一起有限空间作业安全生产事故的调查*

沈建云 张 昊 汪圣华 徐晓玲

1.浙江省安全生产科学研究院浙江省安全工程与技术研究重点实验室 2.绍兴出入境检验检疫局

1 事故基本情况

2016年5月17日15点左右，某污水管道施工作业中，在建的污水干管顶管接收井内发生有限空间作业事故，造成1人中毒窒息，另有2人下井施救遇险，事故造成1死2伤。

1.1 污水干管顶管接收井情况

顶管接收井采用4000mm×4000mm矩形沉井，沉井总高7117mm，采用钢筋混泥土结构，该井结构为一个封闭的立方体，与外界连通的只有井顶部一个内径700mm的圆形井口，具体尺寸，如图1。井内空间高度为5767mm，与外部联通的井口尺寸为内径700mm，高度2300mm，井壁距离井底部1800mm位置有内径1200mm的污水干管的进水口和出水口。

1.2 事故过程

图1 顶管接收井建筑结构图

该管网工程采用顶管施工，在结束接收井进水口上游段管道的闭水试验后，施工人员采用汽油泵抽出用于闭水试验的外部河水，水泵开始作业前井 内水深刚没过干管顶，如图2-a。待外部河水基本抽完后，施工人员B下井开始管道封堵的拆除工作，作业部位和水泵位置，如图2-b，拆除工作进行约10多分钟后，井外施工人员A感觉井下施工人员B没有反应遂下井查看，发现施工人员B已经脸朝下埋在水中，遂展开施救，同时施工人员A去喊施工人员C来帮忙施救，10分钟后施工人员C赶到井口并下井帮忙施救。施工人员A在施工人员C的帮助下，将施工人员B用绳子绑好，拖出井外，送往医院抢救。随后施工人员C在自行上井的过程中发现井下的施工人员A出现痴呆现象，遂又下井将绳子绑住施工人员A，施工人员A拖出井外时已经失去意识，送往医院抢救，最后施工人员C自行上井，行动自如，没有明显的身体不适现象。施救过程中井下的汽油泵已经处于关闭状态。事故造成施工人员B死亡，施工人员A和C受伤。

图2 事故前后接收井内情况图示

2 事故原因分析

事故发生后，伤员立即被送往当地医院抢救，同时当地相关部门和专家立即展开事故调查，通过对事故现场查勘、对相关人员问询以及医院急救诊断报告。得知情况如下：整个管路为新建管路，闭水试验用水采用干净河水，抽水作业后，理论上井下空间为比较安全的作业环境；闭水试验后打开接收井出水口管道封板作业是整个工程里一项常规作业，之前作业均无类似事故发生；医院对伤者的体格检查和辅助检查（包括血常规检测、生化检测、心电图检测等），诊断结论其中几项为：昏迷-有害气体中毒；吸入性肺炎；二氧化碳分压48.6，超过标准值。

事故调查组在对事故相关材料进行系统分析后，做出两种情况假设：首先根据诊断报告，伤者当时有中毒、缺氧等情况，那么时隔几天，井下空间是否还存在有毒有害气体和相应物质的残留，建议立即采取相应快速检测技术对井下空气和相关残留物质进行检测分析，以探寻相关物质的存在，并确定种类和浓度值。其次，鉴于死者有高血压病史和酒后作业情况，是否存在死者在有限空间作业时因缺氧而导致头晕窒息死亡的可能性。

2.1 有害气体成分分析

调查人员于事发后第三日到事故现场进行调查、检测分析。事故发生时接收井内残留有1m深左右闭水试验用水，因此考虑有毒有害气体可能为井内的水经过微生物反应释放，根据相关文献和实验资料，常见有甲烷、硫化氢、磷化氢、氨气、一氧化碳及有机挥发物等[1-4]。同时井内为有限空间，缺氧和二氧化碳都会导致作业人员窒息。调查人员在综合考虑目标物质和时效性的前提下，选用了有针对性的便携式检测仪器对接收井内气体、物质进行检测，检测结果，见下表。

表 气体检测结果

根据检测结果，对有毒气体和缺氧窒息性气体展开分析，以确定导致人员中毒、缺氧的气体成分。

（1）H2S、PH3、NH3气体：为城市排水管道中常见气体，接收井内未检出这三种气体。假设事故当天有这些气体存在，那么在这个通风不良、相对封闭的有限空间内，比空气重的H2S、PH3很难排出，井内应有残留。NH3具备明显的刺激性气味，容易被人察觉，但据当事人口述资料，当时并没有明显的刺激性气味。另外，闭水试验用水为干净的河水，短时间内生物反应产生这些气体的可能性较小。综上分析，可以明确排除事故是由上述气体引起的中毒。

