一起典型的瓦斯爆炸事故原因探析及對策研究

雷咸銳，李清汝

(山西潞安環保能源開發有限公司 安全監察部，山西 長治 046204)

2020年10月20日，山西某礦井下發生一起較大瓦斯爆炸事故，造成4人死亡、1人受傷，直接經濟損失1 073萬元。經調查分析，造成此次事故的直接原因是井下密閉區域內頂板垮落，撞擊金屬物體產生火花，引發瓦斯爆炸、摧毀密閉墻，橫飛的料石擊中1208回風巷(密閉前)內的作業人員，導致人員傷亡。由于此次事故發生在密閉空間內，具有一定的特殊性和典型性。為深刻吸取事故教訓，防范類似事故再次發生，本文基于此次事故調查分析過程并結合事故調查結果，通過對事故原因進行深入探析后，提出在特殊圍巖條件下頂板管理及隱蔽工程風險辨識管控的措施和對策，從而為煤礦有關安全生產工作提供指導和借鑒[1]。

1 事故基本情況

本起事故發生在15號煤層1208安裝工作面回風巷。該工作面原切眼于2020年7月14日形成，后因頂板壓力大廢棄，并于8月2日封閉；2020年7月28日向外退出30 m新開掘切眼，9月20日形成，10月1日開始安裝。

10月20日凌晨2時許，1208工作面回風巷(安裝期間進風)密閉墻體產生沖擊波，導致進風側端頭密閉墻被摧毀，造成被毀密閉正前方1名絞車司機及3名跟車人員死亡、班組長受傷，其余11名安裝隊人員自行安全升井。

2 事故原因探析

2.1 巷道礦壓監測及頂板淋水觀測

2.1.1 礦壓監測點布置

1) 頂板離層監測布置：一次切眼和二次切眼每隔50 m打設1組頂板離層儀，共打設8組頂板離層儀，頂板離層儀深部基點位置8.3 m，淺部基點位置2.3 m.

2) 表面位移觀測點布置：在切眼開口掘進69 m和99 m處設置了兩個表面位移測站，觀測頂板下沉量、頂底板移近量、兩幫移近量[2]，見圖1.

圖1 礦壓監測點布置圖

2.1.2 頂板淋水情況

巷道在二次切眼拉底之前未有明顯礦壓顯現現象，拉底期間，地測辦于7月12日發現1208切眼內80 m位置，頂板面積8 m×2 m，形成頂板水珠狀， 二次切眼內該區域的1根錨索淋水量為0.2 m3/h.7月13日地測防治水技術人員現場對1208切眼內頂板淋水處施工探孔，疏放水鉆孔水量經觀測基本穩定為0.35 m3/h，無水壓。隨后該區域不斷擴大，淋水錨索數量也增加。經分析判定，1208切眼充水來源為頂板K2含水層水，1208切眼受掘進擾動影響產生裂隙形成導水通道。

2.1.3 礦壓監測及分析

7月16日日常巡查中發現1208舊切眼70～110 m段巷道頂板破碎且有淋水現象，該區域的3號、7號頂板離層儀深部均進入黃區，有3根單體柱大板棚壓裂，8根單體柱底部所墊木墩出現壓裂現象，礦壓顯現嚴重。隨后安排對巷道60～120 m段進行頂板加固。7月20日加固完成后每班安排專人進行礦壓觀測，發現1208切眼部分巷道下沉速度更快，至7月23日零點班，3號、7號頂板離層儀深部基點均已進入紅區，淺部均為黃區，1號表面位移測站測得頂底板移近量達250 mm，2號表面位移測站測得頂底板移近量達180 mm，底板均無鼓起，因此，頂底板移近量也就是頂板下沉量[3]。巷道兩幫位移量最大為50 mm.

