基建矿山爆炸事故中通风保障研究

李旭坚，汪宗文

(1.烟台黄金职业学院资源与土木工程系，山东 烟台 265401；2.莱州市瑞海矿业有限公司，山东 烟台 261400)

近年来，我国矿业技术领域硕果不断，深部新矿体不断被探获，以西岭金矿床为代表的探矿成果极大推动了国内金属矿产深部探矿技术的发展，深部探矿已经成为未来探矿、采矿的发展趋势[1]。随着金属矿床勘探深度的不断增加，新建矿山的基建任务越来越重，基建工程耗时也越来越长，矿山基建期间的安全生产也面临着更高挑战。突发爆炸事故对基建矿井的伤害主要体现在三个方面：一是爆炸冲击伤害，爆轰波会以一定的波动值规避障碍物后沿巷传播对巷内人员造成伤害，且有极高概率对原有通风系统所造成灾难性破坏[2-4]；二是毒害气体伤害，相对密闭的井下爆炸会使CO浓度骤增，其扩散与浓度分布会严重威胁井下人员生命健康[5-6]；三是低能见度伤害，以有色炮烟、粉尘为主的密集悬浮物在爆轰波的带动下具有较高传播速度，影响被困人员紧急避险的同时严重阻碍救援队伍下井搜救。救援初期因事故矿井生产系统尚未完全建成、矿井通风网路不成熟、井筒冲击损毁等原因，出现了原通风系统失效、井筒能见度极低、矿井CO浓度严重超标、新风送给困难等阻碍施救问题。针对以上情况，现场以快速组建局部通风为基础，持续优化通风保障体系，保护井下被困人员安全待救，为救援队伍的下井作业与免受二次伤害提供了通风支持。

1 事故矿山基本情况

笏山金矿位于栖霞市西城镇笏山村，是一座典型的非金属矿基建矿山，矿区占地2.05 km2，设计采选综合处理能力为1 500 t/d，主采矿种为金、银、硫。原设计在矿区新建一条混合井和一条回风竖井形成提升、运输、通风、排水等井下生产系统，-450 m中段以下则采用盲竖井+盲回风井的方式进行开拓。其中，井下0 m至-650 m标高内每50 m形成一个开采中段，-450 m中段及以上矿体设计采用上向水平分层充填采矿法和房柱采矿嗣后充填两种方法。

在“1·10”爆炸事故发生前，矿山生产进度显示，井口标高为+246.0 m的回风井基建工程在一中段、二中段、三中段已分别掘进巷道10.0 m，四中段掘进20.0 m，五中段掘进至450.0 m处遇到断层塌方，正在进行支护作业，距离与混合井五中段贯通尚有949.2 m，六中段掘进550.0 m，尚有1 007.4 m与混合井六中段贯通。整个矿山井下尚未在任意中段形成贯通，回风井在此生产阶段是向井下运送人员、设备、通风、供水、供电的唯一通道。

“1·10”爆炸事故发生时，存放于井下0 m水平的工业炸药发生爆炸，将回风井拦腰阻断。井下大量爆炸碎屑及损毁杂物以0 m水平马头门为基准向垂直方向辐射，对回风井上下较大范围造成堵塞，同时井下供风、供水、供电、给养完全中断。一线施工区域除工程公司开拓掘进队伍外，另有一支基础设施安装队伍于事发前在井下安装临时泵站水泵和启动柜，两支作业队伍合计22人被困井下。

2 通风保障措施

2.1 快速组织局部通风

事故发生后，地表值班板房及井筒井架较大程度受损，根据矿井灾变理论推测，瞬时的高能量释放会在极短时间内对井下原有设备及各项生产系统造成严重破坏[7]，伴随而来的高温、高压气流可能会在较大范围内造成风流逆转，导致有毒有害气体扩散，给救援工作带来困难[8]。

实时检测反馈，事故风井机械通风系统完全损毁，不能正常进行矿井通风，现场以快速施救为中心，依托最先到位的Φ500柔性风筒及11 kW局扇等通风设备，迅速组织局部通风方案，现场设备如图1所示。

图1 现场可用局扇及风筒Fig.1 Local fans and air ducts available for the first time on site

考虑到风筒向下延伸长度有限、井下被困矿工具体位置不明、柔性风筒无法负压作业、风筒下探容易被爆破杂物刮伤等实际状况，设计以罐笼作为侧壁尖锐物抵挡装置，沿罐笼顶部中心位置固定局扇，并反接柔性风筒实施抽出式通风，通风装置如图2所示。改造后的局部通风装置沿风井逐渐下放，柔性风筒末端设置在地表空旷处，在下放至距井口约80 m处进行首次强制通风，使用多功能气体检测仪测得排出气体中CO浓度超过9 000 ppm，远大于《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)规定的24 ppm，O2浓度在19.5%左右浮动，略低于“规程”要求的20.0%。矿山救援大队下井侦查人员反馈信息显示，此时距井口60 m处炮烟高度富集，浓度过高，可见度接近0 m，尽快排出井下炮烟是救援初期最重要的任务之一。

