多灾种链生灾害对煤矿应急救援影响的研究

2021-08-16彭然

中国矿业 2021年8期

彭然

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

近年来，随着我国煤炭开采深度不断加大，深部开采成为常态[1]，煤岩动力灾害有严重的趋势，虽然我国煤炭开采技术和应急救援水平在不断提高和加强，但每年仍有很多煤矿事故发生。由于我国煤层自身结构的复杂性和赋存特征等原因，在煤矿开采过程中，煤岩应力发生改变，导致原有的应力平衡遭到破坏，煤岩动力灾害就会发生，对于煤矿而言，主要面临煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板事故、矿井水灾、火灾和煤尘爆炸等几大灾害的影响。近年来国家对应急救援大力投入卓有成效，单种灾害的探测技术和灾后应急救援技术都有显著提高。但随着开采深度的增加，单一灾害高度重叠性的灾害发生区域，促使各灾害之间存在一定的耦合关系，单一灾害的突发性、偶然性和危害性，同时也会引起其他动力灾害的快速发生。当前的侦测水平还无法实现多种链生灾害全部探测，加上对致灾机理不明确，无法从根本上杜绝灾害的发生，使得处置煤岩动力灾害事故产生所面临的任务越来越艰巨和复杂，如何提高多种灾害事故应急救援能力也成为重要而紧迫的课题。

1 链生灾害

1.1 链生灾害类型

影响煤矿事故的灾害有冲击地压、煤与瓦斯突出、顶板事故、水灾、火灾和煤尘爆炸等几种。随着开采深度的增加，冲击地压成为煤岩动力灾害中最为严重的灾害之一[2]，发生频次相对较高。冲击地压通常发生在应力较高的围岩体内，其覆盖范围包含井巷和回采工作面，一旦发生，将造成煤体大范围破坏[2]，必将使破坏区内瓦斯充分解析，造成局部瓦斯含量激增，破碎煤体增大了与空气接触的面积，提高了自燃发火和煤尘爆炸的发生频率，在一定条件下也会伴随冒顶的发生，因此，冲击地压的发生与其他类型灾害有并存情况甚至相互转化[1]，具备链生的基础；煤与瓦斯突出瞬间喷出大量煤与瓦斯，不仅能摧毁井巷设施、毁坏通风系统、破坏应急救援设施，还能造成瓦斯爆炸和煤尘爆炸等严重后果，煤矿井下火与瓦斯共存[3]，如果瓦斯涌出量达到一定极限，随着能量的积聚，最终形成爆炸反应[4]；瓦斯爆炸所产生的冲击压对巷道所有设施造成破坏，巷道还会出现冒顶等事故[5]，同时，爆炸会形成火焰，巷道中木材、粉尘等可能会在高温条件下燃烧，导致火灾或煤尘爆炸的发生；瓦斯积聚达到一定浓度，煤尘达到爆炸极限，一旦煤尘燃烧的危险源出现，煤尘局部燃烧，会引起煤尘爆炸；火灾还会引起瓦斯、煤尘爆炸事故。

因此，多种灾害发生时难以避免连带诱发特征的出现，单种灾害的发生可能由另一种灾害诱导发生，这种灾害间链生的基础具备时间和空间上的连续性、重叠性和诱发性。

1.2 链生灾害的原因

1) 灾害发生区域重叠性。冲击地压、瓦斯治理、火灾、煤尘爆炸多发生在采掘工作面或采空区，区域的重叠性是链生灾害发生的基础，一种灾害发生的影响范围覆盖另一种灾害发生的区域，致使灾害发生区域高度重叠，单一灾害的突发性和危害性，同时会引起其他动力灾害快速发生，会促使各灾种之间存在一定的耦合关系。

2) 灾害间的诱发性。多灾种灾害诱发条件重叠，也会给灾害链生提供基础。链生灾害发生条件多样，孔隙压力是影响瓦斯吸附状态的主要原因，孔隙结构特征与应力状态直接相关，冲击地压由应力状态的改变引起，地应力的改变起到促进突出发生的动力作用[6]，因此，冲击地压对瓦斯突出具有一定的诱发作用；在发火易发区域，如果存在瓦斯或煤尘浓度过高的情况，灾害易发生，在一定程度上，自然发火对于瓦斯煤尘爆炸具有一定的诱发作用。

