煤与瓦斯突出事故应急处置模式与应用技术研究

张 飞

(左权县应急管理局， 山西 晋中 032600)

煤与瓦斯突出事故具有很强的破坏性，突出大部分都是瞬时的，并伴随着冲击波、粉碎的煤体和高浓度瓦斯，可以瞬间将突出地点附近人员掩埋致死，高压冲击波可以破坏风门和矿井通风系统，造成风流逆转，高浓度瓦斯随着风流移动，造成其他区域人员窒息死亡[1-2].

突出事故的应急救援和处置是一个庞大的工程，救援时需要综合多方面的信息和技术。为了能够快速救援，必须迅速掌握救援所需的信息，做到快速反应、精确判断，采取及时有效的措施[3-5]. 针对事故的灾害特征，高效的事故应急处置和救援需要及时判断事故发生地点、预判突出高浓度瓦斯波及的区域并采取相应的应急处置措施和判断受威胁人员的位置及伤亡情况。

1 典型事故案例应急处置过程及特点分析

1.1 瓦斯爆炸事故案例分析

1) 大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸事故。

2004年10月20日22时9分，大平煤矿21岩石下山掘进工作面发生延期性特大煤与瓦斯突出，导致瓦斯发生逆流，逆流的瓦斯与新鲜风流混合后，达到爆炸界限，遇到电火花发生爆炸，事故造成148人死亡，32人受伤(重伤5人)。事故发生和应急处置过程见图1.

图1 大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸事故发生和应急处置过程图

22时09分时，出现因瓦斯传感器超量程而发生传感器中断的情况，22时30分，13121工作面进风巷瓦斯浓度达到6%，22时40分发生爆炸，22时45分西风井主扇跳闸停风，随后调度室向集团公司汇报事故发生，并通知大平救护大队。

22时09分事故发生初至22时40分左右瓦斯逆流导致爆炸发生的31 min内，该矿井没有采取及时有效的措施，造成人员的不必要伤亡。23时35分救护队赶到现场，随后展开侦察和救援。

2) 新兴煤矿“11.21”瓦斯爆炸事故。

2009年11月21日1时37分，新兴煤矿发生特别重大煤(岩)与瓦斯突出事故，产生的瓦斯总量为16.63万 m3. 事故造成风流逆转，瓦斯反风向运移2 000多米，并进入进风流中且通过矿井三水平达到井下二水平，在井下二水平卸载巷附近区域遇到电火花，最终导致瓦斯爆炸的发生，致使108人死亡，133人受伤。事故发生和应急处置过程见图2.

图2 新兴煤矿“11.21”瓦斯爆炸事故发生和应急处置过程图

突出事故发生至发生爆炸的41 min内，井下人员积极自救互救，采取了矿井撤人、切断三水平电源等措施，但未切断二水平电源，导致二水平爆炸，应急措施不当，未能有效防止瓦斯爆炸发生。

3) 九里山矿“8.23”煤与瓦斯突出事故。

2005年8月23日1时21分，九里山矿15051区段巷掘进工作面炮后发生特大型煤与瓦斯突出，逆风距离达1 320 m，事故未造成通风系统破坏和人员伤亡。事故发生和应急处置过程见图3.

图3 九里山矿“8.23”煤与瓦斯突出事故发生和应急处置过程图

事故发生前，有突出预兆，首先加强防突措施，并且告知工作人员各地区瓦斯发生变化情况，使所有职工从思想上引起重视，同时加强了跟矿、值班制度。应急处置措施得当及时，突出后5 min内，下令切断灾区及受威胁区电源，停止大巷电机车运行，并通知井下人员撤离。但是仍有部分区域没有提前断电，15轨道和皮带进风长时间串入瓦斯，15泵房在超限下运行，情况十分危险，由于设备防爆，没有发生爆炸，但是如采取提前断电则更安全。

1.2 煤与瓦斯突出事故应急处置特点

通过对典型煤与瓦斯突出事故案例的应急处置过程分析得出，煤与瓦斯突出事故应急处置的时间通常非常短，一般在几分钟至十几分钟，多则几十分钟。井下和井上工作人员需要在短时间内判断出突出事故发生的地点、灾害破坏情况、附近区域人员情况及可能波及的区域范围等，并快速且正确作出决策，采取相应有效的应急处置措施，如及时切断突出地点的电源并提前切断可能波及地方的电源。

