煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置模式與應(yīng)用技術(shù)研究

張 飛

(左權(quán)縣應(yīng)急管理局， 山西 晉中 032600)

煤與瓦斯突出事故具有很強的破壞性，突出大部分都是瞬時的，并伴隨著沖擊波、粉碎的煤體和高濃度瓦斯，可以瞬間將突出地點附近人員掩埋致死，高壓沖擊波可以破壞風(fēng)門和礦井通風(fēng)系統(tǒng)，造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，高濃度瓦斯隨著風(fēng)流移動，造成其他區(qū)域人員窒息死亡[1-2].

突出事故的應(yīng)急救援和處置是一個龐大的工程，救援時需要綜合多方面的信息和技術(shù)。為了能夠快速救援，必須迅速掌握救援所需的信息，做到快速反應(yīng)、精確判斷，采取及時有效的措施[3-5]. 針對事故的災(zāi)害特征，高效的事故應(yīng)急處置和救援需要及時判斷事故發(fā)生地點、預(yù)判突出高濃度瓦斯波及的區(qū)域并采取相應(yīng)的應(yīng)急處置措施和判斷受威脅人員的位置及傷亡情況。

1 典型事故案例應(yīng)急處置過程及特點分析

1.1 瓦斯爆炸事故案例分析

1) 大平煤礦“10.20”瓦斯爆炸事故。

2004年10月20日22時9分，大平煤礦21巖石下山掘進工作面發(fā)生延期性特大煤與瓦斯突出，導(dǎo)致瓦斯發(fā)生逆流，逆流的瓦斯與新鮮風(fēng)流混合后，達到爆炸界限，遇到電火花發(fā)生爆炸，事故造成148人死亡，32人受傷(重傷5人)。事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程見圖1.

圖1 大平煤礦“10.20”瓦斯爆炸事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程圖

22時09分時，出現(xiàn)因瓦斯傳感器超量程而發(fā)生傳感器中斷的情況，22時30分，13121工作面進風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗_到6%，22時40分發(fā)生爆炸，22時45分西風(fēng)井主扇跳閘停風(fēng)，隨后調(diào)度室向集團公司匯報事故發(fā)生，并通知大平救護大隊。

22時09分事故發(fā)生初至22時40分左右瓦斯逆流導(dǎo)致爆炸發(fā)生的31 min內(nèi)，該礦井沒有采取及時有效的措施，造成人員的不必要傷亡。23時35分救護隊趕到現(xiàn)場，隨后展開偵察和救援。

2) 新興煤礦“11.21”瓦斯爆炸事故。

2009年11月21日1時37分，新興煤礦發(fā)生特別重大煤(巖)與瓦斯突出事故，產(chǎn)生的瓦斯總量為16.63萬 m3. 事故造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，瓦斯反風(fēng)向運移2 000多米，并進入進風(fēng)流中且通過礦井三水平達到井下二水平，在井下二水平卸載巷附近區(qū)域遇到電火花，最終導(dǎo)致瓦斯爆炸的發(fā)生，致使108人死亡，133人受傷。事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程見圖2.

圖2 新興煤礦“11.21”瓦斯爆炸事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程圖

突出事故發(fā)生至發(fā)生爆炸的41 min內(nèi)，井下人員積極自救互救，采取了礦井撤人、切斷三水平電源等措施，但未切斷二水平電源，導(dǎo)致二水平爆炸，應(yīng)急措施不當(dāng)，未能有效防止瓦斯爆炸發(fā)生。

3) 九里山礦“8.23”煤與瓦斯突出事故。

2005年8月23日1時21分，九里山礦15051區(qū)段巷掘進工作面炮后發(fā)生特大型煤與瓦斯突出，逆風(fēng)距離達1 320 m，事故未造成通風(fēng)系統(tǒng)破壞和人員傷亡。事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程見圖3.

