基于井下避难硐室的煤矿应急模型研究.pdf

首都经济贸易大学首都经济贸易大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 THESIS OF MASTERTHESIS OF MASTER DEGREEDEGREE 论文题目论文题目基于井下避难硐室的煤矿应急基于井下避难硐室的煤矿应急模型模型研究研究 院 系 安全与环境工程学院 专 业 安全技术及工程 学 号 22009080377 作 者 李隆庭 指导教师 李传贵 教授级高工 钮英建 教授 完成日期 独独 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明今所呈交的基于井下避难硐室的煤矿应急模型研 究论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的科研成果。尽 我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写的内容及科研成果，也不包含为获得首都经济贸易大学 或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 作者签名作者签名 日期日期 年年 月月 日日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解首都经济贸易大学有关保留、使用学位论文的有关规 定，即学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅、借阅或网 络索引；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采取影印、缩印或 其它复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 作者签名作者签名 导师签名导师签名 日期日期 年年 月月 日日 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - I - 摘摘 要要 改革开放以来，特别是进入 21 世纪之后，我国对煤炭资源的依赖程度越来越大， 随着煤炭行业兼并重组，煤炭生产的规模也不断提高，但是我们对煤矿灾害事故的发 生机理研究尚不成熟，虽然进行各个企业都不断加大安全生产的费用投入，煤矿事故 仍然时有发生，可以见得，我们无法从根本上杜绝煤矿事故。 传统的煤矿事故应急方式主要是以地面救援为主，真正遇险人员的救护是被动 的。2010 年国务院 23 号文强制推行煤矿井下安全避险“六大系统” ，开启了我国新 的应急救援模式。本文在此基础上展开，提出了应当建立基于井下避难硐室的煤矿应 急救援模型、机制和体系。 本文首先分析了不同事故的特点，得到适合向避难硐室逃生的事故类型，并在此 基础之上，分析不同事故的影响范围、破坏程度，发现了瓦斯、煤尘爆炸事故的扩散 速度之快，影响范围之广，直接决定了工作面避难硐室（救生舱）的布置位置。结合 人员所能承受的冲击波压力，确定了爆炸造成的死亡半径，并以此处作为工作面救生 舱的选址。再结合采区和井底车场避难硐室的位置，运用 Dijkstra 最短路径算法，计 算出井下各点到最近的避难硐室（救生舱）的最短耗时路线，从而为井下员工逃生制 定直接且有预见性的逃生方案。 本文在上述研究内容的基础上， 建立了基于井下避难硐室的煤矿应急管理三维结 构模型，详细阐述了各要素之间的关系，在该模型的基础是分析了建设基于井下避难 硐室的应急救援体系对现象体系的影响， 从而为煤矿建设完善避难硐室系统提供参考 本文在一个简单矿井模型基础上进行了运算，因此只能作为理论上的分析，希望 能对煤矿避难硐室系统的建设起到一定的指导作用。 【关键词【关键词】】煤矿事故煤矿事故 避难硐室避难硐室 最短路径最短路径 应急应急模型模型 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - II - Abstract With the development of coal industry mergers and acquisitions, coal production scale is also rising, but we are still not mature on the mine disaster accident mechanism. Although each enterprise gives more money on safety production, coal mine accidents still occur from time to time. Can be seen, we can not eliminate the coal mine accidents. The coal mine accident emergency is always mainly for the ground, the ambulance of persons underground in distress is passive. In 2010, our country compulsory enterprises to use Emergency Refuge system, open the new rescue mode in our country .And which is this paper based on , something should be done to established coal mine emergency rescue model, mechanism and system that based on coal mine refuge chamber. Firstly this article analyzes the characteristics of different accidents, and finds the accident types which are suitable for escape to refuge chambers. And based on this, we discovered the speed of the spread of the gas or coal dust explosion and the Area of Effect directly determines the layout of the face refuge chamber saving space.by the analysis of the different impact of the accident and extent of the damage. Combining with the shock