多災種鏈生災害對煤礦應急救援影響的研究

彭 然

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

近年來，隨著我國煤炭開采深度不斷加大，深部開采成為常態(tài)[1]，煤巖動力災害有嚴重的趨勢，雖然我國煤炭開采技術和應急救援水平在不斷提高和加強，但每年仍有很多煤礦事故發(fā)生。由于我國煤層自身結構的復雜性和賦存特征等原因，在煤礦開采過程中，煤巖應力發(fā)生改變，導致原有的應力平衡遭到破壞，煤巖動力災害就會發(fā)生，對于煤礦而言，主要面臨煤與瓦斯突出、沖擊地壓、頂板事故、礦井水災、火災和煤塵爆炸等幾大災害的影響。近年來國家對應急救援大力投入卓有成效，單種災害的探測技術和災后應急救援技術都有顯著提高。但隨著開采深度的增加，單一災害高度重疊性的災害發(fā)生區(qū)域，促使各災害之間存在一定的耦合關系，單一災害的突發(fā)性、偶然性和危害性，同時也會引起其他動力災害的快速發(fā)生。當前的偵測水平還無法實現(xiàn)多種鏈生災害全部探測，加上對致災機理不明確，無法從根本上杜絕災害的發(fā)生，使得處置煤巖動力災害事故產(chǎn)生所面臨的任務越來越艱巨和復雜，如何提高多種災害事故應急救援能力也成為重要而緊迫的課題。

1 鏈生災害

1.1 鏈生災害類型

影響煤礦事故的災害有沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板事故、水災、火災和煤塵爆炸等幾種。隨著開采深度的增加，沖擊地壓成為煤巖動力災害中最為嚴重的災害之一[2]，發(fā)生頻次相對較高。沖擊地壓通常發(fā)生在應力較高的圍巖體內，其覆蓋范圍包含井巷和回采工作面，一旦發(fā)生，將造成煤體大范圍破壞[2]，必將使破壞區(qū)內瓦斯充分解析，造成局部瓦斯含量激增，破碎煤體增大了與空氣接觸的面積，提高了自燃發(fā)火和煤塵爆炸的發(fā)生頻率，在一定條件下也會伴隨冒頂?shù)陌l(fā)生，因此，沖擊地壓的發(fā)生與其他類型災害有并存情況甚至相互轉化[1]，具備鏈生的基礎；煤與瓦斯突出瞬間噴出大量煤與瓦斯，不僅能摧毀井巷設施、毀壞通風系統(tǒng)、破壞應急救援設施，還能造成瓦斯爆炸和煤塵爆炸等嚴重后果，煤礦井下火與瓦斯共存[3]，如果瓦斯涌出量達到一定極限，隨著能量的積聚，最終形成爆炸反應[4]；瓦斯爆炸所產(chǎn)生的沖擊壓對巷道所有設施造成破壞，巷道還會出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿蔥5]，同時，爆炸會形成火焰，巷道中木材、粉塵等可能會在高溫條件下燃燒，導致火災或煤塵爆炸的發(fā)生；瓦斯積聚達到一定濃度，煤塵達到爆炸極限，一旦煤塵燃燒的危險源出現(xiàn)，煤塵局部燃燒，會引起煤塵爆炸；火災還會引起瓦斯、煤塵爆炸事故。

因此，多種災害發(fā)生時難以避免連帶誘發(fā)特征的出現(xiàn)，單種災害的發(fā)生可能由另一種災害誘導發(fā)生，這種災害間鏈生的基礎具備時間和空間上的連續(xù)性、重疊性和誘發(fā)性。

1.2 鏈生災害的原因

1) 災害發(fā)生區(qū)域重疊性。沖擊地壓、瓦斯治理、火災、煤塵爆炸多發(fā)生在采掘工作面或采空區(qū)，區(qū)域的重疊性是鏈生災害發(fā)生的基礎，一種災害發(fā)生的影響范圍覆蓋另一種災害發(fā)生的區(qū)域，致使災害發(fā)生區(qū)域高度重疊，單一災害的突發(fā)性和危害性，同時會引起其他動力災害快速發(fā)生，會促使各災種之間存在一定的耦合關系。