圖3 九里山礦“8.23”煤與瓦斯突出事故發(fā)生和應(yīng)急處置過程圖

事故發(fā)生前，有突出預(yù)兆，首先加強防突措施，并且告知工作人員各地區(qū)瓦斯發(fā)生變化情況，使所有職工從思想上引起重視，同時加強了跟礦、值班制度。應(yīng)急處置措施得當(dāng)及時，突出后5 min內(nèi)，下令切斷災(zāi)區(qū)及受威脅區(qū)電源，停止大巷電機車運行，并通知井下人員撤離。但是仍有部分區(qū)域沒有提前斷電，15軌道和皮帶進風(fēng)長時間串入瓦斯，15泵房在超限下運行，情況十分危險，由于設(shè)備防爆，沒有發(fā)生爆炸，但是如采取提前斷電則更安全。

1.2 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置特點

通過對典型煤與瓦斯突出事故案例的應(yīng)急處置過程分析得出，煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置的時間通常非常短，一般在幾分鐘至十幾分鐘，多則幾十分鐘。井下和井上工作人員需要在短時間內(nèi)判斷出突出事故發(fā)生的地點、災(zāi)害破壞情況、附近區(qū)域人員情況及可能波及的區(qū)域范圍等，并快速且正確作出決策，采取相應(yīng)有效的應(yīng)急處置措施，如及時切斷突出地點的電源并提前切斷可能波及地方的電源。

1) 時間緊迫性。井下發(fā)生突出事故時，由于瞬間突出的大量煤體和高濃度瓦斯，往往使突出地點附近的人員瞬間被沖倒并掩埋，并摧毀巷道中設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施，高濃度瓦斯在回風(fēng)流中高速運移，在幾分鐘內(nèi)便可到達總回風(fēng)巷，由于井下人員不能馬上判斷井下發(fā)生了突出事故和突出地點，致使來不及逃生或戴上自救器就窒息死亡，若瓦斯出現(xiàn)逆流，則在進風(fēng)流中的人員也有可能窒息死亡；而地面人員往往只能通過井下人員的報警才會大致清楚井下具體情況，僅僅依靠單個瓦斯傳感器，并不能完全清楚井下情況，隨著時間的流逝，往往由于應(yīng)急處置不力，導(dǎo)致更大損失，嚴重的會導(dǎo)致瓦斯爆炸，如大平礦瓦斯爆炸事故。

2) 反應(yīng)滯后性。突出事故具有瞬間性、高爆發(fā)的特點，當(dāng)?shù)孛嬲{(diào)度室收到井下事故報警時，往往距離事故發(fā)生已經(jīng)過去1分鐘至幾分鐘。通過案例分析表明，突出事故地點當(dāng)頭瓦斯傳感器由于被瞬間噴出的瓦斯煤粉流摧毀或高濃度瓦斯使瓦斯傳感器超量程而顯示為零，地面人員不能馬上判斷是否是由于傳感器故障導(dǎo)致的傳感器失靈，地面監(jiān)測人員僅通過單個傳感器很難做到及時判斷事故發(fā)生的情況。

3) 處置經(jīng)驗性。礦山企業(yè)設(shè)置的煤與瓦斯突出事故綜合預(yù)案、專項預(yù)案和現(xiàn)場處置方案存在篇幅較長、繁瑣累贅、不具備實用性和操作性等問題。現(xiàn)階段技術(shù)條件無法解決突出發(fā)生時人員傷亡和事故波及范圍等突出強度的判斷問題，目前沒有實際應(yīng)用較好的技術(shù)方法，僅依靠決策人員依照預(yù)案和經(jīng)驗處理事故。

2 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置分析

2.1 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置

煤與瓦斯突出事故的發(fā)生大多是瞬間的，延期突出事故幾乎很少發(fā)生。通過對典型煤與瓦斯突出事故案例應(yīng)急處置過程的分析得出，無法及時掌握井下瓦斯?fàn)顩r也是客觀上導(dǎo)致應(yīng)急處置不當(dāng)?shù)闹饕蛩兀瑧?yīng)急處置問題主要如下：

1) 瓦斯?jié)舛取Ｃ号c瓦斯突出事故發(fā)生時，往往會破壞事故地點附近的瓦斯傳感器或超量程使其發(fā)生“中毒”，導(dǎo)致無法得知井下瓦斯?jié)舛惹闆r。

2) 事故環(huán)境。突出事故造成的破壞情況不明，沖擊波的高壓沖擊作用是否造成通風(fēng)系統(tǒng)破壞、機電設(shè)備損毀等，巷道是否堵塞、坍塌等。

