基于灾区环境的矿井瓦斯爆炸事故应急救援方法研究

李雷雷，丁晓文，梁跃强，张友杰，练茹楠

（1.北京市化工职业病防治院，北京 100093；2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083；3.中国煤炭工业协会咨询中心，北京 100013）

瓦斯爆炸是煤矿极为严重的灾害之一[1]，其产生的冲击波和火焰锋面均可以对井巷设施产生巨大破坏，形成垮落区，引燃瓦斯、木材等可燃物，有毒有害气体也可能导致大量人员伤亡。瓦斯爆炸事故灾区环境复杂多变，给应急救援增加了风险性。如2013年7月23日川煤集团芙蓉公司杉木树煤矿因对灾区环境认识不足而发生矿山救援队员自身伤亡事故[2]。因此，研究瓦斯爆炸灾区环境对应急救援非常重要。针对矿井瓦斯爆炸，国内外学者开展了大量的研究，内容涵盖瓦斯爆炸规律[3-4]、演变特征[5]及破坏效应[6]等方面。关于矿井瓦斯爆炸事故应急救援，相关学者也进行了研究，如对煤矿瓦斯爆炸事故应急救援机制[7]和应急决策问题[8]进行了探讨，但鲜有针对瓦斯爆炸灾区环境的研究。事故应急救援案例表明[9]，高温、含有瓦斯等有毒有害气体、存在垮落区是瓦斯爆炸事故灾区的典型特征。基于瓦斯爆炸事故灾区特征，救援人员应采取何种救灾措施离不开对灾区环境的判识。为提高煤矿瓦斯爆炸事故应急救援的安全性，救援人员需要掌握灾区环境的形成机制。为此，通过到国家矿山应急救援平顶山队、国家矿山应急救援大同队、国家矿山应急救援芙蓉队调研，收集相关事故资料，并应用爆炸力学及流体力学知识，对瓦斯爆炸灾区环境的形成机理进行研究，并对典型地点瓦斯爆炸事故后的灾区环境进行分析，进而探讨应急救援方法，旨在提高矿井瓦斯爆炸事故应急救援能力。

1 瓦斯爆炸灾区环境形成机制

将瓦斯爆炸发生至其影响区域得到完全恢复前的环境称为灾区环境，则矿井瓦斯爆炸灾区环境是瓦斯爆炸冲击波、火焰、有毒有害气体及施救措施相互作用形成并不断变化的。根据瓦斯爆炸过程及应急救援过程，可将灾区环境的形成过程划分为3个阶段[10]：

1）爆炸冲击破坏和火焰毁坏作用阶段。瓦斯爆炸在空间上可分为瓦斯燃烧区和一般空气区[11]，瓦斯燃烧区为冲击波和火焰波耦合传播，一般空气区仅为冲击波的传播。因此，瓦斯爆炸过程中对生产区域的影响可分为瓦斯燃烧区的冲击与火焰毁坏作用和一般空气区的冲击破坏作用。在瓦斯燃烧区，受瓦斯燃烧化学反应的驱动和巷道中障碍物的加速效应，爆炸波可能由爆燃状态转变为爆轰状态[12-13]，使冲击波在空间上对井巷设施产生更为严重的破坏，水平方向上对巷道中的机电运输等设施产生推动挤压破坏，导致设施变形等，垂直方向上对顶板产生冲击破坏作用，形成垮落区域。同时，在瓦斯燃烧区，火焰锋面随冲击波传播过程中，巷道中的瓦斯、木材等易被引燃，由于被引燃物质在井巷中的分布具有分散性，致使瓦斯燃烧区不同地点具备存在次生火源的可能性。在一般空气区，由于失去瓦斯燃烧能量的支持，在井巷设施等的摩擦作用及空气的阻碍作用下，冲击波在传播过程中不断衰减，其破坏作用逐渐减小。整个爆炸过程中，残余瓦斯及爆炸产生的有毒有害气体随冲击波传播至受影响区域，进而形成了初步的灾区环境。可见，爆炸强度、爆炸区域的空间尺寸、瓦斯涌出量及井巷设施是初始灾区环境形成的重要影响因素。

