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刘平治【论文】 煤矿火灾时期发生瓦斯爆炸事故时的避灾技术措施
作者:刘平治   来源:救护大队    发布日期:2018-11-08   点击次数:
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要 针对煤矿井下火灾处置过程中存在着瓦斯爆炸的危险,危及救援人员自身安全,极有可能造成事故扩大的问题,本文在对瓦斯爆炸机理和特点分析的基础上,结合实际事故救援典型案例中发现的风量变化规律及特点的探讨,提出处理煤矿火灾时期发生瓦斯爆炸时的避灾技术措施,对于煤矿火灾事故救援决策指挥及救护队更好地避灾自救,防止自身伤亡事故发生有着重要作用。

关键词煤矿火灾瓦斯爆炸避灾技术

1 .引言

由于煤矿事故所具有突发性、灾难性、破坏性、继发性和复杂性等特点,加之救援过程受到救援法规及理念、救援决策与指挥、救援技术及装备、救援能力与经验等诸多因素的影响,使得煤矿事故救援有别于其他灾难事故,任何一个环节出现失误,都有可能造成严重后果,尤其是在救援过程中继发性事故的发生,对救援人员威胁最大。即使事前经过科学的分析论证,尽可能做到有预判、有预案,但也仍然无法保证救援过程的绝对安全。如处理煤矿火灾时,一般最先考虑采用直接灭火的方法,这样的救灾成本最低、速度也最快,但由于受一些客观因素制约,直接灭火有时无法实施或是很难奏效,火区封闭就成为最后不得不采取的一种处理方法。这时无论是决策指挥人员,还是救援人员,常常会遇到一方面需要对火区进行封闭,而另一方面又要面对瓦斯爆炸威胁的两难选择,特别是高瓦斯煤矿,即使选定了最安全的方案,也仍然无法完全杜绝瓦斯爆炸的发生。在全国范围内来看,造成救护队重大自身伤亡事故发生的案例不少,大部分都是因为在火区封闭时发生了瓦斯爆炸而造成的。在铜川队以往的煤矿火灾事故救援中,也就曾多次遇到过在火区封闭时发生瓦斯爆炸的案例,之所以没有造成重大人员伤亡,正是由于我们在实战中逐渐认识,并总结掌握了其灾变规律和避灾技术措施。所以有必要对此类事故的灾变规律进行一些有益的探讨和研究,尽可能的掌握其变化规律,以利于及时做出正确决策,采取有效的避灾技术措施,避免自身伤亡事故的发生,实现安全救援。

2 .瓦斯爆炸的机理和特点分析[1]

2.1 瓦斯爆炸机理分析

瓦斯爆炸是一种热---链式反应(也叫链锁反应),当爆炸混合物吸收一定能量(通常是引火源给予的热能)后,反应分子的链断裂,离解成两个或两个以上的游离基(也叫自由基),这类游离基具有很大的化学活性,成为反应连续进行的活化中心。在一定条件下,游离基进一步分解为两个或两上以上的游离基,循环反应使游离基越来越多,化学反应速度也越来越快,最后发展为燃烧或爆炸式的氧化反应,因此瓦斯爆炸的本质是一定浓度CH4和空气中O2在一定热能作用下发生的激烈氧化反应,反应式如公式(1)所示。

CH4+2O2=CO2+2H2O+882.6 kJ/mol (1)完全燃烧

从(1)式可以看出:CH4完全燃烧时,CH4和O2的体积比为1:2,同时还产生大量的CO2和热量,两者刚好完全反应时,也是爆炸最为强烈的时间。然而事实上却并非完全这样,常常会出现如公式(2)所示情况。

