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安全科学与工程
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随着我国社会发展进入新时代，人民美好生活对安全的需求提出了更高要求[1]。2018年10月10日，习总书记在中央财经委第三次会议上亲自部署自然灾害防治与能力提升九大重点工程。其中，第1项即为开展自然灾害风险调查和重点隐患排查工程[2]。地震[3-4]因其突发性和巨大破坏力被列为自然灾害之首，我国也是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。
煤炭开采是受地震灾害影响较为严重的安全生产行业。1976年“7·28”唐山大地震造成开滦煤矿井下工程受到不同程度破坏，矿井涌水量大幅增加[5-6]；2008年“5·12”汶川大地震造成川煤集团矿井涌水量急剧上升[7]；1903年日本伊豆群岛地震、1932年内华达州地震、1952年南加州地震等[8]多起地震活动后，强震震中区矿山、横切地震作用断层矿山均遭受严重破坏，如支架破坏、顶板垮落、井壁塌落、矿山淹井等。地震诱发煤矿次生灾害理论研究方面，陈波等[9-10]通过研究我国煤矿灾害事故及地震活动的时空分布特征，揭示了煤矿灾害事故丛集发生及其与地震活动伴随是我国煤矿灾害时空分布的基本特征。谢小建等[11]通过对地震活动与煤矿灾害事故关系进行研究，得到了地震活动在一定程度上控制煤矿灾害事故，地震活动对煤矿事故的影响范围比造成地面损失的范围要多。蔡美峰等[12]提出了地震诱发煤矿瓦斯灾害的成核机理，认为地震能量具备导致煤矿瓦斯灾害成核的可能性，地震震中与含瓦斯矿井间需要有活动构造作为能量传递的通道。GB 50011—2010《建筑设计抗震规范》[13]对场地、工业厂房、房屋等建构的抗震设计要求进行了规范,GB 51185—2016《煤炭工业矿井抗震设计规范》[14]针对矿井、选煤厂工程等抗震设防要求进行了明确。
风险管控和隐患排查治理双重预防机制是遏制重特大事故的重要举措[15]。风险客观存在于安全生产过程，只能加强管控不能根本上消除。隐患是导致事故产生的必要条件，建立完善的隐患排查与治理制度，从根本上消除事故隐患是预防事故发生的重要屏障。因此，隐患排查治理是提高安全基础保障能力重要途径[16-17]。2020年4月1日，国务院安全生产委员会提出了扎实推进煤矿安全治理体系和治理能力现代化，完善和落实重在“从根本上消除事故隐患”的责任和管理体系。中国矿业大学李爽教授[18]针对隐患排查，提出围绕政府监察监管部门、煤矿领导、机制建设人员、煤矿从业人员角度推进双重预防机制建设，以实现“防风险、除隐患、遏事故”的目标。王语萌[19]针对煤矿生产特点，提出了涵盖隐患排查治理的煤矿双重预防机制，并给出了隐患排查治理对策。
总结以上研究成果，专家学者对地震诱发煤矿次生灾害多停留在现象统计层面，对地震诱发煤矿次生灾害系统性防治工作研究较少，对地震诱发地震次生灾害隐患排查还未涉及，构建地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系是重大的现实需求。基于此，通过研究煤矿遭受地震灾害影响典型案例，根据地震灾害学、安全工程学与系统科学等理论，研究构建了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系。
1)案例1，1978唐山大地震[20-21]。在中国地震史和中国煤矿史中，开滦是遭受地震破坏最严重的矿区。1976年7月28日3时42分，唐山发生了7.8级大地震，大地震使开滦煤矿遭到毁灭性的破坏，矿区地面3 670 000 万m2的工业和民用建筑几乎全部倒塌，当时7个生产矿井的主要生产水平全部被水淹，淹没巷道大于300 km，有33 000多台设备被砸被淹，70%井筒受到不同程度破坏，部分煤矿井筒经修复才能使用，矿区供电、排水、通风、通讯、提升系统全部中断，百里矿区陷于瘫痪状态。唐山大地震开滦煤矿地面承灾体破坏场景如图1所示。