2）热量及有毒有害气体的再分布阶段。瓦斯爆炸发生后至应急救援开始实施的过程称为灾区环境形成的第2阶段。受流体效应影响，瓦斯爆炸结束时的环境并非开始应急救援时的灾区环境。这期间灾区环境主要受风流及气体扩散作用控制。在有风流的区域，爆炸产生的热量及有毒有害气体逐渐被排离灾区。但在通风系统破坏区域，通常无风流或微风，灾区瓦斯等有毒有害气体通过扩散作用向开放空间逸散[14]。有毒有害气体在运移过程中，堆积在巷道中的垮落物对气体运移产生阻碍作用，为瓦斯积聚提供空间，致使垮落区域有可能成为应急救援的安全隐患区域，垮落堆积物造成瓦斯等有毒有害气体在局部区域积聚。2006年轩岗煤电公司焦家寨矿“11·5”特大瓦斯爆炸将进风巷局部通风系统破坏，在局部区域形成5处大型垮落区，积聚了大量瓦斯[15]。同时，受火焰锋面的影响，易自燃区域的垮落煤粉在高温作用下加快氧化，成为可能的隐蔽性火源。因此，瓦斯爆炸后受灾区域呈现出动态变化特性。在动态变化过程中，逐渐形成应急救援前的灾区环境。

3）施救措施对灾区环境的干扰阶段。救援过程中，实施救灾措施能够改变灾区环境。针对矿井瓦斯爆炸事故，除侦察搜救外，排放瓦斯、恢复通风及封闭灾区是常用的施救措施，具体表现为局部通风、清理垮落物、修复通风系统和构筑密闭墙，其中局部通风和构筑密闭墙对灾区环境的影响较大。采用局部通风方式排放灾区瓦斯时，风筒送入的部分新鲜风流会与未排放区瓦斯混合，容易形成爆炸性混合气体。对于煤层易自燃的区域，局部通风可能会为煤自燃提供氧气。构筑密闭时，由于风流被阻断，导致爆炸区域局部压力降低，如在采煤工作面区域，采空区瓦斯容易逸散至开放空间，形成大规模瓦斯爆炸的条件，增加了救灾的危险性。1992年11月5日至6日铁法矿务局大兴煤矿连续瓦斯爆炸事故表明，矿山救援队在施救期间改变灾区通风状况会造成灾区瓦斯积聚区域变化，发生不同强度的连续瓦斯爆炸[9]。可见，应急救援过程中救援措施的实施会形成新的灾区环境。若施救措施合理，则灾区环境不断被改善，进而得到恢复。

2 典型瓦斯爆炸灾区环境变化规律

不同地点的瓦斯爆炸往往形成不同的灾区环境，正确判识灾区环境的危险性有助于安全施救。因此有必要对典型地点的瓦斯爆炸灾区环境进行研究。有关研究表明[16]，采煤工作面，掘进工作面和巷道是瓦斯爆炸发生的典型地点。基于应急救援安全性的需求，对这类地点的瓦斯爆炸灾区环境进行分析很有意义。

2.1 采煤工作面灾区环境变化规律

针对采煤工作面，瓦斯爆炸产生的冲击波在传播过程中对巷道脆弱区域产生很大破坏，在进回风巷道形成垮落区，同时瓦斯爆炸火焰易在灾区诱发火灾。对于外因火源造成的瓦斯爆炸事故，采空区涌向工作面方向的瓦斯等气体易被引燃，甚至再次爆炸。瓦斯爆炸发生后，灾区瓦斯等有毒有害气体在风流的作用下或自身扩散作用下再分布，形成一个动态变化的灾区环境。灾区垮落区域为瓦斯等有害气体积聚，形成瓦斯气体库创造了有利条件。应急救援过程中，改变灾区压力的救灾措施能够控制灾区气体的运移方向，在一定程度上控制了灾区环境的变化。对于火区瓦斯爆炸，一方面，建立密闭墙封闭灾区会导致灾区压力减小，采空区瓦斯涌向工作面及巷道，导致瓦斯不断积聚[17]，救灾过程中，积聚区域的变化控制瓦斯爆炸的规模及程度；另一方面，建立密闭墙的过程中，通过注入惰气能够有效防止灾区压力减小并惰化灾区气体，但注惰过程形成的射流效应可能将灾区原有瓦斯等有害气体推向灾区深部[18]。封闭灾区过程中曾发生重特大瓦斯爆炸事故[19-20]，封闭灾区过程中瓦斯爆炸案例见表1。值得注意的是，锁风缩封工作对采煤工作面区域灾区环境也可以产生很大影响，表1中豫新1号井瓦斯爆炸事故表明违章锁风缩封很有可能形成瓦斯爆炸的条件，造成救援人员自身伤亡事故。

