煤炭是我国的主要能源。我国的煤炭生产以井工开采为主，煤层赋存及开采条件复杂，灾害种类多，且多种灾害并存、互为诱因，严重威胁煤矿安全生产。党和政府一直高度重视煤矿安全工作，近些年来通过加大科技投入、健全法律法规、强化安全监管和优化产能结构，煤矿安全生产状况明显好转，事故总量和死亡人数大幅下降。但是，由于我国煤炭产量大、煤矿开采地质条件复杂、开采与安全保障技术及管理水平发展不平衡，煤矿重特大事故还时有发生，2016年我国仍发生煤矿特大事故2起，重大事故8起，煤矿安全形势依然严峻。煤矿重特大事故造成的人员伤亡惨重、经济损失巨大、社会影响恶劣，防范煤矿重特大事故的发生是安全工作的重中之重。党的十九大报告中指出“树立安全发展理念，弘扬生命至上、安全第一的思想”，“坚决遏制重特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力”。为认识煤矿重特大事故产生规律，作者对1949—2016年我国发生的一次死亡30人及以上的煤矿特大事故和2000—2016年国内外发生的一次死亡10人及以上的煤矿重大事故进行了系统的总结与分析，提出了煤矿热动力灾害概念，构建了煤矿热动力灾害学内容体系，对防范与遏制煤矿重特大事故提供借鉴。
1 煤矿中的热动力灾害
煤矿热动力灾害是指可燃物在煤矿井下发生的非控制燃烧与爆炸，通过热化学作用产生的高温、有毒烟气和冲击波造成人员伤害和环境破坏的灾害，包括煤自燃、煤燃烧、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤尘爆炸和外因火灾6种形式(图1)。
图1 煤矿热动力灾害类型
Fig.1 Types of thermodynamic disasters in coal mine
据笔者统计，在2000—2016年我国发生的488起一次死亡10人及以上的煤矿重大事故中，热动力灾害事故有293起，占比57.4%;在1949—2016年发生的294起一次死亡30人及以上的煤矿特大事故中，热动力灾害事故有245起，占比83.6%(图2)。此外，1949—2016年间共发生24起死亡100人及以上的特大事故，其中热动力灾害事故22起，占比91.7%。以上统计结果表明，随着事故等级的提高，热动力灾害事故起数在事故总起数中的比例呈现增加趋势。笔者也对世界上的主要产煤国家2000—2016年发生的49起煤矿重特大事故进行了统计，其中热动力灾害事故43起，占事故总数的87.8%，且随着事故等级的提升(由重大到特大)热动力灾害事故比例从78.6%提高到100%。由此可见，煤矿热动力灾害事故是煤矿重特大事故的主体。
图2 我国不同级别煤矿事故中热动力灾害占比
Fig.2 Proportion of thermodynamic disasters in different levels of coal mine accidents in China
当前，煤矿热动力灾害防治存在的主要问题是缺少系统性和综合性。现有的防治方法将瓦斯、火灾、煤尘等灾害分列，未能系统地构建起煤矿热动力灾害的防治体系。如瓦斯灾害防治主要涉及瓦斯赋存、流动及各类抽采方法;矿井火灾主要涉及煤矿中煤炭、坑木、胶带等固相燃料[1]，重点是煤自燃[2]，较少涉及气相类物质的燃烧;煤尘灾害防治主要涉及减尘、降尘和除尘技术[3]。现有防治技术一般只涉及单一可燃物(煤、瓦斯、煤尘等)和单一成灾要素(可燃物、供氧和点火源)，较少涉及引发燃烧爆炸的点火源、通风与燃烧爆炸的关系、次生灾害产生过程及机理、燃烧与爆炸的相互转换、发生燃烧与爆炸后的逃生与救援等。这种将热动力灾害分解为各单项分支的做法的致命缺点就是忽视了热动力灾害的整体特征以及各部分之间的内在关联，即“只见树木，不见森林”。