图1 唐山大地震开滦煤矿地面承灾体破坏场景[19]
Fig.1 Damage scene of surface disaster bearing body in Kailuan coal mine after Tangshan earthquake[19]
2)案例2，2008年汶川大地震[22-23]。2008年5月12日14时28分，四川省汶川发生8.0 级大地震，震区唐家河煤矿矿井停电、通讯中断、矿井涌水量急剧上升、地面房屋开裂、地表泉水涌出。大地震造成矿井砂岩岩层产生大量裂隙，同时各煤层采空区裂隙相互联通，裂隙水增大，涌入巷道，涌水量最高达843.938 m3/h。
3)案例3，山西煤矿系列瓦斯爆炸事故[24]。2001年11月14日17时26分，青海与新疆交界的昆仑山口西发生8.1级强地震，2001年11月14日至 22日，山西省清榆、坡底、大泉湾、湘峪和乔家沟5个煤矿相继发生瓦斯爆炸，这几个矿井处于鄂尔多斯地块东缘，地震震中与瓦斯爆炸矿井间有复杂的活动构造相联系(图2)。
图2 昆仑山口西Ms8.1地震与山西瓦斯爆炸煤矿地质构造关系
Fig.2 Relationship between West Kunlun Ms8.1 earthquake and geological structure of Shanxi gas explosion coal mine
通过以上案例可以看出，地震灾害容易诱发煤矿井巷工程破坏、矿井水淹、瓦斯事故、人员伤亡、设备损坏等系列灾害。
目前我国煤矿事故仍时有发生，煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井突水等动力灾害事故占比高达70%以上[25]。相关研究成果[26-28]也表明：煤矿动力灾害的发生与地震之间具有密切联系，地震活动在一定程度上控制煤矿灾害事故，煤矿灾害事故丛集发生及其与地震活动伴随是我国煤矿灾害时空分布的基本特征。
地震灾害发生后，地震作用引发煤矿所在区域应力环境、自然环境改变，造成煤矿承灾体结构损坏或破坏，从而诱发煤矿产生各种类型的次生灾害。通过对历史典型地震诱发煤矿次生灾害分析，总结得到了地震对煤矿影响较为严重的次生灾害类型包含：地震诱发煤矿次生矿井水害；地震诱发煤矿次生瓦斯灾害；地震诱发煤矿次生冲击地压灾害；地震诱发煤矿次生机电事故；地震诱发煤矿次生运输提升事故；井巷工程破坏，人员伤亡和设备受损等。
2.2.1 地震灾害对煤矿生产的影响未引起足够重视
目前，我国煤矿抗震设防现状距国家新时代新形势对矿山行业抗震要求还有不小差距。截至2019年末，全国煤矿数量约为5 300处，约90%以上的煤矿抗震设防现状不能完全满足(GB 51185—2016)《煤炭工业矿井抗震设计规范》对矿山行业抗震的要求。造成此现象原因多方面：① 第五代《中国地震动参数区划图》于2016年6月1日起正式实施，新一代区划图对全国抗震设防要求都有所提高，煤矿建设时期的抗震设防等级不满足最新抗震设防要求；② 我国多数煤矿建设年代久远，约50%以上煤矿建设于20世纪，当时受对地震及工程抗震的认识不足及经济落后所限，大多数煤矿矿井工程较少考虑工程抗震问题。
2.2.2 系统性承灾体隐患排查体系不健全
煤矿抵抗地震诱发次生灾害的承灾体类型多样，系统隐患排查难度较大。煤矿生产建设必需的地面工程、井巷工程、提升系统、通风系统、给排水系统、供配电系统、通信系统、矿山救护及消防设施、辅助设施(如兼用于应急救援系统的压缩空气站)等是煤矿比较重要的生命线工程，也是煤矿抵抗地震作用力的主要承灾体。承灾体是否存在安全隐患，决定了煤矿抗震能力的大小。若承灾体没有隐患，当地震发生后，地震诱发煤矿次生灾害发生的可能性较低，即使发生次生灾害，灾害影响程度也会较小。若承灾体隐患较多，承灾体不符合抗震要求，当地震发生后，地震诱发煤矿次生灾害发生的可能性较高，发生的次生灾害影响程度也会较大，不利于灾后应急救援工作的开展及生产工作的恢复[29]。地震诱发煤矿次生灾害主要承灾体分布特征如图3所示。
