超大井田矿井逃生方式与逃生临界深度研究

彭 然

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013)

随着社会的高速发展，技术手段的不断完善，国家对安全生产狠抓落实，安全形势已有较大好转，2021年全国安全生产形势持续稳定向好，事故总量持续下降，但死亡10人以上的重大事故依然有16起。2021年6月，鹤壁煤电股份有限公司六矿掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，井下被困8人遇难；2020年9月重庆綦江松藻煤矿胶带燃烧导致事故，造成16人死亡、42人受伤；2020年12月四川吊水洞煤矿发生重大火灾事故造成23人死亡、1人重伤，直接经济损失2 632万元。经事后调查分析得出，自救器防护时间与逃生距离不匹配导致二次事故发生是造成重大事故发生的重要原因之一。因此，针对超大井田矿井逃生方式，探索逃生用自救器的临界适用深度至关重要，对提高灾害发生时的自救成功率可发挥重要作用。

1 超大井田矿井逃生模式简介

大型现代化超大井田矿井具有明显的大巷长度长、工作面推进距离长、井田面积大，多煤层开采、多工作面开采，浅埋深，井筒位置相对集中等特点[1]，主要灾害为水灾、火灾、顶板和瓦斯煤尘爆炸等。从紧急避险逃生的原则来看，以逃为主，避险为辅，灾害发生后人员在最短时间内逃离灾害发生地点到达地面是最安全的，逃生时间越长，逃生过程中发生的不可预见性危险越多。因此现有的逃生模式多采用自救器接力逃生+紧急避险装置+逃生通道逃生的一体化逃生模式[2-5]，逃生全程使用自救器进行防护，现有的逃生通道多为预钻孔大直径逃生通道和斜井井筒[6-7]。

2 大直径钻孔和斜井逃生时间计算

大直径预钻孔和斜井示意如图1所示。为了简化计算模型，提出以下3点假设：

(1)大直径钻孔孔口与斜井井口标高相同，且底部位于同一水平，即遇险人员在井筒逃生过程中垂直逃生的高度相同；

(2)逃生人员在大直径钻孔内和斜井井筒内保持恒定的速度；

(3)逃生人员在大直径钻孔内通过逃生梯逃生。

依据我国相关建筑建设标准，从爬楼梯的最佳舒适度角度分析，推荐楼梯角度为30°，假设人员行进速度与角度呈线性关系，倾角为α时人员的行进速度见式(1)：

(1)

式中：vα——倾角为α时人员行进速度，m/s；

v0——倾角为0时人员行进速度，根据人员疏散基本参数分析，30～60岁人员平均疏散行进速度为1.18 m/s；

v30——倾角为30°时人员行走速度，取0.58 m/s。

根据图1所示，由式(2)确定斜井井筒逃生时间：

(2)

式中：tl——斜井井筒逃生时间，s；

L——斜井井筒长度，m；

vl——斜井内行进速度，m/s；

H——为大直径钻孔长度，m。

图1 大直径预钻孔和斜井示意

因为我国相关建筑建设标准推荐的楼梯角度和一般工业用逃生梯的角度均为30°，因此，采用30°作为逃生梯的代表性角度，并以此计算其适用深度和井底到井口逃生人员沿逃生梯实际行走的长度(H/sin 30°)。由式(3)计算得出大直径钻孔内人员逃生时间：

(3)

式中：th——大直径钻孔内逃生时间，s；

vh——大直径钻孔内行进速度，m/s；

β——速度折减系数，由于逃生梯内行进速度略慢，取0.8。

则大直径钻孔与斜井逃生时间的比值η可由式(4)计算得出:

(4)

将式(4)绘制成曲线如图2所示，由此可得到：从逃生时间考虑，大直径钻孔与斜井逃生时间的比值η与埋深H无关，即不能将埋深作为选择大直径钻孔和斜井逃生方式的依据；倾角α≤15°或α≥40°时，大直径逃生钻孔逃生时间较短，倾角15°<α<40°时，斜井逃生时间较短，当选用斜井逃生方式时，斜井的倾角应该在15°～40°之间。

图2 大直径钻孔与斜井逃生时间对比曲线

3 自救器临界适用深度试验论证

3.1 自救器理论防护时间

在井下灾害发生时，避险逃生过程中人员体力消耗大，狭小黑暗环境下心理承受能力存在极限，逃生时间不宜过长[8]。综合考虑人员逃生体力和心理承受能力，在井筒内逃生佩戴常规的45 min自救器较为合理，这是由于45 min自救器具有相对体积小、重量轻、携带方便等特点，且在矿井普遍配备，更适合人员在大直径钻孔内的逃生梯以及斜井内逃生使用。

逃生人员在剧烈运动情况下，瞬时耗氧量大幅增加，因此还要考虑到自救器有效防护时间存在低于额定防护时间的可能性。根据登楼梯能量消耗的测量与统计中研究结果表明，耗氧量随时间的变化规律初始阶段呈急剧上升趋势，高度到达5～6层或70 s时出现明显的拐点，随之变化规律进入平稳阶段。以不同年龄人群均速90 步/min爬楼梯[9]，20岁男性平均耗氧速率为29.6 mL/(kg·min-1)，50岁男性平均氧耗速率为27.6 mL/(kg·min-1)，计算过程中取平均值28.6 mL/(kg·min-1)[10]。进入逃生通道前已逃生一段时间，体能产生一定的消耗，可以认为其耗氧速率已经进入稳态期。则避险人员在逃生时的耗氧量见式(5)[11]：

