煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ．2 0 2 1 煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题 王德明1”，邵振鲁1 ’2 ，朱云飞1 ’2 1 ．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州2 2 l l l 6 ；2 ．中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州2 2 l l l 6 摘要对我国煤矿发生的重特大事故进行统计表明，热动力灾害 火灾与爆炸 是煤矿重特大事 故中占比最高、致灾最严重的灾害。当前对其成灾原因、致灾作用和救灾风险等还认识不足，导致 对热动力重大灾害的预防和处理仍缺少有效方法与技术，造成热动力重特大事故至今时有发生、救 援处理常面临困境。针对防范与遏制煤矿热动力重大灾害的迫切需求，通过系统的国内外案例统 计分析、亲历的事故救援经验总结和长期的深入研究与思考，凝练提出了煤矿热动力重特大事故防 治需要解决的3 个关键科学问题采场中气、固相可燃物 瓦斯与煤 复合燃烧及点火特性，热动力 灾害致灾因素与通风系统耦合的致灾作用，热动力灾害救援的不确定性风险特性与应对。为解决 这些科学问题，需要有针对性地加强和完善瓦斯抽采与顶板控制技术，预防含瓦斯混合空气的形 成，减少和控制矿井顶板周期来压造成的压电效应，消除瓦斯燃烧或爆炸的最初点火源，提高矿井 的防灾能力；掌握冲击波与烟流在通风系统中传播范围及致灾程度的规律，构建可靠通风系统和有 效避险系统，提高矿井的减灾能力；开发发现和处理不确定性风险的方法与技术，提高矿井的救灾 能力。这些科学问题的研究解决，可突破现有技术瓶颈，提高预防煤矿热动力灾害、防止事故扩大 和应对不确定性风险的能力，为防范与遏制热动力重大灾害事故、保障我国煤炭工业健康可持续发 展提供借鉴。 关键词热动力灾害；矿井火灾；瓦斯爆炸；复合可燃物；耦合致灾；应急救援 中图分类号T D 7 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 O 卜0 0 5 7 0 8 S e V e r a ls c i e n t i f i ci s s u e so nm a j o rt h e r m O d y n a m i cd i s a s t e r si nc o a lm i n e s W A N G D e m i n 9 1 ”，S H A OZ h e n l u l 一，Z H UY u n f e i l 2 1 ．s c 0 0 z 矿S 咖钞E n ∥础e “噌，吼i n 。‰i 御船毋∥埘n i 增。以‰ n 0 2 0 彰，x 比矗o “2 2 1 1 1 6 ，吼i 眦；2 ．K e y 如6 0 m ￡D 可旷G ∞。n dn r ec o 凡￡r o z 扣rc o o f 胁n 部，c h i 肌‰挑珊毋0 ，删n j 凡g 口n d 扎c 加f p g y ，x 础o “2 2 l l l 6 ，吼i 凡n A b s t r a c t S t a t i s t i c so fm a j o rc o a lm i n ea c c i d e n t si nC h i n as h o wt h a tt h e 珊o d y n a m i cd i s a s t e r s f i r e sa n de x p l o s i o n s a c c o u n tf b rt h eh i g h e s tp r o p o r t i o na n dc a u s et h em o s ts e r i o u sd a m a g e s ．H o w e v e r ，t h ec a u s e s ，e f f b c t sa n dI ℃l i e fr i s k so f t h e 珊o d y n a m i cd i s a s t e r sa r es t i l li n s u m c i e n t l yu n d e r s t o o d ．