煤矿井下紧急避险与应急救援技术

孙继平
（中国矿业大学（北京），北京100083）

摘要：分析了避险专用管线技术，指出煤矿井下安全避险六大系统采用避险专用管线，可提高煤矿井下安全避险六大系统管线抗灾变能力；但由该专用管线派生出的煤矿井下专用管线避险系统，无法替代煤矿井下通信系统、监测监控系统和人员定位系统，更不能感知灾害。对比分析了救生舱和避难硐室技术特点，指出救生舱具有易受灾害影响、需降温、成本高等缺点。提出交接班工作尽量在地面完成，减少井下人员。提出区队长和班组长宜是兼职救护队员。提出煤矿应装备大功率潜水泵；水灾钻孔救援要慎重。
1 引言
    中国是世界第1产煤大国，煤炭产量约占世界50%。煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70%。2012年全国煤炭产量36.5亿吨，全国煤矿发生死亡事故779起，死亡1384人，百万吨死亡率0.374，百万吨死亡率远高于美国、南非、俄罗斯等其他主要产煤国家，是美国的19倍。2012年美国产煤9.32亿吨，全国煤矿死亡19人，百万吨死亡率0.02。
    煤矿井下死亡事故主要有瓦斯、顶板、水灾、火灾、运输、机电、放炮、炸药燃烧和爆炸等。其中，煤矿井下瓦斯爆炸、瓦斯与煤尘爆炸、煤尘爆炸、炸药爆炸等都会造成大量人员死亡。这些遇难人员中，由于一氧化碳中毒和缺氧窒息死亡约占80%，由于创伤和烧伤致死约占20%。矿井火灾和炸药燃烧事故，由于一氧化碳中毒和缺氧窒息死亡的比例更高。事故调查表明，这80%的遇难人员是有逃生机会的，但由于煤矿井下紧急避险系统不健全或不合理，使他们失去了生还机会。因此，针对煤矿井下瓦斯、水、火、顶板等事故特点，研究适用的紧急避险和应急救援技术具有十分重要的意义。
2 避险专用管线无法替代通信、监控和人员定位系统
    为避免或减少瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸、顶板冒落等事故对压风、供水、通信、监控、人员定位管线的破坏，避难硐室需接入可靠的压风、供水、通信、监控、人员定位系统。底鼓不严重的矿井，应将全部压风、供水、通信、监控、人员定位管线埋入巷帮与底板夹角处。具有直通地面钻孔的避难硐室，应将压风、供水、通信、监控、人员定位管线可靠布置在直通地面的钻孔中 [1-5] 。
    底鼓严重的矿井，可采用抗拉伸、抗冲击、防火性能较好的避险专用管线等。避险专用管线主要技术指标如下：（1）抗爆炸冲击不低于0.8MPa；（2）拉伸强度不低于9MPa；（3）拉断伸长率不低于300%；（4）抗落锤冲击：2kg重锤在3m高处落下，管线无裂纹和破坏。煤矿井下安全避险六大系统采用该专用管线，可提高煤矿井下安全避险六大系统管线抗灾变能力。但由该专用管线派生出的煤矿井下专用管线避险系统，无法替代煤矿井下通信系统[6-7]、监测监控系统[8-9]和人员定位系统[10]，更不能感知灾害。
2.1 供电问题
    为解决监测监控系统井下分站、人员定位系统井下分站、通信系统井下用电设备等供电问题，煤矿井下专用管线避险系统采用地面本安供电（供电距离不大于2km），或地面交流660V远供。
    《中华人民共和国安全生产行业标准AQ6201--2006煤矿安全监控系统通用技术要求》[11]、《中华人民共和国安全生产行业标准AQ6210--2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》[12]、《中华人民共和国煤炭行业标准MT/T1115-2011多基站矿井移动通信系统通用技术条件》[13]等有关标准均要求井下分站（或基站）至地面最大传输距离不小于10km。显然，地面向井下2km供电，既不符合煤矿监测监控系统、人员定位系统和通信系统有关标准要求，也难以满足煤矿安全生产需要。
    采用地面向井下交流660V供电，当煤矿井下发生瓦斯超限、瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、局部通风机停风时，必须切断相关区域或煤矿井下全部非本质安全防爆电源，这不但包括系统中隔爆兼本质安全电源、分站和基站，更包括没有防爆功能、但又担负地面向井下交流660V供电的避险专用管线。若瓦斯达到爆炸浓度，避险专用管线中660V供电线路继续供电，由于顶板冒落等造成避险专用管线中的660V供电线路产生短路或断路火花，均会引起瓦斯爆炸。因此，煤矿井下发生瓦斯超限、瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸时，必须切断避险专用管线中的660V供电电源，这必将影响监测监控、人员定位、通信联络系统的正常工作。
2.2 灾害感知问题