1) 时间紧迫性。井下发生突出事故时，由于瞬间突出的大量煤体和高浓度瓦斯，往往使突出地点附近的人员瞬间被冲倒并掩埋，并摧毁巷道中设备和通风设施，高浓度瓦斯在回风流中高速运移，在几分钟内便可到达总回风巷，由于井下人员不能马上判断井下发生了突出事故和突出地点，致使来不及逃生或戴上自救器就窒息死亡，若瓦斯出现逆流，则在进风流中的人员也有可能窒息死亡；而地面人员往往只能通过井下人员的报警才会大致清楚井下具体情况，仅仅依靠单个瓦斯传感器，并不能完全清楚井下情况，随着时间的流逝，往往由于应急处置不力，导致更大损失，严重的会导致瓦斯爆炸，如大平矿瓦斯爆炸事故。

2) 反应滞后性。突出事故具有瞬间性、高爆发的特点，当地面调度室收到井下事故报警时，往往距离事故发生已经过去1分钟至几分钟。通过案例分析表明，突出事故地点当头瓦斯传感器由于被瞬间喷出的瓦斯煤粉流摧毁或高浓度瓦斯使瓦斯传感器超量程而显示为零，地面人员不能马上判断是否是由于传感器故障导致的传感器失灵，地面监测人员仅通过单个传感器很难做到及时判断事故发生的情况。

3) 处置经验性。矿山企业设置的煤与瓦斯突出事故综合预案、专项预案和现场处置方案存在篇幅较长、繁琐累赘、不具备实用性和操作性等问题。现阶段技术条件无法解决突出发生时人员伤亡和事故波及范围等突出强度的判断问题，目前没有实际应用较好的技术方法，仅依靠决策人员依照预案和经验处理事故。

2 煤与瓦斯突出事故应急处置分析

2.1 煤与瓦斯突出事故应急处置

煤与瓦斯突出事故的发生大多是瞬间的，延期突出事故几乎很少发生。通过对典型煤与瓦斯突出事故案例应急处置过程的分析得出，无法及时掌握井下瓦斯状况也是客观上导致应急处置不当的主要因素，应急处置问题主要如下：

1) 瓦斯浓度。煤与瓦斯突出事故发生时，往往会破坏事故地点附近的瓦斯传感器或超量程使其发生“中毒”，导致无法得知井下瓦斯浓度情况。

2) 事故环境。突出事故造成的破坏情况不明，冲击波的高压冲击作用是否造成通风系统破坏、机电设备损毁等，巷道是否堵塞、坍塌等。

3) 遇险人员位置。事故发生后，由于井下人员惊慌失措，往往造成逃生混乱，组织管理混乱，导致遇险人员位置不明确。

4) 瓦斯运移。目前的技术条件使地面指挥人员很难判断突出是否造成了逆流，逆流的瓦斯是否进入进风流，从而跟随风流威胁到其他用风区域。

5) 信息获取途径单一。事故发生后，地面指挥人员了解井下事故情况大多只能依靠事故发生地点附近人员的汇报。

6) 侦查困难。由于对井下情况不清，制定侦查措施时针对性不强，只能指派多队救护队员在井下缓慢前行，逐步侦查。井下遇险遇难情况不明，对于遇险人员是否死亡很难判断。

7) 突出强度。目前技术条件，在处置突出事故时，很难确定突出强度及突出产生的瓦斯量，往往都是在事故调查时才能计算出来。图4为应急处置问题。

图4 应急处置问题图

2.2 煤与瓦斯突出事故应急处置矛盾分析

1) 现场救援和救护队员安全问题。

事故发生后，井下受灾、受伤人员存在一种特殊情况，即受灾人员位置较特殊，如被冲出的煤体掩埋、距离安全区较远外界人员不易抵达或者位于高浓度瓦斯区域，随时有死亡的可能性。这种情况下对于参与井下救援的救护队员也有危险性，在随时有可能发生瓦斯爆炸且远距离地形复杂和堵塞营救的情况下，对救护队员的体能和需氧量都有很高要求，救护队员携带氧气呼吸器很有可能不能满足供氧需要等突发情况，造成救援和保证安全的矛盾性。由于现阶段技术手段的限制，一般按照保证救护队员安全的前提下尽最大努力营救受灾人员。

2) 断电与瓦斯爆炸问题。

电源切断的同时可能会产生电火花，而电火花可能是导致爆炸发生的点火源，当突出导致大量瓦斯出现时，在很短的时间内就会突破断电上限并达到爆炸极限，当传感器探测到瓦斯浓度超限时，此时断电产生的电火花恰好可能引发瓦斯爆炸。

2.3 煤与瓦斯突出事故应急处置关键点分析

通过对煤与瓦斯突出规律及灾害演变特征的分析，结合对典型煤与瓦斯突出事故应急处置过程的分析，得出对于煤与瓦斯突出事故应急处置的3个关键点，分别如下：

1) 突出事故发生地点的快速辨识。只有快速确定突出事故的具体地点，才能及时切断事故地点非本质安全型电气设备和通知附近人员自救互救。

2) 井下可能受威胁区域的预判。由于突出后高浓度瓦斯的运移会导致受波及区域人员窒息甚至逆流发生瓦斯爆炸，所以需要提前预判可能受威胁的区域，提前采取停电撤人措施。

3) 井下遇险人员是否死亡的判断。遇险人员是否死亡关乎到后续救援方案的制定和实施，对于有生还可能性的人员，应本着先救人后就灾的原则，如果遇险人员已经遇难，则以灾为主。