（2）CO气体：为最常见的有毒气体，大气对流层中CO本底浓度约为0.1～2ppm。现场在井中检测出CO浓度为241ppm，已经明显超出空气中CO本底浓度，且达到了使人产生严重头痛、眩晕等症状的浓度，因此本次事故初步怀疑为CO中毒引起人员头痛、眩晕，使作业人员卧倒于井内水中，导致窒息死亡。

（3）有机挥发物VOC：主要来源为汽车尾气。这次检测出VOC浓度为3.1ppm，虽然超过了职业接触限值，长时间接触会存在职业危害，但不能立即让人中毒死亡。因此判断VOC是导致该事故的有毒气体之一，但不是导致事故的主要物质。

（4）O2：空气中O2正常含量为19.5～23.5%，低于19.5%会导致人体缺氧窒息。从上表检测结果看，O2处于正常范围内。由于接收井内空间受限，工人在井下作业时会大量消耗氧气，也有可能因氧气供应不足造成工人体力下降、眩晕。但检测是在事故后第三天，因此无法确定事故当天氧气浓度是否达到对人体的伤害浓度。

（5）CO2：除了氧气的消耗会导致人员缺氧窒息，大量CO2也会造成人员窒息。CO2检测结果为814ppm，虽不会影响呼吸，但浓度已经明显超出空气中正常含量，可以确定井内存在CO2产生源，从而导致其浓度偏高。事故当天浓度是否大于814ppm，是否达到让人昏厥甚至死亡的浓度还需进一步分析确认。

（6）甲烷CH4：本身微毒，含量过高会引起氧含量降低，从而提高人员窒息风险。甲烷未检测出，也没有明显的残留，考虑到甲烷主要来源自污水微生物厌氧反应，井内残留水为干净水，其微生物反应非常弱，事故当天难以达到甲烷窒息浓度，因此可明确排除甲烷引起窒息的可能性。

2.2 有害气体来源分析认定

通过现场检测和有害气体成份分析，可明确排除H2S、PH3、NH3导致中毒和CH4导致窒息的可能性。但超出空气中正常浓度范围的CO、CO2和VOC还需做进一步分析，很有可能是这次事故的元凶。需从事故发生时井内状态、施工工艺、作业工具等方面入手，找出气体的来源，以确认CO、CO2和VOC气体是否在事故发生时达到致人中毒浓度以及是否存在O2的大量消耗。针对事故做进一步推测，接收井内这些气体的可能来源还有管道沥青涂料的挥发、来自道路行驶车辆的尾气以及汽油机水泵。

（1）管道壁沥青涂料中VOC挥发：管道在顶管施工前在内壁采用环氧沥青两道进行内壁防腐处理，但是管道防腐处理工作在顶管之前就已完成，已经暴露于空气中有一定时间，在事故发生期间大量挥发VOC可能性非常小，即使有挥发，也难以达到致害浓度。可判断井内管道壁上沥青涂料挥发不是VOC的主要来源。

（2）车辆尾气分析：接收井位于道路中间绿化带上，且井口高出道路水平位置20mm，加上该条道路位于城市新区，道路周围空旷且通行车辆稀少，可判断井内高浓度的CO、CO2不是来自车辆尾气。

（3）汽油机水泵分析：调查人员在井内水下发现当时使用的汽油机水泵，如图3。事发当天他们用了汽油机水泵，因水泵吸程不够，所以将其安装到井内，汽油机在有限空间内长时间工作后会生产大量的CO、CO2和VOC气体。由此可判断有害气体来源为汽油机水泵。

图3 接收井内使用的汽油机水泵

2.3 抽水设备理论排放和有毒气体空间浓度推算

在确定有害气体来源后，还需对事故当天井内有害气体浓度开展计算分析，以进一步确认事故原因。

汽油机水泵采用汽油作燃料提供动力，汽油C/H质量比关系为m(C)/m(H) =18.1091d-6.8577（d为20℃时汽油密度）[5]，根据该式对C/H质量比进行计算。汽油密度为0.72～0.75g/cm3，可得C/H质量比为6.18～6.72。根据C/H个数比关系n(C)/n(H)=1/2×m(C)/m(H)，可得汽油C/H个数比为1∶1.92～1∶1.79。本文为方便计算，C/H个数比取2，因此汽油化学式简化表示为CnH2n。2.3.1 事故前井内O2质量计算

