瓦斯灾害时期人员安全疏散机理研究①

姚建 田冬梅 王春雨

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

瓦斯灾害时期人员安全疏散机理研究①

姚建②田冬梅 王春雨

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

本文针对国内煤矿以往瓦斯灾害发生后群死群伤的情况，结合煤矿“六大系统”中有关紧急避险系统建设的精神，分析了瓦斯灾害发生后瓦斯灾害的致伤形式及原因，研究了紧急情况下人员安全疏散机理，并得出井下人员安全疏散的判断条件，该结论对提高煤矿瓦斯灾害后的遇险人员生存概率，科学合理选择煤矿井下永久避难硐室位置有十分重要的意义。

瓦斯;瓦斯灾害影响;安全疏散;紧急避险系统

有关专家对国内36起典型煤矿事故进行了分析，发现在工作面发生的爆炸事故，工作面区域人员绝大部分立即死亡，发生在工作面以外的爆炸事故，工作面区域的人员绝大部分死亡于在逃生途中;火灾和窒息、气体中毒事故的人员死亡主要发生在人员逃生或逃生受阻的过程中。有资料统计表明，造成75%人员伤亡是由于在疏散的途中遭遇有毒有害气体造成的。如此看来，井下发生上述事故后，煤矿从业人员的伤亡是由于现有逃生方式机理不明朗，不能使矿工得到及时、有效救助［1］。因此，研究紧急情况下人员安全疏散机理对提高遇险人员的生存概率，建设完善“六大系统”中的紧急避险系统具有十分重要的意义。

1 瓦斯爆炸超压伤害影响

瓦斯是我国煤矿的第一杀手，瓦斯、煤尘爆炸往往导致特大事故。新中国建立以来19起一次死亡100人以上特别重大事故中，有14起是瓦斯爆炸或瓦斯与煤尘事故。我国瓦斯煤尘爆炸事故统计资料分析表明，矿井瓦斯煤尘爆炸大部分发生在煤层的采掘工作面，其中又以掘进工作面居多。统计分析结果表明，80%以上的瓦斯爆炸事故发生在掘进、采煤工作面，因此，以掘进、采煤工作面灾害为对象研究人员安全疏散机理是非常必要的。

瓦斯煤尘爆炸对人员伤害和矿井设备损坏的原因主要有三个：火焰锋面的高温灼烧、冲击波的超压破坏和井巷空气中有毒有害气体的毒害。其中造成人员当场死亡的主要因素为冲击波超压伤害。

冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。瓦斯爆炸时，产生大量高压气体，使它周围的空气受到冲击而发生扰动，使其状态(压力、密度、温度等)发生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中的传播就成为冲击波。根据何学秋，张守中等人对于瓦斯爆炸超压的TNT当量法研究，瓦斯爆炸超压公式：

式中：△P为空爆冲击波超压，MPa;VCH4为参与爆炸瓦斯体积，m3;R为离爆炸源距离，m;S为巷道断面积，m2。

实践证明爆炸后破坏最严重的地方不是在爆心而是在形成了尖峰压力的地方，一般距爆心100m以外，多在200～300m处，本处取距离爆炸源200m为准。现以某矿2502工作面巷道200m处为例进行瓦斯爆炸计算，巷道断面积S=9m2，瓦斯爆炸体积100m3。

也就是当2502工作面发生煤尘瓦斯爆炸时，在200m范围以外产生的冲击波超压还是能被人体接受，因此对于瓦斯爆炸灾害发生后，应该研究200m范围外逃生人员的安全疏散机理。

2 疏散时间

2.1 有害气体下人的忍耐时间

有研究表明：火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的影响，其中大部分是由于吸入烟尘和有毒气体致死的［2］［3］。火灾烟气的毒害性表现在两个方面，一是它的缺氧、窒息作用，另一方面是它的毒性、刺激性和腐蚀性作用。瓦斯爆炸及煤矿火灾中的有毒物质主要是CO、HCL、HCN以及没有燃烧的碳氢化合物，主要的毒性气体是CO。如果考虑别的有害气体，可以将它们的浓度转化为可燃物相应的当量CO浓度或按照相关的公式进行转化。

大量事故调查结果表明，在事故中死亡的煤矿工人在死亡之前，已经吸入有毒气体而失去行动能力，因此，致使人失去行动能力的气体毒性界限的时间结合矿井自救器的有效使用时间，是考虑人员能安全避难的决定因素。在以CO作为火灾发生时的标准有毒气体时，失去行动能力的CO限量应为致死量的1/2，为此，根据上图可以拟合失去行动能力的时间与CO浓度的关系如下：

