郝传波,　张国华, 2,　胡　刚,　肖福坤

(1.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院), 哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027)



煤矿井下灾后救援中垮塌巷道研究的展望

郝传波1,张国华1, 2,胡刚1,肖福坤1

(1.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院), 哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027)

从安全、快速、高效救援的理念出发，针对煤矿井下灾后救援中常遇到的垮塌巷道，阐述其对救援工作的影响，并确认依托原有巷道形成救援通道是最佳路径。首次就垮塌巷道研究中所涉及的科学与工程问题明确了其相关研究内容，具体包括灾前巷道稳态评价、垮塌巷道等级划分、垮塌巷道与块状堆积体结构研究、垮塌巷道内救援通道快速形成技术四个方面。这些研究内容的确立与未来的深入研究，对推动我国煤矿救援工作的科学发展、提高灾后救援效率具有重要的指导意义。

煤矿; 救援; 垮塌巷道; 救援通道

我国每年因煤矿事故而伤亡的人数仅次于交通事故。煤矿安全生产不仅影响煤炭行业的健康发展,而且影响社会的和谐与稳定。应急救援一直被认为是煤矿井下灾害发生后挽救被困人员生命的最后一道防线。在保障救援人员安全的前提下,快速、有效的救援工作是当今应急救援的新理念。在煤矿各类灾害中,瓦斯(煤尘)爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压等被认为是致灾能力最强的灾害。这些灾害均会对巷道造成不同程度的破坏,导致救援通道堵塞,严重影响着救援工作顺利开展。目前,国内外对灾后垮塌巷道方面的研究尚无报道,鲜有系统而深入的研究。

基于井下灾后救援实际需要,就垮塌巷道及垮塌巷道内救援通道形成过程中所涉及的科学与工程问题,笔者论述其未来研究中所涉及的主要内容,构建其研究思路,以期为广大学者和工程技术人员开辟此领域的研究提供参考。

1　灾后垮塌巷道对救援的影响

我国煤炭生产95%以上属于井工开采。当煤矿井下灾害发生后,人本能的第一反应就是迅速撤离灾害危险区域[1]。据煤矿事故统计和救援经验,井下重大灾害第一现场瞬间死亡人员比例不到10%,其余绝大部分人是因气体中毒、逃生路线阻断无法及时逃离、氧气逐步耗尽而窒息、救援通道受阻而长时得不到补给和及时救治等因素致命[2-3]。由此可见,灾害发生后,逃生路线不被阻断、救援通道快速形成、救援人员能够及时到达待援人员的驻留区，成为减少人员伤亡的关键。所有这些，均与巷道有直接关系。据不完全统计,此时,到达待援驻留区所用时间约80%会耗费在救援通道的打通上。

以黑龙江省为例，1994～2004年间，发生重、特大事故230起，死亡2 199人。其中，瓦斯爆炸事故159起(占69.1%)，死亡1 791人(占81.4%)[4]。所有这些瓦斯爆炸事故，均存在不同程度巷道破坏而影响救援工作的情形。最为典型的事故是1999年1月25日七台河煤业集团新富煤矿多种经营公司小五井附属立井发生的一次矿难。工人在井下拖拽电缆致明接头短路产生了火花，引起瓦斯爆炸。爆炸使左一平巷与暗斜井交叉地段冒落冒实，导致沿此路线逃生的人员受阻无法及时撤离，11人遇难。同年12月9日，黑龙江省密山市煤炭公司奇峰煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，6人遇难。爆炸引发绞车道在120 m以下均发生大面积冒落，人员无法进入，致使抢险救援工作延长近三天的时间。2000年4月24日，鸡西恒华煤炭有限责任公司煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，6人遇难。井下二片到四片之间的巷道冒落严重，使救援时间延误28 h才搜寻到最后2名遇难人员。诸如此类的案例还有很多。

由此可见,灾后垮塌巷道对其后井下应急救援有着极其重要的影响。

2　灾后垮塌巷道研究现状

目前,国内外的煤矿井下应急救援研究领域主要集中在通讯设备、气体检测、生命探查、防护装备、破除工具、轻便支护、地面模拟训练系统和救援指挥系统、井下救生舱的研发等方面。井下灾后巷道围岩处于临时稳定状态。因为局部顶板岩块不断冒落往往会砸断通讯线路，影响井下信息的及时反馈，所以无线、可视、便携是今后井下救援通讯的发展方向。在气体检测仪器方面，则主要朝着功能集成化、智能化方向发展。虽然地面生命探测技术有了长足发展，但受限于井下空间及其条件的复杂性，其使用效果并不理想，探测距离短、精度差、谎报等情况经常存在。针对这些问题如何予以突破是今后的发展方向。目前，国内救援人员的个体防护装备，主要源于美国和德国两大系统，急需改进的核心是如何延长降温时间和减轻设备质量。破除装备和临时支护装备虽然已经轻便化、适用化，但遇到较大的冒落岩块堵塞巷道时，仍然显得力不从心。为克服灾后井下特殊环境条件限制，快速静力爆破破解技术研究有很大的必要性。井下救生舱的研发只是近几年才得到重视，现在还处于研后装备阶段，其作用尚未得到灾后检验。