頂板離層儀觀測數據表明：離層儀安設至7月15日，頂板淺部和深部的離層值小、變化速度慢，且基本一致，都趨于正常范圍之內。7月15日至16日，3號、7號離層儀深部離層突增分別為30 mm、36 mm，均進入黃區(分別為52 mm、53 mm)，隨后變緩。7月20日至21日，3號、7號離層儀淺部離層突增43 mm和40 mm，進入黃區，離層值均為52 mm，然后變緩，且深部離層值超過淺部。盡管3號、7號淺部離層值均進入黃區，但直至7月23日都沒有進入紅區，而深部離層值比較大，都由黃區變為紅區，3號、7號深部離層值分別達到105 mm和110 mm，錨桿、錨索均未出現破斷現象?？梢?，7月20日加固完成后，3號、7號離層儀的淺部離層值均趨于平緩，說明加固起到支護效應，但深部離層還在增加，尚不能控制總體頂板下沉，3號、7號頂板離層儀曲線見圖2、圖3.

圖2 3號頂板離層儀曲線圖

圖3 7號頂板離層儀曲線圖

表面位移測站觀測數據表明：1號、2號表面位移測站均呈現頂板連續下沉的趨勢，與3號、7號離層指示儀觀測數值相呼應，盡管比3號、7號離層指示儀安裝時間晚，但2號表面位移測站的頂板下沉量數據(181 mm、184 mm)與附近的3號、7號頂板離層的觀測值(173 mm、180 mm)相比還要稍大，說明7月23日時，離層儀的深部基點層位巖層也已有離層現象。也能解釋頂板水對錨索錨固段上部巖層的崩解、軟化、破壞作用[4]。

7月23日召開1208切眼安全隱患專題會，認為：由于切眼斷面跨度大，施工時巷道頂板平整度差，存在破碎、墜包現象，且70～110 m段巷道頂板有淋水，面積較大，支護范圍內頂板巖性為泥巖，遇水易軟化，初步判斷頂板錨網支護有失效跡象。在采取聯合支護等措施后，仍無法有效控制頂板變形下沉，在安裝、運輸設備期間需拆除被動支護，危險程度極大，不能保證安全作業。會議遂做出對切眼進行報廢的決定。

2.2 事故原因分析

1) 頂板垮落。根據頂板淋水情況及礦壓監測數據，通過統計分析，不難看出頂板淋水是造成頂板垮落的主要誘因。

1208舊切眼在掘進時，中段頂板平整度差，存在破碎、墜包現象，受到二次切眼的掘進擾動，變形加劇。加上15號煤層上覆泥質砂巖、砂質泥巖在切眼掘進的擾動下產生導水通道，致使頂板水滲入，局部出現淋水現象，致使巷道頂板泥質砂巖層在淋水的情況下快速崩解，再加上該地段頂板探水鉆孔的施工，加劇了頂板巖層的崩解進程，進而形成更大范圍泥巖巖層崩解，致使巷道圍巖與錨固頂板巖層喪失完整性和承載能力[5]，后期雖然采取了加固措施，但仍不足以控制頂板下沉，最終導致頂板垮落。

2) 瓦斯積聚。瓦斯抽采時間不足，未對切眼上方煤體區域進行瓦斯治理，切眼區域瓦斯抽采時間不足6個月，密閉后周邊瓦斯涌出造成密閉內瓦斯積聚，瓦斯防治措施不到位[6]。

3) 密閉構筑不合格。切眼密閉墻未嚴格按照密閉設計構筑，閉墻厚度施工與設計不符，現場工程質量把控不嚴，砌筑時灰漿不飽滿，堅固性、可靠性差，不符合永久密閉墻施工質量標準。由于開掘二次切眼，對切眼兩端巷道產生較大壓力，密閉墻周圍產生裂隙導致漏風，形成密閉內瓦斯爆炸所需的氣體條件[7]。頂板突然垮落，碰撞巷道內的金屬物體產生沖擊火花，引起瓦斯爆炸，產生沖擊波摧毀密閉墻導致事故發生。

3 事故主要教訓

3.1 巷道支護設計有缺陷

1) 對巷道圍巖的地質力學調查不全面，未能充分了解頂板泥質砂巖局部含水對錨索錨固力的影響，尤其是對錨索錨固段泥質的物理力學性質、礦物成分、水理分析進行的調查了解不夠。