A sar e s u l t ，t h e r ei s s t i l lal a c ko fe f f b c t i v em e t h o d sa n d t e c h n i q u e sf o rt h ep r e V e n t i o na n dt r e a t m e n to fm a j o rt h e 瑚o d y n a m i cd i s a s t e r s ，c a u s i n gs e r i o u st h e r m o d y n a m i ca c c i d e n t st oo c c u rf 而mt i m et ot i m e ．I fi th a p p e n s ，r e s c u ea n dt r e a t m e n tw o r ko f t e nf a c ed i 硒c u l t i e s ．A i m i n ga tt h eu 昭e n t n e e dt op I e V e n ta n dc o n t a i nt h em a j o rt h e 瑚o d y n a m i cd i s a s t e r s ，t h r e ek e ys c i e n t i 6 ci s s u e st h a tn e e dt ob eI ℃s o l V e da r e p r o p o s e db yt h es y s t e m a t i cs t a t i s t i c a la n a l y s i so fc a s e sa r o u n dt h ew o r l d ，t h es u m m a r yo ff i r s t h a n da c c i d e n tr e s c u ee x p e r i e n c e ，a n dl o n g t e mi n t e n s i v er e s e a r c h ．T h e ya r et h ei g n i t i o na n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a s s o l i dc o m p o s i t e e o m b u s t i b l e s g a sa n dc o a l i nt h es t o p e ，t h ec o u p l i n gh a z a r d o u se f b c to fd i s a s t e r c a u s i n gf a c t o r s s h o c kw a v ea n d s m o k e a n dv e n t i l a t i o ns y s t e m s ，u n c e r t a i nr i s ka n dr e s p o n s ed u r i n gd i s a s t e rr e s c u ea n dt r e a t m e n t ．Ac o m p r e h e n s i v ee x - 收稿日期2 0 2 0 l l 1 7修回日期2 0 2 卜O 卜0 9责任编辑钱小静D o I l O ．1 3 2 2 5 ／jc nk i ．j c c s ，Y G 2 0 ．1 7 9 8 基金项目国家重点研发计划专项资助项目 2 0 1 6 Y F c 0 8 0 1 8 0 2 ；国家自然科学基金面上资助项目 5 1 9 7 4 2 9 9 作者简介王德明 1 9 5 6 一 ，男，贵州遵义人，教授，博士生导师。T e l 0 5 1 6 8 3 5 9 0 5 9 2 ，E m a i l w d m c u m t 1 6 3 ．c o m 引用格式王德明，邵振鲁，朱云飞．煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 5 7 6 4 ． W A N GD e m i n g ，S H A OZ h e n l u ，z H UY u n f e j ．S e v e r a ls c i e n I i 6 cj s s u e so nm a j o rt h e m o d y n a m i cd j s a s t e r si nc o i l 】 m i n e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n aC 0 a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 5 7 6 4 ． 