3CH4+5O2=CO2+6H2O+2CO+882.6 kJ/mol (2)不完全燃烧

从(2)式可以看出:CH4不完全燃烧时CH4和O2的体积比大约为1:1.7,除产生一定的CO2外,同时还会产生大量的CO和热量。两者的共同点是:一是会产生大量的热量,使得燃烧中心温度急剧升高至2000 ℃以上,如果继续燃烧,当热量积聚到一定程度时,在煤矿井下狭小的空间就会产生高温高压;二是需要足够的O2和CH4,二者缺一不可,否则瓦斯燃烧将不会继续,爆炸也就不会发生[1]

2.2 瓦斯爆炸特点分析

瓦斯从开始燃烧到爆炸发生整个过程大致可以分为三个阶段,如图1所示:

注:Q-巷道进风量;Q1-瓦斯燃烧时需要从进风侧吸入的风量;q-巷道回风量;q1-瓦斯燃烧时需要从回风侧吸入的风量;H-巷道通风压力;h-瓦斯燃烧产生的热压力

图1 瓦斯爆炸发生过程

第一阶段:燃烧初期。由于产生的热量较少,温度、压力较低,加之O2消耗量较小,巷道风量不会发生明显变化,只有在火源附近的人员才能发现,进风侧距离较远的人员不会有明显感觉;在回风侧则能检测到CO2和CO气体。

第二阶段:加快燃烧。如果有连续不断的CH4和O2补充,瓦斯燃烧将会继续,而这时支持瓦斯继续燃烧需要的大量O2只能从燃烧中心进回风两侧的巷道空气中补充。结果就会在进风侧出现进风量不断增加(Q+Q1),而回风侧风量减小(q-q1)、停风(q=q1),甚至于进风(q1)的现象。此时处在燃烧中心进回风两侧的人员,如果注意观察就会发现进回两侧风量有明显的变化。

第三阶段:爆炸发生。由于瓦斯继续燃烧积聚的热量不断增加,在燃烧区域因压力(h)和温度急剧升高而形成的高温高压,促使燃烧中心的气体最终以极高的、极具破坏力的速度沿进回风巷道向外冲出,瓦斯爆炸发生。在进风侧,由于(h)的作用方向和通风压力(H)相反,即(H-h),二者的大小决定了进风量的大小和风流方向,当hH时,风流方向不变,风量减小;当h=H时,进风流停止;当h>H时,风流反向,高温高压气体冲出,冲击波产生。在回风侧,由于(h)的作用方向和通风压力相同,相当于在原通风压力(H)的基础上叠加了压力(h),即(H+h)。这时,在回风侧,高温高压气体会以比进风侧更高的速度冲出。因此,在回风侧形成的冲击波威力更大,也导致事故发生时回风侧的破坏程度远大于进风侧。

通过以上对瓦斯爆炸机理和特点的分析,可以得出:瓦斯爆炸发生时,在燃烧中心的进风侧风量会经过增大—减小—停风—反向(冲击波)的变化过程;而回风侧风量则会经过减小—停风—反向(进风)—停风—风量急剧增加(冲击波)的变化过程。当救灾时遇到进风两侧风量明显增加、回风侧风量明显减小时,说明瓦斯燃烧已进入加快燃烧阶段,瓦斯爆炸将会很快发生。

3 .处理煤矿火灾导致瓦斯爆炸事故典型案例简析

3.1 典型案例一事故概述及分析[2]

