基于瓦斯煤尘爆炸的矿井紧急避险系统研究

贾齐林，吴 蒸，沈 虎，刘 萌

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；4.陕西陕煤铜川矿业公司，陕西 铜川 727015)



基于瓦斯煤尘爆炸的矿井紧急避险系统研究

贾齐林1，吴 蒸2，3，沈 虎4，刘 萌2

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；4.陕西陕煤铜川矿业公司，陕西 铜川 727015)

为了更科学合理地布置矿井紧急避险系统，以瓦斯煤尘爆炸为例，引用炸药爆炸规律将瓦斯煤尘爆炸的伤害划分为非常严重区、严重区和轻微区；运用爆炸超压值衰减理论、热辐射伤害准则和毒物-浓度伤害准则，建立了矿井瓦斯煤尘爆炸三区伤害范围划分准则；结合瓦斯煤尘爆炸的特点及不同紧急避险设施的优缺点，对井下避险设施的合理位置和类型进行了探讨。结果表明：非常严重区和严重区以冲击波伤害为主，轻微区以有毒有害气体伤害为主；在非常严重区设置避难设施对瓦斯煤尘爆炸事故无效；在严重区中部应设置抗爆性较高的可移动救生舱；在轻微区内宜设置密闭性较强的避难硐室。

紧急避险系统；瓦斯煤尘爆炸；三区伤害划分准则；临时避难硐室

0 引 言

中国矿井紧急避险系统研究和应用起步较晚，在政府和煤矿企业的共同努力下，近年来得到了较快发展。在不到十年时间内完成了从初步认识到全面推广应用的过程。由于对相关理论和技术研究不够，在推广应用中出现了一些问题，对紧急避险系统的发展产生了一定的负面影响。笔者认为，紧急避险系统对矿井灾害的作用是值得肯定的，但就目前而言，针对不同灾害特点的紧急避险系统理论尚未成熟，对一些科学问题应进一步研究。

据统计[1]，国有大中型煤矿中，26.8%是高瓦斯矿井，17.6%是煤与瓦斯突出矿井，55.6%是低瓦斯矿井；在地方国有煤矿和各类乡镇煤矿中，15%是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。矿井重特大事故中，瓦斯煤尘爆炸事故占了相当大的比例[2-3]。《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》要求：突出煤层的掘进巷道长度及采煤工作面推进长度超过500 m时，应在距离工作面500 m内建设临时避难硐室或设置救生舱；其他矿井在距离采掘工作面1 000 m范围内建设避难硐室或设置可移动救生舱。针对瓦斯煤尘含量不同的煤矿，紧急避险系统如何布置才合乎科学，这对煤矿企业的安全生产和节约资金具有重要意义。所以，文中拟对瓦斯煤尘爆炸下紧急避险系统进行研究。

1 瓦斯煤尘爆炸伤害模型

瓦斯煤尘爆炸是瓦斯煤尘在井下巷道中共同参与爆炸的结果，往往是瓦斯爆炸引起煤尘参与爆炸，其危害程度远远大于单纯的瓦斯爆炸[4-5]。瓦斯煤尘爆炸对井下人员的伤害主要分为冲击波伤害、高温火焰伤害和有毒有害气体的中毒伤害。爆炸伤害的传播因井下巷道布置及巷道内设施而具有复杂性，为方便研究，文章不考虑巷道的拐弯、分岔或设施等的影响。以瓦斯煤尘爆炸对井下人员造成的伤害程度为划分标准，将爆炸伤害范围以爆炸中心(简称爆心)为原点，传播距离为半径，划分为非常严重区，严重区和轻微区3个区域。每种伤害都有其对应的三区传播范围。

当发生瓦斯煤尘爆炸时，井下人员能够得以逃生，主要跟2个距离和2个速度有关，即：事故现场到工作人员之间的距离s1，工作人员到避险设施的距离s2，灾害的蔓延速度v1，工作人员的逃生速度v2，如图1所示。