移动阅读 万方数据 5 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 p l a n a t i o na n da n a l y s i so ft h e i rr e s e a r c hs t a t u s ，d e v e l o p m e n tt r e n d sa n dp r o s p e c t sa r ea l s oc a r r i e do u t ．I no r d e rt os o l V e t h e s es c i e n t i f i cp r o b l e m s ，i ti s n e c e s s a r yt os t r e n 群h e na n di m p r o v et h eg a sd r a i n a g ea n dr o o fc o n t m lt e c h n o l o g y ，p r e v e n tt h em i x i n go fg a sa n da i r ，r e d u c ea n dc o n t r o lt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c tc a u s e db yt h ep e r i o d i cr o o fw e i g h t i n g ，a n d e l i m i n a t et h ei n i t i a li g n i t i o ns o u r c eo ft h ec o m b u s t i o no re x p l o s i o no fg a s ，w h i c hw i Ui m p r o v et h ed i s a s t e rp r e V e n t i o n c a p a b i l i t yo ft h em i n e ．U n d e r s t a n d i n gt h el a wa n dd e g r e eo ft h es p I ℃a do fs h o c kw a V e sa n ds m o k en o wi nt h eV e n t i l a t i o ns y s t e m ，c o n s t m c t i n gar e l i a b l ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n de f f e c t i v ea v o i d a n c es y s t e ma r ea l s oi m p o n a n tf o ri m p m V i n g t h ed i s a s t e rr e d u c t i o nc a p a b i l i t yo ft h em i n e ．D e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e st od i s c o v e ra n dd e a lw i t hu n c e r t a i nr i s k sc a ni m - p r o v et h em i n e s ’ d i s a s t e rr e l i e fc a p a b i l i t i e s ．T h es o l u t i o no ft h e s es c i e n t i f i ci s s u e sw i l lb r e a kt h r o u g ht h ee x i s t i n gt e c h - n i c a lb o t t l e n e c k s ，i m p m v et h ea b i l i t yt op r e v e n tt h ef o m a t i o na n de x p a n d i n go ft h et h e r m o d y n a m i cd i s a s t e r s ，a sw e l la s t h er e s p o n dt ou n c e r t a i nr i s k s ．