wave pressure can afford, we make out the radius of the explosion death this result can be the location of the face life-saving compartment. Combined with position of the mining area and the shaft bottom refuge we can chamber use Dijkstras shortest path algorithm to calculate the shortest time - consuming line from underground to the nearest refuge chamber saving space to develop a direct and predictable escape plan for underground employees to escape. We have based the structural model of the underground coal mine refuge chamber Emergency Management on basis of the above content, and describes the relationship between the various elements .we analyze the s and the need for establishing coal mine emergency rescue system for underground refuge chamber system proposed the principle of refuge underground miners taken. The article is only a calculation on the basis of a single mine, as theoretical analysis, but I hope to play a role in guiding the construction of coal mine refuge chamber system. 【【Key word】】 Coal mine accident；； Refuge chamber；； The evade disaster path；； Dijkstra；； Contingency model 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - III - 目目 录录 1. 绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ................................................................................................................ 1 1.2 研究目的和意义 .................................................................................................... 4 1.3 国内外研究现状 .................................................................................................... 5 1.4 论文研究的主要内容、方法及技术路线 ............................................................ 7 2. 煤矿井下紧急避险系统综述 ........................................................................................ 10 2.1 现有避灾方式分析 .............................................................................................. 10 2.2 井下紧急避险系统简介 ...................................................................................... 11 2.3 紧急避险系统基本类型 ...................................................................................... 12 2.4 小结 ...................................................................................................................... 14 3. 避难硐室灾害适用性分析 ............................................................................................ 15 3.1 煤矿事故特点综述 .............................................................................................. 15 3.2 矿井各类灾害分析 .............................................................................................. 16 3.3 事故后果分析 ...................................................................................................... 20 3.4 小结 ...................................................................................................................... 25 4. 避难硐室选址和逃生最短路径 .................................................................................... 