礦井開采設計的減災思考
［關鍵詞］案例03manbetx ；礦井設計；減災思考；減災措施
煤礦爆炸02manbetx.com 之所以傷亡人數多，在很多情況下都是由於爆炸摧毀了通風設施，爆炸波的有毒氣體大麵積漫延造成的。在礦井開采設計過程中，將各個方案在不同地點發生爆炸02manbetx.com 時，礦井各係統將如何演變，02manbetx.com 可能漫延到何種程度，應作為法定設計程序的一個步驟，以找出損失最小的方案。這不同於井巷已經形成以後每年都要編製災害預防計劃，更不同於事故發生以後，要找出的經驗教訓和整改措施。當然，為了說明這個觀點，還是要討論已經發生的事故。
案例一
1990年七台河礦務局桃山礦七采區煤與瓦斯爆炸事故。事故03manbetx 認定，爆炸前4h，礦井事故停電，七采區一水平68層順槽掘進工作麵瓦斯積聚，大巷送電後，架線電機車牽引一列車駛來，掘進工作麵瓦斯爆炸。爆炸波到達大巷時，受到列車阻擋，衝擊波反射衝擊煤倉下口，煤倉開口放煤堵塞大巷，爆炸波轉向采煤工作麵。這次事故共造成33人死亡。見圖1。
事故發生時，爆炸起源點所在的巷道沒有人，也沒有送電。所以很難解釋爆炸是如何發生的。有人提出可能是雜散電流引爆雷管。但計算表明，即使有雜散電流，其最大電流強度比引爆雷管所需的電流強度小一千倍，能量小一百萬倍，不能導致爆炸。
案例二
1997年5月28日撫順礦務局龍鳳礦煤與瓦斯爆炸事故。情況類似。也是礦井事故停電4h，掘進工作麵瓦斯積聚。爆炸發生時，這個掘進工作麵沒有電，也沒有人作業。由於采煤工作麵就在這個掘進工作麵的對麵，爆炸波通過采煤工作麵。這起事故造成68人死亡。見圖2。
上述這兩起事故在追查時，人們最大的疑問是：沒有人，沒有電，怎麼可能爆炸?我就經曆過這樣一起瓦斯爆炸事故。1982年，七台河礦務局新建礦四采區發生瓦斯爆炸，事後查明，爆炸源是一段已經封閉了的下山掘進工作麵。由於不是永久停工，所以風筒沒撤出。根據風筒破損的方向以及其他跡象，可以判定，爆炸是1個錨杆脫落砸到鐵軌上產生火花引起的。這起事故沒有人員傷亡，我當時是這個礦的總工程師，參與了事故調查的全過程，我相信這個結論是真實的。
而對於前麵說的兩個案例，調查組對於事故是如何漫延的，有比較正確的敘述，可是對於即使發生爆炸，也能做到盡量減少人員傷亡，並沒有提出有針對性的措施。事實上，事故發生前，就井巷當時的現狀，能想到的減災措施也都做到了，如瓦斯斷電儀、隔爆水棚等。可是，盡管按規定采取了措施，仍然發生了特大事故。我看，事故的責任人，局長、礦長、總工程師，並沒有直接導致事故發生的明顯違章行為(當然，要找他們的毛病還是能找到不少的)。根據當時的政策，以傷亡人數決定對他們的處分。處分本應起到使人們吸取教訓的作用，但這兩個案例中，盡管受了處分，人們還是不知道，該怎麼做才能避免類似事故再發生。
類似事故可以說是數不勝數。2003年7月，雞西煤業集團城子河礦發生煤與瓦斯爆炸事故，情況也類似。也是係統停電，掘進工作麵瓦斯積聚，送電後，掘進工作麵修理電煤鑽，引爆瓦斯，波及采煤工作麵，總經理趙文林等一百多人死亡。事故調查時，還有人認為趙文林應當負相當大的責任。
這些案例說明，當井巷已經形成再來討論減災，隻能是修修補補，作用有限。如果在設計時，就考慮減災，就考慮到如果某點發生爆炸，怎樣才能使破壞、傷亡減到最小，結果會大不一樣。我們來當一次事後諸葛亮，看看這兩個案例在設計時可以怎樣做。
案例一隻要做兩件事。第一，68層順槽掘進工作麵在煤倉之後拉門；第二，拉門以後，先掘通風上山，貫通以後順槽再正常掘進。見圖3。這樣，即使掘進工作麵發生爆炸，也不會波及到采煤工作麵。