I ti so fg r e a ts i g n i 6 c a n c et op r o v i d ek e ys c i e n t i 6 cb a s i sf b rt h eh e a l t h ya n ds u s t a i n a b l e d e V e l o p m e n to fc o a li n d u s t r yi nC h i n a ． K e yw o r d s t h e r m o d y n a m i cd i s a s t e r ；m i n ef i r e ；g a se x p l o s i o n ；c o m p o u n dc o m b u s t i b l e s ；c o u p l e dd i s a s t e r s ；e m e r g e n c y T P S P l l P 我国近9 0 ％的煤炭为井工开采，加之矿井地质 条件和煤层赋存条件复杂，面临热动力灾害、突水、煤 与瓦斯突出、冲击地压及顶板等重大灾害的严重威 胁。近些年来，我国通过加大煤矿安全科技投入、强 化安全监管和优化产能结构，煤矿安全生产状况虽明 显好转，但形势依然严峻，坚决防范和遏制煤矿重特 大事故仍是煤矿安全发展的迫切需求。 热动力灾害是指煤矿井下发生的非控制燃烧与 爆炸造成的灾害，包括煤自燃、外因火灾、瓦斯燃烧爆 炸、煤尘爆炸等灾害。2 0 1 0 2 0 1 9 年，我国共发生煤 矿热动力重特大事故5 5 起，死亡10 7 4 人。其中 2 0 1 3 0 3 2 9 ，2 0 1 3 一0 4 0 1 吉林通化八宝煤矿采空区 发生煤燃烧与瓦斯爆燃，封闭工作面时又发生瓦斯爆 炸，共造成5 3 人死亡，是我国近年来最严重的一起煤 矿热动力特大事故。煤矿热动力重特大事故时至今 日还在发生，未被遏制。2 0 1 9 年，我国仍发生煤矿热 动力重大事故2 起，造成3 6 人死亡；还发生了一起 1 1 人被困井下的重大火灾涉险事故；此外，还发生了 8 起造成1 0 人以下死亡和多起造成严重经济损失的 热动力灾害事故。2 0 2 0 年，又发生了2 起重大火灾 事故，共造成3 9 人死亡。 国外煤矿的热动力重特大事故也十分严重。据 不完全统计，国外近些年发生有报道的煤矿重特大事 故4 9 起，其中热动力灾害事故4 3 起，占8 8 ％。其中 2 0 1 0 0 4 0 5 美国西弗吉尼亚州u B B 煤矿的一个长 壁采煤工作面上隅角先发生瓦斯燃烧、后出现爆炸， 最后引发煤尘爆炸，造成2 9 人死亡，是美国近4 0a 来最大的一起煤矿事故。2 0 1 4 0 5 1 4 土耳其索玛煤 矿井下发生火灾，后又引起瓦斯爆炸，救援过程中采 取反风又导致事故扩大，最终造成3 0 1 人死亡，成为 2 1 世纪世界范围内最大的一起煤矿事故。 过去国内外在煤矿热动力灾害防治理论与技术方 面开展了大量研究，取得了许多成果。但对于热动力 重特大事故的成灾、致灾机理和救灾风险的基础研究 还比较缺乏，导致热动力重大灾害预防和处理的科学 性不足。为此，笔者凝练提出煤矿热动力重大灾害防 控亟需解决的几个科学问题，并对它们的研究现状、发 展动态及前景进行阐述与分析，为进一步有效防范与 应对煤矿热动力重特大事故提供关键科学依据。 1 科学问题的提出 为认识煤矿热动力重特大事故的发生规律，笔者 对我国2 0 0 0 2 0 1 9 年一次死亡1 0 人及以上的5 0 9 起煤矿重特大事故、1 9 4 9 2 0 1 9 年一次死亡3 0 人及 以上的3 0 2 起煤矿特大事故和2 4 起一次死亡百人以 上事故进行了统计与分析，结果表明热动力灾害在煤 矿重特大事故中占比最高、致灾最严重。如图l 所 示，热动力灾害的事故起数在百人及以上事故中占 9 1 ．6 ％，在3 0 人及以上的特大事故中占8 3 ．6 ％，在 1 0 人及以上的重特大事故中占6 1 ．6 ％。 在煤矿开采技术经历了长期发展、科技水平日益 进步的当代，为何热动力灾害还时有发生 为何还不 能遏制热动力灾害重特大事故 笔者通过对近年来 国内外的煤矿热动力灾害重特大事故的总结分析、特 别结合亲身参与的多起事故救援与处理经历，对这些 问题进行了剖析，认为过去未能遏制热动力重特大事 故发生的主要原因是对以下3 个科学问题认识不足， 导致在防治和救援工作中缺少针对性和有效性 1 对采场中气、固相可燃物 瓦斯与煤 复合燃 烧及点火特性认识不足。