3.1.1 典型案例一事故概述

1993年4月,某高瓦斯矿井综采工作面发生瓦斯燃烧事故,在保持正常通风的情况下,先后用干粉灭火器和水灭火,在灭火过程中发现瓦斯燃烧火苗位置飘忽不定,火苗形状一会是条带状,一会是片状,刚刚扑灭的地方,瞬间又再次燃烧起来,直接灭火无任何效果。随后又采用惰气发生装置灭火,由于回风巷温度高、烟雾大,无法进行封闭,因此只封闭了进风侧巷道。灭火过程中曾两次调整进风巷闭墙位置,先后采用木板闭、砖墙和木板黄土墙三种形式。在使用惰气发生装置整个灭火过程中发生了多次爆炸,最严重的两次,一次将37 cm砖墙几乎冲到,第二次爆炸使距离工作面500m外、厚1.2m的木板黄土墙上部向外位移20 cm,木柱折断,惰气发生装置损坏并造成一人受轻伤。现在看来是工作面瓦斯燃烧产生的高温高压,不仅能够足以抵消通风压力,使风流逆转,同时还形成了冲击波。所幸的是,积聚的CH4绝对量较小,产生的冲击波力量较弱,加上有木板黄土墙的掩护,才使现场救援人员侥幸躲过了一劫。鉴于在灭火过程中多次发生瓦斯爆炸的现状,经专家组讨论,最终救灾指挥部决定向火区注水灭火。

在使用该装置灭火过程中,发现集水环处水幕无法完全截断煤油燃烧火焰,火焰从出气口冲出,不仅出气温度高,而且部分煤油来不及燃烧而随风流进入火区,不排除已经气化的煤油参与燃烧的可能,对灭火极为不利。该工作面启封时曾发现支架及设备上粘附有大量煤油。

3.1.2 典型案例一事故分析

(1)瓦斯燃烧不同于其他固态可燃物燃烧,由于瓦斯气体的流动性,在瓦斯燃烧时,现有的直接灭火的方法和手段都难以达到完全灭火的效果。以目前现有的技术和手段看最好是进行封闭,且“封闭的越早越好,封闭的越远越好”。

(2)按照该装置使用说明书,应安装在进风巷道中,但在矿井全负压状态下,不管进回风是否同时封闭,该装置实际工作压力都远远大于其设计工作压力,这是造成集水环处水幕无法截断火焰而使火焰从出气口冲出、部分煤油来不及燃烧进入火区、出气温度和氧含量高的原因。因此,该装置在井下使用时,其灭火效果大打折扣。

(3)当时之所以在那样情况下还要继续灭火,一方面是对其危险程度认识不足,存在侥幸心理;二是与当时的救援理念有关,在最后已证明惰气灭火无效、存在爆炸危险的情况下时,曾有人还下达了“共产党员中干上”的命令。

(4)在这几次瓦斯爆炸发生时,均有一个共同现象,即工作面进风量都发生过变化,其中有一次进风量增加明显,可以很清楚的听到闭墙漏风的嘶嘶声和看到未完全凝固的闭墙墙面向内凹陷,短短几秒钟后闭墙漏风的嘶嘶声戛然而止,紧接着就看到烟雾从闭墙缝隙中冲出,凹进去的墙面又向外凸出。闭墙漏风量的变化,说明瓦斯爆炸发生时风量有一定的变化。但当时不清楚造成这种变化的原因,也未采取相应的避灾措施,所幸未造成重大人员伤亡,但却使我们对这种风量变化的现象有了初步认识。

3.2 典型案例二事故概述及分析

3.2.1 典型案例二事故概述

2001年8月,某个体煤矿发生火灾事故,矿方自行组织灭火,由于没有统一指挥,井下带班工长为控制火势私自打开井底主要进回风联络巷风门,造成风流短路,导致发生风流逆退,且在未告知井下灭火人员的情况下又自行升井,当现场人员发现风流逆退时,已来不及安全撤离,致使两名灭火人员遇难。救援队伍到达现场后发现在火风压的作用下,矿井进风量增加明显,火势较大,经检测回风井风流温度高达65℃以上,瓦斯浓度达到1.6%,考虑到高温下风机运行的可靠性,建议按照“远距离封闭”的原则封闭井口,指挥部同意了我们建议。