2) 未明確錨桿、錨索的強度級別。

3) 巷幫錨桿的預緊力設計低于《礦區煤巷錨桿支護技術規范》要求。

3.2 礦壓監測不到位

1)礦壓監測設計不規范、不系統。未明確頂板離層監測、巷道表面位移監測、錨桿(索)受力監測安設位置和數量，各自獨立，互不關聯，不能互相驗證，不能全面分析錨固系統的工作狀態。

2)盡管設計中的礦壓監測不規范、不系統，但是現場仍未按設計要求安設，致使礦壓監測過于片面，只有頂板離層監測，后期加固后才設置表面位移監測，未進行錨桿錨索受力監測，出現頂板離層突增時，不能準確分析判斷支護系統失效的原因。

3.3 瓦斯防治工作開展不到位

1) 1208工作面為二采區首采面，設計之初未充分考慮瓦斯賦存及地質條件，導致工作面布置在采區埋深最大、原始瓦斯含量最大的區域[8]，瓦斯治理難度陡然增大。

2) 礦井采掘工作由原來的一采區轉移到現在的二采區，工作面位置從淺部到深部、從相對低瓦斯區域進入到一級瓦斯管理區域，瓦斯含量、瓦斯壓力等參數發生了很大變化[9]，但礦方思想上、措施上、安全意識及管理方面未能及時跟進，對瓦斯防治工作重視不夠，沒有充分預測和掌握煤層瓦斯地質變化規律，采取針對性防范措施。

3.4 工程質量及安全監管存在盲區

1208切眼密閉構筑缺乏監管，驗收徒有形式，密閉質量不合格，通風、抽采等隱蔽設施和工程的施工缺少質量管控；另外，密閉墻施工完成后沒有按照《煤礦安全規程》等有關規定進行管理，密閉后期維護管理不到位，檢查頻次不夠，未能及時發現和處理安全隱患。

3.5 安全風險辨識不到位

在決定廢棄1208舊切眼時，未對密閉內情況進行綜合風險辨識評估，一閉了之。

1) 未辨識密閉區域可能引發的頂板大面積垮落風險，更未能考慮頂板跨落可能產生碰撞火花引發爆炸等次生災害情況，從而提前采取科學的防范治理措施。

2) 打設密閉時，未能充分辨識密閉區域瓦斯積聚、密閉漏風等危險因素，仍然采取單一、常規的密閉方式；密閉完成后亦未對閉墻內氣體進行分析，加之密閉施工質量差、維護不到位等諸多因素導致事故發生。

3) 未辨識因密閉墻質量不合格，在密閉前拉底作業可能導致的閉墻垮塌風險。

3.6 變化管理執行不到位

該礦未執行集團公司變化匯報有關規定，巷道頂板出現淋水、頂板離層突增時，未按變化管理要求上報上級業務主管部門[11]，自行采取聯合支護等措施。在采取聯合支護措施仍無法有效控制頂板變形下沉的情況下，礦方決定對原切眼進行報廢，亦未將此情況上報集團公司有關部門。

4 對策及措施

4.1 特殊圍巖條件下頂板管理

1) 大跨度、大斷面巷道(硐室)、大型交叉點的支護管理。第一，要有專項的支護設計。由經驗豐富的專業技術人員進行地質力學評估和現場調查，詳細了解頂板巖性及礦物成分(特別是泥質巖層和水理分析)，進行必要的地質力學測試；錨桿錨索支護設計采用理論計算設計時，應針對不同的巷道圍巖條件選擇最合適的理論計算模型，按照“初始設計—礦壓監測—信息反饋—設計修改”的動態信息設計流程進行設計。第二，抓好錨桿支護巷道礦壓監測和數據整理工作，尤其是大跨度、大斷面、復雜圍巖條件的巷道和硐室，要規范測站布置、規范監測儀器配置，確保重點區域、關鍵點、關鍵部位監測到位；規范監測頻度、做好分析總結，為支護設計和頂板管理提供準確、可靠的現場資料，發現異常情況及時上報上級主管部門，采取有效管控措施。第三，進行重點關注重點督查。業務管理部門及安監部門要經常深入施工現場，查設計、查資料、查制度、查現場、查管理，及時開展隱患排查治理、管控安全風險。

