基于瓦斯煤塵爆炸的礦井緊急避險系統研究

賈齊林，吳 蒸，沈 虎，劉 萌

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；4.陜西陜煤銅川礦業(yè)公司，陜西 銅川 727015)

?

基于瓦斯煤塵爆炸的礦井緊急避險系統研究

賈齊林1，吳 蒸2，3，沈 虎4，劉 萌2

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；4.陜西陜煤銅川礦業(yè)公司，陜西 銅川 727015)

為了更科學合理地布置礦井緊急避險系統，以瓦斯煤塵爆炸為例，引用炸藥爆炸規(guī)律將瓦斯煤塵爆炸的傷害劃分為非常嚴重區(qū)、嚴重區(qū)和輕微區(qū)；運用爆炸超壓值衰減理論、熱輻射傷害準則和毒物-濃度傷害準則，建立了礦井瓦斯煤塵爆炸三區(qū)傷害范圍劃分準則；結合瓦斯煤塵爆炸的特點及不同緊急避險設施的優(yōu)缺點，對井下避險設施的合理位置和類型進行了探討。結果表明：非常嚴重區(qū)和嚴重區(qū)以沖擊波傷害為主，輕微區(qū)以有毒有害氣體傷害為主；在非常嚴重區(qū)設置避難設施對瓦斯煤塵爆炸事故無效；在嚴重區(qū)中部應設置抗爆性較高的可移動救生艙；在輕微區(qū)內宜設置密閉性較強的避難硐室。

緊急避險系統；瓦斯煤塵爆炸；三區(qū)傷害劃分準則；臨時避難硐室

0 引 言

中國礦井緊急避險系統研究和應用起步較晚，在政府和煤礦企業(yè)的共同努力下，近年來得到了較快發(fā)展。在不到十年時間內完成了從初步認識到全面推廣應用的過程。由于對相關理論和技術研究不夠，在推廣應用中出現了一些問題，對緊急避險系統的發(fā)展產生了一定的負面影響。筆者認為，緊急避險系統對礦井災害的作用是值得肯定的，但就目前而言，針對不同災害特點的緊急避險系統理論尚未成熟，對一些科學問題應進一步研究。

據統計[1]，國有大中型煤礦中，26.8%是高瓦斯礦井，17.6%是煤與瓦斯突出礦井，55.6%是低瓦斯礦井；在地方國有煤礦和各類鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，15%是高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井。礦井重特大事故中，瓦斯煤塵爆炸事故占了相當大的比例[2-3]?！睹旱V井下緊急避險系統建設管理暫行規(guī)定》要求：突出煤層的掘進巷道長度及采煤工作面推進長度超過500 m時，應在距離工作面500 m內建設臨時避難硐室或設置救生艙；其他礦井在距離采掘工作面1 000 m范圍內建設避難硐室或設置可移動救生艙。針對瓦斯煤塵含量不同的煤礦，緊急避險系統如何布置才合乎科學，這對煤礦企業(yè)的安全生產和節(jié)約資金具有重要意義。所以，文中擬對瓦斯煤塵爆炸下緊急避險系統進行研究。

1 瓦斯煤塵爆炸傷害模型

瓦斯煤塵爆炸是瓦斯煤塵在井下巷道中共同參與爆炸的結果，往往是瓦斯爆炸引起煤塵參與爆炸，其危害程度遠遠大于單純的瓦斯爆炸[4-5]。瓦斯煤塵爆炸對井下人員的傷害主要分為沖擊波傷害、高溫火焰?zhèn)陀卸居泻怏w的中毒傷害。爆炸傷害的傳播因井下巷道布置及巷道內設施而具有復雜性，為方便研究，文章不考慮巷道的拐彎、分岔或設施等的影響。以瓦斯煤塵爆炸對井下人員造成的傷害程度為劃分標準，將爆炸傷害范圍以爆炸中心(簡稱爆心)為原點，傳播距離為半徑，劃分為非常嚴重區(qū)，嚴重區(qū)和輕微區(qū)3個區(qū)域。每種傷害都有其對應的三區(qū)傳播范圍。

當發(fā)生瓦斯煤塵爆炸時，井下人員能夠得以逃生，主要跟2個距離和2個速度有關，即：事故現場到工作人員之間的距離s1，工作人員到避險設施的距離s2，災害的蔓延速度v1，工作人員的逃生速度v2，如圖1所示。