在进风井封闭过程中发生了两次爆炸:第一次爆炸发生是在进风井临时封闭后不到10分钟,爆炸冲击波冲毁了临时闭墙;第二次为保证人员安全,决定先用装载机运送沙土封堵封进风井,待井下稳定后再封回风井。封闭进风井期间,发现回风井出风量经过了减小——风机停止运转(停风)—风机倒转(进风)—停风—风机急速正转(冲击波冲出)的变化过程,高速烟流冲出达十几米,进风井沙土被冲开了。当观察人员发现回风井风量减小时,及时撤离了现场所有工作人员,避免了人员伤亡。

进风井封闭后,井下还发生了两次爆炸,但爆炸威力呈衰减趋势,均未冲开井口沙土。连续多次的爆炸使井下处于缺氧状态,之后再未发生爆炸,最后用沙袋封闭了回风井。

3.2.2 典型案例二事故分析

(1)煤矿事故救援必须成立相应的救灾指挥部和指挥系统,实行统一指挥,任何人都不能自作主张和盲目作业。

(2)必须考虑在高温状态下风机长时间运转的可靠性,如因风机损坏而停止运转,极易造成瓦斯积聚,发生瓦斯爆炸的几率将大大增加。在进风井临时封闭后,很快就发生了爆炸这一事实,就更加证明了我们的判断,这也是我们拒绝执行指挥部救援命令的主要原因。

(3)如果当初我们不坚持“远距离封闭”的原则,密闭位置选择在井下任何地点,都将给救护队造成难以预料的严重伤害。

(4)回风井风量变化的过程,说明了瓦斯爆炸发生时进回风风量变化的事实存在。正是我们及时发现了回风井风量的变化,迅速撤离了现场工作人员,确保了自身安全。

3.3 典型案例三事故概述及分析

3.3.1 典型案例三事故概述

2009年2月某矿综采工作面瓦斯燃烧,直接灭火无效。为保证安全,救灾指挥部第一时间撤出了井下灭火人员,制定了同时封闭主副井口的方案,计划先实施临时闭墙,稳定后再施工砖墙。在施工临时闭墙时,井下曾发生多次爆炸,并两次冲毁了临时闭墙。由于有了以往处理同类事故的经验,我们安排专人观察风量的变化,并明确了人员快速撤退的路线。所以虽多次发生爆炸,救援人员都得到及时撤离,没有造成人员伤亡。在这种情况下,最后指挥部决定直接建造沙袋防爆墙,在防爆墙施工将近1m时,又发生了一次瓦斯爆炸,爆炸产生的冲击波冲出井口近30 m。爆炸发生时副斜井进风量经过了增加—减小—停止—反向—冲击波的变化过程,由于现场指挥员在发现风量增加时,及时下令撤离了现场运料的30余名工人和救援人员,短短的几秒钟后,瓦斯爆炸就发生了,只有靠近闭墙的两名同志来不及撤离,迅速卧倒后才躲过了冲击波冲击,一人受轻伤。最后,指挥部决定采取用装载机运送沙土封堵井口,同时从地面向井下火区注水的综合灭火方案。而事实上,当时副井进风量在5000 m3/min以上,人员站立都很困难,闭墙位置距井口不到10 m。

3.3.2 典型案例三 事故分析

(1)救灾指挥部决策正确,方案科学合理,符合《矿山救护规程》“远距离封闭”的规定,最大限度的保证了救援人员安全。

(2)救护队判断正确,决策果断,指挥得当,是现场救援人员能够快速安全撤离的关键。提醒我们现场指挥员不仅要有丰富的救援经验和知识,同时还要有当机立断的决策指挥能力。

(3)出现的意外情况,不能简单的归结于指挥部的违章指挥,或是救护队违章作业。这只能说明煤矿事故的复杂性和特殊性,需要我们在决策指挥时慎之又慎。

(4)进风井风量的变化,再次说明了瓦斯爆炸发生时风量变化的规律。也正是我们掌握了火区封闭时发生瓦斯爆炸的风量变化规律,制定了有针对性的避灾措施,在爆炸威力如此巨大的情况下,保证了人员安全。