3) 遇險人員位置。事故發(fā)生后，由于井下人員驚慌失措，往往造成逃生混亂，組織管理混亂，導(dǎo)致遇險人員位置不明確。

4) 瓦斯運移。目前的技術(shù)條件使地面指揮人員很難判斷突出是否造成了逆流，逆流的瓦斯是否進入進風(fēng)流，從而跟隨風(fēng)流威脅到其他用風(fēng)區(qū)域。

5) 信息獲取途徑單一。事故發(fā)生后，地面指揮人員了解井下事故情況大多只能依靠事故發(fā)生地點附近人員的匯報。

6) 偵查困難。由于對井下情況不清，制定偵查措施時針對性不強，只能指派多隊救護隊員在井下緩慢前行，逐步偵查。井下遇險遇難情況不明，對于遇險人員是否死亡很難判斷。

7) 突出強度。目前技術(shù)條件，在處置突出事故時，很難確定突出強度及突出產(chǎn)生的瓦斯量，往往都是在事故調(diào)查時才能計算出來。圖4為應(yīng)急處置問題。

圖4 應(yīng)急處置問題圖

2.2 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置矛盾分析

1) 現(xiàn)場救援和救護隊員安全問題。

事故發(fā)生后，井下受災(zāi)、受傷人員存在一種特殊情況，即受災(zāi)人員位置較特殊，如被沖出的煤體掩埋、距離安全區(qū)較遠外界人員不易抵達或者位于高濃度瓦斯區(qū)域，隨時有死亡的可能性。這種情況下對于參與井下救援的救護隊員也有危險性，在隨時有可能發(fā)生瓦斯爆炸且遠距離地形復(fù)雜和堵塞營救的情況下，對救護隊員的體能和需氧量都有很高要求，救護隊員攜帶氧氣呼吸器很有可能不能滿足供氧需要等突發(fā)情況，造成救援和保證安全的矛盾性。由于現(xiàn)階段技術(shù)手段的限制，一般按照保證救護隊員安全的前提下盡最大努力營救受災(zāi)人員。

2) 斷電與瓦斯爆炸問題。

電源切斷的同時可能會產(chǎn)生電火花，而電火花可能是導(dǎo)致爆炸發(fā)生的點火源，當(dāng)突出導(dǎo)致大量瓦斯出現(xiàn)時，在很短的時間內(nèi)就會突破斷電上限并達到爆炸極限，當(dāng)傳感器探測到瓦斯?jié)舛瘸迺r，此時斷電產(chǎn)生的電火花恰好可能引發(fā)瓦斯爆炸。

2.3 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置關(guān)鍵點分析

通過對煤與瓦斯突出規(guī)律及災(zāi)害演變特征的分析，結(jié)合對典型煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置過程的分析，得出對于煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置的3個關(guān)鍵點，分別如下：

1) 突出事故發(fā)生地點的快速辨識。只有快速確定突出事故的具體地點，才能及時切斷事故地點非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備和通知附近人員自救互救。

2) 井下可能受威脅區(qū)域的預(yù)判。由于突出后高濃度瓦斯的運移會導(dǎo)致受波及區(qū)域人員窒息甚至逆流發(fā)生瓦斯爆炸，所以需要提前預(yù)判可能受威脅的區(qū)域，提前采取停電撤人措施。

3) 井下遇險人員是否死亡的判斷。遇險人員是否死亡關(guān)乎到后續(xù)救援方案的制定和實施，對于有生還可能性的人員，應(yīng)本著先救人后就災(zāi)的原則，如果遇險人員已經(jīng)遇難，則以災(zāi)為主。

3 煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置應(yīng)用技術(shù)分析

3.1 煤層瓦斯治理方案分析

山西煤炭進出口集團左權(quán)宏遠煤業(yè)有限公司位于左權(quán)縣城北約20 km的寒王鄉(xiāng)平王村，行政區(qū)劃屬左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)管轄。井田地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°25′23″～113°28′02″，北緯37°12′11″～37°13′52″. 井田呈不規(guī)則狀，東西最長4.61 km，南北最寬2.95 km，井田面積9.33 km2.

根據(jù)《防突細則》第五十七條、第五十八條制定總體瓦斯治理方案，見圖5.

