瓦斯災害時期人員安全疏散機理研究①

姚建 田冬梅 王春雨

(華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

瓦斯災害時期人員安全疏散機理研究①

姚建②田冬梅 王春雨

(華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

本文針對國內煤礦以往瓦斯災害發生后群死群傷的情況，結合煤礦“六大系統”中有關緊急避險系統建設的精神，分析了瓦斯災害發生后瓦斯災害的致傷形式及原因，研究了緊急情況下人員安全疏散機理，并得出井下人員安全疏散的判斷條件，該結論對提高煤礦瓦斯災害后的遇險人員生存概率，科學合理選擇煤礦井下永久避難硐室位置有十分重要的意義。

瓦斯;瓦斯災害影響;安全疏散;緊急避險系統

有關專家對國內36起典型煤礦事故進行了分析，發現在工作面發生的爆炸事故，工作面區域人員絕大部分立即死亡，發生在工作面以外的爆炸事故，工作面區域的人員絕大部分死亡于在逃生途中;火災和窒息、氣體中毒事故的人員死亡主要發生在人員逃生或逃生受阻的過程中。有資料統計表明，造成75%人員傷亡是由于在疏散的途中遭遇有毒有害氣體造成的。如此看來，井下發生上述事故后，煤礦從業人員的傷亡是由于現有逃生方式機理不明朗，不能使礦工得到及時、有效救助［1］。因此，研究緊急情況下人員安全疏散機理對提高遇險人員的生存概率，建設完善“六大系統”中的緊急避險系統具有十分重要的意義。

1 瓦斯爆炸超壓傷害影響

瓦斯是我國煤礦的第一殺手，瓦斯、煤塵爆炸往往導致特大事故。新中國建立以來19起一次死亡100人以上特別重大事故中，有14起是瓦斯爆炸或瓦斯與煤塵事故。我國瓦斯煤塵爆炸事故統計資料分析表明，礦井瓦斯煤塵爆炸大部分發生在煤層的采掘工作面，其中又以掘進工作面居多。統計分析結果表明，80%以上的瓦斯爆炸事故發生在掘進、采煤工作面，因此，以掘進、采煤工作面災害為對象研究人員安全疏散機理是非常必要的。

瓦斯煤塵爆炸對人員傷害和礦井設備損壞的原因主要有三個：火焰鋒面的高溫灼燒、沖擊波的超壓破壞和井巷空氣中有毒有害氣體的毒害。其中造成人員當場死亡的主要因素為沖擊波超壓傷害。

沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。瓦斯爆炸時，產生大量高壓氣體，使它周圍的空氣受到沖擊而發生擾動，使其狀態(壓力、密度、溫度等)發生突躍變化，其傳播速度大于擾動介質的聲速，這種擾動在空氣中的傳播就成為沖擊波。根據何學秋，張守中等人對于瓦斯爆炸超壓的TNT當量法研究，瓦斯爆炸超壓公式：

式中：△P為空爆沖擊波超壓，MPa;VCH4為參與爆炸瓦斯體積，m3;R為離爆炸源距離，m;S為巷道斷面積，m2。

實踐證明爆炸后破壞最嚴重的地方不是在爆心而是在形成了尖峰壓力的地方，一般距爆心100m以外，多在200～300m處，本處取距離爆炸源200m為準。現以某礦2502工作面巷道200m處為例進行瓦斯爆炸計算，巷道斷面積S=9m2，瓦斯爆炸體積100m3。

也就是當2502工作面發生煤塵瓦斯爆炸時，在200m范圍以外產生的沖擊波超壓還是能被人體接受，因此對于瓦斯爆炸災害發生后，應該研究200m范圍外逃生人員的安全疏散機理。

2 疏散時間

2.1 有害氣體下人的忍耐時間

有研究表明：火災中85%以上的死亡者是由于煙氣的影響，其中大部分是由于吸入煙塵和有毒氣體致死的［2］［3］。火災煙氣的毒害性表現在兩個方面，一是它的缺氧、窒息作用，另一方面是它的毒性、刺激性和腐蝕性作用。瓦斯爆炸及煤礦火災中的有毒物質主要是CO、HCL、HCN以及沒有燃燒的碳氫化合物，主要的毒性氣體是CO。如果考慮別的有害氣體，可以將它們的濃度轉化為可燃物相應的當量CO濃度或按照相關的公式進行轉化。

大量事故調查結果表明，在事故中死亡的煤礦工人在死亡之前，已經吸入有毒氣體而失去行動能力，因此，致使人失去行動能力的氣體毒性界限的時間結合礦井自救器的有效使用時間，是考慮人員能安全避難的決定因素。在以CO作為火災發生時的標準有毒氣體時，失去行動能力的CO限量應為致死量的1/2，為此，根據上圖可以擬合失去行動能力的時間與CO濃度的關系如下：

