基建礦山爆炸事故中通風保障研究

李旭堅，汪宗文

(1.煙臺黃金職業學院資源與土木工程系，山東 煙臺 265401；2.萊州市瑞海礦業有限公司，山東 煙臺 261400)

近年來，我國礦業技術領域碩果不斷，深部新礦體不斷被探獲，以西嶺金礦床為代表的探礦成果極大推動了國內金屬礦產深部探礦技術的發展，深部探礦已經成為未來探礦、采礦的發展趨勢[1]。隨著金屬礦床勘探深度的不斷增加，新建礦山的基建任務越來越重，基建工程耗時也越來越長，礦山基建期間的安全生產也面臨著更高挑戰。突發爆炸事故對基建礦井的傷害主要體現在三個方面：一是爆炸沖擊傷害，爆轟波會以一定的波動值規避障礙物后沿巷傳播對巷內人員造成傷害，且有極高概率對原有通風系統所造成災難性破壞[2-4]；二是毒害氣體傷害，相對密閉的井下爆炸會使CO濃度驟增，其擴散與濃度分布會嚴重威脅井下人員生命健康[5-6]；三是低能見度傷害，以有色炮煙、粉塵為主的密集懸浮物在爆轟波的帶動下具有較高傳播速度，影響被困人員緊急避險的同時嚴重阻礙救援隊伍下井搜救。救援初期因事故礦井生產系統尚未完全建成、礦井通風網路不成熟、井筒沖擊損毀等原因，出現了原通風系統失效、井筒能見度極低、礦井CO濃度嚴重超標、新風送給困難等阻礙施救問題。針對以上情況，現場以快速組建局部通風為基礎，持續優化通風保障體系，保護井下被困人員安全待救，為救援隊伍的下井作業與免受二次傷害提供了通風支持。

1 事故礦山基本情況

笏山金礦位于棲霞市西城鎮笏山村，是一座典型的非金屬礦基建礦山，礦區占地2.05 km2，設計采選綜合處理能力為1 500 t/d，主采礦種為金、銀、硫。原設計在礦區新建一條混合井和一條回風豎井形成提升、運輸、通風、排水等井下生產系統，-450 m中段以下則采用盲豎井+盲回風井的方式進行開拓。其中，井下0 m至-650 m標高內每50 m形成一個開采中段，-450 m中段及以上礦體設計采用上向水平分層充填采礦法和房柱采礦嗣后充填兩種方法。

在“1·10”爆炸事故發生前，礦山生產進度顯示，井口標高為+246.0 m的回風井基建工程在一中段、二中段、三中段已分別掘進巷道10.0 m，四中段掘進20.0 m，五中段掘進至450.0 m處遇到斷層塌方，正在進行支護作業，距離與混合井五中段貫通尚有949.2 m，六中段掘進550.0 m，尚有1 007.4 m與混合井六中段貫通。整個礦山井下尚未在任意中段形成貫通，回風井在此生產階段是向井下運送人員、設備、通風、供水、供電的唯一通道。

“1·10”爆炸事故發生時，存放于井下0 m水平的工業炸藥發生爆炸，將回風井攔腰阻斷。井下大量爆炸碎屑及損毀雜物以0 m水平馬頭門為基準向垂直方向輻射，對回風井上下較大范圍造成堵塞，同時井下供風、供水、供電、給養完全中斷。一線施工區域除工程公司開拓掘進隊伍外，另有一支基礎設施安裝隊伍于事發前在井下安裝臨時泵站水泵和啟動柜，兩支作業隊伍合計22人被困井下。

2 通風保障措施

2.1 快速組織局部通風

事故發生后，地表值班板房及井筒井架較大程度受損，根據礦井災變理論推測，瞬時的高能量釋放會在極短時間內對井下原有設備及各項生產系統造成嚴重破壞[7]，伴隨而來的高溫、高壓氣流可能會在較大范圍內造成風流逆轉，導致有毒有害氣體擴散，給救援工作帶來困難[8]。