圖1 爆炸現場、逃生者、避難設施相對位置示意圖Fig.1 Explosion spot，survivor and shelter relative position

非常嚴重區(qū)內的工作人員距事故現場較近，即s1

嚴重區(qū)內的工作人員相對距離事故現場較遠，距避難設施較近，即s1>s2.同非常嚴重區(qū)一樣，t1=(s1+s2)/v1，t2=s2/v2。此時，若t2>t1，則工作人員直接死亡；若t1>t2，則工作人員有機會進入避難設施進行躲避。所以，嚴重區(qū)內的工作人員具有逃生的可能。

輕微區(qū)內的工作人員距離事故現場較遠，即s1≥s2，事故發(fā)生時，該區(qū)域內的工作人員有充足的逃跑時間可以逃至地面。當逃生路線被阻需要進入避難設施躲避時，t1>t2，即他們可以進入就近的避難設施，等待救援。所以輕微區(qū)雖然處于事故的波及范圍內，但其內的工作人員具有逃生能力和逃生時間。

2 瓦斯煤塵爆炸傷害準則

2.1 TNT當量計算

首先，采用TNT當量標準對瓦斯煤塵爆炸的能量進行量化，其公式[6]為

MTNT=0.945VCH4+1.58MC.

(1)

式中MTNT為參與爆炸的瓦斯煤塵的TNT當量質量，kg；VCH4為參與爆炸的瓦斯體積量，m3；MC為參與爆炸的煤塵質量，kg.

2.2 沖擊波傷害三區(qū)范圍

關于沖擊波對人的傷害，國內外學者結合人體本身的特點，在利用動物做了大量實驗研究后表明：當沖擊波超壓達到P1=0.02 MPa時，人體將開始受到輕微傷害；當該壓力達到并超過P2=0.1 MPa時，沖擊波將會對人體造成嚴重傷害；當超壓達到P3=0.3 MPa時，沖擊波將會直接造成人體的死亡。標準炸藥爆炸的超壓值衰減公式[6]如下

(2)

式中P為距爆心R米處的爆炸超壓值，kPa；S為巷道凈斷面積，m2；R為距爆心的距離，m.

將P1，P2，P3值代入式(2)得

(3)

式中R1為非常嚴重區(qū)邊界到爆心的距離，m；R2為嚴重區(qū)邊界到爆心的距離，m；R3為輕微區(qū)邊界到爆心的距離，m.

2.3 高溫火焰?zhèn)θ齾^(qū)范圍

研究瓦斯爆炸高溫灼傷過程時發(fā)現，火焰峰面?zhèn)鞑ゾ嚯x以及傷害范圍很難直接確定。因此，為方便理論研究，假設爆炸是在井下巷道中瞬時完成的，并且高溫氣體主要以火球熱輻射的形式對井下人員造成傷害。中國學者宇德明根據Pietersen熱輻射傷害概率公式，推導出熱劑量傷害準則[7]，見表1.

表1 瞬態(tài)火災作用下熱劑量傷害準則

在不考慮巷道壁面粗糙程度對熱輻射傳播的影響以及空氣對熱輻射吸收作用的情況下，火焰在井下受巷道約束，通過火球熱輻射傳播規(guī)律[7]得到火焰?zhèn)嚯x公式

(4)

式中 Q為當量火球熱輻射計量，kJ/m2；T為火球溫度，一般取值2 580K.

將傷害準則代入式(4)得

(5)

2.4 有毒有害氣體傷害三區(qū)范圍

瓦斯煤塵爆炸后，有毒有害氣體的成分以CO為主。氣體隨著風流擴散至整個礦井，只有長時間吸入有毒有害氣體，才會造成中毒。故而利用毒物-濃度傷害準則[8]作為瓦斯煤塵爆炸下的有毒有害氣體的傷害，傷害準則見表2.

表2 有毒有害氣體傷害準則表

研究表明，標準狀態(tài)下，當巷道平均風速0.32～4.55 m/s，摩擦阻力系數為0.008～0.047 N·s2/m4，雷諾數Re為1×104～1.36×105，縱向紊流彌散系數Ex為0.922～7.921 m2/s時，巷道毒害氣體濃度隨距離變化的關系式[9]為

Cmax=0.035Mr-1/2α-1/4R-1/2.

(6)

式中Cmax為有毒有害氣體濃度，g/m3；M為參與爆炸的煤塵量，m3；R為井巷半徑，m；α為井巷摩擦阻力系數，N·s2/m4.