26 4.1 爆炸冲击波对避难硐室位置的影响 .................................................................. 26 4.2 工作面避难硐室位置确定 .................................................................................. 28 4.3 基于 Dijkstra算法的避难硐室选址 ................................................................... 29 4.4 实例验证 .............................................................................................................. 32 4.5 小结 ...................................................................................................................... 40 5. 基于避难硐室的煤矿应急模型研究 ............................................................................ 42 5.1 建立基于井下避难硐室的煤矿应急模型 .......................................................... 42 5.2 建立基于井下避难硐室的煤矿应急体系 .......................................................... 46 5.3 小结 ...................................................................................................................... 49 6. 结论和展望 .................................................................................................................... 51 6.1 结论 ...................................................................................................................... 51 6.2 展望 ...................................................................................................................... 51 致谢 ..................................................................................................................................... 53 参考文献 ............................................................................................................................. 54 附录 ..................................................................................................................................... 56 附录 1.......................................................................................................................... 56 附录 2.......................................................................................................................... 57 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 1 - 1. 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 煤炭是我国国民经济和社会发展的基础，在我国一次能源生产和消费结构中占 70左右。在未来相当长的一个时期内，煤炭仍将是我国的主要能源之一。随着经济 总量的快速增长，煤炭需求量持续升高，对煤炭工业发展提出了更高的要求， 煤炭 工业发展“十二五”规划指出到 2015 年，我国煤炭年产量将达到 37.9 亿吨，煤 矿安全生产形势要得到显著好转，重特大事故大幅度下降，以安全管理能力的提升和 安全科学技术的进步确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。 煤炭企业的兼并重组，改变了以往煤炭产业的经济发展方式，进一步提高了产业 集中度，提高了煤炭生产规模效益，但是由于我国煤矿在运营机制与管理技术上还不 成熟，煤矿事故又具有随机性和突发性的特点，煤矿事故的发生不可能完全预测；此 外煤矿井下运输距离长、工作面连续推进、煤矿事故扩散速度快等因素也导致的煤矿 事故危害区域大、逃生条件复杂、逃生路线长，给井下作业人员安全撤离带来困难。 而且近年来煤矿屡屡发生性质恶劣、经济损失惨重的重特大死亡事故，安全生产形势 仍未实现根本性好转。如果缺乏有效的应急救援措施将会导致事故后果进一步扩大。 因此， 我们不得不对煤矿安全生产的严峻形势和完善煤矿事故应急救援体系的迫切性 和必要性进行深入的思考和研究。 传统的研究多是从事故前预防的角度去讨论矿井的安全生产， 例如加强煤矿企业 安全管理水平、改善机械装备水平、落实隐患排查治理、提高从业人员素质等等，但 是我们前面已经分析，煤矿事故不可能从本质上防止和预测，加之煤矿井下事故特殊 性， 如瓦斯爆炸、 煤尘爆炸、 火灾、 水灾往往在极短时间内即可造成极大范围的灾害， 即使在第一时间启动了相应的事故应急预案，救援力量也往往不能立刻到达现场，除 非井下工人有机会自行逃出灾区，否则只能被迫等待救援，井下职工的生命健康完全 得不到有力的保障。 