2) 災害間的誘發(fā)性。多災種災害誘發(fā)條件重疊，也會給災害鏈生提供基礎。鏈生災害發(fā)生條件多樣，孔隙壓力是影響瓦斯吸附狀態(tài)的主要原因，孔隙結構特征與應力狀態(tài)直接相關，沖擊地壓由應力狀態(tài)的改變引起，地應力的改變起到促進突出發(fā)生的動力作用[6]，因此，沖擊地壓對瓦斯突出具有一定的誘發(fā)作用；在發(fā)火易發(fā)區(qū)域，如果存在瓦斯或煤塵濃度過高的情況，災害易發(fā)生，在一定程度上，自然發(fā)火對于瓦斯煤塵爆炸具有一定的誘發(fā)作用。

3) 災害發(fā)生的時序性和連續(xù)性。多種災害鏈生需要一定時間，鏈生災害往往由局部災害誘發(fā)導致，動力災害能量發(fā)生轉移才是鏈生災害發(fā)生的前提條件。沖擊發(fā)生過程中煤巖體經(jīng)歷裂紋產(chǎn)生、發(fā)展、集中、直至破壞，瓦斯也由初始的平衡狀態(tài)逐步演化為少量逸出、吸附解析、瓦斯大量涌出，由局部有限范圍內產(chǎn)生破壞，至沖擊點遠端部位[7]；局部瓦斯大量涌出后，經(jīng)過時間的孕育，積聚能量，易形成瓦斯爆炸、煤塵爆炸等次生災害；煤巖體能量的逐步累積，造成瓦斯解析加快，粉塵增多，溫度升高，達到爆炸點，才會引起瓦斯爆炸和煤塵爆炸。如果一種災害持續(xù)性和延伸性很強，災害發(fā)生時，發(fā)生條件轉移到由另一因素主導的動力災害上，多種災害能量則形成鏈式傳遞。

2 現(xiàn)有應急救援體系

2.1 應急救援體系

近年來，我國煤礦應急避險工作取得了長足進步，緊急避險是應急救援體系建設其中一部分，緊急避險由最開始的“六大系統(tǒng)”建設、救生艙的研制、優(yōu)先布置避難硐室發(fā)展成為現(xiàn)在的把監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、壓風自救等與現(xiàn)有安防系統(tǒng)連接，制定基于應急避險以逃為主、以避為輔的應急救援預案，形成了現(xiàn)有的以“感知-預防-避險-救援”的應急救援體系，前端為事故危險源感知階段，包括事故案例分析、危險源識別、各類傳感器危險源監(jiān)控等；中間為事故預防和避險階段，防沖防突、自救器、避難硐室、逃生通道等；末端為救援階段，包含災害環(huán)境偵測、救援逃生通道、事故培訓、模擬演練、維護管理等事故響應和恢復階段。

2.2 救援模式

應急避險模式以逃為主、以避為輔。逃生路線前段，為了與快速推采過程相適應，優(yōu)化以配備長時自救器并具有一定避險功能的可移動式過渡站為主；逃生路線中部配備長時自救裝備接力逃生，減少過渡站配置數(shù)量；逃生路線末端設置永久避難硐室、大直徑預鉆孔逃生通道或螺旋梯等[8]，縮短逃生路線長度，實現(xiàn)避與逃的統(tǒng)一[9]，如圖1所示。基于逃生時間、施工技術水平和經(jīng)濟性測算，煤層埋深200 m以淺采用螺旋梯，埋深超過200 m采用大直徑預鉆孔逃生通道+提升艙。

圖1 逃生路線圖

2.3 存在問題

通過對沖擊地壓、水災、瓦斯煤塵爆炸等重特大事故的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律、災害辨識和感知、智能應急預案和應急救援輔助決策、應急通信和人員定位等基礎研究、技術和裝備研發(fā)，最終形成了以定量分析、定性分析和經(jīng)驗分析結合相互補的，具有事故感知、辨別、預防、救援和應急預案功能的單一災害煤礦事故應急技術與裝備。

