全疏散情況進(jìn)行研究［5］。

3.1 人員疏散原理

人群擁擠程度對(duì)人群人員移動(dòng)速度起主要控制作用。擁擠程度可用人員密度來量化(即單位面積上的占據(jù)的人數(shù))。一般來說，人員密度越大，人與人之間的距離越小，人員移動(dòng)越緩慢;反之人員密度越小，人員移動(dòng)越快。

一般清況下礦井災(zāi)害復(fù)雜比較，在這里我們假設(shè)新月礦井下人員到最近的安全地點(diǎn)巷道是近水平巷道。采用人流疏散理論公式：

式中T：疏散時(shí)間，s;Q：疏散人數(shù)，人;N：門或走道通行系數(shù)，人/m·s;B：門或走道的寬度，m。

大量的研究和我們的實(shí)測(cè)表明，人員流量N、移動(dòng)速度V和巷道類型以及人員密度D有關(guān)，如下表1、表2、表3。

表1 緊急但非擁擠情況下巷道內(nèi)人員步行速度

表2 擁擠情況下巷道內(nèi)人員步行速度

表3 出入門口的人員步行速度通過系數(shù)

3.2 疏散過程及假設(shè)

3.2.1 疏散過程分析

假設(shè)疏散開始后，疏散人員離開其所在的空間，經(jīng)由工作面巷道、采區(qū)巷道、避難硐室入口等構(gòu)成的疏散空間，轉(zhuǎn)移到安全的場(chǎng)所。在整個(gè)疏散過程中，工作面的人員的疏散分為2個(gè)階段，首先工作面巷道人員必須先從失火地點(diǎn)安全撤離事故地點(diǎn)，最后沿疏散至避難硐室入口。

3.2.2 疏散過程假設(shè)

由于井下空間很大，人員分布很散，可作如下假設(shè)：

①任一單元或巷道內(nèi)的人群可視為一個(gè)整體，假設(shè)該單元(或巷道)內(nèi)全部人員都能自己疏散出去，而且具有相同的特征;②疏散開始之前，人員按不同的密度值分布在不同工作地點(diǎn)內(nèi)，其他各處沒有人員;③第一個(gè)達(dá)到安全出口的人總是選擇最好的巷道進(jìn)行疏散，而且在門和巷道處都沒有堵塞，其通過避難硐室門的時(shí)間不計(jì)，通過巷道的時(shí)間為單個(gè)人沿巷道行走時(shí)間;④對(duì)巷道所有人員全部疏散出巷道的時(shí)間等于所有人員通過避難硐室入口處所需時(shí)間與距離門最遠(yuǎn)的人員步行到避難硐室門口所需時(shí)間中的最長的時(shí)間;⑤假設(shè)人員數(shù)目根據(jù)各巷道寬度均勻分配;⑥整個(gè)疏散過程受疏散通過最慢的單元所控制。

3.2.3 疏散檢驗(yàn)分析

1)報(bào)警時(shí)間T1

由于不考慮災(zāi)害報(bào)警系統(tǒng)的種類、位置，從災(zāi)害發(fā)展過程來看，在火源附近30s內(nèi)溫度、煙氣濃度、輻射熱已經(jīng)很高，按當(dāng)前性能良好的報(bào)警設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間來估算，報(bào)警時(shí)間大約30s。

2)人員響應(yīng)時(shí)間T2

這里假設(shè)人員對(duì)井下環(huán)境比較熟悉，工作人員組織疏散合理，則人員響應(yīng)時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以設(shè)為60s。

3)疏散行動(dòng)時(shí)間

人員在巷道內(nèi)疏散時(shí)，總是與側(cè)壁保持一定的距離，尤其是工作面巷道內(nèi)有很多設(shè)備和堆放物，從而在巷道的邊界存在一個(gè)邊界層，這一部分寬度不能被人員疏散利用。所以，在進(jìn)行疏散計(jì)算時(shí)應(yīng)扣除邊界層的寬度，疏散巷道凈寬度減去邊界層寬度后的寬度稱為有效疏散寬度。假設(shè)A礦工作面到避難硐室的巷道有效體積為800m長×3.6m寬×2.5m高(2502運(yùn)輸巷)，180m長×4.2m寬× 3.0m高(二采運(yùn)輸下山)，120m長×3.6m寬× 2.5m高(運(yùn)輸平巷)的“U”型巷道考慮人員疏散，設(shè)該工作地點(diǎn)各類工人30人工作，工作面發(fā)生災(zāi)害后人員迎風(fēng)撤離，人員疏散示意圖，如圖2。

圖2 最遠(yuǎn)工作地點(diǎn)人員疏散示意圖

運(yùn)輸巷和二采運(yùn)輸下山巷道內(nèi)的通行速度根據(jù)表1選擇1.953m/s。運(yùn)輸平巷內(nèi)的通行速度根據(jù)表2選擇1.27m/s，該水平巷道的人流量是1.5人/(m·s);避難硐室門的有效寬度選取B2=1.2m，若按我國地鐵設(shè)計(jì)中計(jì)算緊急疏散時(shí)通過門的人流量的數(shù)值是0.5人/(m·s)。從而算出：