纵观煤矿救援领域的研究重点和内容，截至目前，针对灾后垮塌巷道以及在垮塌巷道内安全快速形成救援通道方面的研究仍无人问津，也没有引起广大学者、工程技术人员、救援人员的足够重视。

巷道垮塌一直以来被认为是生产过程当中出现的巷道局部失稳现象,所以相关研究很少。已有研究[5-8]集中在三个方面:一是巷道掘进过程中遇到地质破碎带时的冒空处理;二是巷道在正常使用过程中出现局部支护失稳时的修复;三是煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害发生后巷道的恢复。从其研究目的来看,均是满足生产需要,并非为了救援；从其研究内容来看,则集中在处理方式上。

由于对灾后垮塌巷道以及在垮塌巷道中快速形成救援通道没有人进行过深入系统的研究,也没有形成对实际具有有效指导作用的理论与技术支撑体系,所以在救援过程中遇到该问题时也只能凭经验去处理。绝大多数救援工作采用人工搬运或另辟蹊径的方式来构建救援通道,耗时过多又直接影响了灾后救援效果。

3　灾后垮塌巷道研究展望

我国煤矿灾后救援通道主要有三种形成方式，一是依托原有巷道快速形成救援通道，二是重新开掘巷道，三是采用地表钻孔(井)形成救援通道[9-13]。重新开掘巷道，需要水、电、风、机械等配套的设备，以及准确的定位与定向作为保证，相对耗时较长。通过地表钻孔技术来形成救援通道，该技术不仅涉及到定位和定向的问题，而且随着我国矿井开采深度的增加，对钻孔设备的要求也越来越高，同时,需要实现对驻留区待援人员的临时供给。不过，智利圣何塞铜矿地表钻井成功救援也给了我们启示，即在井下救生舱、避难所等井下临时避难设施逐步完善的条件下，大孔径地表钻井救援技术也是一个很好的研究方向。我国在这方面起步相对较晚，目前钻救设备的钻进距离还满足不了深井救援的需要，其救援作用和效果尚无法判定。相比较而言，煤矿井下巷道是人员行走的唯一通道，对于救援人员而言，沿着巷道搜救是最理想的路线，也是进入待援人员驻留区的最理想途径，因此依托原有巷道快速形成救援通道是最理想的一种方式。

如文中开篇所述,当前的救援理念是在保证救援人员安全的前提下有效快速地开展救援工作。安全源于环境,对于在垮塌巷道内开展救援而言,除了有毒有害气体之外,最大的威胁来自遭受破坏之后临时处于稳定状态的巷道围岩、在堆积体内维系救援通道的岩石块体,故对灾后垮塌巷道的研究应涉及以下四个方面。

3.1灾前巷道稳态评价

以往对巷道的研究仅以巷道是否能够保证正常使用以及是否能够保证生产期间的安全为衡量标准,只限于围岩控制研究,并没有考虑救援的需要。

灾后巷道垮塌实际上是原有巷道在发生灾害时对冲击破坏力的一种响应表现形式。其响应程度不仅取决于冲击破坏力的大小,还取决于巷道围岩在原支护下的抵抗能力即稳定程度。因此,为了预测和判定不同灾害条件下巷道的破坏程度、破坏部位以及对救援通道的堵塞影响程度,从而为救援方案的制定提供可靠的预知信息,需要在巷道使用生命周期内,对巷道的“围岩—支护”所处的稳定结构形式与状态、抗破坏能力、稳定结构的薄弱部位等开展评价研究,即灾前巷道稳态评价研究。

灾前巷道稳态评价研究,主要是结合巷道的断面形状、尺寸、围岩性质与组成、支护方式与参数以及应力分布状态等信息,分析巷道围岩破坏前所处的稳定结构形式与状态,评价其抗灾能力,预知其最易破坏的部位,预测出破坏后对巷道的堵塞程度等。

3.2垮塌巷道等级划分

井下生产与地质条件千变万化,对巷道能够造成破坏的灾害种类及破坏能力也千差万别,故对全国范围内的所有巷道分别进行全面的研究不现实,而相应进行分类研究更为实际。从灾后救援的角度来看,开展分类研究应以其对井下救援的影响程度和救援通道形成的难易程度为依据,在调研、统计、分析的基础上,首先对垮塌巷道进行等级划分。