美国投资思想家查理·芒格(Charlie MUNGER)把那种只会用单一学科知识思考的人称为“铁锤人”，因为当你手里只有一把铁锤的时候，看什么东西都是钉子[4]，因此，也就失去了起码的基于事实的判断力。例如，只拥有煤自燃的知识，一旦发现井下的煤着火，就认为是煤自燃，只采取防治煤自燃的技术措施，实际上也可能是爆破、瓦斯燃烧或其他可燃物引发的煤燃烧，对真实的致灾原因没有弄清楚，采取的措施就难以取得效果。又如，治理瓦斯只知采用抽采方法，不管什么条件，就千方百计打钻抽采，很可能增加采空区漏风引发煤自燃或瓦斯燃烧等问题。要防止片面性，不能限于单一知识，要进行系统的观察和分析，具体问题具体分析，才能避免偏差和狭隘。将知识进行融合的关键，是能够洞察出知识背后的联系。
煤矿热动力灾害学就是系统研究煤矿燃烧与爆炸灾害的一门科学，研究煤矿中各种可燃物、供氧条件和点火源的孕灾机制与耦合关系，研究热动力产生的高温、烟气和冲击波在井下受限空间中的致灾特性，研究热动力灾害事故的预防、救援与处理技术。煤矿热动力灾害学的组成如图3所示，矿井中的煤、瓦斯、煤尘和其他可燃物在井下通风(富氧)区域和非通风区域产生煤自燃、瓦斯爆炸等6种灾害类型。造成煤矿井下燃烧与爆炸灾害的点火源主要有放电、爆破、摩擦撞击、自热、违规明火等。煤矿热动力通过高温、有毒烟气和冲击波3种致灾因子对井下人员和系统造成伤害。灾变处理主要采用井下消防系统、注三相泡沫、注惰性介质和密闭等技术措施。
图3 煤矿热动力灾害学构成
Fig.3 Theoretical system of thermodynamic disasters in coal mine
2 煤矿热动力灾害的特性
煤矿热动力灾害的特性主要表现为关联性、易发性和严重性。
2.1 关联性
煤矿井下的主要可燃物是煤炭与瓦斯，二者相伴而生;除此之外，煤矿建设与开采中还使用大量的可燃物材料。不同可燃物的燃烧与爆炸构成了煤矿热动力灾害的多样性，各热动力灾害类型间相互关联、互相转化，常常形成复合性灾害，如图4所示。由于煤和瓦斯在煤矿井下的广泛分布性，各种类型的热动力灾害之间存在相互关联和复合致灾的显著特征，如煤自燃可引发瓦斯燃烧与爆炸，瓦斯爆炸会诱发煤尘爆炸，瓦斯燃烧与爆炸可导致煤燃烧和其他外因火灾等。1949—2016年间我国共发生10起煤燃烧(含自燃)引发的特大瓦斯爆炸事故，55起瓦斯爆炸诱发的特大煤尘爆炸事故;24起百人以上的特大事故中，发生热动力灾害事故22起，其中瓦斯煤尘爆炸事故10起;2000—2016年间共发生9起煤燃烧(含自燃)引发的重大瓦斯爆炸事故，6起瓦斯爆炸诱发的重大煤尘爆炸事故。准确认识煤矿热动力灾害中各种可燃物相互关联的特性，对热动力灾害的预防与控制具有重要意义。
图4 煤矿中各种热动力灾害类型的相互作用关系
Fig.4 Interaction between various thermodynamic disasters in coal mine
2.2 易发性
可燃物、氧气和点火源是燃烧爆炸灾害的3要素。煤矿中煤与瓦斯等可燃物的广泛分布、供氧条件的普遍存在，加之煤能自燃、瓦斯点火能量低的特性，使得煤矿热动力灾害3要素易得到满足，形成了其易发的特性。
煤为一种多孔固相介质，具有自燃与燃烧特性。煤自燃主要发生在非通风区域的采空区及其他漏风区域。发生自燃的是被采动作业破碎的浮煤，浮煤具有与氧气接触的较大表面积，其自燃的条件除了煤的自燃倾向性和供氧条件外，浮煤厚度(一般不低于0.4 m)与持续时间也是煤自燃的必要条件。采空区及受应力作用的巷道周边存在浮煤和漏风，经历一段蓄热时间后浮煤就会发生自燃。由于浮煤自燃火源的隐蔽性和维持燃烧时间的持久性，易导致采空区内的瓦斯燃烧与爆炸，也可引燃其它可燃物。