實時檢測反饋，事故風井機械通風系統完全損毀，不能正常進行礦井通風，現場以快速施救為中心，依托最先到位的Φ500柔性風筒及11 kW局扇等通風設備，迅速組織局部通風方案，現場設備如圖1所示。

圖1 現場可用局扇及風筒Fig.1 Local fans and air ducts available for the first time on site

考慮到風筒向下延伸長度有限、井下被困礦工具體位置不明、柔性風筒無法負壓作業、風筒下探容易被爆破雜物刮傷等實際狀況，設計以罐籠作為側壁尖銳物抵擋裝置，沿罐籠頂部中心位置固定局扇，并反接柔性風筒實施抽出式通風，通風裝置如圖2所示。改造后的局部通風裝置沿風井逐漸下放，柔性風筒末端設置在地表空曠處，在下放至距井口約80 m處進行首次強制通風，使用多功能氣體檢測儀測得排出氣體中CO濃度超過9 000 ppm，遠大于《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2020)規定的24 ppm，O2濃度在19.5%左右浮動，略低于“規程”要求的20.0%。礦山救援大隊下井偵查人員反饋信息顯示，此時距井口60 m處炮煙高度富集，濃度過高，可見度接近0 m，盡快排出井下炮煙是救援初期最重要的任務之一。

1-井壁；2-原供風管；3-原供水管；4-罐籠；5-局扇；6-風筒固定于罐籠邊緣內側后垂直延伸至地表圖2 通風裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation device

2.2 依托區域響應與設備抽調進行通風優化

處于基建階段的生產礦山，人力編制、設備支撐等都處于發展階段，無法在事故發生初期及時滿足所有救援物資的需求。根據《全國安全生產應急救援體系總體規劃方案》(安監管辦字〔2004〕163號)要求，建立快速有效的搶險、救援和應急機制，完善區域響應，就近支援、就近調配能很好解決因基建礦山自身儲備不足而造成的困境，能夠在救援初期以最快的速度滿足物資保障、設備技術升級等方面的需求[9]。

救援初期快速搭建的應急通風系統伴隨通風深度的增加存在著一系列問題，包括11 kW局扇本身工作效率較低，理論峰值風壓、風量并不能滿足迫切的救援需求；風筒反接的方式使深部風筒固定較為困難，施工效率較低；依托體積龐大的空罐作為尖銳物抵擋裝置，容易在深部被障礙物卡住，無法繼續下探風機；系統通風距離受限，伴隨深度增加，排風量將出現降低的趨勢。針對以上可能出現的問題，在快速組建局部通風的同時，組織協調周邊礦山抽調高效率風機與負壓風筒支援救援現場。以最先入場的FBDNo5.6/2×11 kW對旋式風機替換掉原11 kW軸流式風機，以Φ600負壓風筒替代Φ500柔性風筒，采用將對旋式局扇固定在地表，首節風筒對稱配重，逐漸向井下延伸的正接方式優化已有局部通風系統，現場布置如圖3所示。

圖3 對旋式風機與負壓風筒Fig.3 Counter-rotating fan and negative pressure air duct

優化后的局部通風系統依托地表施工的便捷性，大幅度提高了風筒加裝的效率。原通風系統因局扇加裝在罐籠頂部，在實際向下通風的過程中，罐籠被卡在距井口156 m處無法繼續下放，導致超出有效吸程的深部炮煙排出效率低下，而依托井筒探障設備與體積更小的負壓風筒，通風深度也有了較大程度的進尺，一次裝配下放深度達到距井口270 m處，快速的區域響應與技術優化，為深部通風與井下清障工作的順利開展提供了必要條件。