二采運(yùn)輸下山巷巷道內(nèi)的通行能力：N1×B1=1.5×4.2=6.3(人/s)

硐室入口通行能力：N2×B2=0.5×1.2=0.6 (人/s)

比較時(shí)應(yīng)把N1×B1與N2×B2相比較，得：N2×B2＜N1×B1，所以人在避難硐室入口處可能發(fā)生滯留現(xiàn)象，入口處為疏散“控制點(diǎn)”，此處產(chǎn)生滯留時(shí)間為最遠(yuǎn)處工人流達(dá)到入口的時(shí)間，即為巷道通行時(shí)間：

由于危險(xiǎn)來臨時(shí)間的計(jì)算受井下多環(huán)境及逃生者個(gè)人逃生能力的影響，實(shí)際生產(chǎn)中的井巷錯(cuò)綜復(fù)雜。為安全起見我們應(yīng)在計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上取安全系數(shù)2，所以在實(shí)際情況下安全疏散所需時(shí)間：

即在自救器有效的使用時(shí)間內(nèi)，工作面30人是可以安全疏散到距離工作面900m的避難硐室。同理，最遠(yuǎn)的人都能疏散到永久避難硐室，其它工作地點(diǎn)的人員也一樣可以逃生到永久避難硐室等待救援。為檢驗(yàn)該模型的真實(shí)型，作者在該礦進(jìn)行了30人的真人逃生模擬，最后所有的人員在12分鐘左右逃到指定安全地點(diǎn)，說明這個(gè)疏散模型是比較準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

1)以綜采工作面瓦斯爆炸發(fā)生后疏散人員為對(duì)象，研究了緊急情況下人員安全疏散機(jī)理，該結(jié)論對(duì)于設(shè)置最佳永久避難硐室位置，最大程度的降低瓦斯煤塵爆炸災(zāi)害時(shí)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失有著重大的意義。

2)本文研究分析了煤礦“第一殺手”瓦斯災(zāi)害對(duì)井下人員的影響情況，得出瓦斯對(duì)人傷害時(shí)間主要有四種因素：①耗氧窒息;②高溫?zé)齻?③產(chǎn)生的有毒有害氣體中毒;④沖擊波超壓傷害。其中沖擊波超壓一般致人立即死亡，耗氧窒息、高溫?zé)齻陀卸居泻怏w中毒一般在井下人員得不到及時(shí)疏散時(shí)致人傷亡。

3)研究了井下人員在有毒有害氣體人和高溫等條件下的忍耐時(shí)間。

4)建立了井下人員在瓦斯災(zāi)害發(fā)生后人員疏散時(shí)間的模型，并得出只有滿足：T自救器－T危險(xiǎn)≥T自救器－T總=T自救器－(T疏散+T感應(yīng)+T反應(yīng))＞0時(shí)，人員才能安全疏散成功。

5)以新月礦綜采工作面為例，根據(jù)人員疏散模型進(jìn)行了疏散時(shí)間理論驗(yàn)算，并組織現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行了實(shí)地檢驗(yàn)，結(jié)果表明該模型是比較準(zhǔn)確的判斷出人員疏散條件。

［1］王新民，姚建，彭欣.火災(zāi)時(shí)期致命因素危害時(shí)間的研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2005(1)：28－30

［2］田冬梅.火災(zāi)中安全疏散機(jī)理的研究［D］.南華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006：45－58

［3］張培紅，陳寶智，劉麗珍.大型公共建筑物火災(zāi)時(shí)人員疏散行為規(guī)律研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，11(2)：22－26

［4］呂春杉，翁文國，楊銳等.基于運(yùn)動(dòng)模式和元胞自動(dòng)機(jī)的火災(zāi)環(huán)境下人員疏散模型［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，47(12)：2158－2162

［5］陳濤，宋衛(wèi)國，范維澄等.十字出口寬度與人員阻塞的依賴關(guān)系及其模擬和分析［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2004，14(5)：567－572

Study on the Theory of Person Safety Evacuation In Coal Mine

YAO Jian，TIAN Dongmei，WANG Cunyu

(Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601

Aiming at the circs of death and damage in gas accident，the forms and causes for gas bring on damages were analyzed combining with the spirit of constructing urgency avoiding danger in coal mine“six system”.The theory of person safety evacuation was study in urgency circs.And the judging conditions of person safety evacuation in mine were educed，which had important meaning for advancing the survival probability after gas accidents and could guide the mine workers to select the scientific Permanent refuge chamber.

Gas;gas accident affections;Safety evacuation;urgency avoiding danger system

TD712+.74

A

1672－7169(2011)04－0038－05

2011－08－16

姚建(1979－)，男，湖南岳陽人。華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院教師，主要從事安全工程專業(yè)的教學(xué)與科研。