1-井壁；2-原供风管；3-原供水管；4-罐笼；5-局扇；6-风筒固定于罐笼边缘内侧后垂直延伸至地表图2 通风装置示意图Fig.2 Schematic diagram of ventilation device

2.2 依托区域响应与设备抽调进行通风优化

处于基建阶段的生产矿山，人力编制、设备支撑等都处于发展阶段，无法在事故发生初期及时满足所有救援物资的需求。根据《全国安全生产应急救援体系总体规划方案》(安监管办字〔2004〕163号)要求，建立快速有效的抢险、救援和应急机制，完善区域响应，就近支援、就近调配能很好解决因基建矿山自身储备不足而造成的困境，能够在救援初期以最快的速度满足物资保障、设备技术升级等方面的需求[9]。

救援初期快速搭建的应急通风系统伴随通风深度的增加存在着一系列问题，包括11 kW局扇本身工作效率较低，理论峰值风压、风量并不能满足迫切的救援需求；风筒反接的方式使深部风筒固定较为困难，施工效率较低；依托体积庞大的空罐作为尖锐物抵挡装置，容易在深部被障碍物卡住，无法继续下探风机；系统通风距离受限，伴随深度增加，排风量将出现降低的趋势。针对以上可能出现的问题，在快速组建局部通风的同时，组织协调周边矿山抽调高效率风机与负压风筒支援救援现场。以最先入场的FBDNo5.6/2×11 kW对旋式风机替换掉原11 kW轴流式风机，以Φ600负压风筒替代Φ500柔性风筒，采用将对旋式局扇固定在地表，首节风筒对称配重，逐渐向井下延伸的正接方式优化已有局部通风系统，现场布置如图3所示。

图3 对旋式风机与负压风筒Fig.3 Counter-rotating fan and negative pressure air duct

优化后的局部通风系统依托地表施工的便捷性，大幅度提高了风筒加装的效率。原通风系统因局扇加装在罐笼顶部，在实际向下通风的过程中，罐笼被卡在距井口156 m处无法继续下放，导致超出有效吸程的深部炮烟排出效率低下，而依托井筒探障设备与体积更小的负压风筒，通风深度也有了较大程度的进尺，一次装配下放深度达到距井口270 m处，快速的区域响应与技术优化，为深部通风与井下清障工作的顺利开展提供了必要条件。

2.3 下放矿井探测仪确定井下情况并测算被困处可用氧气量

矿井灾变时期，尤其是发生在基建矿山的爆炸事故，高温高压的冲击波作用具有瞬时性且十分复杂，不仅会对矿井基建设施、通风系统造成严重破坏，还有可能诱发火灾、冒顶等二次灾害，增加灾害的损失和救援的难度[10]。在矿井具备一定可视条件的基础上，应及时应用井下探测技术辅助救援决策。另外，伴随救援时间的延长，确定被困矿工聚集点，测算被困处可用氧气量，对于优化后续救援工作也具有十分重要的指导意义。

在笏山金矿事故风井的救援推进中，经过优化后的局部通风系统效率得到显著提高，经过一定时间通风，位于排风口处实时监测的气体检测仪数据显示，井下有毒有害气体浓度有了大幅度降低，深部低视野的情况同步有了较大程度的改善。为了尽快与井下被困人员取得联系，初步了解井下生存环境，掌握井筒破坏的具体情况，确定是否存在次生灾害，现场分两次于事故风井北侧下放矿井监测探头。首次下探至距井口300 m处遇阻，显示井筒内已无明显火源反应，但内部构筑装备多处严重受损，井壁杂物交织。二次调整下探位置后，继续下放至距井口336 m处，发现井筒内装备凌乱，爆炸产生的杂物在该水平略下处将风井空间完全封堵，继续下放监测探头已不再可能，但画面反馈井下炮烟已较为稀薄，可见程度尚可，已具备人工下井清障的基本条件。

在加速推进风井清障与救援钻孔两条生命通道施工的同时，为了解井下涌水与可用氧气情况，确定被困矿工可能的聚集地点并估算其可存活时间，根据事故发生时被困人员所处的工作中段与各中段实际布置情况和开拓进度，同时考虑到井巷实际气体比例难以精准确定，且在没有贯穿风流的情况下仍存在部分气体扩散作用参与，因此采用式(1)进行估算。

(1)

式中：T为尚可存活时间，h；a0为巷道初始氧浓度，%；a为维持人体正常活动所需的最低氧气浓度，%；n为该中段被困人员数，人；γ为个人单位时间耗氧量，m3/h；V为该中段已完成开拓巷道体积和，m3；ε为考虑扩散作用的修正系数，此处取1.15。

由于事故发生时有9人被困于距离井口596 m，-350 m水平的5中段，13人被困于距离井口646 m，-400 m水平的6中段，且两中段尚未形成天井联通，因此需分别进行可用氧估算。根据设计院提供的施工图纸与实际施工情况，分别获取了两中段已完成开拓巷道的总体积，并以低活动量的人体耗氧量0.022 9 m3/h作为计算基准，利用以上公式分别进行计算，得到五中段氧气含量尚可支持约16.7 d，六中段氧气含量可支持约13.6 d。