2.3 下放礦井探測儀確定井下情況并測算被困處可用氧氣量

礦井災變時期，尤其是發生在基建礦山的爆炸事故，高溫高壓的沖擊波作用具有瞬時性且十分復雜，不僅會對礦井基建設施、通風系統造成嚴重破壞，還有可能誘發火災、冒頂等二次災害，增加災害的損失和救援的難度[10]。在礦井具備一定可視條件的基礎上，應及時應用井下探測技術輔助救援決策。另外，伴隨救援時間的延長，確定被困礦工聚集點，測算被困處可用氧氣量，對于優化后續救援工作也具有十分重要的指導意義。

在笏山金礦事故風井的救援推進中，經過優化后的局部通風系統效率得到顯著提高，經過一定時間通風，位于排風口處實時監測的氣體檢測儀數據顯示，井下有毒有害氣體濃度有了大幅度降低，深部低視野的情況同步有了較大程度的改善。為了盡快與井下被困人員取得聯系，初步了解井下生存環境，掌握井筒破壞的具體情況，確定是否存在次生災害，現場分兩次于事故風井北側下放礦井監測探頭。首次下探至距井口300 m處遇阻，顯示井筒內已無明顯火源反應，但內部構筑裝備多處嚴重受損，井壁雜物交織。二次調整下探位置后，繼續下放至距井口336 m處，發現井筒內裝備凌亂，爆炸產生的雜物在該水平略下處將風井空間完全封堵，繼續下放監測探頭已不再可能，但畫面反饋井下炮煙已較為稀薄，可見程度尚可，已具備人工下井清障的基本條件。

在加速推進風井清障與救援鉆孔兩條生命通道施工的同時，為了解井下涌水與可用氧氣情況，確定被困礦工可能的聚集地點并估算其可存活時間，根據事故發生時被困人員所處的工作中段與各中段實際布置情況和開拓進度，同時考慮到井巷實際氣體比例難以精準確定，且在沒有貫穿風流的情況下仍存在部分氣體擴散作用參與，因此采用式(1)進行估算。

(1)

式中：T為尚可存活時間，h；a0為巷道初始氧濃度，%；a為維持人體正常活動所需的最低氧氣濃度，%；n為該中段被困人員數，人；γ為個人單位時間耗氧量，m3/h；V為該中段已完成開拓巷道體積和，m3；ε為考慮擴散作用的修正系數，此處取1.15。

由于事故發生時有9人被困于距離井口596 m，-350 m水平的5中段，13人被困于距離井口646 m，-400 m水平的6中段，且兩中段尚未形成天井聯通，因此需分別進行可用氧估算。根據設計院提供的施工圖紙與實際施工情況，分別獲取了兩中段已完成開拓巷道的總體積，并以低活動量的人體耗氧量0.022 9 m3/h作為計算基準，利用以上公式分別進行計算，得到五中段氧氣含量尚可支持約16.7 d，六中段氧氣含量可支持約13.6 d。

鑒于井下大立方蓄水池的存在，在救援初期上部中段不會被漫水減少空間，因此該公式并沒有反應出涌水情況對井巷空間的影響。而隨著被困時間的延長，井下涌水將會首先漫過六中馬頭門，進而壓縮井巷空氣體積，壓迫被困礦工生存空間，為緩解以上問題，應繼續調整通風策略，實現新風的穩定輸送。

2.4 車載鉆機配合高性能空壓機強送新風

基建礦山在發生爆炸事故時，唯一的升井通道極有可能被截斷，被困人員更容易被置于斷水、斷電、斷聯系、斷絕給養的極端生存環境下。在黑暗中，若完全感受不到風流的存在容易迷失方向并衍生絕望心理。此時強送新風是維持被困人員良好生命體征、穩定心理情緒的重要手段。