3 煤与瓦斯突出事故应急处置应用技术分析

3.1 煤层瓦斯治理方案分析

山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司位于左权县城北约20 km的寒王乡平王村，行政区划属左权县寒王乡管辖。井田地理坐标为：东经113°25′23″～113°28′02″，北纬37°12′11″～37°13′52″. 井田呈不规则状，东西最长4.61 km，南北最宽2.95 km，井田面积9.33 km2.

根据《防突细则》第五十七条、第五十八条制定总体瓦斯治理方案，见图5.

图5 总体瓦斯治理方案示意图

3.2 区域防突措施

15号煤层为井田含煤地层内最下一层煤，15号煤层上方理论最大保护垂距范围内(90 m)不存在可采煤层，因此矿井不存在保护层开采条件，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域防突措施效果检验。

3.3 掘进工作面

1) 递进预抽掘进条带煤层瓦斯。

在待掘巷道相邻50 m范围内有其他平行的已掘巷道时，采用递进掩护式进行预抽，即从上一个工作面顺槽(已掘巷道)向相邻工作面待掘巷道施工顺层钻孔，预抽待掘巷道条带区域煤层瓦斯，钻孔控制相邻巷道轮廓线外15 m以上范围，见图6，钻孔间距应根据煤层瓦斯含量、抽采半径与所需的预抽时间综合确定。适用于相邻工作面的运输顺槽和回风顺槽掘进条带煤层瓦斯等。

图6 递进预抽掘进条带煤层瓦斯钻孔布置图

2) 定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。

煤巷掘进过程中，在小区域布置的措施巷道或停掘煤巷区域施工定向钻孔抽采，钻孔长度≥300 m，定向长钻孔至少控制两帮轮廓线15 m，并且保证定向钻孔全煤厚覆盖，每次施工3～5个主孔，根据不同抽采时间对应的抽采半径确定分支孔数量和间距，定向钻孔施工过程中需做到探顶板、探底板。定向长钻孔布置见图7. 主要用于不具备递进预抽掘进条带的煤巷等。

图7 定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯钻孔布置图

3) 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。

对于衔接不紧张、抽采时间可保证的区域，采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。设计钻孔控制煤巷条带前方长度≥60 m，至少控制两帮轮廓线15 m ，见图8. 钻孔预抽煤层瓦斯的有效抽采时间不得少于20天；如果在钻孔施工过程中发现有喷孔、顶钻等动力现象，有效抽采时间不得少于60天。

图8 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯钻孔布置图

顺层钻孔采用水力造穴增加煤层透气性，由钻孔20 m位置开始正向造穴至孔底100 m位置，巷道迎头钻孔5～10 m造穴1个，两帮钻孔造穴间隔10 m. 造穴时间不少于30 min/m，保证钻孔造穴段出煤量不少于700～800 kg/m. 具体钻孔布置应根据煤层瓦斯含量、抽采半径、抽采时间等综合确定。

但在下列条件下不得采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯：

a) 开采范围内f<0.3；f为0.3～0.5，且埋深大于500 m；f为0.5～0.8，且埋深大于600 m；煤层埋深>700 m；煤巷条带位于开采应力集中区。b) 煤层瓦斯压力P≥1.5 MPa或瓦斯含量W≥15 m3/t的区域。

3.4 回采工作面

采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯，即在工作面运输顺槽和回风顺槽内垂直巷帮施工双侧顺层预抽钻孔对回采区域的15号煤层瓦斯进行预抽。当15号煤层厚度小于4 m时，布置单排钻孔，当15号煤层厚度大于4 m时，上下2排布置。钻孔直径为113 mm，两侧钻孔叠加不少于20 m，钻孔布置见图9.

图9 顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯钻孔布置图

4 结 论

通过对典型煤与瓦斯突出事故应急处置过程分析，得出应急处置具有时间紧迫性、反应滞后性和处置经验性的特点。得出应急处置3个关键点：突出事故发生地点的快速辨识、井下可能受威胁区域的预判和井下遇险人员是否死亡的判断。建立了左权宏远煤业总体煤与瓦斯突出事故应急处理思路：以“不突出、不超限”为目标，以瓦斯超前治理为手段，推动矿井瓦斯治理由“措施型”向“工程型”转变、由“管理型”向“治理型”转变、由“同步型”向“超前型”转变，力争破解瓦斯治理与高产高效之间的矛盾，实现源头安全、本质安全。