式中t1為CO條件下的極限忍受時間(min); ρ為CO的濃度(%)。

2.2 高溫下人的忍耐時間

在高溫環境中，對于健康的著裝成年男子，克拉尼(cranee)推薦了溫度與極限忍受時間的關系為：

式中t2為高溫環境下的極限忍受時間(min);T為空氣溫度(℃);B1為常數(一般取1.0);B2為另一常數(一般取0)。上式可以簡化為：

上面兩關系式沒有考慮空氣濕度的影響，當空氣濕度增大時，人的極限忍耐時間降低，因為水蒸氣是燃燒產物之一，火災煙氣的濕度較大是必然的。由于人耐高溫環境的能力差異很大，在應用該公式時，應考慮一個安全系數，安全系數可以設置為0.8，此時，上式可以表示為：

在火場中人對有害氣體的忍耐時間(t1)和對高溫的忍耐時間(t2)不可能相同，故兩種危害時間哪個最先到來就可作為疏散的危險時間，即有T危險=(t1，t2)。

2.3 人員疏散有效時間

目前，國內在計算疏散時間時是假設災害發生后，人員立即投入到疏散行動中的理想化狀態［4］。而實際上，災害中人員是否能夠安全逃生的影響因素要復雜一點，作者根據礦井實際情況在一般災害的基礎上設應有四種時間決定(如圖1所示)。

圖1 災害時人員疏散過程時間示意圖

(1)T感應——從災害發生到傳感器察覺到災害之間的時間間隔。災害發生后，產生的煙氣啟動災害探測器報警，使人們知道有異常情況發生，這段時間就是前面說人對災害感應時間;(2) T反應——從人員感知到災害發生到開始逃生的時間間隔。人員意識到有火情時，一般不急于疏散，而是首先通過獲取信息進一步確定是否真的發生了災害，然后采取相應的行動，這段時間的長短因人而異，通常情況下人一旦感到危險來了便會迅速做出反應，因此這段時間很短;(3)T自救器——從打開自救器到自救器失效時刻的時間間隔。人在災害情況下，緊張慌亂是呼吸急促，所以自救器實際有效使用時間一般小于自救器的標準防護時間;(4)T疏散——從人員開始逃生到疏散至安全地點的時間;(5)T總——礦井災害發生到安全疏散結束后的所有時間。

圖1描述了災害發展及人員疏散過程中的各個時間段的關系：由前面的分析可以得知，T感應，T反應和T疏散是安全疏散時間的組成部分，所以人員逃生所需總的時間為：

人員是否能安全逃生，決定于在自救器有效時間內，能否逃離危險區域，也就是在T自救器－T危險＞0，且T自救器－T總=T自救器－(T疏散+T感應+ T反應)＞0時，人員能安全逃生，反之不能安全逃生。因此安全逃生的公式如下：

一般T感應，T反應相對于自救器的時間是很短暫，取值各約為20s，60s。根據《煤礦安全規程》的相關要求，本文中的工作人員選用礦用隔絕式自救器，安全使用時間為30min。則本次疏散實驗中的躲避災難總體有效時間T自救器=30min。判斷人員安全逃生的原則是如果井下人員在感覺到災害后，立即佩戴自救器的情況下在30min內到達安全地點，基本是可以逃生的。

3 疏散時間檢驗

本文采用地鐵中火災人群疏散原理，由于一般的煤礦生產在不斷的進行中，疏散距離也不斷變化，所以取最遠距離的工作面人員的疏散為例，對礦井災害安全疏散情況進行研究［5］。

3.1 人員疏散原理

人群擁擠程度對人群人員移動速度起主要控制作用。擁擠程度可用人員密度來量化(即單位面積上的占據的人數)。一般來說，人員密度越大，人與人之間的距離越小，人員移動越緩慢;反之人員密度越小，人員移動越快。

一般清況下礦井災害復雜比較，在這里我們假設新月礦井下人員到最近的安全地點巷道是近水平巷道。采用人流疏散理論公式：

式中T：疏散時間，s;Q：疏散人數，人;N：門或走道通行系數，人/m·s;B：門或走道的寬度，m。

大量的研究和我們的實測表明，人員流量N、移動速度V和巷道類型以及人員密度D有關，如下表1、表2、表3。

表1 緊急但非擁擠情況下巷道內人員步行速度

表2 擁擠情況下巷道內人員步行速度

表3 出入門口的人員步行速度通過系數

3.2 疏散過程及假設

3.2.1 疏散過程分析

假設疏散開始后，疏散人員離開其所在的空間，經由工作面巷道、采區巷道、避難硐室入口等構成的疏散空間，轉移到安全的場所。在整個疏散過程中，工作面的人員的疏散分為2個階段，首先工作面巷道人員必須先從失火地點安全撤離事故地點，最后沿疏散至避難硐室入口。

3.2.2 疏散過程假設

由于井下空間很大，人員分布很散，可作如下假設：

①任一單元或巷道內的人群可視為一個整體，假設該單元(或巷道)內全部人員都能自己疏散出去，而且具有相同的特征;②疏散開始之前，人員按不同的密度值分布在不同工作地點內，其他各處沒有人員;③第一個達到安全出口的人總是選擇最好的巷道進行疏散，而且在門和巷道處都沒有堵塞，其通過避難硐室門的時間不計，通過巷道的時間為單個人沿巷道行走時間;④對巷道所有人員全部疏散出巷道的時間等于所有人員通過避難硐室入口處所需時間與距離門最遠的人員步行到避難硐室門口所需時間中的最長的時間;⑤假設人員數目根據各巷道寬度均勻分配;⑥整個疏散過程受疏散通過最慢的單元所控制。