圖5 總體瓦斯治理方案示意圖

3.2 區(qū)域防突措施

15號煤層為井田含煤地層內(nèi)最下一層煤，15號煤層上方理論最大保護垂距范圍內(nèi)(90 m)不存在可采煤層，因此礦井不存在保護層開采條件，必須采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進行區(qū)域防突措施效果檢驗。

3.3 掘進工作面

1) 遞進預(yù)抽掘進條帶煤層瓦斯。

在待掘巷道相鄰50 m范圍內(nèi)有其他平行的已掘巷道時，采用遞進掩護式進行預(yù)抽，即從上一個工作面順槽(已掘巷道)向相鄰工作面待掘巷道施工順層鉆孔，預(yù)抽待掘巷道條帶區(qū)域煤層瓦斯，鉆孔控制相鄰巷道輪廓線外15 m以上范圍，見圖6，鉆孔間距應(yīng)根據(jù)煤層瓦斯含量、抽采半徑與所需的預(yù)抽時間綜合確定。適用于相鄰工作面的運輸順槽和回風(fēng)順槽掘進條帶煤層瓦斯等。

圖6 遞進預(yù)抽掘進條帶煤層瓦斯鉆孔布置圖

2) 定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯。

煤巷掘進過程中，在小區(qū)域布置的措施巷道或停掘煤巷區(qū)域施工定向鉆孔抽采，鉆孔長度≥300 m，定向長鉆孔至少控制兩幫輪廓線15 m，并且保證定向鉆孔全煤厚覆蓋，每次施工3～5個主孔，根據(jù)不同抽采時間對應(yīng)的抽采半徑確定分支孔數(shù)量和間距，定向鉆孔施工過程中需做到探頂板、探底板。定向長鉆孔布置見圖7. 主要用于不具備遞進預(yù)抽掘進條帶的煤巷等。

圖7 定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置圖

3) 順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯。

對于銜接不緊張、抽采時間可保證的區(qū)域，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯。設(shè)計鉆孔控制煤巷條帶前方長度≥60 m，至少控制兩幫輪廓線15 m ，見圖8. 鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的有效抽采時間不得少于20天；如果在鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)有噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象，有效抽采時間不得少于60天。

圖8 順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置圖

順層鉆孔采用水力造穴增加煤層透氣性，由鉆孔20 m位置開始正向造穴至孔底100 m位置，巷道迎頭鉆孔5～10 m造穴1個，兩幫鉆孔造穴間隔10 m. 造穴時間不少于30 min/m，保證鉆孔造穴段出煤量不少于700～800 kg/m. 具體鉆孔布置應(yīng)根據(jù)煤層瓦斯含量、抽采半徑、抽采時間等綜合確定。

但在下列條件下不得采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯：

a) 開采范圍內(nèi)f<0.3；f為0.3～0.5，且埋深大于500 m；f為0.5～0.8，且埋深大于600 m；煤層埋深>700 m；煤巷條帶位于開采應(yīng)力集中區(qū)。b) 煤層瓦斯壓力P≥1.5 MPa或瓦斯含量W≥15 m3/t的區(qū)域。

3.4 回采工作面

采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)煤層瓦斯，即在工作面運輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)垂直巷幫施工雙側(cè)順層預(yù)抽鉆孔對回采區(qū)域的15號煤層瓦斯進行預(yù)抽。當(dāng)15號煤層厚度小于4 m時，布置單排鉆孔，當(dāng)15號煤層厚度大于4 m時，上下2排布置。鉆孔直徑為113 mm，兩側(cè)鉆孔疊加不少于20 m，鉆孔布置見圖9.

圖9 順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)煤層瓦斯鉆孔布置圖

4 結(jié) 論

通過對典型煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處置過程分析，得出應(yīng)急處置具有時間緊迫性、反應(yīng)滯后性和處置經(jīng)驗性的特點。得出應(yīng)急處置3個關(guān)鍵點：突出事故發(fā)生地點的快速辨識、井下可能受威脅區(qū)域的預(yù)判和井下遇險人員是否死亡的判斷。建立了左權(quán)宏遠煤業(yè)總體煤與瓦斯突出事故應(yīng)急處理思路：以“不突出、不超限”為目標(biāo)，以瓦斯超前治理為手段，推動礦井瓦斯治理由“措施型”向“工程型”轉(zhuǎn)變、由“管理型”向“治理型”轉(zhuǎn)變、由“同步型”向“超前型”轉(zhuǎn)變，力爭破解瓦斯治理與高產(chǎn)高效之間的矛盾，實現(xiàn)源頭安全、本質(zhì)安全。