3.4典型案例四事故概述及分析

3.4.1 典型案例四事故概述

2010年元月,某矿因采空区自然发火,矿方购置了一套地面固定式液态CO2灭火装置,通过管路向采空区注入液态CO2,并计划在原闭墙外再另外施工一道闭墙,以对采空区进行加固封闭。但在施工闭墙时,原闭墙外上部发现了蓝色火焰,并向外喷出,火势发展较快。当时电话咨询我们,根据其描述现象,判断肯定是瓦斯燃烧,有发生爆炸的可能。因此,建议其立即撤出人员。结果在人员撤出不到十分钟,井下就发生了瓦斯爆炸,最后不得不封闭了井口。之后建议暂时封闭井口,继续向采空区灌注液态CO2,共注入不到100t,40多天后火区完全熄灭,矿井顺利启封。

3.4.2 典型案例四 事故分析

(1)先进救援设备的使用必须考虑使用过程中有可能会产生的不利后果,尤其是对缺乏成熟使用经验的先进装备,更应特别注意。如出厂的成品液态CO2中,不管其质量等级是食品级还是工业级,本身就含有一定成分的CO,这会在一定程度上影响到对火区发展状况的判断。

(2)由于CO2比重较大,当火源点在巷道底部时,利用液态CO2灭火的效果应该是比较理想的。但如果火源点是在巷道上部,注入的液态CO2气化后沉积在巷道底部,改变了巷道中CH4的分布状态,使得巷道上部CH4增加,一旦遇到火源,极有可能发生瓦斯燃烧或爆炸,尤其是在采空区灭火时,更应注意。

(3)虽然现场人员没有发现闭墙漏风量变化的现象,但根据其描述的“火焰呈喷射状,火势发展较快”的现象,基于以往经验判断,说明闭墙漏风量在不断增加,使得瓦斯燃烧区域不断向采空区蔓延,积聚的热量持续增加,导致采空区压力增大,极有可能发生瓦斯爆炸。因此,我们建议矿方立即撤出人员,避免了重大人员伤亡。

上述四个案例,均是在处理矿井火灾,封闭火区时,发生了瓦斯爆炸。在爆炸发生时,都出现过进回风风量或闭墙漏风量变化的现象,由于对这种变化认识的不同,采取了不同的避灾技术措施。在案例一中,虽然发现了火区进风侧闭墙漏风增加、停风、风流反向及产生冲击波等现象,但当时由于缺乏经验,无法判断其原因,也未意识到危险,人员也没有撤离。未造成严重后果,除了闭墙的掩护外,存在侥幸成分。但对瓦斯爆炸时风量变化规律有了初步认识。到案例二和案例三时,我们有了之前的经验,事先制定了避灾技术措施,当发现风量变化时,及时撤离了现场人员,保证了自身安全。而案例四,虽未亲临现场,但根据现场人员描述及以往经验判断,发生瓦斯爆炸的可能性极大,因此建议立即撤离人员,避免了重大人员伤亡。

4 .煤矿火灾期间发生瓦斯爆炸避灾技术措施

煤矿火灾期间发生瓦斯爆炸事故时的避灾技术措施如图2所示。

图2 煤矿火灾期间发生瓦斯爆炸避灾措施程序简图

4.1处理煤矿火灾,特别是高瓦斯煤矿,即使按照“远距离封闭”原则选定了最安全的封闭方案,也仍然无法完全杜绝瓦斯爆炸的发生。上述四个案例中,就有两个是在封闭井口时发生了瓦斯爆炸。因此处理此类事故,除了选择最安全的密闭位置、封闭方法和密闭形式,最大限度把瓦斯爆炸带来的威胁降低到最小程度外,必须要事先制定避灾技术措施。