根据我国 2009 年和 2010 年全国煤矿应急救援队伍救援工作情况（如表 1.1、表 1.2）分析得出，井下事故发生后自行脱险的人员占所有遇险人员的 67.3，经抢救生 还人数占 13.2，死亡或失踪的人员占到总数的 19.5。 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 2 - 表 1.1 2009 年全国煤矿应急救援队伍救援工作情况 事故类别 救援工作情况 总数 （起） 出动 （队 次） 参与 救援 （人 次） 救援 费用 （万 元） 遇险人 员 （人） 生还人员 遇难（失踪） 自行脱 险 （人） 抢救生 还 （人） 合计生 还 （人） 其中受 伤 （人） 总数 （人） 升井 （人） 合计 1760 4428 31728 5139.7 6587 4328 807 5135 355 1452 553 火灾 412 1491 8942 639.0 746 513 102 615 44 131 7 煤与瓦斯 突出 49 152 1333 673.8 1060 761 166 927 99 133 7 煤尘爆炸 7 32 474 80.0 43 0 4 4 2 39 0 瓦斯爆炸 66 381 4177 956.6 1289 810 103 913 87 376 210 中毒窒息 69 151 1528 146.5 231 58 34 92 7 139 18 水灾 58 424 3736 1180.5 1040 875 70 945 8 95 95 顶板 382 522 3736 825.6 930 513 141 654 32 276 50 机电运输 91 118 959 180.4 180 80 26 106 7 74 10 其他事故 626 1157 6843 457.3 1068 718 161 879 69 189 116 表 1.2 2010 年全国煤矿应急救援队伍救援工作情况 事故类别 救援工作情况 总数 （起） 出动 （队 次） 参与 救援 （人 次） 救援 费用 （万 元） 遇险人 员 （人） 生还人员 遇难（失踪） 自行脱 险 （人） 抢救生 还 （人） 合计生 还 （人） 其中受 伤 （人） 总数 （人） 升井 （人） 合计 1568 4164 35921 6339.9 8169 5637 1160 6797 440 1437 579 火灾 407 1146 10995 622 1700 1393 198 1591 72 109 57 煤与瓦斯 突出 54 191 1617 337.6 1013 707 144 851 43 162 45 煤尘爆炸 1 1 100 20 0 0 0 0 0 0 0 瓦斯爆炸 52 196 1575 417.2 521 247 103 350 70 171 68 中毒窒息 62 208 1827 87.5 274 139 5l 190 18 84 36 水灾 63 495 4152 3532.3 1019 712 109 821 22 198 152 顶板 343 638 5865 615.5 1668 1112 201 1313 84 355 90 机电运输 111 123 840 76.5 498 341 38 379 12 119 34 其他事故 475 1166 8950 631.4 1476 986 316 1302 119 239 97 *资料来源国家安全生产应急救援指挥中心，2009 年、2010 年全国安全生产应急管理工作情况统计分析。 根据以往煤矿事故情况统计和相关的救援经验，在矿井发生事故第一现场，因爆 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 3 - 炸坍塌等伤害造成立刻遇难的人员数目， 仅仅占事故死亡人数总数的 10左右， 绝大 多数遇险人员的遇难是因为事故后附近区域氧气耗尽、毒害气体浓度升高、逃生路线 阻断等原因，不能及时撤离或升井而造成的[1]。可见，在煤矿事故中，造成人员伤亡 的最直接原因不是事故本身， 而是因为事故造成无法及时转移的井下员工长时间暴露 在有毒有害的气体（CO、H2S）环境中导致人员窒息死亡。 很多学者[23]从事故发生后的逃生需求出发，认为井下避难应该像城市中的避难 场所一样，为受灾人员提供暂时的安全空间，即在井下建立与灾难隔绝的场所避难 硐室，为井下遇险职工提供一个等待救援的空间，也可以作为中转站，以进行下一步 的逃生。采用安全的密闭空间并在煤矿井下的危险环境中用于被困人员的应急避难， 保障职工的生命安全，赢得足够的救援时间，这种井下应急思想已经成为煤矿安全防 护的一种新趋势[4]。 正因为煤矿的应急救援有其特殊性， 例如事故的突发性、 事故波及范围的广泛性、 事故救援空间的局限性以及事故结果群死群伤性， 使得再完善的应急预案也只能是尽 量减少损失，而无法达到完全避免灾害的目的，基于避难硐室的煤矿事故的应急救援 体系也必然拥有其特殊性。 2010 年国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知[6]（国发［2010］23 号）做出这样规定煤矿、非煤矿山要安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急 避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等煤矿井下安全避险“六大 系统” 技术装备。 国家安全生产监督管理总局、 国家煤矿安全监察局也发文对井下 “六 大系统” 的建设要求做出明确规定。 其中， 紧急避险系统是井下安全避险 “六大系统” 的核心内容，是矿工生命安全保障系统，是煤矿井下的生命工程。 紧急避险系统的功能是井下发生煤与瓦斯突出、火灾、爆炸等灾害事故后，在 逃生路线被阻断、无法逃生或者无法顺利升井的情况下，为遇险人员提供一个暂时安 全的密闭场所。这个场所要能够抵御外界的高温和烟气，隔绝有毒有害气体；而且在 系统内部能够提供氧气、食物、水，并且过滤掉外界有毒有害气体，创造人员基本的 生存条件；也为煤矿地面救援力量进入灾区救援创造条件赢得时间[5]。 紧急避险系统及广义上的避难硐室系统，包括永久避难硐室、临时避难硐室以及 移动救生舱，我国在这方面的建设处于刚刚起步阶段，各大小煤炭企业按照国务院要 求纷纷展开井下避险系统的建设工作，但是针对避难硐室的布置方式、使用维护、避 难硐室系统的运行和维护机制、相应的培训教育并不到位，这样建立起来的避难硐室 系统极易成为一种摆设，甚至成为企业运营的累赘，造成只顾完成任务，却根本起不 到避难作用的尴尬局面。因此有必要建立以井下避难硐室为核心的煤矿应急救援体 系，为经济合理的建设、有效维护管理和使用避难硐室系统提供指导性的思想。 