3) 灾害发生的时序性和连续性。多种灾害链生需要一定时间，链生灾害往往由局部灾害诱发导致，动力灾害能量发生转移才是链生灾害发生的前提条件。冲击发生过程中煤岩体经历裂纹产生、发展、集中、直至破坏，瓦斯也由初始的平衡状态逐步演化为少量逸出、吸附解析、瓦斯大量涌出，由局部有限范围内产生破坏，至冲击点远端部位[7]；局部瓦斯大量涌出后，经过时间的孕育，积聚能量，易形成瓦斯爆炸、煤尘爆炸等次生灾害；煤岩体能量的逐步累积，造成瓦斯解析加快，粉尘增多，温度升高，达到爆炸点，才会引起瓦斯爆炸和煤尘爆炸。如果一种灾害持续性和延伸性很强，灾害发生时，发生条件转移到由另一因素主导的动力灾害上，多种灾害能量则形成链式传递。

2 现有应急救援体系

2.1 应急救援体系

近年来，我国煤矿应急避险工作取得了长足进步，紧急避险是应急救援体系建设其中一部分，紧急避险由最开始的“六大系统”建设、救生舱的研制、优先布置避难硐室发展成为现在的把监测监控、人员定位、压风自救等与现有安防系统连接，制定基于应急避险以逃为主、以避为辅的应急救援预案，形成了现有的以“感知-预防-避险-救援”的应急救援体系，前端为事故危险源感知阶段，包括事故案例分析、危险源识别、各类传感器危险源监控等；中间为事故预防和避险阶段，防冲防突、自救器、避难硐室、逃生通道等；末端为救援阶段，包含灾害环境侦测、救援逃生通道、事故培训、模拟演练、维护管理等事故响应和恢复阶段。

2.2 救援模式

应急避险模式以逃为主、以避为辅。逃生路线前段，为了与快速推采过程相适应，优化以配备长时自救器并具有一定避险功能的可移动式过渡站为主；逃生路线中部配备长时自救装备接力逃生，减少过渡站配置数量；逃生路线末端设置永久避难硐室、大直径预钻孔逃生通道或螺旋梯等[8]，缩短逃生路线长度，实现避与逃的统一[9]，如图1所示。基于逃生时间、施工技术水平和经济性测算，煤层埋深200 m以浅采用螺旋梯，埋深超过200 m采用大直径预钻孔逃生通道+提升舱。

图1 逃生路线图

2.3 存在问题

通过对冲击地压、水灾、瓦斯煤尘爆炸等重特大事故的发生和发展规律、灾害辨识和感知、智能应急预案和应急救援辅助决策、应急通信和人员定位等基础研究、技术和装备研发，最终形成了以定量分析、定性分析和经验分析结合相互补的，具有事故感知、辨别、预防、救援和应急预案功能的单一灾害煤矿事故应急技术与装备。

对于各煤矿，具有丰富的单种灾害治理经验，对于多灾种孕育耦合关系、链生机理、协同防控关键环节及灾后救援体系仍未明确。单种灾害都是孤立地开展“感知-预防-避险-救援”四个阶段[10]，孤立地开展针对单一灾害类型进行的应急避险技术研究，多种灾害间存在链生，给灾害预防提供难度，多灾种评价标准和评价方法鲜有涉及，危险源识别与风险评估只针对其中一种或两种灾害，多灾种链生耦合机理尚未完全搞清楚，防治手段未统一，增加了预防难度，在灾害治理过程中也存在顺序、主次关系不明确，没有形成多灾种综合防治，发生灾害时，相应的增加了应急处置和救援的难度。

3 多灾种灾害对应急救援体系的冲击

3.1 链生灾害对灾害预防的影响

1) 防控手段的变化。灾害预防一般遵循“预防为主、防治结合”的原则，采掘空间多种灾害的防控并不能简单进行叠加，必须形成不同措施的有机协调，冲击地压公认的理论是三因素机理[6]，瓦斯析出关键是增加煤体的裂隙度，释放顶板压力是解决坚硬顶板的有效方法，总之，这些手段都是实现能量的耗散和转移，具有协同防控的基础，可以考虑使用复合煤岩动力灾害的防控方法[6]。