(5)

式中：Y——避险人员在逃生时的耗氧量，mL；

M——人员体重，我国男性平均体重66 kg；

t——登楼梯时间，min。

将相关数值代入式(5)得，Y=1 887.6t。

额定防护时间45 min，是指能够按照1.2 L/min持续稳定供氧45 min，则自救器可以提供的总氧气量Y=54 000 mL。由此可得，45 min自救器登楼梯过程中的等效防护时间t=29 min。

3.2 防护时间内登高高度

为了合理掌握井下逃生人员负载登梯的速度、高度、时间、平均心率、最大心率、热耗、自救器使用时间之间的关系，组织试验人员进行模拟登高试验。试验人员选取年龄在40～50岁之间，3人；30～40岁之间，3人；20～30岁之间，3人[12]，佩戴45 min压缩氧自救器，通过数据采集仪器，将记录速度、心率、压力、时间、高度等数据。不同年龄段试验人员高度、自救器余压与时间关系如图3。

图3 不同年龄段试验人员高度、自救器余压与时间关系

由图3可以得出，45 min压缩氧自救器在高强度活动条件下，如井下工人逃生过程等环境中有效的使用时间约30 min。由于试验人员的体能相比煤矿工人较差，所以年龄段在40～50岁的试验人员的登楼高度不具有现实代表意义。

通过理论计算和试验论证的综合分析，可以得出45 min压缩氧自救器的有效使用时间为29 min。由于我国煤矿井下工人配备使用的自救器的额定防护时间多数为45 min，相比其他规格的自救器更适用于井下工人的逃生条件。

由图3可以看出,20～30岁年龄段试验人员所达到楼层高度为95层，经过计算，达到的垂直高度约245 m；30～40岁年龄段试验人员所达到楼层高度为75层，经过计算，达到的垂直高度约194 m。

因此在45 min压缩氧自救器的有效使用时间内，逃生人员登高所达到的高度在194～245 m之间，如果使用45 min自救器逃生一段距离或者防护一段时间，实际能达到的高度远低于此高度，取1.2的安全系数[13]，在实际试验中，自救器可以达到高度为162～204 m，此试验对逃生梯中逃生的适宜深度具有实际指导意义。

3.3 运动强度分析

不同年龄段试验人员运动强度如图4所示。由图4(a)可以看出，年龄段在40～50岁的试验人员一直处于高强度无氧运动，个别事件点已经处于过度运动(危险)阶段，分析其原因是试验人员自身的体能较差，长时间的登高运动过程中体能衰减较快，产生气喘、呕吐等反应。这种现象与试验人员长期不从事重体力劳动有关，因此不能代表煤矿工人的较好体能；由图4(b)和图4(c)可以看出，这部分试验人员的运动大部分处于肌耐力训练阶段，随着登高的高度增加，逐渐进入到高强度无氧运动阶段，说明试验人员体能较好，切合煤矿井下工人的真实体能。

图4 不同年龄段试验人员运动强度

4 自救器临界适用深度理论计算

4.1 逃生梯踏步速度

通过折返楼梯登梯试验，可以得到试验人员的登梯速度变化和心率变化曲线，选取具有代表性的曲线，如图5所示。

图5 不同年龄段试验人员登梯速度变化和心率变化曲线

根据测试软件对试验人员的速度进行统计分析，得出试验人员的平均速度，见表1。

表1 不同组别试验人员平均速度

选取试验人员最低平均速度为标准速度，通过环境参数对标准速度进行修正，得到人员在逃生梯内的平均速度，速度修正公式见式(6)：

(6)

n——踏面宽度影响系数，即踏面宽度与试验台阶踏面宽度比值，取0.72；

q——爬梯影响系数，取0.92。

将相关数值代入式(6)，得到逃生梯中踏步逃生的平均速度约为1.3 km/h。

4.2 适用深度理论分析

为了安全，大直径钻孔孔底设置避难硐室[14]，作为保障生命安全的最终防线。极端情况下，地面压风系统出现损坏，人员在进入逃生梯之前需要更换新的自救器[15]，人在剧烈体力消耗的过程中，需氧量增大，按照登高过程等效防护时间29 min计算，得出适用高度见式(7)：

(7)

则H≤320.2 m。

因此，为了保障安全，选取安全系数f=1.2，基于等效防护时间的大直径钻孔逃生梯逃生最大适用深度Hh≈267 m。

同理由式(2)可得：

(8)

将相关数值进行验算，则：

(9)

当15°<α<40°时，斜井逃生时间较短，由Mathematica软件计算得知，α=27.3°时，H值最大，为492 m。

为了保障安全，选取安全系数f=1.2，则基于等效防护时间的斜井最大适用深度Hl=410 m。

5 结论

(1)从逃生时间考虑，大直径钻孔与斜井逃生时间的比值与埋深无关，埋深不能作为选择逃生方式的依据，当斜井倾角α在15°～40°之间时，选择斜井逃生时间最短，其余角度直井为宜。

(2)通过自救器理论防护时间计算和登高试验得出，逃生过程中有效的使用时间约30 min，理论与实际计算结果一致，折返梯登高高度在162～204 m 之间，对逃生梯的适用深度具有参考意义。

(3)通过对逃生梯踏步速度计算得出，平均速度约为1.3 km/h，大直径逃生钻孔逃生梯最大适用深度267 m，斜井最大适用深度410 m，对现场工程中逃生通道适用深度选择具有现实指导意义。