將式(6)帶入表2，按50 g/m3(體積分數為4%)的瓦斯煤塵爆炸產生的CO量來計算爆炸后有毒有害氣體在巷道中的傷害范圍，得如下公式

(7)

2.5 爆炸傷害準則

式(3)(5)(7)分別為直線巷道中沖擊波、高溫火焰以及有毒有害氣體所對應的三區(qū)傷害范圍距離公式。這些距離公式因各自準則的不同，所以各傷害范圍也不相同，實際瓦斯煤塵爆炸中需要對這3類傷害范圍進行綜合考慮，以便選擇合理的傷害分區(qū)作為參考依據。三者的傷害范圍均是參與爆炸的瓦斯煤塵爆炸質量的函數。在爆炸物質量一定的情況下，若僅考慮煤塵爆炸，通過計算對比、取并集，可得三區(qū)中各傷害傳播范圍，如圖2所示。

圖2 三區(qū)中各傷害傳播范圍示意圖Fig.2 Transmission range of every damage in the three regions

同理，若僅考慮瓦斯參與爆炸的情況下，傷害范圍對比情況與煤塵爆炸傷害范圍對比情況相同。故三區(qū)標準傷害范圍應為非常嚴重區(qū)和嚴重區(qū)以沖擊波傷害范圍為準，輕微區(qū)傷害范圍以有毒有害氣體為準，見表3.

實際上，瓦斯煤塵爆炸的傷害在井下傳播受多種因素影響，如巷道內障礙物[10]、巷道斷面變化、巷道壁粗糙度、轉彎和分岔[11]以及風流等等。由于井下條件復雜多變，目前此方面研究仍不完善?？偟膩碚f，在這些因素影響下，原來的傷害范圍會有所改變，即

R′=λR.

(8)

式中 R′為爆炸實際傷害范圍，m；λ為爆炸傷害影響因數；R為爆炸理論傷害范圍，m.

表3 瓦斯煤塵爆炸三區(qū)傷害范圍準則

3 緊急避險系統的布置

緊急避險系統主要由避災路線和避險設施組成。其作用有2個：第一，在災害發(fā)生和發(fā)展過程中保護井下人員不受災害直接傷害。如在瓦斯爆炸發(fā)展、火災和水災發(fā)生及蔓延過程中，井下人員在來不及逃至地面的情況下，可進入就近的避難所，以避免受到傷害。第二，在災害發(fā)生后，在逃至地面的路線被阻斷的情況下，為受阻人員提供必要的條件以維持生命，等待救援。如在井巷垮塌、被水淹沒、被煙火阻斷等人員無法通行的情況下，可進入就近的避難所躲避，以等待救援。影響緊急避難系統的類型選擇、系統布置、作用發(fā)揮的主要因素有：埋深、開拓方式、逃生距離等。不同的礦井，應選擇不同類型的避險系統，采用不同的布置方式。

3.1 避險設施的合理位置

采掘面是煤礦主要作業(yè)點，避難設施距采掘面的距離并不是越小越好[12]。若距離采掘面太近，不但因增加搬遷頻率而增大成本，更重要的是采掘面附近是事故高發(fā)地點，一旦采掘面或其附近發(fā)生瓦斯煤塵爆炸可能會對避難設施造成嚴重損害從而失效。相對于非常嚴重區(qū)內的人員來講，嚴重區(qū)或輕微區(qū)內的工作人員有2種情況：一種是在其他采掘面作業(yè)的人員，另一種是在路途中的上下班人員，或沿途作業(yè)人員，或處于沿途硐室中的作業(yè)人員。

3.1.1 非常嚴重區(qū)內

一般來說，非常嚴重區(qū)的起始邊界應從采掘面開始。正如上文所述，發(fā)生瓦斯煤塵爆炸事故時，該區(qū)域主要以沖擊波傷害為主，其內工作人員直接死亡，因此在該區(qū)域內設置避險設施對瓦斯煤塵爆炸是無效的。如果在此處設置避難設施則一定是針對其他災害的。

3.1.2 嚴重區(qū)內

嚴重區(qū)內的傷害形式雖然也是以沖擊波傷害為主，但傳播至此區(qū)域時其能量將不會使人員直接死亡。也就是說，在嚴重區(qū)作業(yè)的人員，如果就近有避難設施，其逃生是有條件的。從最大化救人的角度講，避難設施應布置在嚴重區(qū)中部。因此，在嚴重區(qū)中部設置避難設施將會對井下人員的生命安全提供一定的保障。

3.1.3 輕微區(qū)內

輕微區(qū)距離爆炸現場較遠，且傷害形式以有毒有害氣體為主，其內的工作人員有充足的時間逃至地面。若避災路線受阻，則可躲避到就近的避難設施內。所以，在輕微區(qū)也應該設置避難設施。輕微區(qū)內避險設施的布置位置，可按以下公式計算

L=wVT.