對于各煤礦，具有豐富的單種災害治理經(jīng)驗，對于多災種孕育耦合關系、鏈生機理、協(xié)同防控關鍵環(huán)節(jié)及災后救援體系仍未明確。單種災害都是孤立地開展“感知-預防-避險-救援”四個階段[10]，孤立地開展針對單一災害類型進行的應急避險技術研究，多種災害間存在鏈生，給災害預防提供難度，多災種評價標準和評價方法鮮有涉及，危險源識別與風險評估只針對其中一種或兩種災害，多災種鏈生耦合機理尚未完全搞清楚，防治手段未統(tǒng)一，增加了預防難度，在災害治理過程中也存在順序、主次關系不明確，沒有形成多災種綜合防治，發(fā)生災害時，相應的增加了應急處置和救援的難度。

3 多災種災害對應急救援體系的沖擊

3.1 鏈生災害對災害預防的影響

1) 防控手段的變化。災害預防一般遵循“預防為主、防治結合”的原則，采掘空間多種災害的防控并不能簡單進行疊加，必須形成不同措施的有機協(xié)調，沖擊地壓公認的理論是三因素機理[6]，瓦斯析出關鍵是增加煤體的裂隙度，釋放頂板壓力是解決堅硬頂板的有效方法，總之，這些手段都是實現(xiàn)能量的耗散和轉移，具有協(xié)同防控的基礎，可以考慮使用復合煤巖動力災害的防控方法[6]。

采掘過程應力狀態(tài)變化要考慮其他災害發(fā)生的誘導關系，回采過程中，在隨機性擾動沖擊波的高應利復雜力學環(huán)境下，頂板斷層活化狀態(tài)對煤體的應力作用能孕育出頂板沖擊冒頂[11]，二者的防控時間和防治手段應協(xié)同考慮。具有沖擊地壓和瓦斯突出相關災害的礦井，其防治過程會增加煤層裂隙的數(shù)量，對于具有自燃傾向的煤層，煤體的破碎程度和裂隙的增多加速了煤自燃的發(fā)生，這種災害鏈生基礎，對火災事故的預防起到負面的作用，防控手段需綜合考慮。一般礦井通過濕式降塵對煤塵能進行有效控制，對于自然發(fā)火的煤層，如遇災后極端環(huán)境下，煤塵濃度控制不到位，極易發(fā)生煤塵爆炸，需要考慮極端環(huán)境下的防控手段。

2) 防控主次關系變化。各自災害治理順序由其厲害關系和權重關系決定，如果出現(xiàn)鏈生災害時，一種災害潛在的影響可以在很多程度上影響另一種災害，其治理過程出現(xiàn)矛盾時，治理過程要以主導災害為首，主次關系會發(fā)生很大的變化。對于瓦斯或煤塵爆炸，滿足濃度達到一定數(shù)值的條件下具有火源，二者均依靠自然發(fā)火或偶然因素的出現(xiàn)，災害發(fā)生等級低于自燃或其他災害，具有被動誘發(fā)性。沖擊地壓和自燃的發(fā)生可誘發(fā)其他災害的發(fā)生，防控地位明顯高于其他災害，防控順序屬于優(yōu)先級。

隨著鏈生災害的增多，危害性凸顯，對應急救援體系提出更高的要求，應急救援的發(fā)展方向就是融合不同類型災害，深度分析各災害之間的相互影響關系，構建多災種鏈生耦合的模型，形成多災種防控體系，構建現(xiàn)代化的應急救援體系。

3.2 鏈生災害對救援體系的影響

煤礦生產(chǎn)中出現(xiàn)的突發(fā)事故具有危險性、復雜性和緊急性的特點，單災種已經(jīng)建立起一系列防災減災和救援體系，在災害預防、監(jiān)測預警、應急救援和災后處理等方面發(fā)揮了重要作用。鏈生災害的群發(fā)性加劇了事故的嚴重性，對現(xiàn)有應急救援體系造成很大的沖擊，應急救援應由單災種救援發(fā)展成為多災種協(xié)同管理，提高應急救援和處置能力。

