超大井田礦井逃生方式與逃生臨界深度研究

2022-06-09 10:18:16彭然

中國煤炭 2022年5期

彭然

(1.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013)

隨著社會的高速發展，技術手段的不斷完善，國家對安全生產狠抓落實，安全形勢已有較大好轉，2021年全國安全生產形勢持續穩定向好，事故總量持續下降，但死亡10人以上的重大事故依然有16起。2021年6月，鶴壁煤電股份有限公司六礦掘進工作面發生煤與瓦斯突出事故，井下被困8人遇難；2020年9月重慶綦江松藻煤礦膠帶燃燒導致事故，造成16人死亡、42人受傷；2020年12月四川吊水洞煤礦發生重大火災事故造成23人死亡、1人重傷，直接經濟損失2 632萬元。經事后調查分析得出，自救器防護時間與逃生距離不匹配導致二次事故發生是造成重大事故發生的重要原因之一。因此，針對超大井田礦井逃生方式，探索逃生用自救器的臨界適用深度至關重要，對提高災害發生時的自救成功率可發揮重要作用。

1 超大井田礦井逃生模式簡介

大型現代化超大井田礦井具有明顯的大巷長度長、工作面推進距離長、井田面積大，多煤層開采、多工作面開采，淺埋深，井筒位置相對集中等特點[1]，主要災害為水災、火災、頂板和瓦斯煤塵爆炸等。從緊急避險逃生的原則來看，以逃為主，避險為輔，災害發生后人員在最短時間內逃離災害發生地點到達地面是最安全的，逃生時間越長，逃生過程中發生的不可預見性危險越多。因此現有的逃生模式多采用自救器接力逃生+緊急避險裝置+逃生通道逃生的一體化逃生模式[2-5]，逃生全程使用自救器進行防護，現有的逃生通道多為預鉆孔大直徑逃生通道和斜井井筒[6-7]。

2 大直徑鉆孔和斜井逃生時間計算

大直徑預鉆孔和斜井示意如圖1所示。為了簡化計算模型，提出以下3點假設：

(1)大直徑鉆孔孔口與斜井井口標高相同，且底部位于同一水平，即遇險人員在井筒逃生過程中垂直逃生的高度相同；

(2)逃生人員在大直徑鉆孔內和斜井井筒內保持恒定的速度；

(3)逃生人員在大直徑鉆孔內通過逃生梯逃生。

依據我國相關建筑建設標準，從爬樓梯的最佳舒適度角度分析，推薦樓梯角度為30°，假設人員行進速度與角度呈線性關系，傾角為α時人員的行進速度見式(1)：

(1)

式中：vα——傾角為α時人員行進速度，m/s；

v0——傾角為0時人員行進速度，根據人員疏散基本參數分析，30～60歲人員平均疏散行進速度為1.18 m/s；

v30——傾角為30°時人員行走速度，取0.58 m/s。

根據圖1所示，由式(2)確定斜井井筒逃生時間：

(2)

式中：tl——斜井井筒逃生時間，s；

L——斜井井筒長度，m；

vl——斜井內行進速度，m/s；

H——為大直徑鉆孔長度，m。

圖1 大直徑預鉆孔和斜井示意

因為我國相關建筑建設標準推薦的樓梯角度和一般工業用逃生梯的角度均為30°，因此，采用30°作為逃生梯的代表性角度，并以此計算其適用深度和井底到井口逃生人員沿逃生梯實際行走的長度(H/sin 30°)。由式(3)計算得出大直徑鉆孔內人員逃生時間：

(3)

式中：th——大直徑鉆孔內逃生時間，s；

vh——大直徑鉆孔內行進速度，m/s；

β——速度折減系數，由于逃生梯內行進速度略慢，取0.8。

則大直徑鉆孔與斜井逃生時間的比值η可由式(4)計算得出:

(4)

將式(4)繪制成曲線如圖2所示，由此可得到：從逃生時間考慮，大直徑鉆孔與斜井逃生時間的比值η與埋深H無關，即不能將埋深作為選擇大直徑鉆孔和斜井逃生方式的依據；傾角α≤15°或α≥40°時，大直徑逃生鉆孔逃生時間較短，傾角15°<α<40°時，斜井逃生時間較短，當選用斜井逃生方式時，斜井的傾角應該在15°～40°之間。