与煤伴生的瓦斯主要以吸附方式赋存于煤的裂隙和孔隙中，一旦受采动影响，卸压作用导致瓦斯以游离方式进入采场中，当瓦斯与空气适量混合后就具有燃烧爆炸特性。含瓦斯的混合空气的最小点燃能量很低，仅为0.28 mJ左右，在干燥的天气里，人的手指触碰门把手时产生的静电火花的能量就能引发甲烷爆炸[5]。由于井下点火源众多以及瓦斯易被点燃的特性导致了井下瓦斯事故频发。
在井下有沉积煤尘存在的地点，煤尘的平均堆积厚度只要超过0.33 mm(设巷道宽5 m、高4 m)，扬起的煤尘质量浓度即可达到煤尘爆炸下限50 g/m3，一旦发生瓦斯爆炸或其它含有点火能力的动力(爆破、机械撞击等)使煤尘悬浮在空气中就会发生煤尘爆炸。煤尘爆炸具有更大的破坏力，会造成更多的人员伤亡。
2.3 严重性
在国内外煤矿重特大事故中，热动力灾害事故在死亡人数、事故起数及造成的经济损失上一直高居各类灾害之首。这主要是因为热动力灾害在发生过程中，会产生高温、有毒烟气以及冲击波这3种危害极大的致灾因子。高温可导致风流紊乱，冲击波可直接破坏井下通风系统，有毒烟气作用范围广、致灾能力强，这些就构成了热动力灾害致灾的严重性。煤矿重特大热动力灾害事故的发生与通风系统密切相关，不可靠的通风系统特别容易造成重特大事故发生。通风问题主要表现为超通风能力生产和风量不足、漏风严重、风流短路、通风系统不完善等。此外，重特大事故也与通风系统类型有关。在2000—2016年发生的重大热动力灾害事故中，采用中央并列式通风系统的事故矿井占44%，采用中央边界式通风系统的事故矿井占17%(图5)。由此可见，重特大热动力灾害事故更容易发生在采用中央式通风系统的矿井中，这是由于中央式通风系统中，风流在井下的路线为折返式，风流路线长，通风阻力大，可靠性较低。
图5 2000—2016年煤矿重大热动力灾害事故矿井通风统比例
Fig.5 Proportion of different ventilating systems in thermodynamic disasters
3 煤矿热动力灾害中的几个认识误区
煤矿热动力灾害学是一个较完整的科学体系，以往缺少相关的系统研究，导致未能正确认识煤矿热动力灾害中的一些关键问题，常存在以下认识误区。
(1)高瓦斯、自燃煤层才面临瓦斯与火的复合灾害问题。
通常认为，只有高瓦斯、自燃或易自燃煤层才会发生复合灾害。这种观点认为煤自燃先引发煤层着火，然后煤层着火又导致瓦斯灾害，而忽略了瓦斯燃烧或其它可燃物的燃烧，先导致煤着火，然后又引发瓦斯灾害。实际上，我国许多开采不易自燃煤层，或自燃煤层但最短发火期较长的矿井，经常面临瓦斯与煤着火的复合灾害问题。如宁夏白芨沟煤矿、汝箕沟煤矿的煤鉴定为不易自燃，但在实际生产过程中，这两个矿煤着火的情况都很严重。2003-10-24，宁煤集团白芨沟煤矿2421-1综放工作面采空区发生煤层着火和瓦斯爆炸，造成全矿井封闭。2005-05-12、2011-06-04，汝箕沟矿开采作业时发现明火，两次均造成全矿井封闭。山西阳泉煤业集团开采的煤为不易自燃的无烟煤，但在2007年9月至2008年9月的一年时间内，因煤着火，封闭了4个采煤工作面。这些矿井工作面着火的主要原因是由于煤层的瓦斯含量高，放顶煤工艺中实施爆破落煤，或顶板周期来压时的岩石摩擦，或锚索与岩石、刮板与溜槽之间的摩擦等，造成瓦斯燃烧，然后引发煤着火。煤层一旦着火，持续时间长，难以熄灭，又成为引发瓦斯燃烧与爆炸的点火源。因煤中瓦斯含量高、涌出量大，在控风灭火过程中易造成瓦斯爆炸，白芨沟煤矿在实施全矿井封闭后，连续出现了上百次的瓦斯爆炸。
以上的分析与实践已表明，高瓦斯矿井都面临瓦斯与煤着火的复合灾害问题，不易自燃的煤层因煤变质程度高而瓦斯含量大，由于瓦斯(含瓦斯与空气的混合气体)的点火能量很低，更易引发煤着火，面临更严重的瓦斯与煤着火的复合灾害。
(2)低瓦斯矿井不易发生热动力灾害。