1) 救援模式向多種災害發(fā)展。逃生路線前段，優(yōu)化以過渡站為主，中部配備長時自救裝備接力逃生，末端設置永久避難硐室、大直徑預鉆孔逃生通道或螺旋梯等的逃生模式適合單種災害，災害后井下存活人員以逃生為主，避險為輔。但多災種鏈生災害更具危險性，單一的救援模式不能適合所有的鏈生災害，根據(jù)不同災害鏈生基礎，分析出適合不同災害的救援模式，制定針對多種災害的逃生路線。

2) 應急預案演練復合化。人員培訓以基礎能力訓練為主，根據(jù)災害類型進行單種事故模擬演練，提高人員應對各種突發(fā)災害救援能力，無論是現(xiàn)如今的情景實操、仿真演練、VR情景都針對單一災害，一旦災害鏈生群發(fā)，事故嚴重性加劇，救援能力和自救能力均未知，不滿足現(xiàn)代救援的需要，對多災種鏈生災害模擬演練的需求提出了更高的要求，根據(jù)復合災害發(fā)生類型，模擬復合災害發(fā)生情景，對多種災害發(fā)生后應急逃生路線及救援方法進行升級，推進鏈生災害應急預案形成，對現(xiàn)有實訓基地災害場景進行整合，提高多災種模擬演練能力。

3) 救援隊伍救災能力提升，救援裝備向多功能救援發(fā)展。應急救援隊伍數(shù)量少，人員綜合素質較差，面對復雜災害類型的突發(fā)事故時，往往做不到全面分析災害形勢、救援方法，影響第一時間救援效率，多災種鏈生災害對救援人員素質提出更高的要求，培養(yǎng)鏈生災害事后處置辦法和救援方法，需提高救援隊伍配備專用裝備規(guī)格，向多功能、復合化發(fā)展。

4) 應急制度有待完善。在應急制度建設方面，需要建立并完善應急日常管理制度，利用現(xiàn)代通訊手段，整合各災害數(shù)據(jù)中心，打破信息孤島，建立并完善鏈生災害事故綜合監(jiān)測與預警制度、多災種應急預案管理及應急演練制度、應急物資裝備管理制度、安全避險設施管理和使用制度、應急資料檔案管理制度等。構建立體的、全覆蓋的、適合多種災害的現(xiàn)代應急制度體系，實現(xiàn)多種災害應急救援的制度保障。

5) 應急救援技術需進一步提高。災后應急救援是減小災害損失、控制擴大范圍的重要環(huán)節(jié)[4]，借助救援傳統(tǒng)設備優(yōu)勢，大力發(fā)展適應多災種災害救援的應急裝備，應用于應急救援工作；對鏈生災害耦合基礎、關鍵共性技術等方面加大研究力度；加大應急系統(tǒng)、培訓系統(tǒng)等的革新和升級[12]，各種鏈生災害的自救培訓。為重大鏈生災害事故應急救援提供新技術，提升現(xiàn)代化救援水平。

4 結 論

1) 沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板事故、水災、火災和煤塵爆炸等災害鏈生是建立在多尺度、多時空、多誘發(fā)性的一種復雜鏈生耦合過程中的[4]，鏈生災害給煤礦災害防控、災后救援提出了更多的難題。

2) 具有事故感知、辨別、預防、救援和應急預案功能的單一災害救援體系不適應多災種鏈生災害，對災害防控手段、防控主次關系和救援體系等的變化產(chǎn)生了負面影響。

3) 探討了在救援模式、應急預案等不同方面的做法，提高鏈生災害應急救援體系，在多災種鏈生耦合機理及應急救援共性關鍵技術等方面仍需進一步研究，為攻破多災種應急救援的難題，提供保障。