3.2.3 疏散檢驗分析

1)報警時間T1

由于不考慮災害報警系統的種類、位置，從災害發展過程來看，在火源附近30s內溫度、煙氣濃度、輻射熱已經很高，按當前性能良好的報警設備的響應時間來估算，報警時間大約30s。

2)人員響應時間T2

這里假設人員對井下環境比較熟悉，工作人員組織疏散合理，則人員響應時間根據經驗可以設為60s。

3)疏散行動時間

人員在巷道內疏散時，總是與側壁保持一定的距離，尤其是工作面巷道內有很多設備和堆放物，從而在巷道的邊界存在一個邊界層，這一部分寬度不能被人員疏散利用。所以，在進行疏散計算時應扣除邊界層的寬度，疏散巷道凈寬度減去邊界層寬度后的寬度稱為有效疏散寬度。假設A礦工作面到避難硐室的巷道有效體積為800m長×3.6m寬×2.5m高(2502運輸巷)，180m長×4.2m寬× 3.0m高(二采運輸下山)，120m長×3.6m寬× 2.5m高(運輸平巷)的“U”型巷道考慮人員疏散，設該工作地點各類工人30人工作，工作面發生災害后人員迎風撤離，人員疏散示意圖，如圖2。

圖2 最遠工作地點人員疏散示意圖

運輸巷和二采運輸下山巷道內的通行速度根據表1選擇1.953m/s。運輸平巷內的通行速度根據表2選擇1.27m/s，該水平巷道的人流量是1.5人/(m·s);避難硐室門的有效寬度選取B2=1.2m，若按我國地鐵設計中計算緊急疏散時通過門的人流量的數值是0.5人/(m·s)。從而算出：

二采運輸下山巷巷道內的通行能力：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)

比較時應把N1×B1與N2×B2相比較，得：N2×B2＜N1×B1，所以人在避難硐室入口處可能發生滯留現象，入口處為疏散“控制點”，此處產生滯留時間為最遠處工人流達到入口的時間，即為巷道通行時間：

由于危險來臨時間的計算受井下多環境及逃生者個人逃生能力的影響，實際生產中的井巷錯綜復雜。為安全起見我們應在計算時間的基礎上取安全系數2，所以在實際情況下安全疏散所需時間：

即在自救器有效的使用時間內，工作面30人是可以安全疏散到距離工作面900m的避難硐室。同理，最遠的人都能疏散到永久避難硐室，其它工作地點的人員也一樣可以逃生到永久避難硐室等待救援。為檢驗該模型的真實型，作者在該礦進行了30人的真人逃生模擬，最后所有的人員在12分鐘左右逃到指定安全地點，說明這個疏散模型是比較準確的。

4 結論

1)以綜采工作面瓦斯爆炸發生后疏散人員為對象，研究了緊急情況下人員安全疏散機理，該結論對于設置最佳永久避難硐室位置，最大程度的降低瓦斯煤塵爆炸災害時造成的生命財產損失有著重大的意義。

2)本文研究分析了煤礦“第一殺手”瓦斯災害對井下人員的影響情況，得出瓦斯對人傷害時間主要有四種因素：①耗氧窒息;②高溫燒傷;③產生的有毒有害氣體中毒;④沖擊波超壓傷害。其中沖擊波超壓一般致人立即死亡，耗氧窒息、高溫燒傷和有毒有害氣體中毒一般在井下人員得不到及時疏散時致人傷亡。

3)研究了井下人員在有毒有害氣體人和高溫等條件下的忍耐時間。

4)建立了井下人員在瓦斯災害發生后人員疏散時間的模型，并得出只有滿足：T自救器－T危險≥T自救器－T總=T自救器－(T疏散+T感應+T反應)＞0時，人員才能安全疏散成功。

5)以新月礦綜采工作面為例，根據人員疏散模型進行了疏散時間理論驗算，并組織現場工作人員進行了實地檢驗，結果表明該模型是比較準確的判斷出人員疏散條件。

［1］王新民，姚建，彭欣.火災時期致命因素危害時間的研究［J］.消防科學與技術，2005(1)：28－30

［2］田冬梅.火災中安全疏散機理的研究［D］.南華大學碩士學位論文，2006：45－58

［3］張培紅，陳寶智，劉麗珍.大型公共建筑物火災時人員疏散行為規律研究［J］.中國安全科學學報，2001，11(2)：22－26

［4］呂春杉，翁文國，楊銳等.基于運動模式和元胞自動機的火災環境下人員疏散模型［J］.清華大學學報(自然科學版)，2007，47(12)：2158－2162

［5］陳濤，宋衛國，范維澄等.十字出口寬度與人員阻塞的依賴關系及其模擬和分析［J］.自然科學進展，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，湖南岳陽人。華北科技學院安全工程學院教師，主要從事安全工程專業的教學與科研。