式中t1为CO条件下的极限忍受时间(min); ρ为CO的浓度(%)。

2.2 高温下人的忍耐时间

在高温环境中，对于健康的着装成年男子，克拉尼(cranee)推荐了温度与极限忍受时间的关系为：

式中t2为高温环境下的极限忍受时间(min);T为空气温度(℃);B1为常数(一般取1.0);B2为另一常数(一般取0)。上式可以简化为：

上面两关系式没有考虑空气湿度的影响，当空气湿度增大时，人的极限忍耐时间降低，因为水蒸气是燃烧产物之一，火灾烟气的湿度较大是必然的。由于人耐高温环境的能力差异很大，在应用该公式时，应考虑一个安全系数，安全系数可以设置为0.8，此时，上式可以表示为：

在火场中人对有害气体的忍耐时间(t1)和对高温的忍耐时间(t2)不可能相同，故两种危害时间哪个最先到来就可作为疏散的危险时间，即有T危险=(t1，t2)。

2.3 人员疏散有效时间

目前，国内在计算疏散时间时是假设灾害发生后，人员立即投入到疏散行动中的理想化状态［4］。而实际上，灾害中人员是否能够安全逃生的影响因素要复杂一点，作者根据矿井实际情况在一般灾害的基础上设应有四种时间决定(如图1所示)。

图1 灾害时人员疏散过程时间示意图

(1)T感应——从灾害发生到传感器察觉到灾害之间的时间间隔。灾害发生后，产生的烟气启动灾害探测器报警，使人们知道有异常情况发生，这段时间就是前面说人对灾害感应时间;(2) T反应——从人员感知到灾害发生到开始逃生的时间间隔。人员意识到有火情时，一般不急于疏散，而是首先通过获取信息进一步确定是否真的发生了灾害，然后采取相应的行动，这段时间的长短因人而异，通常情况下人一旦感到危险来了便会迅速做出反应，因此这段时间很短;(3)T自救器——从打开自救器到自救器失效时刻的时间间隔。人在灾害情况下，紧张慌乱是呼吸急促，所以自救器实际有效使用时间一般小于自救器的标准防护时间;(4)T疏散——从人员开始逃生到疏散至安全地点的时间;(5)T总——矿井灾害发生到安全疏散结束后的所有时间。

图1描述了灾害发展及人员疏散过程中的各个时间段的关系：由前面的分析可以得知，T感应，T反应和T疏散是安全疏散时间的组成部分，所以人员逃生所需总的时间为：

人员是否能安全逃生，决定于在自救器有效时间内，能否逃离危险区域，也就是在T自救器－T危险＞0，且T自救器－T总=T自救器－(T疏散+T感应+ T反应)＞0时，人员能安全逃生，反之不能安全逃生。因此安全逃生的公式如下：

一般T感应，T反应相对于自救器的时间是很短暂，取值各约为20s，60s。根据《煤矿安全规程》的相关要求，本文中的工作人员选用矿用隔绝式自救器，安全使用时间为30min。则本次疏散实验中的躲避灾难总体有效时间T自救器=30min。判断人员安全逃生的原则是如果井下人员在感觉到灾害后，立即佩戴自救器的情况下在30min内到达安全地点，基本是可以逃生的。

3 疏散时间检验

本文采用地铁中火灾人群疏散原理，由于一般的煤矿生产在不断的进行中，疏散距离也不断变化，所以取最远距离的工作面人员的疏散为例，对矿井灾害安全疏散情况进行研究［5］。

3.1 人员疏散原理

人群拥挤程度对人群人员移动速度起主要控制作用。拥挤程度可用人员密度来量化(即单位面积上的占据的人数)。一般来说，人员密度越大，人与人之间的距离越小，人员移动越缓慢;反之人员密度越小，人员移动越快。

一般清况下矿井灾害复杂比较，在这里我们假设新月矿井下人员到最近的安全地点巷道是近水平巷道。采用人流疏散理论公式：

式中T：疏散时间，s;Q：疏散人数，人;N：门或走道通行系数，人/m·s;B：门或走道的宽度，m。

大量的研究和我们的实测表明，人员流量N、移动速度V和巷道类型以及人员密度D有关，如下表1、表2、表3。

表1 紧急但非拥挤情况下巷道内人员步行速度

表2 拥挤情况下巷道内人员步行速度

表3 出入门口的人员步行速度通过系数

3.2 疏散过程及假设

3.2.1 疏散过程分析

假设疏散开始后，疏散人员离开其所在的空间，经由工作面巷道、采区巷道、避难硐室入口等构成的疏散空间，转移到安全的场所。在整个疏散过程中，工作面的人员的疏散分为2个阶段，首先工作面巷道人员必须先从失火地点安全撤离事故地点，最后沿疏散至避难硐室入口。

3.2.2 疏散过程假设

由于井下空间很大，人员分布很散，可作如下假设：

①任一单元或巷道内的人群可视为一个整体，假设该单元(或巷道)内全部人员都能自己疏散出去，而且具有相同的特征;②疏散开始之前，人员按不同的密度值分布在不同工作地点内，其他各处没有人员;③第一个达到安全出口的人总是选择最好的巷道进行疏散，而且在门和巷道处都没有堵塞，其通过避难硐室门的时间不计，通过巷道的时间为单个人沿巷道行走时间;④对巷道所有人员全部疏散出巷道的时间等于所有人员通过避难硐室入口处所需时间与距离门最远的人员步行到避难硐室门口所需时间中的最长的时间;⑤假设人员数目根据各巷道宽度均匀分配;⑥整个疏散过程受疏散通过最慢的单元所控制。