圖2 大直徑鉆孔與斜井逃生時間對比曲線

3 自救器臨界適用深度試驗論證

3.1 自救器理論防護時間

在井下災害發生時，避險逃生過程中人員體力消耗大，狹小黑暗環境下心理承受能力存在極限，逃生時間不宜過長[8]。綜合考慮人員逃生體力和心理承受能力，在井筒內逃生佩戴常規的45 min自救器較為合理，這是由于45 min自救器具有相對體積小、重量輕、攜帶方便等特點，且在礦井普遍配備，更適合人員在大直徑鉆孔內的逃生梯以及斜井內逃生使用。

逃生人員在劇烈運動情況下，瞬時耗氧量大幅增加，因此還要考慮到自救器有效防護時間存在低于額定防護時間的可能性。根據登樓梯能量消耗的測量與統計中研究結果表明，耗氧量隨時間的變化規律初始階段呈急劇上升趨勢，高度到達5～6層或70 s時出現明顯的拐點，隨之變化規律進入平穩階段。以不同年齡人群均速90 步/min爬樓梯[9]，20歲男性平均耗氧速率為29.6 mL/(kg·min-1)，50歲男性平均氧耗速率為27.6 mL/(kg·min-1)，計算過程中取平均值28.6 mL/(kg·min-1)[10]。進入逃生通道前已逃生一段時間，體能產生一定的消耗，可以認為其耗氧速率已經進入穩態期。則避險人員在逃生時的耗氧量見式(5)[11]：

(5)

式中：Y——避險人員在逃生時的耗氧量，mL；

M——人員體重，我國男性平均體重66 kg；

t——登樓梯時間，min。

將相關數值代入式(5)得，Y=1 887.6t。

額定防護時間45 min，是指能夠按照1.2 L/min持續穩定供氧45 min，則自救器可以提供的總氧氣量Y=54 000 mL。由此可得，45 min自救器登樓梯過程中的等效防護時間t=29 min。

3.2 防護時間內登高高度

為了合理掌握井下逃生人員負載登梯的速度、高度、時間、平均心率、最大心率、熱耗、自救器使用時間之間的關系，組織試驗人員進行模擬登高試驗。試驗人員選取年齡在40～50歲之間，3人；30～40歲之間，3人；20～30歲之間，3人[12]，佩戴45 min壓縮氧自救器，通過數據采集儀器，將記錄速度、心率、壓力、時間、高度等數據。不同年齡段試驗人員高度、自救器余壓與時間關系如圖3。

圖3 不同年齡段試驗人員高度、自救器余壓與時間關系

由圖3可以得出，45 min壓縮氧自救器在高強度活動條件下，如井下工人逃生過程等環境中有效的使用時間約30 min。由于試驗人員的體能相比煤礦工人較差，所以年齡段在40～50歲的試驗人員的登樓高度不具有現實代表意義。

通過理論計算和試驗論證的綜合分析，可以得出45 min壓縮氧自救器的有效使用時間為29 min。由于我國煤礦井下工人配備使用的自救器的額定防護時間多數為45 min，相比其他規格的自救器更適用于井下工人的逃生條件。

由圖3可以看出,20～30歲年齡段試驗人員所達到樓層高度為95層，經過計算，達到的垂直高度約245 m；30～40歲年齡段試驗人員所達到樓層高度為75層，經過計算，達到的垂直高度約194 m。

因此在45 min壓縮氧自救器的有效使用時間內，逃生人員登高所達到的高度在194～245 m之間，如果使用45 min自救器逃生一段距離或者防護一段時間，實際能達到的高度遠低于此高度，取1.2的安全系數[13]，在實際試驗中，自救器可以達到高度為162～204 m，此試驗對逃生梯中逃生的適宜深度具有實際指導意義。

3.3 運動強度分析

不同年齡段試驗人員運動強度如圖4所示。由圖4(a)可以看出，年齡段在40～50歲的試驗人員一直處于高強度無氧運動，個別事件點已經處于過度運動(危險)階段，分析其原因是試驗人員自身的體能較差，長時間的登高運動過程中體能衰減較快，產生氣喘、嘔吐等反應。這種現象與試驗人員長期不從事重體力勞動有關，因此不能代表煤礦工人的較好體能；由圖4(b)和圖4(c)可以看出，這部分試驗人員的運動大部分處于肌耐力訓練階段，隨著登高的高度增加，逐漸進入到高強度無氧運動階段，說明試驗人員體能較好，切合煤礦井下工人的真實體能。