瓦斯与煤作为气、固相可燃 物在煤矿井下的采场中同生共存，过去将瓦斯灾害、 煤自燃和煤尘爆炸分类对待，较少关注不同相态 万方数据 第1 期 德明等煤矿热动力重大灾害f | 1 的儿个科。学问题 f 可人及以卜J f 放 1 9 4 9 2 0 19 f j 3 0 人及以上特人‘葬故 1 9 4 92 0 1 9 ；l j ㈥l我闻煤矿重特大事故类，魁统计 F 碡lS I a t i s t 池I l f 『1 1 i m 【’o a l l l l i f l Pa ‘ ’i h I s i 1 1C 1 1 i 1 1 n 复合可燃物的成灾特性，也缺少有效防治措施，导致 常发生瓦斯与煤复合燃烧的重特大事故，如我图八宝 煤矿、美国u B B 煤矿、土耳其索玛煤矿等热动力重特 大事故都具有瓦斯‘j 煤复合燃烧 爆炸 的共同特 征。H 『J 使认识到2 者有联系，也只认为煤自燃是瓦斯 的点火源，未认识到采场中含孑i 英砂岩顶板垮落产生 压电火花等点火源可引发瓦斯燃烧 爆炸 、进而引 发煤着火再形成引燃瓦斯的点火源，呵导致瓦斯多次 爆炸，这正是瓦斯与煤复合燃烧 爆炸 的特征，如宁 夏白芨沟煤矿2 4 2 l - l 采空区发生了上白1 次爆炸、芒i 林八宝煤矿一4 1 6 采区发生了5 次爆炸 爆燃 、安徽 任楼煤矿Ⅱ7 3 2 2 采空区发生了8 次爆炸等。过去对 这种复合燃烧的最初点火原因和采场中含瓦斯混合 空气的时空特性缺少研究，导致不了解采场中复合可 燃物的燃烧特性，也缺少针对性的防治措施。 2 对热动力灾害致灾因素与通风系统耦合的 致灾作用认识不足。煤矿热动力灾害的致灾因素为 火焰、烟气和冲击波，造成人员大量伤亡的原因主要 是有害烟气。过去只认识到了火风压对通风系统的 影响，但对火焰与冲击波划’通风系统的破坏作用、不 可靠 脆弱 通风系统与灾变扩大的关系、灾变时期 通风与烟流的控制方法等缺少研究，导致目前仍缺少 有效的应对方法和技术。凡是造成大量人员伤亡的 热动力重特大事故都与通风系统不可靠 脆弱 有 关，例如阜新孙家湾、水城木充沟、铜川陈家山、开滦 刘官屯等煤矿发生的死亡百人以上的热动力灾害事 故，事故采区都为下行通风，有的还存在缺少专用川 风巷、一巷多用、通风装备与设施不可靠等问题，当发 生热动力灾害时，冲击波、火风压首先破坏脆弱通风 系统，然后有毒炯流扩散到更大区域酿成重特大事 故。2 0 2 0 年我国又发生2 起重大热动力 火灾 事 故 重庆松藻煤矿“9 2 7 ”重大火灾事故、重庆吊水 洞煤矿“1 2 4 ”藿大火灾事故 ，尽管这2 起火灾的 O 人及以卜1 1 呈特人事故 2 0 0 0 2 0 1 9 卟 起因并不复杂，但都发生了因火风』 导致的风流逆转 现象，正是高温烟流与脆弱通风系统的耦合作用造成 烟侵区域扩大。 3 对热动力灾害救援的不确定性风险特性认 识不足。由于煤矿井下环境复杂，热动力灾害的发生 具有隐蔽性和突发性、发展具有动态性，灾情信息难 以准确、及时获取，救援决策常面临不确定性的灾情 和风险。但是，已有的救援方法与技术主要针‘对确定 性问题或风险，缺少处理不确定性风险的能力，当面 对未知的状态和不确定性风险时，常常束手无策或容 易冒险决策。由于灾情发展的动态性和后果的严重 性，当认识不到不确定性风险时，冒险决策就会产生 严重后果，如吉林八宝煤矿2 0 1 3 0 4 0 l 处理灾情时 造成1 7 名救援人员死亡、新疆大黄山煤矿2 0 1 4 0 7 0 5 处理灾情时也造成1 7 人遇难。对救援的不确定 性风险缺少认识，主要是缺少发现和处理不确定性风 险的方法与技术，这是导致救援困难和决策失误的主 要原凶j 2 科学问题的研究现状与分析 2 ．1 采场中气、固相可燃物 瓦斯与煤 复合燃烧及 点火特性 瓦斯与煤作为气、固相可燃物在煤矿井下的采场 中同生共存，在煤矿开采过程中，采场中遗留的浮煤 可能发生自燃，逸出的瓦斯则可能发生燃烧与爆炸。 过去将煤自燃、瓦斯灾害分类对待，较少关注2 者的 相互关系，但近年来煤与瓦斯复合致灾的重特大事故 时有发生，人们开始关注煤与瓦斯复合成灾的原因j 采空区具有煤自燃与瓦斯积聚共存的特点，故不 少学者对采空区煤自燃与瓦斯的相互作用关系进行 了研究。有的研究了高瓦斯易自燃煤层综放开采下 瓦斯与煤自燃的综合治理问题、瓦斯抽采对工作面采 空区煤炭自燃的影响。