(9)

式中 L為避險設施距嚴重區(qū)邊界的距離，m；V為緊急情況下，人員在井下的平均步行速度，取值60m/min；T為自救器有效時間，自救器的實際有效時間應該是60*a，a為影響系數，取值范圍在0.4～0.8之間，水平巷道取值0.6，上坡巷道取下限，下坡巷道取上限[13]；w為安全系數，一般取值0.5.

3.2 避險設施的類型選擇

緊急避險設施包括永久避難硐室、臨時避難硐室和可移動式救生艙[14]?？梢苿泳壬撌且环N可移動的、獨立的避難所，其外殼具有較強的抗爆和耐高溫能力，其內部配備有完善的生命保障系統，可最大限度地適應煤礦采掘作業(yè)點移動的要求，是一種理想的井下避難設施。避難硐室是一種固定的避難場所，其中臨時避難硐室服務時間短，服務范圍小，對其要求較寬；而永久避難硐室服務時間長，服務范圍大，對其要求也相對較嚴。緊急避難設施的優(yōu)缺點比較見表4.

表4 緊急避險設施比較表

通過比較分析可知，針對其他災害而言，在非常嚴重區(qū)內應選擇可移動救生艙，其對抗爆性的要求可大大降低；在嚴重區(qū)中部也應選擇可移動救生艙，但需要較高的抗爆性；在輕微區(qū)內宜設置(臨時)避難硐室，但對其密閉性要求較高。

4 結 論

1)以人員受傷程度為標準，建立了傷害分區(qū)模型，將瓦斯煤塵爆炸傷害區(qū)域分為非常嚴重區(qū)、嚴重區(qū)和輕微區(qū)；

2)通過比較計算給出了三區(qū)傷害范圍準則，并得到非常嚴重區(qū)和嚴重區(qū)以沖擊波傷害為主，輕微區(qū)以有毒有害氣體傷害為主；

3)在非常嚴重區(qū)設置可移動救生艙對瓦斯煤塵爆炸事故無效，若針對其他災害設置，可降低其抗爆性；

4)針對瓦斯煤塵爆炸事故，應在在嚴重區(qū)中部設置具有較高抗爆性能的可移動救生艙；在輕微區(qū)內宜設置密閉性較強的(臨時)避難硐室。

References

[1] 羅振敏，張 群，王 華，等．基于FLACS的受限空間瓦斯爆炸數值模擬[J]．煤炭學報，2013，38(8)：1 381-1 387.

LUO Zhen-min，ZHANG Qun，WANG Hua，et al.Numerical simulation of gas explosion in confined space with FLACS[J].Journal of China Coal Society，2013，38(8)：1 381-1 387.

[2]孫繼平．井下緊急避險系統避難硐室建設方法與技術[J]．煤炭科學技術，2013，41(9)：40-43．

SUN Ji-ping.Construction method and technology of refuge chamber for emergency refuge system in underground coal mine[J].Coal Science and Technology，2013，41(9)：40-43.

[3]司榮軍．瓦斯煤塵爆炸研究現狀及發(fā)展趨勢[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(1)：72-75．

SI Rong-jun.Research status and development trend of gas and coal dust explosion[J].Mining Safety and Environmental Protection，2014，41(1)：72-75.

[4]蔡周全，羅振敏，程方明.瓦斯煤塵爆炸傳播特性的實驗研究[J].煤炭學報，2009，34(7)：938-941.

CAI Zhou-quan，LUO Zhen-min，CHENG Fang-ming.Experimental study on propagation characteristics of gas/coal dust explosion[J].Journal of China Coal Society，2009，34(7)：938-941.

[5]李振峰，王天政，安 安，等.細水霧抑制煤塵與瓦斯爆炸實驗[J]．西安科技大學學報，2011，31(6)：698-707.

LI Zhen-feng，WANG Tian-zheng，AN An，et al.Experiment on inhibiting the gas and coal dust explosion by water mist[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(6)：698-707.