垮塌巷道等级划分需要综合考虑遭受破坏之后巷道围岩的安全与稳定状态、是否允许和能够通过、救援通道打通的难易程度等方面。具体包括巷道围岩的临时稳定状态、垮塌状态、巷内堆积体的大小及对巷道的堵塞程度、堆积体内岩石块体大小与分布等内容。据此,从对救援通道形成的影响程度出发,确定垮塌巷道的等级,给出相应的定量与定性衡量指标。

3.3垮塌巷道与块状堆积体结构

灾后破坏的巷道,从救援需要上看,在整体上可粗分为“能通过”和“不能通过”两类,同时又要涉及到空间和安全两个方面。所以,对救援影响比较大的是“不能安全通过”和“不能通过”两种情况。

所谓“不能安全通过”是指具有人员通过的空间,但因破坏之后的巷道围岩处于临时稳定状态,人员通过可能会对临时处于稳态的关键控制点产生影响,进而产生连锁反应而导致整体突然失稳,对人员安全造成威胁。此时研究的内容主要是确定巷道围岩临时稳定的结构形式与状态、稳定结构的关键控制部位等。

所谓“不能通过”是指不具备人员通过的空间。这种情况是指破坏之后的巷道,因其垮落的块状堆积体几乎充满整个巷道,造成救援通道堵塞,且延伸距离较长。此时，需要在块状堆积体中重新构筑一条新的救援通道,于是块状堆积体内的开挖与结构稳定就成了必然触及的问题。

在块状堆积体中进行开挖与维护,不同于在原始煤岩体中形成巷道。块体间的连接状态、临时稳定的力学结构均有其特殊性。确定块体之间的联动关系、关键块体所在部位等成为是否能够保证快速开挖与安全控制的关键。因此,相应的研究内容主要是建立相关理论与力学结构模型,研究块状堆积体的块度与分布、堆积形态、块体之间连接状态、临时稳定力学结构、块体之间的联动关系、关键块体所在部位等。

3.4垮塌巷道内救援通道快速形成技术

在垮塌巷道内形成救援通道,对于“不能安全通过”的空间而言,其速度取决于是否能够准确定位围岩临时稳定结构的关键控制部位及所采取的有效控制措施;对于“不能通过”的空间而言,其速度则一方面取决于对堆积体预开挖空间内垮落岩块的破解、搬运、清除速度,另一方面取决于对开挖空间周围的稳定起关键作用块体的准确定位及有效控制。

在对垮塌巷道与块状堆积体结构研究的基础上,有效控制措施、高性能的临时支护设备、轻便高效的开挖装备、合理的施工组织等,便构成了垮塌巷道内救援通道快速形成技术研究的主要内容。

除此之外,灾后救援本身在时间上具有紧迫性,要实现安全、快速、高效,就需要在最短的时间内制定快速而正确的方案。因此,在对以上四个方面开展系统深入研究的基础上,还需要开发相应的计算机决策系统,从而体现其在应急救援中的时效作用。

4　结束语

在煤矿井下灾后救援中,依托原有巷道快速形成救援通道是最理想的方式。瓦斯(煤尘)爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压等破坏能力最强的灾害中,垮塌巷道普遍存在且对救援影响最大。相关研究应侧重于灾前巷道稳态评价、垮塌巷道等级划分、垮塌巷道与块状堆积体结构、垮塌巷道内救援通道快速形成技术四个方面。这些研究内容在国内外尚属空白。开展相关研究对安全、快速、高效开展灾后救援工作和提高救援效率，具有十分重要的意义。

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(编辑晁晓筠)

Prospect of study on tunnel collapse during rescue following disaster in coal mines

HAOChuanbo1,ZHANGGuohua1, 2,HUGang1,XIAOFukun1

(1.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang Institute of Science & Technology,Harbin 150027, China; 2.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at addressing tunnel collapse frequently occurring during rescue following disaster in coal mine, this paper, building on idea of the safe, rapid and efficient rescue, introduces its influence on rescue and highlights the formation of rescue passageways depending on tunnels available. The paper is the first to define the research content focused on science and engineering problems related to tunnel collapse, including four aspects such as the evaluation of tunnel steady-state before disaster, grade classification of collapse tunnel, structure research of collapse tunnel and massive accumulation body, rapid formation technology of passageway relay in collapse tunnel. These research contents and consequent studies are of significance to promoting scientific development of coal mine rescue work in our country and improving rescue efficiency after disaster.

coal mine; rescue; tunnel collapse; rescue passageway

1671-0118(2012)06-0549-04

2012-10-08

黑龙江省煤炭生产安全管理局资助项目(2012)

郝传波(1962-)，男，黑龙江省宁安人，教授，博士，研究方向：矿山安全与管理，E-mail：haochuanbo@126.com。

TD77

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