卜4 ，有的开展了抽采与通风条 如鲫加∞如∞如如m o ∞∞∞加∞∞如如如m o 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 件下不同工作面采空区瓦斯分布的数值模拟与现场 测试研究b 。6J ，有的开展了模拟采空区条件的煤样在 含甲烷浓度到达爆炸界限的混合空气中升温并引燃 瓦斯的实验研究J ，有的对采空区中不同瓦斯浓度 场、煤自燃氧气浓度场等条件下的煤与瓦斯交汇区域 的危险陛进行了分析旧。等。相关研究认为抽采瓦斯 对采空区煤白燃的“三带”有显著影响，抽采负压带 来的漏风增加了煤自燃和形成可燃瓦斯混合空气的 危险性，沿工作面的新鲜通风区域与富含瓦斯气体结 合的边缘处是采空区瓦斯爆炸与煤自燃耦合成灾的 危险区域等。这些研究都是致力于寻找采空区中煤 易自燃、瓦斯易爆的交汇区，在发生采空区瓦斯爆炸 的点火原因上，都认为煤自燃是瓦斯燃烧爆炸事故的 最初点火源。 除了煤自燃可作为点燃瓦斯的点火源外，人们还 关注了煤矿中岩石、金属等坚硬物体问摩擦撞击产生 的点火源，但至今对岩石之间的摩擦撞击点火成因仍 不明确。最早开展相关研究的是英国一J ，从1 9 2 8 年 起到2 0 世纪9 0 年代，英国的煤矿管理部门就对煤矿 中瓦斯燃烧的点火源进行了调查，发现含石英的坚硬 岩石是摩擦点火的常见原因；随后美国、南非、前苏 联、澳大利亚等国都对金属、岩石摩擦点火引起的煤 矿瓦斯事故进行了统计与调查，结果表明摩擦点火引 发的瓦斯燃烧爆炸事故至少占事故总数的1 ／4 以上， 有的达7 5 ％。自2 0 世纪末起，国内一些研究者开始 关注岩石冒落摩擦撞击引发瓦斯事故的原因，开展了 相关的实验，但开展的岩石摩擦撞击实验仅根据热点 火的温度标准来衡量其点火能力，相关实验结果表 明，岩石摩擦测试的最高温度没有超过1 6 0 ℃，岩石 撞击摩擦产热没有超过2 5 0 ℃0 ‘1 2J 。由于难以在实 验室模拟并验证实际条件下的顶板岩石摩擦撞击产 热点火，人们在实际分析采空区点火源时很少将顶板 岩石冒落摩擦认定为点火源，由于一般认为采空区内 没有其他人为的外部热源，如果不能确认顶板岩石冒 落摩擦撞击的点火作用，就普遍将煤自燃认定为引发 瓦斯燃烧爆炸的点火源。但需要指出的是，点燃瓦斯 的最低温度为6 5 0 ℃，煤自燃若作为点火源，其煤温 要到达6 5 0 ℃以上，此时的煤炭已处于明火燃烧状 态，在此之前需经历相当长的蓄热过程，且一定会出 现煤自燃指标气体浓度持续升高，并出现烟雾和气味 等明显发火征兆，如果前期无征兆，直接认定煤自燃 为点火源就缺少依据。此外，如果坚硬岩石摩擦撞击 产生摩擦火花或含石英岩石受压断裂的压电效应产 生的电火花，其点火能量就能达到点燃瓦斯的电点火 条件 0 ．2 8n 1 J 以上 。笔者团队近年开展了采空区 含石英顶板岩石的压电效应实验，八宝、任楼煤矿的 顶板岩石石英质量分数分别为8 1 ．6 ％，6 3 ．3 ％，初步 实验结果表明石英质量分数超过6 0 ％的顶板岩石受 压破裂产生的压电效应非常显著，岩石破裂时压电效 应产生的电场放电形成电火花，这从压电效应新角度 揭示了采空区瓦斯燃烧爆炸点火源的特性。 综上所述，现有研究大多认为煤与瓦斯复合灾害 发生在开采自燃 易自燃 和高瓦斯煤层的矿井，只 认识到煤自燃是瓦斯燃烧爆炸事故的点火源，这是一 种对煤与瓦斯复合灾害认识的误区，许多实际案例表 明，开采高瓦斯、不易自燃煤层的矿井更易发生煤与 瓦斯复合灾害，这是由于瓦斯的点火能量低、易点燃， 瓦斯燃烧后引燃煤炭、燃烧时间持久、还可再引 燃 爆 瓦斯的缘故。目前，对瓦斯与煤作为气固复 合可燃物的最初点火原因和燃烧特性还缺少深入研 究，防治措施也缺乏针对性。针对瓦斯与煤复合可燃 物的特点，需进一步研究采场中瓦斯与漏风形成可燃 混合气体的时空特性；研究采空区中可能存在的点火 源及其点火特性，包括煤自燃、各类坚硬物体摩擦撞 击产生的热点火条件及特性，含石英砂岩顶板应力变 化造成的压电效应和顶板受压破裂压电放电的电点 火及特性；研究煤与瓦斯复合燃烧形成的连续爆炸原 因、条件和规律。通过这些研究，有针对性地加强和 完善瓦斯抽采与顶板控制技术，预防含瓦斯混合空气 的形成，弱化和控制矿井顶板初次及周期来压造成的 压电效应，消除点燃瓦斯的最初点火源，提高矿井的 防灾能力。 2 ．2 热动力灾害致灾因素与通风系统耦合的致灾作 用 热动力灾害烟气和冲击波可在井巷网络中远距 离传播，这是导致重特大事故的主要原因。