图1 爆炸现场、逃生者、避难设施相对位置示意图Fig.1 Explosion spot，survivor and shelter relative position

非常严重区内的工作人员距事故现场较近，即s1

严重区内的工作人员相对距离事故现场较远，距避难设施较近，即s1>s2.同非常严重区一样，t1=(s1+s2)/v1，t2=s2/v2。此时，若t2>t1，则工作人员直接死亡；若t1>t2，则工作人员有机会进入避难设施进行躲避。所以，严重区内的工作人员具有逃生的可能。

轻微区内的工作人员距离事故现场较远，即s1≥s2，事故发生时，该区域内的工作人员有充足的逃跑时间可以逃至地面。当逃生路线被阻需要进入避难设施躲避时，t1>t2，即他们可以进入就近的避难设施，等待救援。所以轻微区虽然处于事故的波及范围内，但其内的工作人员具有逃生能力和逃生时间。

2 瓦斯煤尘爆炸伤害准则

2.1 TNT当量计算

首先，采用TNT当量标准对瓦斯煤尘爆炸的能量进行量化，其公式[6]为

MTNT=0.945VCH4+1.58MC.

(1)

式中MTNT为参与爆炸的瓦斯煤尘的TNT当量质量，kg；VCH4为参与爆炸的瓦斯体积量，m3；MC为参与爆炸的煤尘质量，kg.

2.2 冲击波伤害三区范围

关于冲击波对人的伤害，国内外学者结合人体本身的特点，在利用动物做了大量实验研究后表明：当冲击波超压达到P1=0.02 MPa时，人体将开始受到轻微伤害；当该压力达到并超过P2=0.1 MPa时，冲击波将会对人体造成严重伤害；当超压达到P3=0.3 MPa时，冲击波将会直接造成人体的死亡。标准炸药爆炸的超压值衰减公式[6]如下

(2)

式中P为距爆心R米处的爆炸超压值，kPa；S为巷道净断面积，m2；R为距爆心的距离，m.

将P1，P2，P3值代入式(2)得

(3)

式中R1为非常严重区边界到爆心的距离，m；R2为严重区边界到爆心的距离，m；R3为轻微区边界到爆心的距离，m.

2.3 高温火焰伤害三区范围

研究瓦斯爆炸高温灼伤过程时发现，火焰峰面传播距离以及伤害范围很难直接确定。因此，为方便理论研究，假设爆炸是在井下巷道中瞬时完成的，并且高温气体主要以火球热辐射的形式对井下人员造成伤害。中国学者宇德明根据Pietersen热辐射伤害概率公式，推导出热剂量伤害准则[7]，见表1.

表1 瞬态火灾作用下热剂量伤害准则

在不考虑巷道壁面粗糙程度对热辐射传播的影响以及空气对热辐射吸收作用的情况下，火焰在井下受巷道约束，通过火球热辐射传播规律[7]得到火焰伤害距离公式

(4)

式中 Q为当量火球热辐射计量，kJ/m2；T为火球温度，一般取值2 580K.

将伤害准则代入式(4)得

(5)

2.4 有毒有害气体伤害三区范围

瓦斯煤尘爆炸后，有毒有害气体的成分以CO为主。气体随着风流扩散至整个矿井，只有长时间吸入有毒有害气体，才会造成中毒。故而利用毒物-浓度伤害准则[8]作为瓦斯煤尘爆炸下的有毒有害气体的伤害，伤害准则见表2.

表2 有毒有害气体伤害准则表

研究表明，标准状态下，当巷道平均风速0.32～4.55 m/s，摩擦阻力系数为0.008～0.047 N·s2/m4，雷诺数Re为1×104～1.36×105，纵向紊流弥散系数Ex为0.922～7.921 m2/s时，巷道毒害气体浓度随距离变化的关系式[9]为

Cmax=0.035Mr-1/2α-1/4R-1/2.

(6)

式中Cmax为有毒有害气体浓度，g/m3；M为参与爆炸的煤尘量，m3；R为井巷半径，m；α为井巷摩擦阻力系数，N·s2/m4.