通常认为高瓦斯矿井由于瓦斯含量和涌出量大，发生瓦斯灾害事故的概率就应更高，因此，低瓦斯矿井应比高瓦斯矿井更完全。事实却不是这样，据对我国2000—2016年发生的重大瓦斯(煤尘)爆炸事故的统计，低瓦斯矿井占比超过一半，高达54%;高瓦斯矿占比为35%;仅有11%的重大瓦斯(煤尘)爆炸事故发生在突出矿井。与之类似，1949—2016年间发生的特大瓦斯(煤尘)爆炸事故中，有43%发生在低瓦斯矿井，47%发生在高瓦斯矿井(图6)，10%发生在突出矿井。由此可以发现，低瓦斯矿井发生瓦斯(煤尘)爆炸事故的概率与高瓦斯矿井大体相当。
图6 不同瓦斯等级矿井重特大瓦斯(煤尘)爆炸事故占比
Fig.6 Proportion of gas (coal dust) explosion accidents in coal mines with different gas grade
低瓦斯矿井事故多发的原因主要有以下几个方面:① 低瓦斯矿井设计产能大，瓦斯涌出的绝对量大;② 低瓦斯矿井配风小，通风排瓦斯能力弱;③ 即使少量的瓦斯在小范围的通风不良或非通风区域也能够形成达到爆炸极限的预混气体，加之瓦斯的点火能量极低;④ 低瓦斯矿井易造成管理人员思想上的麻痹，瓦斯抽采等装备及治理措施不完备，导致低瓦斯矿井的瓦斯爆炸事故多发。
(3)抽采瓦斯就能杜绝瓦斯事故的发生。
煤矿抽采瓦斯除了消除煤层突出危险性以及瓦斯资源化利用外，更主要目的是降低风流中的瓦斯浓度，保障矿井的安全生产。但是，在实际生产过程中，由于受到地质构造、采区接替时间等客观条件的限制，瓦斯抽采效果或抽采时间难以保证，通风的重要性尤为凸显。一些矿井，如山西西山屯兰煤矿、陕西铜川陈家山煤矿、吉林通化八宝煤矿都配有完善和先进的瓦斯抽采设备，已实现抽采达标，但是由于通风设计与管理问题导致了瓦斯的异常积聚，均发生了特大瓦斯爆炸事故。瓦斯治理必须建立和全面落实“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的体系，不能只限于单一措施，才能杜绝瓦斯事故。
(4)煤矿热动力事故的发生是管理问题。
煤矿热动力事故产生的原因，一种较流行的观点认为是管理问题。事实上已发生的煤矿热动力事故大多是责任事故，但据此认为其原因是管理问题则是片面的。由于采矿过程中煤与瓦斯分布、漏风及点火源条件的复杂性和不确定性，至今，人们对煤矿热动力灾害的规律还未完全认识清楚，对采矿空间中的瓦斯分布及浮煤堆积状态、瓦斯与空气的预混条件，灾变过程中封闭火区及救灾过程中次生灾害的危险性评价与控制，都还缺乏全面系统的了解，逃生与救援还缺少完善的技术，更缺少综合的防治理论与技术，这是导致该类事故时常发生的根本原因。
由于热动力灾害的易发性，尤其是由岩石摩擦等自然因素导致的点火源危险性增加，更使人们对其成灾因素认识不足。2006年美国Sago煤矿发生瓦斯爆炸造成12人死亡，事故调查表明是地面闪电传导到井下，点燃了采空区内的瓦斯[6-7]。2010年美国UBB煤矿发生的死亡29人的瓦斯煤尘爆炸事故，其点火原因是采煤机的截齿与煤层夹矸中的石英砂岩摩擦火花所导致的瓦斯燃烧，继而转化为瓦斯爆炸，最后又诱发煤尘爆炸[8]。一些矿井采空区内发生的瓦斯燃烧与爆炸，其点火源不仅是煤自燃，还有可能是坚硬顶板(含有石英的砂岩)在矿井开采周期来压时的顶板破裂摩擦，特别是一些采空区内因煤柱破裂漏风、瓦斯抽采参数不合理或瓦斯抽采钻孔或探排水钻孔的封孔失效导致的漏风等。这些问题目前都还缺少研究，更缺少相应的防治技术，因此，煤矿热动力灾害的发生不完全是管理问题，更主要是由于对其产生原因不明及防治技术不足造成的。
(5)注惰性介质就能解决防灭火问题。