过去对火 灾烟流在通风系统中产生火风压及其导致的风流紊 乱有较多研究，但对火风压、冲击波与通风系统的关 系及致灾作用研究较少。 在矿井火灾烟气扩散及致灾作用方面，B u D R Y K 最早研究了矿井火灾时期的风流紊乱现象，提出过量 烟气学说和局部火风压理论，开创了矿井火灾时期风 流紊乱研究的先河。2 0 世纪7 0 年代起，波兰、中国、 日本、德国和美国开展了一系列矿井火灾实验，考察 了煤矿常见可燃物的燃烧特性，以及在不同火源强度 和通风状态下烟气在巷道中的蔓延规律和多参数演 化特征，尤其对烟流逆退、风流逆转、节流效应等火灾 烟流热动力现象进行了探讨卜J ，得到了井巷网络 中火灾时期的风流紊乱规律。基于此，国内外学者自 2 0 世纪7 0 年代起应用计算机编程技术研究了火灾 万方数据 第l 期王德明等煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题 6 l 烟气在复杂井巷网络中的传播，当时成为了国际上矿 井通风理论研究的热点，如美国M F I R E 程序、波兰 P O z A R 程序能对矿井复杂风网的火灾发展过程进行 动态模拟5 | 。这些研究为矿井火灾时期的灾情分析 和发展预测提供了一定基础，但已有研究仅局限于稳 定通风状态，没有考虑灾变时期通风系统的变化和致 灾因素对通风系统的影响，其研究结果难以获得实际 应用。 在爆炸冲击波传播及致灾作用方面，萨文科最早 开始研究矿井瓦斯爆炸在井巷中的传播及致灾规律， 他利用管道爆炸实验得出了冲击波通过直巷、分岔和 转弯处的衰减系数，得到了冲击波强度基本取决于巷 道断面尺寸的认识。从2 0 世纪6 0 年代起，波兰、日 本、美国、澳大利亚、中国等学者在各类尺寸管道和大 型实际巷道中对瓦斯煤尘爆炸的火焰区长度和传播 速度、冲击波压力的峰值与变化规律和爆炸破坏效应 等进行了实验研究6 | ，研究表明爆炸具有明显的尺 度效应，即小尺寸实验结果只能获得定性参考，不能 用于定量推断大尺寸条件下的灾变特性。有学者也 开展了依经验公式和计算流体力学的瓦斯爆炸数值 模拟研究，前者受限于经验公式提出背景和特定条 件，对变参数场景模拟的还原性较差Ⅲ1 ；多数学者应 用后者还原小尺寸管道实验以拓展实验无法反映的 参数特征8 | ，但有关矿井瓦斯爆炸的数值模拟研究 还鲜有报道9 ‘2 0 1 。关于瓦斯爆炸的破坏效应，挪威 学者E c k h o f f 对火焰、超压和动压对人体和设备的伤 害方式进行了较系统的总结和研究心1 | ，前苏联提出 了井下抗爆设计的计算方法，美国在巷道中放置采掘 运输等设备并建造密闭墙进行破坏形式和抗爆性能 的实验旧2 | 。事故调查表明，瓦斯爆炸的超压和动压 均具有巨大的致灾作用。由于瓦斯爆炸正超压的数 值大且易于测量，当前破坏效应的研究主要关注冲击 波正超压，但仍无法较好解释正超压对矿井设施及构 筑物的作用特征，更未深入研究负超压和动压的破坏 特性。 在矿井通风系统可靠性方面，国外学者采用结构 法、模拟模型法及统计法将通风系统的失效分为3 级心卜2 4J ，国内学者借鉴其它领域的可靠性研究方法 对通风系统可靠性的理论和指标体系等进行了探 索心弘2 引。但目前矿井通风系统可靠性理论还不完 善，可靠性指标尚无统一的标准，更缺乏结合热动力 致灾因素评价通风系统可靠性的研究。 综上所述，矿井火灾实验和仿真模拟已有较成熟 的成果，可基本实现火灾时期的烟流动态预测模拟； 但对爆炸冲击波在井下的传播及致灾作用还认识不 足，缺少在矿井原型尺度通风系统中的冲击波传播及 致灾特性研究，更缺少冲击波与烟流的复合致灾作用 的研究，导致对构建和评价矿井通风系统的抗灾能力 缺少方法与标准。针对现有研究的不足和实际需求， 应当开展2 个方面的研究，一是冲击波与火灾烟流的 复合致灾作用，包括冲击波在复杂风网中的传播特性 及对通风系统的破坏、对人员伤害的致灾范围及致灾 程度，通风系统遭破坏后的灾变烟流扩散范围及致灾 程度等，为矿井避险系统设计、矿井救援和人员逃生 等提供计算模型和依据；二是开展矿井抗灾能力研 究，包括井下消防系统的优化设计，人员集中区域的 局部反风系统、烟流短路控风系统、人员避险设施，通 风系统抵御冲击波的方法与设施等。通过这些研究， 掌握冲击波与烟流在通风系统中的传播范围及致灾 程度的规律，建立冲击波与烟流在通风系统中的传播 范围及致灾程度的正反演模型，构建可靠通风系统和 有效避险系统，为灾变预防、发展预测和救援处理提 供理论和技术基础，提高矿井的抗灾与减灾能力。 