煤礦井下災(zāi)后救援中垮塌巷道研究的展望

郝傳波,　張國華, 2,　胡　剛,　肖福坤

(1.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室(黑龍江科技學(xué)院), 哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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煤礦井下災(zāi)后救援中垮塌巷道研究的展望

郝傳波1,張國華1, 2,胡剛1,肖福坤1

(1.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室(黑龍江科技學(xué)院), 哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

從安全、快速、高效救援的理念出發(fā)，針對煤礦井下災(zāi)后救援中常遇到的垮塌巷道，闡述其對救援工作的影響，并確認依托原有巷道形成救援通道是最佳路徑。首次就垮塌巷道研究中所涉及的科學(xué)與工程問題明確了其相關(guān)研究內(nèi)容，具體包括災(zāi)前巷道穩(wěn)態(tài)評價、垮塌巷道等級劃分、垮塌巷道與塊狀堆積體結(jié)構(gòu)研究、垮塌巷道內(nèi)救援通道快速形成技術(shù)四個方面。這些研究內(nèi)容的確立與未來的深入研究，對推動我國煤礦救援工作的科學(xué)發(fā)展、提高災(zāi)后救援效率具有重要的指導(dǎo)意義。

煤礦; 救援; 垮塌巷道; 救援通道

我國每年因煤礦事故而傷亡的人數(shù)僅次于交通事故。煤礦安全生產(chǎn)不僅影響煤炭行業(yè)的健康發(fā)展,而且影響社會的和諧與穩(wěn)定。應(yīng)急救援一直被認為是煤礦井下災(zāi)害發(fā)生后挽救被困人員生命的最后一道防線。在保障救援人員安全的前提下,快速、有效的救援工作是當(dāng)今應(yīng)急救援的新理念。在煤礦各類災(zāi)害中,瓦斯(煤塵)爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等被認為是致災(zāi)能力最強的災(zāi)害。這些災(zāi)害均會對巷道造成不同程度的破壞,導(dǎo)致救援通道堵塞,嚴重影響著救援工作順利開展。目前,國內(nèi)外對災(zāi)后垮塌巷道方面的研究尚無報道,鮮有系統(tǒng)而深入的研究。

基于井下災(zāi)后救援實際需要,就垮塌巷道及垮塌巷道內(nèi)救援通道形成過程中所涉及的科學(xué)與工程問題,筆者論述其未來研究中所涉及的主要內(nèi)容,構(gòu)建其研究思路,以期為廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員開辟此領(lǐng)域的研究提供參考。

1　災(zāi)后垮塌巷道對救援的影響

我國煤炭生產(chǎn)95%以上屬于井工開采。當(dāng)煤礦井下災(zāi)害發(fā)生后,人本能的第一反應(yīng)就是迅速撤離災(zāi)害危險區(qū)域[1]。據(jù)煤礦事故統(tǒng)計和救援經(jīng)驗,井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)場瞬間死亡人員比例不到10%,其余絕大部分人是因氣體中毒、逃生路線阻斷無法及時逃離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻而長時得不到補給和及時救治等因素致命[2-3]。由此可見,災(zāi)害發(fā)生后,逃生路線不被阻斷、救援通道快速形成、救援人員能夠及時到達待援人員的駐留區(qū)，成為減少人員傷亡的關(guān)鍵。所有這些，均與巷道有直接關(guān)系。據(jù)不完全統(tǒng)計,此時,到達待援駐留區(qū)所用時間約80%會耗費在救援通道的打通上。

以黑龍江省為例，1994～2004年間，發(fā)生重、特大事故230起，死亡2 199人。其中，瓦斯爆炸事故159起(占69.1%)，死亡1 791人(占81.4%)[4]。所有這些瓦斯爆炸事故，均存在不同程度巷道破壞而影響救援工作的情形。最為典型的事故是1999年1月25日七臺河煤業(yè)集團新富煤礦多種經(jīng)營公司小五井附屬立井發(fā)生的一次礦難。工人在井下拖拽電纜致明接頭短路產(chǎn)生了火花，引起瓦斯爆炸。爆炸使左一平巷與暗斜井交叉地段冒落冒實，導(dǎo)致沿此路線逃生的人員受阻無法及時撤離，11人遇難。同年12月9日，黑龍江省密山市煤炭公司奇峰煤礦井下發(fā)生瓦斯爆炸事故，6人遇難。爆炸引發(fā)絞車道在120 m以下均發(fā)生大面積冒落，人員無法進入，致使搶險救援工作延長近三天的時間。2000年4月24日，雞西恒華煤炭有限責(zé)任公司煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，6人遇難。井下二片到四片之間的巷道冒落嚴重，使救援時間延誤28 h才搜尋到最后2名遇難人員。諸如此類的案例還有很多。