表1 封闭灾区过程中瓦斯爆炸案例Table1 Gas explosion accidents in sealing the disaster area

2.2 掘进工作面灾区环境变化规律

掘进工作面采用局部通风方式，很多情况下，掘进工作面瓦斯爆炸对风筒等局部通风设施产生严重的破坏。一旦通风系统遭受破坏，瓦斯等有害气体不能被有效排入回风巷，大量瓦斯将在掘进工作区域积聚，并逐渐向开放空间扩散。针对风险极高的高瓦斯煤层工作区，由于压力变化，短时间内将形成高体积分数瓦斯积聚区。尤其对于煤层易自燃区域，瓦斯爆炸火焰及其形成的高温环境对自燃具有一定的加速作用。这形成了救灾前的灾区环境。

为应对掘进工作面瓦斯爆炸事故，采用局部通风方式排放灾区瓦斯等有害气体是应急救援的常规手段，但这一救灾措施在排放瓦斯的过程中，部分风流不断与灾区深部瓦斯混合，容易形成具有爆炸性的混合气体，多发生在排放灾区高浓度瓦斯的过程中。在隐蔽性火源存在的前提下，排放瓦斯极具危险性。

2.3 巷道灾区环境变化规律

巷道瓦斯爆炸多发生在联络巷、回风巷及巷道交叉处等地点。由于巷道的两端开放性，瓦斯爆炸产生的冲击波、火焰锋面及有毒有害气体将在很大程度上传播至开放空间，波及范围较大。不同巷道瓦斯爆炸后的灾区环境差异较大。发生在采掘工作区域巷道的瓦斯爆炸形成的灾区环境与采掘工作面瓦斯爆炸灾区环境具有相似之处，但发生在大巷中的瓦斯爆炸形成的灾区环境则有所差异，有时可以将矿井整个通风系统破坏。由于大巷瓦斯爆炸相对少，瓦斯爆炸造成的破坏会因煤矿差异而有所不同，灾区环境演化也会呈现多样性。

3 应急救援方法

由于瓦斯爆炸灾区环境处于动态变化之中，应急救援必须考虑灾区环境的稳定性。通过灾区行动风险性评估分析并控制应急救援措施对灾区环境的影响作用，逐步改善灾区环境以实现安全救援。

3.1 采煤工作区域应急救援

由于爆炸前采煤区域是一个完整的通风系统，采煤区域瓦斯爆炸后主要出现有以下情况：爆炸后的垮落物将采煤工作面区域巷道堵塞，不同爆炸的堵塞程度存在差异；瓦斯爆炸火焰将残余瓦斯或木材引燃，产生火源。施救前必须对爆炸破坏情况做出充分的评估，制定措施消除灾区爆炸危险性。在采面区域巷道被严重堵塞的情况下，灾区环境会演化成独头巷道爆炸后的情况，在施救过程中应谨慎处置垮落物堆积形成的含瓦斯气体库，如1999年8月24日平顶山市韩庄矿务局二矿瓦斯煤尘爆炸事故中，机巷和风巷多处冒顶使火区处于封闭状态，形成浓烟库，救援过程中高温浓烟短时间从裂隙中大量涌出，致使救灾工作中断[9]。在火源存在的情况下，如果不能及时扑灭，应及时撤人，坚持安全施救。若采取封闭灾区措施，应防止封闭灾区过程中发生次生瓦斯爆炸，封闭灾区过程中次生爆炸可能较初次爆炸威力更大。在微弱风流存在的情况下，灾区瓦斯等有害气体处于微弱的动态变化中，瓦斯仍有可能在某些区域积聚，救援过程中防止瓦斯爆炸依然很关键，同时应避免窒息事故的发生。

3.2 掘进工作区域应急救援

根据掘进工作区域瓦斯爆炸灾区环境特点可知，瓦斯爆炸产生的高温在短时间内难以消散，在瓦斯涌出量较大的情况下，灾区瓦斯体积分数较高。救援人员侦察搜救时应严格遵照救援计划，在保证安全的情况下执行救援计划，尽量减少在灾区的暴露时间，严防体力不支造成自身伤亡。为恢复灾区通风，通常采用局部通风方式排放灾区瓦斯等有害气体。排放瓦斯有2个重要前提：①确保灾区不存在火源，尤其是无自燃火源，救灾过程中也不产生火源，特别应防止灾区被破坏的设施产生火花，如破损的矿灯；②在灾区环境模糊的情况下，即无法确定灾区是否存在自燃火源，排放瓦斯过程中灾区可能出现爆炸性气体的情况下，应考虑采用其他方式处理灾区，如远距离封闭灾区，注惰气等方式，保证灾区安全后再处理。