在事故礦山的具體操作過程中，經過應急通風方案的實施，井下有毒有害氣體指標已基本達到正常范圍，允許實施送風作業。但事故風井在距井口336 m處被爆炸產生的雜物交織封堵，正常采用風筒送風的方式在該水平被卡住，無法下探至井下五中段、六中段。原動力供風管路在0水平被攔腰炸斷，也無法實現深部壓風供氧。為了克服以上問題，以現場備用的車載鉆機與高性能空壓機為設備依托，加載中空鉆桿，直接由事故風井向下鉆探。在鉆機的持續作業下，作為正常通風補充方案的鉆機-空壓機組合首次突破雜物網封堵，實現礦井深部新風的壓入。

2.5 利用鉆孔組建自然通風網路并實施生命探測

事故發生后，定位生命探測維持的3#鉆孔在定向鉆進技術的糾偏下順利貫穿井下五中段。現場通過錘擊鉆桿傳遞聯系信息并獲得井下回應，初步確定了部分被困人員的基本位置與存活情況。在完成鉆孔套管護壁、投放給養、線纜架設的同時，通風保障方面規劃利用鉆孔實現貫穿風流的給入。

根據設計圖紙實測，3#鉆孔距離巷道口的沿程距離約140 m，巷道設計坡度為5‰，因此3#鉆孔通巷位置與巷道口實際有約0.72 m高差，且救援季節處于冬季，地表溫度較低，以上條件均利于自然通風網路的組成。現場立即以3#鉆孔作為進風井，通盤考慮即將貫通的其他鉆孔位置，以事故風井為回風井，組建自然通風網路，并實時監測進風風量。在后續的方案實施中，雖然3#鉆孔可以順利的完成送風任務，但由于前期偏斜等原因導致鉆孔涌水量過大，因此決定將鄰近的4#備用鉆孔實施貫通并封堵3#鉆孔止水，以4#鉆孔替代3#鉆孔成為給養進風通道，同時利用地表待命空壓機輔助加壓，提高新風輸送能力。在給養與通風網路穩定后，通過貫通鉆孔與井下礦工交流信息反饋，五中段炮煙已基本散去，新風輸送充足，呼吸不再困難。同理以貫通六中段的1#鉆孔為依托組建該中段自然通風網路進行新風輸送，但在該中段下放的生命探測及通訊設備均未獲得被困人員反饋。

3 結論與思考

經過15個晝夜的連續作業，2020年1月24日救援工作取得重大進展，11名被困礦工成功升井獲救。在這場搶險救援中，多專業聯動、互輔互通是貫穿整個救援流程的關鍵要素。礦井通風保障作為其他救援工作展開的先行條件與基礎條件，在救援初期及救援穩定期都具有極其重要的實際意義，如何解決好救援通風工作，做好礦山救援通風保障是值得深思與反思的內容。以此次笏山金礦爆炸事故救援為例，映射其他基建礦山，得到以下結論和思考。

1)在基建礦山爆炸事故的救援中，基于現場實際條件，因地制宜，以最快速度組建應急通風系統，降低有毒有害氣體濃度，特別是CO濃度，是提高被困人員生還率，保障下井救援人員生命安全的必要條件。

2)優化通風系統，利用強制通風凈化有限空間視野，提高井下可視度，是初期救援通風的第二目標，是井下探測與井筒清障提的必要保障。

3)做好應急通風設備儲備，定期維護檢修，完善區域響應制度，減少所需設備調集及安設時間，對于救援工作具有非常重要的現實意義。

4)救援工作需及時了解井下可利用氧氣情況，在CO濃度達標的前提下，可以合理壓風送風，以確保井下被困中段有充足的氧氣供給，同時能夠起到有效緩解被困人員心理恐慌的作用，提高救援成功率。

5)整體救援一盤棋，通風網路的建立應與其他施救工藝通盤考慮，并依托一切可利用的設施、工藝穩定井下給養供風。

6)基建開拓建議結合整體布局，提前建立壓風自救系統或考慮布置獨立通風鉆孔，優先貫通安全出口，盡快形成負壓通風系統，以預防并減少事故發生時有毒有害氣體富集、氧氣不足等狀況對井下人員的傷害。