3.2.3 疏散检验分析

1)报警时间T1

由于不考虑灾害报警系统的种类、位置，从灾害发展过程来看，在火源附近30s内温度、烟气浓度、辐射热已经很高，按当前性能良好的报警设备的响应时间来估算，报警时间大约30s。

2)人员响应时间T2

这里假设人员对井下环境比较熟悉，工作人员组织疏散合理，则人员响应时间根据经验可以设为60s。

3)疏散行动时间

人员在巷道内疏散时，总是与侧壁保持一定的距离，尤其是工作面巷道内有很多设备和堆放物，从而在巷道的边界存在一个边界层，这一部分宽度不能被人员疏散利用。所以，在进行疏散计算时应扣除边界层的宽度，疏散巷道净宽度减去边界层宽度后的宽度称为有效疏散宽度。假设A矿工作面到避难硐室的巷道有效体积为800m长×3.6m宽×2.5m高(2502运输巷)，180m长×4.2m宽× 3.0m高(二采运输下山)，120m长×3.6m宽× 2.5m高(运输平巷)的“U”型巷道考虑人员疏散，设该工作地点各类工人30人工作，工作面发生灾害后人员迎风撤离，人员疏散示意图，如图2。

图2 最远工作地点人员疏散示意图

运输巷和二采运输下山巷道内的通行速度根据表1选择1.953m/s。运输平巷内的通行速度根据表2选择1.27m/s，该水平巷道的人流量是1.5人/(m·s);避难硐室门的有效宽度选取B2=1.2m，若按我国地铁设计中计算紧急疏散时通过门的人流量的数值是0.5人/(m·s)。从而算出：

二采运输下山巷巷道内的通行能力：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)

比较时应把N1×B1与N2×B2相比较，得：N2×B2＜N1×B1，所以人在避难硐室入口处可能发生滞留现象，入口处为疏散“控制点”，此处产生滞留时间为最远处工人流达到入口的时间，即为巷道通行时间：

由于危险来临时间的计算受井下多环境及逃生者个人逃生能力的影响，实际生产中的井巷错综复杂。为安全起见我们应在计算时间的基础上取安全系数2，所以在实际情况下安全疏散所需时间：

即在自救器有效的使用时间内，工作面30人是可以安全疏散到距离工作面900m的避难硐室。同理，最远的人都能疏散到永久避难硐室，其它工作地点的人员也一样可以逃生到永久避难硐室等待救援。为检验该模型的真实型，作者在该矿进行了30人的真人逃生模拟，最后所有的人员在12分钟左右逃到指定安全地点，说明这个疏散模型是比较准确的。

4 结论

1)以综采工作面瓦斯爆炸发生后疏散人员为对象，研究了紧急情况下人员安全疏散机理，该结论对于设置最佳永久避难硐室位置，最大程度的降低瓦斯煤尘爆炸灾害时造成的生命财产损失有着重大的意义。

2)本文研究分析了煤矿“第一杀手”瓦斯灾害对井下人员的影响情况，得出瓦斯对人伤害时间主要有四种因素：①耗氧窒息;②高温烧伤;③产生的有毒有害气体中毒;④冲击波超压伤害。其中冲击波超压一般致人立即死亡，耗氧窒息、高温烧伤和有毒有害气体中毒一般在井下人员得不到及时疏散时致人伤亡。

3)研究了井下人员在有毒有害气体人和高温等条件下的忍耐时间。

4)建立了井下人员在瓦斯灾害发生后人员疏散时间的模型，并得出只有满足：T自救器－T危险≥T自救器－T总=T自救器－(T疏散+T感应+T反应)＞0时，人员才能安全疏散成功。

5)以新月矿综采工作面为例，根据人员疏散模型进行了疏散时间理论验算，并组织现场工作人员进行了实地检验，结果表明该模型是比较准确的判断出人员疏散条件。

［1］王新民，姚建，彭欣.火灾时期致命因素危害时间的研究［J］.消防科学与技术，2005(1)：28－30

［2］田冬梅.火灾中安全疏散机理的研究［D］.南华大学硕士学位论文，2006：45－58

［3］张培红，陈宝智，刘丽珍.大型公共建筑物火灾时人员疏散行为规律研究［J］.中国安全科学学报，2001，11(2)：22－26

［4］吕春杉，翁文国，杨锐等.基于运动模式和元胞自动机的火灾环境下人员疏散模型［J］.清华大学学报(自然科学版)，2007，47(12)：2158－2162

［5］陈涛，宋卫国，范维澄等.十字出口宽度与人员阻塞的依赖关系及其模拟和分析［J］.自然科学进展，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，湖南岳阳人。华北科技学院安全工程学院教师，主要从事安全工程专业的教学与科研。