由此可見,災(zāi)后垮塌巷道對其后井下應(yīng)急救援有著極其重要的影響。

2　災(zāi)后垮塌巷道研究現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外的煤礦井下應(yīng)急救援研究領(lǐng)域主要集中在通訊設(shè)備、氣體檢測、生命探查、防護裝備、破除工具、輕便支護、地面模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和救援指揮系統(tǒng)、井下救生艙的研發(fā)等方面。井下災(zāi)后巷道圍巖處于臨時穩(wěn)定狀態(tài)。因為局部頂板巖塊不斷冒落往往會砸斷通訊線路，影響井下信息的及時反饋，所以無線、可視、便攜是今后井下救援通訊的發(fā)展方向。在氣體檢測儀器方面，則主要朝著功能集成化、智能化方向發(fā)展。雖然地面生命探測技術(shù)有了長足發(fā)展，但受限于井下空間及其條件的復(fù)雜性，其使用效果并不理想，探測距離短、精度差、謊報等情況經(jīng)常存在。針對這些問題如何予以突破是今后的發(fā)展方向。目前，國內(nèi)救援人員的個體防護裝備，主要源于美國和德國兩大系統(tǒng)，急需改進的核心是如何延長降溫時間和減輕設(shè)備質(zhì)量。破除裝備和臨時支護裝備雖然已經(jīng)輕便化、適用化，但遇到較大的冒落巖塊堵塞巷道時，仍然顯得力不從心。為克服災(zāi)后井下特殊環(huán)境條件限制，快速靜力爆破破解技術(shù)研究有很大的必要性。井下救生艙的研發(fā)只是近幾年才得到重視，現(xiàn)在還處于研后裝備階段，其作用尚未得到災(zāi)后檢驗。

縱觀煤礦救援領(lǐng)域的研究重點和內(nèi)容，截至目前，針對災(zāi)后垮塌巷道以及在垮塌巷道內(nèi)安全快速形成救援通道方面的研究仍無人問津，也沒有引起廣大學(xué)者、工程技術(shù)人員、救援人員的足夠重視。

巷道垮塌一直以來被認為是生產(chǎn)過程當(dāng)中出現(xiàn)的巷道局部失穩(wěn)現(xiàn)象,所以相關(guān)研究很少。已有研究[5-8]集中在三個方面:一是巷道掘進過程中遇到地質(zhì)破碎帶時的冒空處理;二是巷道在正常使用過程中出現(xiàn)局部支護失穩(wěn)時的修復(fù);三是煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生后巷道的恢復(fù)。從其研究目的來看,均是滿足生產(chǎn)需要,并非為了救援；從其研究內(nèi)容來看,則集中在處理方式上。

由于對災(zāi)后垮塌巷道以及在垮塌巷道中快速形成救援通道沒有人進行過深入系統(tǒng)的研究,也沒有形成對實際具有有效指導(dǎo)作用的理論與技術(shù)支撐體系,所以在救援過程中遇到該問題時也只能憑經(jīng)驗去處理。絕大多數(shù)救援工作采用人工搬運或另辟蹊徑的方式來構(gòu)建救援通道,耗時過多又直接影響了災(zāi)后救援效果。

3　災(zāi)后垮塌巷道研究展望

我國煤礦災(zāi)后救援通道主要有三種形成方式，一是依托原有巷道快速形成救援通道，二是重新開掘巷道，三是采用地表鉆孔(井)形成救援通道[9-13]。重新開掘巷道，需要水、電、風(fēng)、機械等配套的設(shè)備，以及準(zhǔn)確的定位與定向作為保證，相對耗時較長。通過地表鉆孔技術(shù)來形成救援通道，該技術(shù)不僅涉及到定位和定向的問題，而且隨著我國礦井開采深度的增加，對鉆孔設(shè)備的要求也越來越高，同時,需要實現(xiàn)對駐留區(qū)待援人員的臨時供給。不過，智利圣何塞銅礦地表鉆井成功救援也給了我們啟示，即在井下救生艙、避難所等井下臨時避難設(shè)施逐步完善的條件下，大孔徑地表鉆井救援技術(shù)也是一個很好的研究方向。我國在這方面起步相對較晚，目前鉆救設(shè)備的鉆進距離還滿足不了深井救援的需要，其救援作用和效果尚無法判定。相比較而言，煤礦井下巷道是人員行走的唯一通道，對于救援人員而言，沿著巷道搜救是最理想的路線，也是進入待援人員駐留區(qū)的最理想途徑，因此依托原有巷道快速形成救援通道是最理想的一種方式。