案例二如果將中央並列式的采區布置改為邊界上山布置，采掘係統互不聯通，也可以做到減災。如圖4。
圖4案例二改進方案
所以，礦井開采設計減災的第一個思路，是對多個設計方案進行事故推演，看可能發生爆炸地點一旦發生爆炸，事故將如何漫延，找出相對安全的設計方案和施工順序，可以使事故造成的危害最小。
案例三沈陽煤業集團紅菱礦煤與瓦斯突出事故。
這個礦是煤與瓦斯突出礦井，多次發生煤與瓦斯突出事故。為了準備1個回采工作麵的石門揭煤，用了1年時間進行鑽孔抽放，△h2等指標都合格，結果揭煤放炮28h後，於2001年12月28日發生煤與瓦斯突出，突出煤5000多噸，瓦斯40萬m3，死亡28人，通風處長、救護隊長、礦長、總工程師等多名幹部殉職。這個礦由於石門揭煤困難，導致采掘關係非常緊張，愈是緊張，石門揭煤就愈頻繁，形成惡性循環。和前麵幾個案例一樣，事故責任人也沒有多少明顯違章之處，規定的防突措施都執行了。但死了人，仍然要對有關責任人給以處分。但是，我們能從中汲取什麼教訓?執行了人們再加上的幾條規定，是不是就保證不再突出？
10多年前，丹麥有個煤礦發生了煤與瓦斯突出，死了6個人。政府撥款委托專家在世界範圍做了調研。調研結論是，目前人類的認識水平，還不能保證杜絕同類事故。於是，經國會批準，國家收購這個煤礦，予以關閉。當然，我並不是說應當關閉所有有煤與瓦斯突出的礦井，但至少有一些礦井的災害目前還無法治理時，也應當考慮關閉。
如果礦井不能關閉，而石門揭煤又非常危險，還有沒有辦法?我曾經和他們討論過，能不能不用石門揭煤。我建議這個礦的下一個水平大巷布置在煤層中，不做岩巷；所有的煤巷都在超前鑽孔的掩護下施工，可以不用石門揭煤。他們也說這可能是個好辦法。可是並沒有深入研究，更沒有照辦。我估計，他們的心態，照舊辦法做，盡管可能不管用，但有先例，不求有功，但可以減過。如果另搞一套，成則未必有功，出了問題就一定有過。在當前這種煤礦安全管理體製下，人們有這種想法是不奇怪的。
1997年5月28日撫順龍鳳礦的爆炸事故出來以後，擺在我們麵前的一個回避不了的問題就是，老虎台礦還能不能生產?老虎台礦是煤與瓦斯突出礦井，由於煤層條件變化，繼續沿用V型長壁水沙充填采煤法已經不可能了，采用放頂煤采煤法，當時的安全生產01manbetx 有6條限製性條文。如果不能采用放頂煤采煤法，老虎台礦必然關閉，撫順礦區將馬上破產。我當時用科學實驗的名義批準了他們的安全措施。2001年版煤礦安全01manbetx 更進一步，明文規定，突出煤層嚴禁采用放頂煤采煤法。我們隻好對每一個工作麵在投產前都由撫順分院做出鑒定，按規定報批。其實大家都知道，這條規定是很荒謬的。因為很明顯，放頂煤有利於地應力的釋放，緩解突出危險。但是這件事是皇帝的新衣，誰都不肯說破。
鐵法煤業集團三台子二井(現稱為大平礦)是高應力軟岩礦井，建井期間，馬頭門、井底車場、峒室大麵積損壞，立了1個重大科研項目，曆時3年，有的地點每米維修費高達4萬元，才算治理住了。這當然是很了不起的成績。但是，如果在設計階段認真考慮礦壓問題(有小康礦即三台子一井的實踐，我們對礦壓危害的嚴重性是有足夠了解的)，就不至於產生這麼大的礦壓災害，也可能不需要這麼治理。我看過德國一個礦深度1400m的井底車場，礦壓相當大，他們采用的是一個直徑11m的全圓斷麵大巷，7車道，空車線、重車線、材料車線、中央變電所、水倉、泵房等全都布置在這條大巷中。因而最大限度地避免了應力集中。他們隻要把直徑11m的大斷麵全圓大巷支護搞好就行了，而這當然不是很困難的。
所以，我們礦井開采設計減災的第二個思路，是客觀地研究災害，哪些是我們采取措施可以避免的，我們就采取相應的措施，哪些是由於人對客觀世界認識的局限性，我們所有的手段並不能確保安全的，就應該盡量避免或者繞開這種不利情況。