3.3 巷道瓦斯爆炸区域应急救援

发生瓦斯爆炸的具体巷道位置不同，瓦斯爆炸造成的破坏也会存在较大差异。发生在采掘工作区域巷道的瓦斯爆炸，其破坏情况与发生在采煤工作区域和掘进工作区域的情形相似。但对于特殊原因造成的瓦斯在运输大巷及封闭区域外的巷道中积聚的情况，瓦斯爆炸后果往往比较严重，可能引起一些非常规突发事件。针对这类瓦斯爆炸事故，处理由瓦斯爆炸事故引发的次生事故或突发事件是应急救援的关键点[21]。对于巷道瓦斯爆炸事故，因爆炸波传播的双向性，破坏范围较大，灾区侦察的重点之一是探测并扑灭次生火源。应注意的是，对于矿井主要通风系统被破坏的情况，应为施救创造有利条件。在恢复矿井主要通风的过程中，应在灾区环境稳定后，才可采取下一步的救灾措施，尤其要避免利用爆炸间隙时间进行施救。

4 案例应用

以杉木树煤矿N3022风巷瓦斯爆炸事故为例说明灾区环境判识及控制对于应急救援的重要作用。2013年7月22日，川煤集团芙蓉公司杉木树煤矿N3022风巷发生瓦斯爆炸事故，该风巷长620m，已掘进工作面切眼10m。事故发生后，矿山救援队对灾区的侦察结果表明井巷设施遭到严重破坏，灾区充满大量有毒有害气体，“7·22”瓦斯爆炸后灾区气体情况见表2（巷道地点为距离巷道开口的距离）。由表2可知，巷道150m处至碛头处范围内的气体具有爆炸危险性。

表2 “7·22”瓦斯爆炸后灾区气体情况Table2 Gas situation in disaster area after“7·22”gas explosion

由于使用红外线探测仪器没有发现火源，且没有考虑隐蔽火源的存在，在排放瓦斯时诱发“7·23”瓦斯爆炸事故，造成7名矿山救援队员身亡，说明缺乏充分的灾区环境判识会导致救援伤亡。“7·23”瓦斯爆炸后灾区气体情况见表3。

表3 “7·23”瓦斯爆炸后灾区气体情况Table3 Gas situation in disaster area after“7·23”gas explosion

为应对“7·23”瓦斯爆炸事故，随后组建的抢险救援指挥部根据灾区含有爆炸性气体（巷道480m处）和火源隐蔽性极强的情况，通过制定安全措施进行施救，向灾区注入足够的氮气，将灾区惰化，消除了灾区的爆炸危险性，成功将遇险队员救出。该救援过程表明灾区环境判识及控制对制定应急救援措施具有很大作用。惰化后的灾区气体情况见表4。

表4 惰化后的灾区气体情况Table4 Gas situation in disaster area after inerting

上述案例表明，假如能在排放瓦斯前对灾区环境进行危险性评估，采取惰化灾区的施救方案，杉木树煤矿“7·23”瓦斯爆炸事故则可以避免。实际上，惰化灾区的措施是对灾区环境的改善，消除了灾区气体的爆炸危险性。而忽视灾区环境的危险性，直接排放瓦斯对灾区环境改善的过程使矿山救援队员长时间暴露在危险环境中，救援风险性很大。可见矿山救援自身伤亡事故很可能发生在不合理的施救措施对灾区环境的干扰阶段。

5 结 语

1）瓦斯爆炸发生到应急救援结束的整个过程中，灾区环境变化经历了3个阶段：第1阶段为瓦斯爆炸冲击波与火焰锋面对井巷设施的破坏以及有毒有害气体的传播过程；第2阶段为热量和有毒有害气体在灾区的流动和扩散再分布过程；第3阶段为施救措施对灾区环境的影响过程。

2）对采掘工作面及巷道瓦斯爆炸灾区环境形成过程的研究表明：不同地点瓦斯爆炸灾区环境的形成存在差异性，应急救援过程中不合理的施救措施可能会导致灾区环境更加危险，形成次生瓦斯爆炸的条件，且爆炸破坏效应可能较初次爆炸大。

3）提出了通过灾区环境判识及控制逐步改善灾区环境的应急救援方法。灾区环境判识及控制对应急救援的安全性有重要作用。杉木树煤矿“7·23”瓦斯爆炸事故表明，救援过程中，应及时掌握灾区环境的变化，分析救灾措施对灾区环境的影响，尤其需要考虑爆炸性气体的形成与灾区是否存在火源的关系。根据以往事故救援案例与经验，在爆炸性气体存在与火源可能存在的情况下，为安全施救，应采取措施惰化灾区或尽可能远距离封闭灾区。