4.2火区封闭选择密闭位置时,必须是要在能够确保救援人员安全的前提下再去考虑尽量缩小封闭范围,而不能一味的强调尽量缩小封闭范围而忽视了救援人员的安全。

4.3除符合“远距离封闭”要求外,密闭位置要尽量靠近巷道交叉口、硐室或巷道低洼处等易于避灾的地点,以利于救援人员就近避灾,避开冲击波正面冲击。

4.4在火区封闭时,不管是何种密闭形式,即使是防爆墙,都应按照“人员撤离快、避灾效果好”的要求,制定避灾技术措施,并贯彻落实到每个人,明确撤离时间节点、撤离路线、自救互救方法等;要安排有经验的人员专门负责随时观测风量变化,在发现风量变化,尤其是发现进风侧风量增加、或是回风侧风量减小时,及时下达撤离命令,尽量抓住撤离的最佳有利时机。

4.5现场救援人员应按照进风侧风量增加—减小—停风—出风(冲击波)和回风侧风量减小—停风—进风—停风—出风(冲击波)的风量变化规律掌握撤离时间节点;如来不及撤离时,可就近撤到其他巷道、硐室等,或是就近选择低洼处卧倒,掩住口鼻,快速佩戴自救器或呼吸器。

4.6发现风量变化时,下达撤离命令必须及时果断,不要错失撤离的最佳时机;撤离时,要按照预设的路线、方法快速有序撤离,不能惊慌乱跑;避灾时要沉着冷静,尽量采取低卧姿势,减少CO中毒的几率,尽量躲开易垮落、倒塌和倾倒的巷道、设施和设备,以防砸伤和埋压。

4.7爆炸冲击波过后,风流会很快恢复正常。这时避灾人员不要急于撤离,待风流正常后再撤到安全地点。曾有过某矿瓦斯爆炸时,同一个掘进工作面的人中,只有最后撤离的一人生还,而匆忙撤离的其他人员全部因CO中毒而遇难的教训。

5. 结论

5.1煤矿尤其是高瓦斯煤矿火区封闭时,如存在瓦斯爆炸危险,那么在制定火区封闭方案时首先要考虑的如何选择安全的封闭距离确保救援人员的安全,而不能一味的考虑缩小火区封闭范围。最终形成的火区封闭方案必须是在充分分析论证瓦斯爆炸危险性的基础上选定的最佳方案。

5.2通过以上对瓦斯爆炸机理和特点分析,在煤矿井下的特殊环境中,瓦斯燃烧过程必然会造成进回风两侧风量的变化,这种风量的变化随着瓦斯燃烧的继续呈现出一定的规律,尤其是进入加快燃烧阶段,瓦斯燃烧会非常剧烈,风量的变化也会更加明显,在进回风两侧会很容易发现风量变化的现象。

5.3研究掌握处理煤矿火灾,尤其是火区封闭期间发生瓦斯爆炸时的风量变化规律,对于充分利用好这种变化提供给救援人员宝贵的安全撤离和避灾机会,预先制定有针对性的避灾技术措施,确保救援人员自身安全有着非常重要的作用。如果现场细心观察,及时抓住出现的进风风量增加(撤离)—减小(就近撤离)—停风(就近撤离或卧倒)和回风风量减小(撤离)—停风(撤离)—进风(就近撤离)—停风(就近撤离或卧倒)这稍纵即逝的各个时间节点,掌握先机,完全能够做到在冲击波产生前安全撤离或合理避灾,能够把瓦斯爆炸带来的威胁降低到最小程度。

5.4每一名救护指战员要善于在实战中不断总结经验教训,这是能力提高的重要途径和手段。不管是成功的经验,还是失败的教训,对于我们来说,都是难得的财富。经验可以在实践中不断丰富和发展,而同样的教训不允许在今后的救援中再次发生。


参考文献

[1]矿山救护指挥员[M].煤炭工业出版社, 2007.

[2] DQ惰气发生装置在矿井防灭火中抑制瓦斯爆炸的探讨[J].矿山救护, 1998(8)



                                                                          责任编辑:周彦荣 编辑:蓝 图


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