可以說，對於爆炸事故，風門、密閉之類的通風設施，是整個礦井各係統中最薄弱的環節；而通風設施，在相應的礦井設計中，又是必不可少的。我們現在要討論的，是在礦井開采設計裏，采用盡可能減少甚至不用風門、密閉之類的通風設施的方案。
采掘工作麵設計、采區巷道布置、采掘工作麵和采區的通風設計，是最基礎的技術工作，往往都是由基層的工程技術人員做的。他們可能經驗不多，做設計時照書本辦事，是自然的事。問題是存在的不等於是合理的。總工程師做了多年的技術工作，有了一些經驗教訓，也知道了一些與教科書不同的做法，有了一些與教科書不同的想法，但是總工程師往往要考慮宏觀的布局，很少有機會親手做這些基礎工作了。這也是我們幾十年一貫製，甚至謬種流傳的原因之一。我想，可以就以下問題開展爭論。
第一個問題，回采工作麵後退式推進、U形通風是最好的麼?關於回采工作麵的推進方向，書上一直介紹後退式最好。其實這種方式的通風對風門的依賴性最大，風流中任何一點發生事故，沿途所有相關聯的地點都可能受災。與它相比，采煤工作麵Y形通風更安全。這種方式，由於兩順都入風，瓦斯積聚的可能性減小，而且隻要回風巷不行人，不供電，沒有電氣設備，即使發生明火甚至爆炸，也不會波及其他巷道，回風巷中發生意外的可能性很小。過去，由於沿空留巷的維修費用較大，這種布置主要用於應付高溫熱害。現在，沿空留巷的技術已經很成熟，留巷成本甚至可能比掘巷低一半。
第二個問題，兩順采用單巷、雙巷或者3巷4巷，哪種方法好?我們過去認為，沿空留巷或沿空掘巷都不易控製，3巷或4巷掘進率過高，所以習慣采用雙巷。如果兩條巷道同時並行掘進雙巷布置還有益於掘進時風管理的優點，但缺點甚多。煤柱留小了，可能由於壓力迭加而被壓垮，煤柱留大了，回收率降低。在近距離累煤層開采時，缺點更明顯。與它相比，沿空留巷或者沿空掘巷的單巷處於免壓帶，在定向巷道使用，效果更好。由於煤巷掘進裝備和技術的進步，煤巷掘進煤已經是礦井收入的重要部分，也可以考慮采用美國常用的3巷或4巷。這種方式對通風安全有利，長壁工作麵采完以後，煤柱幾乎可以全部回收。
第三個問題，采區內的中央並列式巷道布置是安全的麼?我們翻翻教科書，看看國內各種文獻資料，就會發現大多數的采區采用中央並列式巷道布置。我看，這種采區巷道布置是從片盤斜井套用過來的，並沒有誰做過認真的技術經濟03manbetx 。我們可以找一個采區進行圖上作業，在走向兩翼邊界布置上山，計算一下巷道長度，就會發現，兩翼邊界上山方式與中央並列式比，其移交生產工程量、萬噸掘進率都較低，采煤工作麵尺寸倍增，工作麵搬家次數減半。這種采區巷道布置的最大優點是安全。它可以做到采煤和掘進的通風係統、運輸係統等完全分隔，各自獨立。任何地點發生爆炸，產生的有害氣體都直接進入回風係統，不會威脅相鄰地點的安全。
所以，我們礦井開采設計減災的第三個思路，是客觀的審視過去在礦井開采設計中通用的習慣做法，要想一想，為什麼我們是這麼做的，為什麼別人是那麼做的，尋找現在的技術裝備條件下更合理、更安全的礦井開采設計。
50年來我國煤礦的種種條條框框，很多是從前蘇聯原封不動搬來的。其實他們的基本思路就是兵來將擋，水來土掩，並不高明。礦井有瓦斯，瓦斯能爆炸，爆炸條件一個是相當濃度的瓦斯，一個是火源，於是就要求瓦斯濃度不得超過多少，就要求電氣設備防爆，我們的質量標準就要求防爆率100%，邏輯嚴密得很，可是不見得管用。如雞西的這起事故，可能事故前檢查防爆率是100%，可是，僅僅1個工人打開電煤鑽的這一地點這一時刻不防爆，於是就爆炸，就死人，死一百多人。平時檢查的防爆率百分之百並不能保證不爆炸，不死人!