因煤矿注水注浆防灭火技术扩散范围小，且对矿内环境及设备造成影响，许多矿井向防灭火区域注氮气或二氧化碳，为了提高惰性介质的降温能力，还发展了注液氮或液态二氧化碳技术，近些年这些技术在我国得到了较广泛的应用。实际上，向煤矿井下灌注惰性液体时，为防治冻管或出口被冻，需要先对其进行气化，其终端输出状态仍为气态，因此，无论注惰性气体或液体，都是通过稀释注入区域的氧气而降低氧气浓度进行防灭火，其降温能力很弱。煤矿井下注惰的目标区域分为两类:正在作业工作面的采空区和已密闭的区域。由于正在作业的工作面需要通风，与工作面相连的采空区，属于半开放式的区域，并不能形成封闭状态，此时对正在作业工作面的采空区注惰性介质防火，因受漏风的影响，其稀释氧气浓度的作用有限。向已封闭的区域注惰性气(液)体主要用于灭火目的，尽管对封闭区域注惰性介质会有效降低封闭区内的氧气浓度，但已有的研究表明，煤在阴燃条件下，其熄灭的极限氧气体积分数为2%～3%[9-12]，由于采空区中的实际漏风通道多，加之惰性介质中也会含有一定量的氧气，故惰性介质的防灭火性能十分有限，许多实际案例都已证明了这点。
(6)矿井隔爆设施的作用不大。
有人根据国内已发生的多起重特大事故，认为矿井都已设有隔爆设施，但事故仍然在井下较大范围扩散，造成大量的人员伤亡，表明隔爆设施没有起到应有的作用。实际上，应认识到隔爆设施的主要作用是隔离火焰(燃烧波)而非冲击波的传播，防止灾害更大范围的扩散。对于火焰有可能传播的区域，如果正确设置隔爆设施，无论是隔爆水槽或岩粉棚都能有效隔离火焰的传播，美国UBB煤矿发生的瓦斯煤尘爆炸事故已充分证明了其隔离火焰的作用。此外，热动力灾害中的人员伤亡大多数是被灾变烟流窒息死亡，并不是隔爆设施没有起到作用的缘故。
(7)热动力灾害事故中人员无法逃生。
通常认为，在非热动力灾害的水灾、突出等事故中，灾区人员逃生及生存的成功概率高，而在热动力灾害事故中，受困人员则难以自救逃生。实际上，当燃烧与爆炸的火焰侵袭到灾区人员时，由于温度很高，而人的耐高温能力仅有60 ℃左右，因此在该条件下人员难以生存，但若过火时间不长，灾区人员仍有逃生希望。2011-05-22发生的荣县新胜煤矿瓦斯爆炸事故中，3名矿工距离瓦斯爆炸源较近且全身过火被烧伤，在直接被火焰波和冲击波伤害后，通过互助互救寻找新鲜风流而最终逃生成功[13]。2005-08-27贵州老屋基矿瓦斯爆炸事故的4名生还矿工回忆“从工作面处传来‘轰’的一声巨响，一团火球迎面扑来，顿时被炸翻在地”，恢复意识的4人爬行逃生，最终获救[14]。爆炸冲击波对人员的伤害是通过超压作用造成的，其压力与受限空间的大小有关，在狭小空间内爆炸的压力会对人造成严重伤害，在回采工作面等开放式的空间内，冲击波的压力是有限的。在美国UBB煤矿发生的瓦斯煤尘爆炸中，有实证表明在爆源附近的超压低于91 kPa，在附近区域的一名矿工在冲击波携浓烟来临时立刻屏息佩戴上自救器，还给另一名昏迷的矿工戴上自救器，两人均成功逃生[8]。美国有关研究人员曾对3起外因火灾事故中成功逃生的48名井下人员的逃生经验进行了认真总结，这些人员冒着浓烟，承受极大的心理和生理压力，经数次折返并最终成功逃生[15]。重庆能源石壕煤矿外因火灾事故中，4名井下作业人员被大火围困于掘进工作面，他们借助自救器、中途钻破风筒取氧，穿越20 m火区和500 m浓烟带成功突围逃生[16]。许多实际案例表明，认真制定灾变处理计划，加强逃生知识的培训与演练，在煤矿热动力灾害事故中同样可实现成功逃生。
4 结 论
(1)煤矿热动力灾害是煤矿重特大事故的主体，随着煤矿事故等级的增加，煤矿热动力灾害事故在煤矿重特大事故中的比重增加。
(2)煤矿中可燃物种类多、可相互作用和转化，煤可自燃、瓦斯的点火能量低，热动力灾害产生的高温、烟气和冲击波致灾范围广，使得煤矿热动力灾害具有关联性、易发性和严重性的特性。
(3)现有的煤矿热动力灾害被分解为各单项分支，热动力灾害的整体特征以及各分支之间的联系被忽略，导致在热动力灾害认识方面存在许多误区，在防治工作中缺少系统性和综合性，构建煤矿热动力灾害学体系具有重要意义。
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