采掘过程应力状态变化要考虑其他灾害发生的诱导关系，回采过程中，在随机性扰动冲击波的高应利复杂力学环境下，顶板断层活化状态对煤体的应力作用能孕育出顶板冲击冒顶[11]，二者的防控时间和防治手段应协同考虑。具有冲击地压和瓦斯突出相关灾害的矿井，其防治过程会增加煤层裂隙的数量，对于具有自燃倾向的煤层，煤体的破碎程度和裂隙的增多加速了煤自燃的发生，这种灾害链生基础，对火灾事故的预防起到负面的作用，防控手段需综合考虑。一般矿井通过湿式降尘对煤尘能进行有效控制，对于自然发火的煤层，如遇灾后极端环境下，煤尘浓度控制不到位，极易发生煤尘爆炸，需要考虑极端环境下的防控手段。

2) 防控主次关系变化。各自灾害治理顺序由其厉害关系和权重关系决定，如果出现链生灾害时，一种灾害潜在的影响可以在很多程度上影响另一种灾害，其治理过程出现矛盾时，治理过程要以主导灾害为首，主次关系会发生很大的变化。对于瓦斯或煤尘爆炸，满足浓度达到一定数值的条件下具有火源，二者均依靠自然发火或偶然因素的出现，灾害发生等级低于自燃或其他灾害，具有被动诱发性。冲击地压和自燃的发生可诱发其他灾害的发生，防控地位明显高于其他灾害，防控顺序属于优先级。

随着链生灾害的增多，危害性凸显，对应急救援体系提出更高的要求，应急救援的发展方向就是融合不同类型灾害，深度分析各灾害之间的相互影响关系，构建多灾种链生耦合的模型，形成多灾种防控体系，构建现代化的应急救援体系。

3.2 链生灾害对救援体系的影响

煤矿生产中出现的突发事故具有危险性、复杂性和紧急性的特点，单灾种已经建立起一系列防灾减灾和救援体系，在灾害预防、监测预警、应急救援和灾后处理等方面发挥了重要作用。链生灾害的群发性加剧了事故的严重性，对现有应急救援体系造成很大的冲击，应急救援应由单灾种救援发展成为多灾种协同管理，提高应急救援和处置能力。

1) 救援模式向多种灾害发展。逃生路线前段，优化以过渡站为主，中部配备长时自救装备接力逃生，末端设置永久避难硐室、大直径预钻孔逃生通道或螺旋梯等的逃生模式适合单种灾害，灾害后井下存活人员以逃生为主，避险为辅。但多灾种链生灾害更具危险性，单一的救援模式不能适合所有的链生灾害，根据不同灾害链生基础，分析出适合不同灾害的救援模式，制定针对多种灾害的逃生路线。

2) 应急预案演练复合化。人员培训以基础能力训练为主，根据灾害类型进行单种事故模拟演练，提高人员应对各种突发灾害救援能力，无论是现如今的情景实操、仿真演练、VR情景都针对单一灾害，一旦灾害链生群发，事故严重性加剧，救援能力和自救能力均未知，不满足现代救援的需要，对多灾种链生灾害模拟演练的需求提出了更高的要求，根据复合灾害发生类型，模拟复合灾害发生情景，对多种灾害发生后应急逃生路线及救援方法进行升级，推进链生灾害应急预案形成，对现有实训基地灾害场景进行整合，提高多灾种模拟演练能力。

3) 救援队伍救灾能力提升，救援装备向多功能救援发展。应急救援队伍数量少，人员综合素质较差，面对复杂灾害类型的突发事故时，往往做不到全面分析灾害形势、救援方法，影响第一时间救援效率，多灾种链生灾害对救援人员素质提出更高的要求，培养链生灾害事后处置办法和救援方法，需提高救援队伍配备专用装备规格，向多功能、复合化发展。

4) 应急制度有待完善。在应急制度建设方面，需要建立并完善应急日常管理制度，利用现代通讯手段，整合各灾害数据中心，打破信息孤岛，建立并完善链生灾害事故综合监测与预警制度、多灾种应急预案管理及应急演练制度、应急物资装备管理制度、安全避险设施管理和使用制度、应急资料档案管理制度等。构建立体的、全覆盖的、适合多种灾害的现代应急制度体系，实现多种灾害应急救援的制度保障。

5) 应急救援技术需进一步提高。灾后应急救援是减小灾害损失、控制扩大范围的重要环节[4]，借助救援传统设备优势，大力发展适应多灾种灾害救援的应急装备，应用于应急救援工作；对链生灾害耦合基础、关键共性技术等方面加大研究力度；加大应急系统、培训系统等的革新和升级[12]，各种链生灾害的自救培训。为重大链生灾害事故应急救援提供新技术，提升现代化救援水平。