鉴于井下大立方蓄水池的存在，在救援初期上部中段不会被漫水减少空间，因此该公式并没有反应出涌水情况对井巷空间的影响。而随着被困时间的延长，井下涌水将会首先漫过六中马头门，进而压缩井巷空气体积，压迫被困矿工生存空间，为缓解以上问题，应继续调整通风策略，实现新风的稳定输送。

2.4 车载钻机配合高性能空压机强送新风

基建矿山在发生爆炸事故时，唯一的升井通道极有可能被截断，被困人员更容易被置于断水、断电、断联系、断绝给养的极端生存环境下。在黑暗中，若完全感受不到风流的存在容易迷失方向并衍生绝望心理。此时强送新风是维持被困人员良好生命体征、稳定心理情绪的重要手段。

在事故矿山的具体操作过程中，经过应急通风方案的实施，井下有毒有害气体指标已基本达到正常范围，允许实施送风作业。但事故风井在距井口336 m处被爆炸产生的杂物交织封堵，正常采用风筒送风的方式在该水平被卡住，无法下探至井下五中段、六中段。原动力供风管路在0水平被拦腰炸断，也无法实现深部压风供氧。为了克服以上问题，以现场备用的车载钻机与高性能空压机为设备依托，加载中空钻杆，直接由事故风井向下钻探。在钻机的持续作业下，作为正常通风补充方案的钻机-空压机组合首次突破杂物网封堵，实现矿井深部新风的压入。

2.5 利用钻孔组建自然通风网路并实施生命探测

事故发生后，定位生命探测维持的3#钻孔在定向钻进技术的纠偏下顺利贯穿井下五中段。现场通过锤击钻杆传递联系信息并获得井下回应，初步确定了部分被困人员的基本位置与存活情况。在完成钻孔套管护壁、投放给养、线缆架设的同时，通风保障方面规划利用钻孔实现贯穿风流的给入。

根据设计图纸实测，3#钻孔距离巷道口的沿程距离约140 m，巷道设计坡度为5‰，因此3#钻孔通巷位置与巷道口实际有约0.72 m高差，且救援季节处于冬季，地表温度较低，以上条件均利于自然通风网路的组成。现场立即以3#钻孔作为进风井，通盘考虑即将贯通的其他钻孔位置，以事故风井为回风井，组建自然通风网路，并实时监测进风风量。在后续的方案实施中，虽然3#钻孔可以顺利的完成送风任务，但由于前期偏斜等原因导致钻孔涌水量过大，因此决定将邻近的4#备用钻孔实施贯通并封堵3#钻孔止水，以4#钻孔替代3#钻孔成为给养进风通道，同时利用地表待命空压机辅助加压，提高新风输送能力。在给养与通风网路稳定后，通过贯通钻孔与井下矿工交流信息反馈，五中段炮烟已基本散去，新风输送充足，呼吸不再困难。同理以贯通六中段的1#钻孔为依托组建该中段自然通风网路进行新风输送，但在该中段下放的生命探测及通讯设备均未获得被困人员反馈。

3 结论与思考

经过15个昼夜的连续作业，2020年1月24日救援工作取得重大进展，11名被困矿工成功升井获救。在这场抢险救援中，多专业联动、互辅互通是贯穿整个救援流程的关键要素。矿井通风保障作为其他救援工作展开的先行条件与基础条件，在救援初期及救援稳定期都具有极其重要的实际意义，如何解决好救援通风工作，做好矿山救援通风保障是值得深思与反思的内容。以此次笏山金矿爆炸事故救援为例，映射其他基建矿山，得到以下结论和思考。

1)在基建矿山爆炸事故的救援中，基于现场实际条件，因地制宜，以最快速度组建应急通风系统，降低有毒有害气体浓度，特别是CO浓度，是提高被困人员生还率，保障下井救援人员生命安全的必要条件。

2)优化通风系统，利用强制通风净化有限空间视野，提高井下可视度，是初期救援通风的第二目标，是井下探测与井筒清障提的必要保障。

3)做好应急通风设备储备，定期维护检修，完善区域响应制度，减少所需设备调集及安设时间，对于救援工作具有非常重要的现实意义。

4)救援工作需及时了解井下可利用氧气情况，在CO浓度达标的前提下，可以合理压风送风，以确保井下被困中段有充足的氧气供给，同时能够起到有效缓解被困人员心理恐慌的作用，提高救援成功率。

5)整体救援一盘棋，通风网路的建立应与其他施救工艺通盘考虑，并依托一切可利用的设施、工艺稳定井下给养供风。

6)基建开拓建议结合整体布局，提前建立压风自救系统或考虑布置独立通风钻孔，优先贯通安全出口，尽快形成负压通风系统，以预防并减少事故发生时有毒有害气体富集、氧气不足等状况对井下人员的伤害。