如文中開篇所述,當(dāng)前的救援理念是在保證救援人員安全的前提下有效快速地開展救援工作。安全源于環(huán)境,對于在垮塌巷道內(nèi)開展救援而言,除了有毒有害氣體之外,最大的威脅來自遭受破壞之后臨時處于穩(wěn)定狀態(tài)的巷道圍巖、在堆積體內(nèi)維系救援通道的巖石塊體,故對災(zāi)后垮塌巷道的研究應(yīng)涉及以下四個方面。

3.1災(zāi)前巷道穩(wěn)態(tài)評價

以往對巷道的研究僅以巷道是否能夠保證正常使用以及是否能夠保證生產(chǎn)期間的安全為衡量標(biāo)準(zhǔn),只限于圍巖控制研究,并沒有考慮救援的需要。

災(zāi)后巷道垮塌實際上是原有巷道在發(fā)生災(zāi)害時對沖擊破壞力的一種響應(yīng)表現(xiàn)形式。其響應(yīng)程度不僅取決于沖擊破壞力的大小,還取決于巷道圍巖在原支護下的抵抗能力即穩(wěn)定程度。因此,為了預(yù)測和判定不同災(zāi)害條件下巷道的破壞程度、破壞部位以及對救援通道的堵塞影響程度,從而為救援方案的制定提供可靠的預(yù)知信息,需要在巷道使用生命周期內(nèi),對巷道的“圍巖—支護”所處的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式與狀態(tài)、抗破壞能力、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的薄弱部位等開展評價研究,即災(zāi)前巷道穩(wěn)態(tài)評價研究。

災(zāi)前巷道穩(wěn)態(tài)評價研究,主要是結(jié)合巷道的斷面形狀、尺寸、圍巖性質(zhì)與組成、支護方式與參數(shù)以及應(yīng)力分布狀態(tài)等信息,分析巷道圍巖破壞前所處的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式與狀態(tài),評價其抗災(zāi)能力,預(yù)知其最易破壞的部位,預(yù)測出破壞后對巷道的堵塞程度等。

3.2垮塌巷道等級劃分

井下生產(chǎn)與地質(zhì)條件千變?nèi)f化,對巷道能夠造成破壞的災(zāi)害種類及破壞能力也千差萬別,故對全國范圍內(nèi)的所有巷道分別進行全面的研究不現(xiàn)實,而相應(yīng)進行分類研究更為實際。從災(zāi)后救援的角度來看,開展分類研究應(yīng)以其對井下救援的影響程度和救援通道形成的難易程度為依據(jù),在調(diào)研、統(tǒng)計、分析的基礎(chǔ)上,首先對垮塌巷道進行等級劃分。

垮塌巷道等級劃分需要綜合考慮遭受破壞之后巷道圍巖的安全與穩(wěn)定狀態(tài)、是否允許和能夠通過、救援通道打通的難易程度等方面。具體包括巷道圍巖的臨時穩(wěn)定狀態(tài)、垮塌狀態(tài)、巷內(nèi)堆積體的大小及對巷道的堵塞程度、堆積體內(nèi)巖石塊體大小與分布等內(nèi)容。據(jù)此,從對救援通道形成的影響程度出發(fā),確定垮塌巷道的等級,給出相應(yīng)的定量與定性衡量指標(biāo)。

3.3垮塌巷道與塊狀堆積體結(jié)構(gòu)

災(zāi)后破壞的巷道,從救援需要上看,在整體上可粗分為“能通過”和“不能通過”兩類,同時又要涉及到空間和安全兩個方面。所以,對救援影響比較大的是“不能安全通過”和“不能通過”兩種情況。

所謂“不能安全通過”是指具有人員通過的空間,但因破壞之后的巷道圍巖處于臨時穩(wěn)定狀態(tài),人員通過可能會對臨時處于穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵控制點產(chǎn)生影響,進而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致整體突然失穩(wěn),對人員安全造成威脅。此時研究的內(nèi)容主要是確定巷道圍巖臨時穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式與狀態(tài)、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制部位等。