2 ．3 热动力灾害救援的不确定性风险与应对 井工煤矿开采的一个特点是作业地点及地质环 境不断变化，煤岩构造、瓦斯含量及涌出、浮煤堆积、 采空区漏风等都具有不确定性；井下通风系统又是复 杂网络，热动力灾害发生时产生的高温和冲击波会破 坏通风设施，火风压、节流效应会造成通风系统紊乱。 因此，煤矿井下作业的动态与多变性和热动力灾害的 复杂性，使煤矿热动力灾害的处理与救援具有很大风 险。风险指可能发生的灾变事故，是一种随机事件， 已知概率的风险为确定性风险，未知概率的风险为不 确定性风险。由于井下灾区环境的复杂性和灾情的 动态性，应急救援常面临不确定性风险。现有救援方 法与技术主要针对确定性问题或风险，对不确定性风 险的特性缺少研究，更缺少应对方法与技术，使救援 决策及灾变处理十分困难，应对不确定性风险成为应 急救援的瓶颈。 我国煤矿安全规程、矿山救护规程等规程 以及煤矿企业编制的矿井灾害预防和处理计划对 处理确定性风险都有明确的规定与要求，但煤矿热动 力灾害救援处理常面临不确定风险，这种救援特点给 决策者带来了困难。周心权等心引对煤矿重大灾害的 救灾决策特点进行了分析，指出因灾情的动态性导致 决策依据不确定，处理原发性灾害时可能引发继发性 灾害，故决策十分困难且面临巨大风险。笔者在所著 的煤矿热动力灾害学叫中对热动力灾害事故救援 中的风险概念及不确定性风险特性进行了介绍，指出 了依靠专家救灾知识与经验处理不确定性风险的优 万方数据 6 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 点及不足。近年来，随着我国煤矿安全监测、预警等 现代化技术的发展，特别是当代人工智能、大数据等 高新技术的突飞猛进，为构建智能救援决策系统提供 了条件，但目前相关研究还十分滞后。 救援决策的基础是灾情信息的准确获取。当前 煤矿井下主要通过各类传感器、束管系统获取各测点 温度和气体组分与浓度数据，并通过光纤通讯系统将 信息传输至地面监测监控中心。温度数据的采集主 要采用热电偶和光纤测温技术，气体组分测定技术主 要包括基于催化燃烧式‘30 | 、热导式∞1 。、电化学式‘3 2 ] 等各类传感器的原位测量技术，以及基于束管抽气系 统的色谱分离技术旧3 。、可调谐半导体激光吸收光谱 技术 T D L A s 旧4 。36 | 、傅里叶变换红外光谱技术 丌一 I R 旧卜3 8o 和非分散红外光谱技术 N D I R 旧9 I 。 随着微电子及人工智能科技的发展，国内外相继 开展了井下探测救援机器人的研究，通过挂载摄像 头、温度及气体传感器进入灾区获取灾情信息，用于 事故后的灾区无人侦查工作㈣’4 1 I 。但救援机器人目 前只能在较为理想的环境中 障碍物少、无积水、短 距离 和特定的救援阶段使用。近年来，微小型无人 机技术取得很大发展，因其体积小、质量轻、机动性及 可操控性好、能够在狭小空间中飞行等优点，国内外 学者围绕无人机在煤矿井下巷道中自主飞行的导航、 障碍物检测和路径规划等方面开展了研究。通常无 人机利用自身携带的G P s ”2 1 或I M u 惯性传感器”3 J 实现自主导航，但是在井下巷道中由于无法获取G P s 信号，而I M u 惯性传感器不可避免地存在误差累积 的缺点，难以满足无人机自主导航系统在井下巷道狭 窄空间中长距离精确定位的要求。此外，煤矿井下巷 道中光线弱或无光线，且热动力灾害产生的烟气充斥 在巷道内，即使采用一定的照明方式，烟气也将大大 减弱光线的穿透能力，导致巷道中能够被提取的特征 参照物不明显，无法实现对灾区环境信息的及时、准 确获取。目前尚缺乏能够穿透烟气的探测装备，灾区 侦查无法实现在无光线、浓烟气条件下获取灾情信 息。 在热动力灾害处理方面，目前主要采用水、黄泥 浆、惰性气体 N ，c 0 、凝胶、三相泡沫、细水雾等防 灭火技术。早在2 0 世纪5 0 年代，波兰、德国、苏联等 国的煤矿以注水注浆、注惰气 N ，c 0 等方法处理 井下火源，并在实际应用中形成了一整套灭火工艺和 技术；此外，捷克首次使用了液态惰性气体防灭火技 术，其后，该技术在英国、德国、法国、南非及中国也得 到了应用。然而，由于阴燃煤体熄灭的极限氧体积分 数极低 1 ％～3 ％ ，惰性介质防灭火技术难以消除 火源。此外，采用注惰性介质 液态或气态 进行采 空区灭火还可能存在致爆的问题，有关学者㈩啪1 对 注惰