将式(6)带入表2，按50 g/m3(体积分数为4%)的瓦斯煤尘爆炸产生的CO量来计算爆炸后有毒有害气体在巷道中的伤害范围，得如下公式

(7)

2.5 爆炸伤害准则

式(3)(5)(7)分别为直线巷道中冲击波、高温火焰以及有毒有害气体所对应的三区伤害范围距离公式。这些距离公式因各自准则的不同，所以各伤害范围也不相同，实际瓦斯煤尘爆炸中需要对这3类伤害范围进行综合考虑，以便选择合理的伤害分区作为参考依据。三者的伤害范围均是参与爆炸的瓦斯煤尘爆炸质量的函数。在爆炸物质量一定的情况下，若仅考虑煤尘爆炸，通过计算对比、取并集，可得三区中各伤害传播范围，如图2所示。

图2 三区中各伤害传播范围示意图Fig.2 Transmission range of every damage in the three regions

同理，若仅考虑瓦斯参与爆炸的情况下，伤害范围对比情况与煤尘爆炸伤害范围对比情况相同。故三区标准伤害范围应为非常严重区和严重区以冲击波伤害范围为准，轻微区伤害范围以有毒有害气体为准，见表3.

实际上，瓦斯煤尘爆炸的伤害在井下传播受多种因素影响，如巷道内障碍物[10]、巷道断面变化、巷道壁粗糙度、转弯和分岔[11]以及风流等等。由于井下条件复杂多变，目前此方面研究仍不完善。总的来说，在这些因素影响下，原来的伤害范围会有所改变，即

R′=λR.

(8)

式中 R′为爆炸实际伤害范围，m；λ为爆炸伤害影响因数；R为爆炸理论伤害范围，m.

表3 瓦斯煤尘爆炸三区伤害范围准则

3 紧急避险系统的布置

紧急避险系统主要由避灾路线和避险设施组成。其作用有2个：第一，在灾害发生和发展过程中保护井下人员不受灾害直接伤害。如在瓦斯爆炸发展、火灾和水灾发生及蔓延过程中，井下人员在来不及逃至地面的情况下，可进入就近的避难所，以避免受到伤害。第二，在灾害发生后，在逃至地面的路线被阻断的情况下，为受阻人员提供必要的条件以维持生命，等待救援。如在井巷垮塌、被水淹没、被烟火阻断等人员无法通行的情况下，可进入就近的避难所躲避，以等待救援。影响紧急避难系统的类型选择、系统布置、作用发挥的主要因素有：埋深、开拓方式、逃生距离等。不同的矿井，应选择不同类型的避险系统，采用不同的布置方式。

3.1 避险设施的合理位置

采掘面是煤矿主要作业点，避难设施距采掘面的距离并不是越小越好[12]。若距离采掘面太近，不但因增加搬迁频率而增大成本，更重要的是采掘面附近是事故高发地点，一旦采掘面或其附近发生瓦斯煤尘爆炸可能会对避难设施造成严重损害从而失效。相对于非常严重区内的人员来讲，严重区或轻微区内的工作人员有2种情况：一种是在其他采掘面作业的人员，另一种是在路途中的上下班人员，或沿途作业人员，或处于沿途硐室中的作业人员。

3.1.1 非常严重区内

一般来说，非常严重区的起始边界应从采掘面开始。正如上文所述，发生瓦斯煤尘爆炸事故时，该区域主要以冲击波伤害为主，其内工作人员直接死亡，因此在该区域内设置避险设施对瓦斯煤尘爆炸是无效的。如果在此处设置避难设施则一定是针对其他灾害的。

3.1.2 严重区内

严重区内的伤害形式虽然也是以冲击波伤害为主，但传播至此区域时其能量将不会使人员直接死亡。也就是说，在严重区作业的人员，如果就近有避难设施，其逃生是有条件的。从最大化救人的角度讲，避难设施应布置在严重区中部。因此，在严重区中部设置避难设施将会对井下人员的生命安全提供一定的保障。

3.1.3 轻微区内

轻微区距离爆炸现场较远，且伤害形式以有毒有害气体为主，其内的工作人员有充足的时间逃至地面。若避灾路线受阻，则可躲避到就近的避难设施内。所以，在轻微区也应该设置避难设施。轻微区内避险设施的布置位置，可按以下公式计算

L=wVT.