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 4 - 1.2 研究目的和意义研究目的和意义 1.2.1 论文研究目的论文研究目的 进入 21 世纪以来，我国煤炭产业突飞猛进，很多大型煤炭企业不断进行整合重 组，随着一些老旧矿井资源枯竭关闭，如今技新建和技改的矿井现代化程度正不断加 强，大多采用“一井两面”或“一井一面”的生产模式，每日的煤炭产量在万吨以上。 现代化矿井生产规模不断扩大、运输距离和工作面连续推进的距离不断延长，这些特 色使煤矿生产得以高产高效的同时，也给井下人员事故情况下安全撤离带来困难。基 于我国基本国情，在未来很长的一段时期内，仅仅从管理和技术层面上完全消灭煤矿 事故是不可能的，必须根据我国的煤矿生产基本条件，把事故后应急救援的安全保障 技术装备在煤矿实际生产中加以运用和提升。 目前，我国在矿用救生舱、避难所等方面的研究已经开展，相关标准规范正在制 定，但尚未形成规模[7]，因此，为提升煤矿安全生存水平，加强煤矿应对重大事故的 应急救援能力， 最大限度地发挥井下避难硐室系统的作用， 有必要根据矿井实际条件， 合理配置井下救生舱、避难所，确定其布置位置，有效结合通信、监测、动力设备， 一并纳入矿山现有安全生产网络，形成救援能力覆盖整个矿井的新型的应急避难体 系， 建立基于避难硐室系统的矿山应急预案及避灾路线， 最大限度地发挥井下救生舱、 避难硐室的作用。 本文的研究目的正在于 （1）分析适合于向井下避难硐室逃生的事故类型。 （2） 计算工作面避难硐室 （救生舱） 布置的地点。 （3） 当避难硐室作为唯一的逃生通道时， 设计井下矿工的逃生路线。 （4）研究基于井下避难硐室的煤矿应急救援模型，在此基 础上探讨新型煤矿应急救援体系，并提出与现行应急体系的区别之处。 1.2.2 论文研究意义论文研究意义 分析适合于向井下避难硐室逃生的事故类型， 使矿井有针对性的建设井下避险系 统，合理布置避难硐室的数量和位置，以最经济最有效的方式最大限度的发挥避难硐 室的作用。预先设置避灾路线，为井下矿工在无法自行逃生时选择最近、最快的路线 向避难硐室或井口逃生。提出基于井下避难硐室系统的煤矿应急救援模型，建立与避 难硐室相适应的新型煤矿应急体系，有效的指导避难硐室系统的建设、维护和保持。 从而使井下避难硐室系统与矿井水、 电、 通风、 通信、 监测监控等系统进行有机结合， 使“六大系统”成为一个有机整体，提高其实效性。并根据矿井实际情况制定新型的 煤矿事故应急预案， 使企业有针对性的进行员工培训和教育， 使企业领导层、 执行层、 操作层对煤矿应急救援有新的认识，当事故发生后能够做出迅速准确的决策，正确指 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 5 - 导事故发生后地面救援力量和井下人员的救灾方法与避难措施， 从根本上提升我国煤 矿应急救援的能力和水平。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状国外研究现状 美国、澳大利亚、加拿大、南非等产煤发达国家的煤矿井下紧急避险体系发展比 较早，相对我们国家比较健全，发达国家的井下应急体系的内容有永久和临时的避 难硐室系统、硬体式和软体式的可移动救生舱、以及自救器便携式气体检测仪等个人 防护设施、供氧系统、应急通讯系统、避险标识系统、培训演练系统及基于避险设施 的应急救援预案等。 1928 年，加拿大 Hollinger 矿发生井下火灾事故，导致 39 人死亡，事故引起政 府和民间的广泛关注，因此建立了用面罩提供氧气的简单初级避难硐室，即在密封起 来的废弃巷道中，设置压风系统，提供呼吸空气。但是由于最初设计没有 CO2吸收系 统，在密闭硐室内不到 10h时间，CO2浓度即可能达到甚至超过 25，从而导致人员 窒息死亡。后来经过改进设计出 CO 和 CO2等有害气体的处理系统，紧急避险体系 也相应扩展到救生舱、自救器、直通地面的通讯系统、避难硐室（救生舱）内的食物、 饮水及供氧系统。2006 年 1 月 29 日，加拿大萨斯喀彻温省钾盐矿发生火灾事故，井 下 72名矿工逃进井下“避难站” ，被困 36h后全部被救，这期间避难所发挥了至关重 要的作用 ［7］ 。 南非紧急避险研究主要针对矿井爆炸、火灾等事故，在距离工作面一定距离内建 设庇护所，配有通风设备、救援电话、备用自救器和饮用水，矿工在逃生指示装置的 指引下，在便携式自救器有效工作的时间内撤离到最近的安全庇护所，等候救援。南 非通过立法要求矿山企业建设安全避难所并纳入应急救援体系， 井下避难所已是南非 矿山应急救援中一项成熟而有效的安全设施。 2003 年和 2005 年， 南非两个特大金矿 先后发生停电和火灾事故，当时一个矿井井下有 3400 多人，只有 9 人死亡，救护队 从井下各个避难所内救出 280 人；另一个矿井在 2600 人返回地面后，发现 52 人失 踪，两天后在井下避难所找到，全部安然无恙。 美国早期避险理论始于避难硐室研究，在井下利用水泥砌块建造避难隔离墙，或 在巷道顶板和两帮上悬挂隔离屏障形成隔离空间，供遇灾矿工避险等待救援。这一原 始避险理论持续到 2006 年 1 月西弗吉尼亚州 Sago 煤矿爆炸事故，此次事故造成 12 名（1 人当场死亡、11 人因窒息死亡）矿工遇难，西弗吉尼亚州政府率先对井下紧急 避险设施做出规定，并对救生舱产品实施州政府批准 ［8］ 。2006 年矿山改善和新应 急反应法突出了避难硐室（移动救生舱）和应急通讯系统在避险救援中的作用，要 首 都 经 济 贸 易 大 学 硕 士 学 位 论 文 基 于 井 下 避 难 硐 室 的 煤 矿 应 急 模型研 究 - 6 - 求矿山经营者将井下避难所纳入“应急反应方案” 。 澳大利亚等国使用“空气呼吸器加气站”或“自救器中继站”方式的避险设 施。发生事故后，遇险人员迅速佩戴空气呼吸器（或自救器）逃生。在自救设备可维 持时间不多时，通过快速加气站充入氧气提高续航能力继续逃生，或者在“中继站” 中佩戴新的自救器后继续逃生。[5] 20032009 年美国、南非、中国煤矿死亡事故对比如表 1.3 所示。 表 1.3 20032009 年美国、南非、中国煤矿死亡人数及百万吨死亡率对比 年份 美国 南非 中国 死亡人数/人 百万吨死亡率 死亡人数/人 百万吨死亡率 死亡人数/人 百万吨死亡率 2003 30 0.03 22 0.09 6995 5.02 2004 28 0.028 20 0.08 6027 3.08 2005 23 0.02 16 0.07 5938 2.811 2006 47 0.044 19 0.07 4746 2.041 2007 34 0.033 13 0.05 3786 1.485 2008 30 0. 028 20 0.08 3215 1.182 2009 18 0. 018 2631 0.892 国外有关紧急避险研究的内容也比较丰富，主要集中在井下避难硐室（救生舱） 的功能、布置方式和原则、救援效果评价及具