中國語言言簡意駭，有些人善於提出一些標語口號，真是朗朗上口。但這些口號正由於簡單，往往避免不了片麵性。諸如什麼“有水快流”，什麼“三年扭虧”，其效果都不好。在安全方麵，我們也免不了有類似問題。例如，現在產量倍增了，而礦井能力並沒有倍增，瓦斯爆炸事故頻繁，有人認為，顯然是風量不足，冒險作業所致。恐怕“以風定產”的命令就由此而來。上有政策，下有對策。於是大家紛紛要求重新核定礦井能力，結果，不用投資擴建，礦井能力也紛紛倍增了。
采用不同的采掘設備，采用不同的生產方式，單產單進的差異很大，礦井所需風量的差異也很大。中外煤礦生產建設的實踐都證明，礦井經過技術改造集中生產以後，所需風量成倍降低。也就是說，集中生產以後，如不提高礦井產量，則需要更換小號主扇，如不更換主扇，則通風能力有餘。我們過去核定礦井能力時，將通風能力、排水能力等也換算成煤炭產量，當時就被很多人所垢病，如再提到“以風定產”的高度，是否妥當，應當是可以討論的。
對我國近年來煤礦重大事故的分析表明，造成礦井局部風量不足的根本原因是單產單進太低，局部作業麵過多，人海戰術，突擊生產所致。片麵強調“以風定產”，一方麵可能不利於發現局部的風量不足，一方麵不利於礦井集中改造後效能的發揮。
美國煤礦安全的基本思路和我們不同。礦井風量按我們的習慣看要大幾倍，規定采空區也要配風，其乏風瓦斯濃度不得超過2%；同時，井下所有電氣設備都不防爆。效果如何?美國年產商品煤10億多噸，年死亡人數20－40人，多年沒有瓦斯爆炸事故。我國年產原煤達到20億噸，年死亡6000人，其中瓦斯爆炸事故死亡人數一半以上，這還是多年來的最好成績。兩種思路，孰優孰劣，一目了然。
所以，我們煤礦減災的的基本思路要改變。不應就事論事，應當有理論來指導。我1997年提出一個煤礦安全生產的理論框架，就是嚐試這樣做。我認為，熵理論、耗散結構理論和協同學理論是依次關聯的3個重要理論，在這3個理論的基礎上，可以建立1種煤礦安全評價體係框架，用以分析煤礦安全生產狀態，提出改善煤礦安全生產的途徑。
這個理論框架對煤礦安全生產的指導意義在於，明確指出煤礦是一個耗散結構。它服從耗散結構的一般規律。
第一，它的生存依賴於與外界進行物質、能量和信息的交換。
第二，係統越複雜，表明係統自身的熵越大，為了維持係統的運動就需要更多的能量交換。
第三，複雜係統比較容易失穩、崩潰和瓦解。這個理論指出，煤礦作為一個耗散結構，服從熵增定律。而熵增是表示係統混亂程度的指標。混亂是與發生事故的幾率正相關的。
這個理論還指出，煤礦作為耗散結構是要演化的。其進程受必然因素和偶然因素的共同影響，服從協同學的一般規律。
從上麵這些基本認識出發，我們可以分析，什麼樣的煤礦是相對安全的，怎麼做是對安全生產有利的。我相信這個理論框架基本是對的。當然還有很多名家提出更高明的理論。至於那個理論更符合實際，需要討論。但總不能沒有理論。我希望我們煤礦安全工作在理論的指導下，朝著有效的方向努力。