(9)

式中 L为避险设施距严重区边界的距离，m；V为紧急情况下，人员在井下的平均步行速度，取值60m/min；T为自救器有效时间，自救器的实际有效时间应该是60*a，a为影响系数，取值范围在0.4～0.8之间，水平巷道取值0.6，上坡巷道取下限，下坡巷道取上限[13]；w为安全系数，一般取值0.5.

3.2 避险设施的类型选择

紧急避险设施包括永久避难硐室、临时避难硐室和可移动式救生舱[14]。可移动救生舱是一种可移动的、独立的避难所，其外壳具有较强的抗爆和耐高温能力，其内部配备有完善的生命保障系统，可最大限度地适应煤矿采掘作业点移动的要求，是一种理想的井下避难设施。避难硐室是一种固定的避难场所，其中临时避难硐室服务时间短，服务范围小，对其要求较宽；而永久避难硐室服务时间长，服务范围大，对其要求也相对较严。紧急避难设施的优缺点比较见表4.

表4 紧急避险设施比较表

通过比较分析可知，针对其他灾害而言，在非常严重区内应选择可移动救生舱，其对抗爆性的要求可大大降低；在严重区中部也应选择可移动救生舱，但需要较高的抗爆性；在轻微区内宜设置(临时)避难硐室，但对其密闭性要求较高。

4 结 论

1)以人员受伤程度为标准，建立了伤害分区模型，将瓦斯煤尘爆炸伤害区域分为非常严重区、严重区和轻微区；

2)通过比较计算给出了三区伤害范围准则，并得到非常严重区和严重区以冲击波伤害为主，轻微区以有毒有害气体伤害为主；

3)在非常严重区设置可移动救生舱对瓦斯煤尘爆炸事故无效，若针对其他灾害设置，可降低其抗爆性；

4)针对瓦斯煤尘爆炸事故，应在在严重区中部设置具有较高抗爆性能的可移动救生舱；在轻微区内宜设置密闭性较强的(临时)避难硐室。

References

[1] 罗振敏，张 群，王 华，等．基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟[J]．煤炭学报，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]孙继平．井下紧急避险系统避难硐室建设方法与技术[J]．煤炭科学技术，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]司荣军．瓦斯煤尘爆炸研究现状及发展趋势[J]．矿业安全与环保，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，罗振敏，程方明.瓦斯煤尘爆炸传播特性的实验研究[J].煤炭学报，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.细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸实验[J]．西安科技大学学报，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 丽.煤矿井下避灾硐室研究[D]．西安：西安科技大学，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，冯长根，曾庆轩，等．热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径[J].中国安全科学学报，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 辉，徐志胜，宋文华，等.有毒气体危害区域划分之临界浓度标准研究[J].灾害学，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]杨书召．受限空间煤尘爆炸传播及伤害模型研究[D].郑州：河南理工大学，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，周世宁，张仁贵．障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波受弯影响[J].中国矿业大学学报，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，菅从光．瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的传播规律[J].中国安全科学学报，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]张恩强，王 丽，刘名阳，等．探讨井下避难硐室在矿井中的应用[J].煤矿安全，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]杨大明，武 越．中美两国煤矿井下紧急避险相关规定对比分析[J]．煤炭科学技术，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，杨 力.煤矿井下紧急避险系统模型构建[J].西安科技大学学报，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 责任编辑：杨泉林

陕西省自然科学基金(2011jy005)；陕西省岩层控制重点实验室项目(13JS066)

贾齐林(1957-)，男，河南沁阳人，高级工程师，E-mail：18710800817@163.com

TD712；TD77+

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