2) 強動壓巷道頂板的管理。要優化巷道布置設計和采掘抽銜接管理，避免人為的采動應力集中影響安全生產。條件允許時，要積極推廣應用切頂卸壓技術，一方面能有效減小采動壓力影響，也能減小煤柱損失提高回采率、并有效緩解采掘銜接緊張[10]。對于有沖擊動力傾向的礦井或區域，要積極采取專業的防沖措施。

3) 加強錨固劑的現場檢測工作。如巷道頂板出現淋水時、遇地質構造或巷道圍巖發現明顯變化時、施工中發現錨固劑有異常時、更換錨固劑廠家或調整錨固劑配方時，必須進行現場的錨固劑粘結強度測試，并做好相關記錄。

4.2 隱蔽工程風險辨識管控

1) 提高安全風險辨識管控意識。煤礦企業要把安全風險辨識和管控放在一切工作的前面，做好源頭安全管控，采取有效措施防范同類事故發生。要明確煤礦礦長是風險辨識的第一責任人，對風險辨識不全或漏辨風險的煤礦，上級公司要嚴肅追責礦長的第一責任人責任。要嚴格落實風險防控措施和管控責任，根據不同風險級別扎實開展煤礦安全風險分級管控責任落實。

2) 抓好非常規作業管理。多數煤礦對非常規作業缺少足夠的重視，缺乏成熟的管控技術和管理經驗，但風險卻往往暗藏其中，如廢棄巷道的管理、煤倉清理的安全管理等。廢棄的巷道不能簡單地一閉了之，需要在密閉之前組織各專業部門深入細致地進行安全風險辨識和隱患排查，全面梳理各類問題和隱患，按照風險大小分級管理，制定針對性的管控措施，確保問題和隱患不漏網，治理措施不缺失。如果該礦能夠在1208舊切眼密閉前進行全范圍、全過程的安全風險辨識，并采取得力措施，就有可能避免這起事故的發生。

3) 強化隱蔽工程監督管理。一是加強施工過程監管，如錨網支護重點檢查錨網支護質量、支護材料是否合格，是否存在偷工減料現象；噴漿巷道重點檢查是否按照設計施工，噴漿質量是否符合設計要求；密閉、抽采鉆孔工程、探放水工程(包括探老空、探頂板富水區、探導水構造)等設計、施工、驗收是否符合規定。對于隱蔽工程施工，要求必須有影像資料留痕。二是要制定“一巷一策一措”管理制度，對各類密閉工程進行嚴格管控，確保密閉空間隱蔽致災因素可控在控。三是要加強密閉區域監測監控，包括閉前、閉內瓦斯、溫度、一氧化碳等檢查，及時發現及時采取措施處置風險隱患；建設巡檢監控系統，杜絕假檢漏檢。四是要扎實開展自查自改工作，重點查找密閉空間等隱蔽工程中的水、火、瓦斯等靜態或動態隱蔽致災安全風險，根據實際情況動態調整風險清單；深入排查礦井通風系統、瓦斯抽采、通風設施、安全設施，抽采鉆孔、消突工程等隱蔽環節和重點環節等方面存在隱患，徹底整改治理。

5 結 語

“10.20”瓦斯爆炸事故是一次發生在隱蔽工程內的特殊事故，帶給我們血的教訓的同時，讓我們深刻認識到特殊圍巖條件下頂板管理及隱蔽工程風險辨識管控的重要性。煤礦管理層及工程技術人員應充分認識到這種特殊典型情況，結合礦井實際從技術上、管理上采取多方面多層次的管控措施，加強對特殊頂板管理和井下隱蔽工程從設計、審批、施工、驗收到監測、巡查、分析、管控的全過程管理，堅決防范類似事故再次發生。