1—煤矿地面工程设施；2—矿山救护及消防设施；3—煤矿供电系统；4—煤矿提升系统；5—井筒支护；6—矿井主排水系统；7—矿井人员示意；8—矿井通信系统；9—矿井通风机站
图3 地震诱发煤矿次生灾害主要承灾体分布示意
Fig.3 Distribution of main disaster bearing bodies of coal mine secondary disasters induced by earthquake
图3中煤矿主要承灾体可能存在的隐患及与次生灾害类型的关系详述如下：
1)煤矿建设地面工程抗震隐患。煤矿建设多处于山区或紧邻采空塌陷区。崩塌、滑坡、泥石流及老采空塌陷区等不良地质体在地震力的作用下容易再次塌陷，会严重影响煤矿建设场地工程设施安全。在地震发生时，煤矿供电线路中断可能诱发煤矿次生机电事故、供电线路中断排水不及时可能诱发煤矿次生矿井水害，煤矿通风设施设备损坏可能诱发煤矿次生瓦斯灾害，另外，还可能导致人员伤亡和设备受损等。因此，煤矿地面工程若紧邻崩塌、滑坡、泥石流及老采空塌陷区等不良地质体，属于煤矿建设地面工程抗震隐患。
2)矿井井巷工程抗震隐患。井筒及巷道工程破坏在矿井地震后较常见，加强井筒浅部井壁结构强度、确保矿井主排水抗灾排水能力对抵抗地震灾害破坏程度是非常必要的，可为地震后人员撤离和抗灾提供宝贵时间，为快速恢复生产创造条件。在地震发生时，井筒及井巷工程破坏可能导致煤矿供电线路中断诱发煤矿次生机电事故、导致煤矿井下排水不及时诱发煤矿次生矿井水害、导致井巷损坏诱发冲击地压等。因此，煤矿井筒支护强度不足等属于矿井井下工程抗震隐患。
3)矿井提升、通风系统抗震隐患。保障提升、通风系统承灾体震后正常运行是保障煤矿工人安全的必要条件。在地震过程中，提升机房、通风机房等起重机容易发生坠落，具有导致设备被砸坏、造成人员伤亡的隐患，通风系统发生故障容易引起矿井瓦斯积聚，诱发次生瓦斯灾害事故等。因此，矿井提升通风系统震后无法正常运行、起重机无防坠落设施均属于承灾体抗震隐患。
4)矿井给排水系统抗震隐患。给排水系统可为减灾及震后救灾提供服务，由于煤炭开采容易引起地表沉陷，在遇到地震影响时沉陷会更加严重，对给排水管线的破坏性就会加大，保持两条或更多的给水线路，保障可供生活饮用的水源对煤矿震灾恢复意义重大。对于矿井排水能力，若煤矿主排水系统能力不足，地震后涌水量大幅增加，极易引起次生矿井水害事故。
5)重要电力设施抗震隐患。电力设施是矿井的生命线，供配电系统建筑结构和设备安装方面应加强抗震措施，为灾后恢复创造条件。地震后煤矿井下极有可能出现瓦斯、煤尘的异常升高，采用隔爆(或本安型)电气设备可降低瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害。
6)通信系统抗震隐患。通信系统包含通信中心、调度监控中心等。矿井信息化是高产高效现代化矿井建设的必要条件之一，通信系统有利于地震后救援的实施，调度监控中心是矿井信息化系统的核心大脑，独立设置便于地震设防和震后恢复。在震后其他通信手段瘫痪的情况下，如何与外围取得联系，对及时了解灾害状况、缩短救援时间、降低灾害损失具有至关重要的作用。
7)矿山救护及消防设施抗震隐患。矿山救护及消防设施包含救援队规模、救护车库、综合楼、消防站辅助设施(如兼用于应急救援系统的压缩空气站)等，在震后救灾过程中具有重要作用，上述矿山救护及消防设施的完备与否，对灾后应急救援组织实施及恢复生产具有重要意义。
开展地震诱发煤矿次生灾害隐患排查是提升煤矿抗震设防能力的基础，可为精准提升煤矿抗震水平提供指导。为此，提出了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查方法，构建了地震诱发煤矿次生灾害排查体系。排查体系构建依据以下原则：①以矿井生命线系统为重点，有利震后快速救援与恢复；②防止地震时发生淹没矿井、瓦斯爆炸等严重地震次生灾害；③保证矿井逃生通道及其水、电、通风设施安全。地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系包括如图4所示的煤矿地震灾害防治基础信息、煤矿地面工程排查、煤矿矿井工程排查等三大类型内容。