事故前接收井内残余水刚好没过管道顶部，因此事故时井内空间体积V=4m×4m×(h7-h1)=4m×4m×[1.5m-(-2.967m+1.2m)]=52.3m3（接收井结构及尺寸如图1）。

O2在空气中的含量为21%，因此接收井内起始O2的量为11m3。在标准状况下1mol气体的体积为22.4L以及气体状态方程PV=m/M·RT，可以折算出mo2=[11×103×273/（273+26）÷22.4]×32=14348g

汽油机水泵所用发动机型号为H O N D A GX160，其油箱容积为3.6L。事故当天，用了2箱油，共计7.2L。那么共燃烧的汽油质量为m=7.2×1000×（0.72～0.75）=5184～5400g

在燃烧后尾气成分含量计算中，为计算方便，对井内外空气因气体浓度差异产生的扩散不进行考虑，仅考虑事故井内空间维持恒压。

2.3.2 燃烧反应CO和CO2产量及O2消耗量计算

汽油燃烧反应方程式如下：

汽油先与O2反应产生CO，如果O2有多余，则CO继续与多余O2反应形成CO2。反应结束后O2消耗完毕，经计算得CO体积为5.2m3、CO2体积为3.6m3、水蒸气体积为9.5m3。反应前井内气体体积V前=52.3m3，反应后井内气体体积V后=5.2+3.6+9.5+41.3=59.6m3。为了维持井内恒压，则必须向井外排放气体7.3m3。此时井内CO浓度可达8.7%，CO2浓度可达6.0%。

2.3.3 分析与讨论

通过理论计算，在不考虑气体浓度差异产生井内外气体之间扩散的情况下，井内空间由汽油机水泵作业释放的尾气CO可能达到的最高浓度为8.7%（8700ppm，约10875mg/m3），该浓度可在数分钟内致人死亡。CO2可能达到的最高浓度为6.0%（6000ppm，约11786ppm），井内氧气基本消耗完毕，可立即使人窒息。

实际上，由于井盖处于打开状态，不可避免会有一定新风进入，所以井内尾气浓度实际上要小于上述计算结果。但考虑接收井顶部的开口情况和燃烧反应后气体体积变大，导致井内外气体的交换存在一定困难，因此从井外补进氧气的量是有限的，考虑到残留在水中的溶解氧量也较小，因此汽油机内汽油在井内应以不完全燃烧为主，产生的尾气以CO为主。当然汽油包含其他成分，燃烧后的尾气不仅是CO、CO2和水蒸气，还会有大量的VOC存在。VOC也会让人产生不适感，浓度过高会导致人员中毒。

2.4 小结

经分析调查，导致这起事故的直接原因是顶管接收井内使用汽油机水泵来抽水，汽油机在运行中排放大量尾气，主要为CO、CO2、VOC，同时消耗O2，这些有害气体在井内积聚，使井下施工人员在打开封板作业过程中，受这些气体的综合作用发生中毒、缺氧窒息死亡。由于2名施救人员不清楚井内汽油机水泵尾气的危害，在下井施救过程中受尾气作用，造成一名重伤和一名轻伤。

3 结束语

该起事故调查思路为：通过医院对死者、伤者的医学诊断，初步明确了调查的重点和方向；对现场进行勘查后，运用工业快速检测技术对事发地气体进行采样分析，分析了造成事故的有害气体成分；通过对汽油机抽水设备的完整性检查和绝缘性检测，排除人员触电可能性，并基本明确了有毒气体的产生源；通过笔录资料、当事人询问，还原事故发生时情景，明确汽油机抽水设备使用的事实和原因；通过查阅工程和设备资料，结合事故时接收井内所处状态、作业过程，对事故当天井内汽油机尾气的理论排放和空间内有毒有害气体理论极限浓度进行计算，印证事发时人员中毒、缺氧窒息情况的理论可能性，明确了事故原因。笔者希望通过该文的叙述能为今后开展类似事故调查提供一定的技术思路和建议。

[1] 陈兵,王海龙,张金锋,等.城市排水有限空间爆炸性气体产生机理与防治对策[J].中国安全生产科学技术,2011, 7(5):67-71

[2] 黄建洪.城市生活排水系统废气产排污系数核算研究[D].昆明:昆明理工大学,2013

[3] 方晓波,王镇鑫,黄建洪,等.城市生活排水系统废气产排量测算模拟研究以餐饮污水为例[J].华南师范大学学报(自然科学版),2014,46(2):86-91

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[5] 龚家伟,孙晋文.汽油密度与碳氢质量比的关系[J].中国农业大学学报,1999,4(4):114-116