所謂“不能通過”是指不具備人員通過的空間。這種情況是指破壞之后的巷道,因其垮落的塊狀堆積體幾乎充滿整個巷道,造成救援通道堵塞,且延伸距離較長。此時，需要在塊狀堆積體中重新構(gòu)筑一條新的救援通道,于是塊狀堆積體內(nèi)的開挖與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定就成了必然觸及的問題。

在塊狀堆積體中進行開挖與維護,不同于在原始煤巖體中形成巷道。塊體間的連接狀態(tài)、臨時穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)均有其特殊性。確定塊體之間的聯(lián)動關(guān)系、關(guān)鍵塊體所在部位等成為是否能夠保證快速開挖與安全控制的關(guān)鍵。因此,相應(yīng)的研究內(nèi)容主要是建立相關(guān)理論與力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,研究塊狀堆積體的塊度與分布、堆積形態(tài)、塊體之間連接狀態(tài)、臨時穩(wěn)定力學(xué)結(jié)構(gòu)、塊體之間的聯(lián)動關(guān)系、關(guān)鍵塊體所在部位等。

3.4垮塌巷道內(nèi)救援通道快速形成技術(shù)

在垮塌巷道內(nèi)形成救援通道,對于“不能安全通過”的空間而言,其速度取決于是否能夠準(zhǔn)確定位圍巖臨時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制部位及所采取的有效控制措施;對于“不能通過”的空間而言,其速度則一方面取決于對堆積體預(yù)開挖空間內(nèi)垮落巖塊的破解、搬運、清除速度,另一方面取決于對開挖空間周圍的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用塊體的準(zhǔn)確定位及有效控制。

在對垮塌巷道與塊狀堆積體結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,有效控制措施、高性能的臨時支護設(shè)備、輕便高效的開挖裝備、合理的施工組織等,便構(gòu)成了垮塌巷道內(nèi)救援通道快速形成技術(shù)研究的主要內(nèi)容。

除此之外,災(zāi)后救援本身在時間上具有緊迫性,要實現(xiàn)安全、快速、高效,就需要在最短的時間內(nèi)制定快速而正確的方案。因此,在對以上四個方面開展系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上,還需要開發(fā)相應(yīng)的計算機決策系統(tǒng),從而體現(xiàn)其在應(yīng)急救援中的時效作用。

4　結(jié)束語

在煤礦井下災(zāi)后救援中,依托原有巷道快速形成救援通道是最理想的方式。瓦斯(煤塵)爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等破壞能力最強的災(zāi)害中,垮塌巷道普遍存在且對救援影響最大。相關(guān)研究應(yīng)側(cè)重于災(zāi)前巷道穩(wěn)態(tài)評價、垮塌巷道等級劃分、垮塌巷道與塊狀堆積體結(jié)構(gòu)、垮塌巷道內(nèi)救援通道快速形成技術(shù)四個方面。這些研究內(nèi)容在國內(nèi)外尚屬空白。開展相關(guān)研究對安全、快速、高效開展災(zāi)后救援工作和提高救援效率，具有十分重要的意義。

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(編輯晁曉筠)

Prospect of study on tunnel collapse during rescue following disaster in coal mines

HAOChuanbo1,ZHANGGuohua1, 2,HUGang1,XIAOFukun1

(1.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang Institute of Science & Technology,Harbin 150027, China; 2.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at addressing tunnel collapse frequently occurring during rescue following disaster in coal mine, this paper, building on idea of the safe, rapid and efficient rescue, introduces its influence on rescue and highlights the formation of rescue passageways depending on tunnels available. The paper is the first to define the research content focused on science and engineering problems related to tunnel collapse, including four aspects such as the evaluation of tunnel steady-state before disaster, grade classification of collapse tunnel, structure research of collapse tunnel and massive accumulation body, rapid formation technology of passageway relay in collapse tunnel. These research contents and consequent studies are of significance to promoting scientific development of coal mine rescue work in our country and improving rescue efficiency after disaster.

coal mine; rescue; tunnel collapse; rescue passageway

1671-0118(2012)06-0549-04

2012-10-08

黑龍江省煤炭生產(chǎn)安全管理局資助項目(2012)

郝傳波(1962-)，男，黑龍江省寧安人，教授，博士，研究方向：礦山安全與管理，E-mail：haochuanbo@126.com。

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