    煤矿井下专用管线避险系统配有甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度、水位、震动、冲击等传感器（该系统称感知装置）。
    该系统试图通过异常震动等，分析瓦斯煤尘爆炸及煤岩动力现象发生的可能位置及范围。异常震动要在理论分析、试验研究和大量现场测试数据的基础上取得，进而给出瓦斯煤尘爆炸及煤岩动力现象的特征频率和强度等，并要区分放顶煤落煤震动、采空区顶板垮落震动、采煤震动、掘进震动、放炮震动、运输震动等。并且，仅靠上述传感器感知瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸是远远不够的。因此，该系统难以感知瓦斯煤尘爆炸及煤岩动力现象。
    煤矿井下专用管线避险系统试图通过水位和流量等，分析水害可能发生位置、水深及水量变化情况，感知透水情况。这就要求，当水害事故发生时，系统中的传感器、分站及分站电源、接线盒、接插件等在水下可以正常工作。否则，当透水事故发生时，被水淹的分站及分站电源等设备将无法正常工作，无法将有关信息传输到地面分析处理。但现有系统的防护等级显然不能满足水淹时正常工作的要求。并且，通过水位和流量等，分析水害可能发生位置、水深及水量变化情况，还有许多工作要做。
3 救生舱易受灾害影响、需降温、成本高
    救生舱同避难硐室相比，具有易受灾害影响、需降温、成本高等缺点。
3.1 救生舱易受灾害影响
    避难硐室在煤岩中建造，只有门及门侧暴露在巷道中。因此，当发生瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、矿井火灾、炸药爆炸、顶板冒落等事故时，主要是对暴露在巷道中的门及门侧的破坏，对避难硐室整体影响较小，对接入避难硐室、埋入底板的压风、供水、通信、监控、人员定位等管线影响较小。当发生矿井火灾、瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等事故时，只有门及门侧会受到高温炙烤。
    而救生舱完全暴露在巷道中。因此，当发生瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等事故时，强大的爆炸冲击波除可破坏救生舱门外，还会使救生舱倾倒、变形和位移，进而拉断与救生舱相连的压风、供水、通信、监控、人员定位等管线，对救生舱影响较大。当发生矿井火灾、瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等事故时，救生舱的全部表面会受到高温炙烤。
3.2 救生舱需主动降温
    在温度较低的煤岩中建造的避难硐室，可以通过煤岩降温，不需设置降温设备。这不但降低了建造成本、提高了硐室利用率，还避免由于使用二氧化碳高压气瓶带来新的事故隐患。
    矿井火灾、瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等事故，会产生大量热量。为减少这些事故产生的热量对救生舱舱内的影响，完全暴露在巷道中的救生舱，需采用隔热材料和措施。而采用隔热材料和措施的救生舱，当避险人员进入救生舱后，人体温度和呼出的气体，会使舱内升温，逐渐达到避险人员无法承受的温度。因此，救生舱需设置降温设备和系统，进行降温。目前救生舱降温技术主要有蓄冰制冷和高压二氧化碳膨胀制冷。蓄冰制冷的储冰和制冷设备占据了大量救生舱空间，降低了救生舱利用率。蓄冰制冷平时要维持冰的状态，增加了维护成本；当瓦斯超限时，需切断电动制冷机电源。高压二氧化碳膨胀制冷的二氧化碳高压气瓶等占据了大量救生舱空间，降低了救生舱利用率。二氧化碳高压气瓶是高压容器，这些高压容器由于产品质量问题或使用管理不当，将会引发高压容器伤人事故。
3.3 救生舱宜扩帮布置
    采掘工作面作业人员一般为数十人，因此，需布置数个救生舱。可容纳10人的救生舱，一般长度不小于8m，高度约1.8m，宽度约1.4m。数个救生舱设置在巷道中，会增加通风阻力，影响正常通风；当发生瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸、炸药爆炸等事故时，爆炸冲击波会造成救生舱倾倒和变形，使遇险人员无法进入救生舱或救生舱漏气。在煤岩中构建硐室设置救生舱，由于硐室深度达8m多深，不能采用扩散通风，因此不宜采用救生舱轴线与巷道轴线垂直布置。救生舱宜采用扩帮布置，即扩帮宽度不小于救生舱宽度，将救生舱置于扩帮后的空间，救生舱轴线与巷道轴线平行布置。
4 大功率潜水泵是水害防治的重要措施，水灾钻孔救援要慎重
    据统计，由老空水导致的矿井较大和重大以上水害事故分别占水害事故的90%（见表1）和82.76%（见表2）。因此，防治老空水导致的水害事故是矿井水害防治的重点。

表12008年—2012年全国煤矿较大水害事故

表22008年—2012年全国煤矿重大以上水害事故