[6]王 麗.煤礦井下避災硐室研究[D]．西安：西安科技大學，2009.

WANG Li.Research on refuge chamber of coal mine underground[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2009.

[7]宇德明，馮長根，曾慶軒，等．熱輻射的破壞準則和池火災的破壞半徑[J].中國安全科學學報，1996，6(2)：5-10.

YU De-ming，FENG Chang-gen，ZENG Qing-xuan，et al.Thermal radiation damage criteria and pool fire damage radius[J].China Safety Science Journal，1996，6(2)：5-10.

[8]崔 輝，徐志勝，宋文華，等.有毒氣體危害區(qū)域劃分之臨界濃度標準研究[J].災害學，2008，23(3)：80-84.

CUI Hui，XU Zhi-sheng，SONG Wen-hua，et al.Study on critical concentration criteria of toxic gas hazardous zones[J].Journal of Catastrophology，2008，23(3)：80-84.

[9]楊書召．受限空間煤塵爆炸傳播及傷害模型研究[D].鄭州：河南理工大學，2010.

YANG Shu-zhao.Research on propagation and injury model of coal dust explosion in confined space[D].Zhengzhou：Henan Polytechnic University，2010.

[10]林柏泉，周世寧，張仁貴．障礙物對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波受彎影響[J].中國礦業(yè)大學學報，1999，28(2)：104-106.

LIN Bo-quan，ZHOU Shi-ning，ZHANG Ren-gui.Influence of barriers on flame transmission and xplosion wave in gas explosion[J].Journal of China University of Mining and Technology，1999，28(2)：104-106.

[11]翟 成，林柏泉，菅從光．瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的傳播規(guī)律[J].中國安全科學學報，2005，15(6)：69-72.

ZHAI Cheng，LIN Bo-quan，JIAN Cong-guang.Transmission rules of gas explosion flame in divaricated tube[J].China Safety Science Journal，2005，15(6)：69-72.

[12]張恩強，王 麗，劉名陽，等．探討井下避難硐室在礦井中的應用[J].煤礦安全，2009(7)：90-92.

ZHANG En-qiang，WANG Li，LIU Ming-yang，et al.Discussion on application of refuge chamber in underground mine[J].Safety in Coal Mines，2009(7)：90-92.

[13]楊大明，武 越．中美兩國煤礦井下緊急避險相關規(guī)定對比分析[J]．煤炭科學技術，2012，40(2)：40-44.

YANG Da-ming，WU Yue.Comparison analysis on underground mine related emergent refuge regulations of China and USA[J].Coal Science and Technology，2012，40(2)：40-44.

[14]盛 武，高明中，楊 力.煤礦井下緊急避險系統模型構建[J].西安科技大學學報，2011，31(6)：799-802.

SHENG Wu，GAO Ming-zhong，YANG Li.Underground mine emergency refuge system model construction[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(6)：799-802.

Emergency refuge system of coal mine under gas and coal dust explosion

JIA Qi-lin1，WU Zheng2，3，SHEN Hu4，LIU Meng2

(1.ChinaCoalXi’anDesignEngineeringCompanyLimited，Xi’an710054，China；2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；4.TongchuanMiningCo.，Ltd.,Tongchuan727015，China)

In order to arrange coal mine emergency refuge system more scientifically and more reasonably，taking mine gas and coal dust explosion accidents as an example，the law of explosive detonation is referenced to divide injury regions into very serious region，serious region and gentle region.Used the attenuation theory of explosion overpressure，the injury criterion of thermal dosage and poison-concentration，the criterion of range classification of three regions is given.Combined with the characteristics of gas and coal dust explosion and the advantages and disadvantages of different refuge facilities，we study the reasonable position and types of the emergency refuge installations.The results show that the very serious region and the serious region are subject to blast wave，and the gentle region is subject to poisonous gases.And refuge facilities don’t work in very serious region.And movable rescue chamber with strong explosion-proof should be set in the middle serious region.And refuge chamber with good airtightness should be set in the gentle region.

emergency refuge system；gas and coal dust explosion；criterion of three regions range classification；temporary refuge chamber

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0605

1672-9315(2016)06-0787-06

2016-06-12 責任編輯：楊泉林

陜西省自然科學基金(2011jy005)；陜西省巖層控制重點實驗室項目(13JS066)

賈齊林(1957-)，男，河南沁陽人，高級工程師，E-mail：18710800817@163.com

TD712；TD77+

A