图4 地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系
Fig.4 Investigation system of hidden danger of secondary disasters in coal mine induced by earthquake
通过对煤矿地震灾害防治基础信息、煤矿地面工程、煤矿矿井工程三大类系统开展隐患排查工作，可以掌握地震诱发煤矿次生灾害的隐患基本情况，摸清煤矿抵抗地震灾害承灾体隐患底数；可以查明重点地区煤矿设防能力及抗灾救灾能力，客观认识煤矿遭受地震灾害的风险程度，为全国、省、市、县和煤矿企业做好防灾减灾工作提供基础数据支撑，为各级应急管理部门及机构进行灾害应急响应决策提供依据。
煤矿地震灾害防治基础信息主要包括煤矿范围信息、煤矿建设基础信息、煤矿开采信息、煤矿人员信息、煤矿防灾减灾能力基础信息、煤矿地震灾害历史数据统计信息等6种类别32项基础信息，各类别所包含的具体指标见表1。
表1 煤矿地震灾害防治基础信息
Table 1 Basic information of earthquake disaster prevention and control in coal mine
类别基础信息数量煤矿范围信息煤矿地址、面状空间数据2煤矿建设基础信息煤矿名称、煤矿类型、建矿时间、设计抗震设防等级、核定产能、开采深度、煤层赋存、煤种及煤质、最大涌水量、供电电源、主要灾害类型、水文地质类型、煤的自燃倾向性、煤尘爆炸性14煤矿开采信息开拓方式、顶板管理、主提升方式、辅助提升方式、通风方式、矿井瓦斯等级、冲击地压危险性7人员信息员工人数、专业技术人员人数、安全管理人员人数、单班最大在岗人数、医疗人员人数5煤矿地震灾害防灾减灾能力基础信息是否把地震灾害防治纳入到煤矿应急救援体系和安全管理工作、矿山救护队的类别、规模、救护演练周期、消防站辅助设施是否完备3煤矿地震灾害历史数据统计地震灾害导致煤矿灾害事故次数累计1
煤矿范围信息包含煤矿的具体位置、允许开采空间范围信息等2项基础信息。依据此指标可以定位煤矿具体位置，确定国家最新抗震设防等级要求，排查煤矿设计抗震设防等级是否达到最新国家要求等。煤矿建设基础信息是评估地震灾害可能诱发次生煤矿灾害类型的基础。包含煤矿名称、煤矿类型、建矿时间、设计抗震设防等级、核定产能、开采深度、煤层赋存、煤种及煤质、最大涌水量、供电电源、主要灾害类型、水文地质类型、煤的自燃倾向性、煤尘爆炸性等14项基础信息。其中，设计抗震设防等级主要指煤矿建设期间设计的抗震设防等级信息，由于煤矿矿井建设年代差异较大，国家在不同时期关于抗震设防的等级要求不一，排查煤矿建设设计抗震设防信息对评估煤矿抗震水平现状具有重要意义。煤矿开采信息包含开拓方式、顶板管理、主提升方式、辅助提升方式、通风方式、矿井瓦斯等级、冲击地压等级等7项开采基础信息。排查煤矿开采信息可为评估地震后发生次生瓦斯灾害、次生冲击地压灾害等可能性及程度提供判断依据。煤矿人员信息包含员工人数、专业技术人员人数、安全管理人员人数、单班最大在岗人数、医疗人员人数等5项基础人员信息。排查煤矿人员结构，特别是专业技术人员、安全管理人员数量及占比可为评估煤矿灾后快速自组建应急救援能力提供参考依据。煤矿自然灾害防灾减灾能力基础信息包含是否把地震灾害预防纳入到煤矿应急救援体系和安全管理工作，矿山救护队的类别、规模、救护演练周期，消防站辅助设施是否完备等3项基础信息。煤矿地震灾害历史数据统计主要统计历史上地震灾害导致煤矿灾害事故次数累计1项基础信息。通常情况下，历史发生灾害的频次越高，再次发生的可能性越大，因此，排查煤矿地震灾害历史数据对评估发生可能性具有重要意义。
煤矿地面工程应包括工业场地、选煤厂、给水系统、供配电系统等，从而评估地面工程承灾体应对地震灾害的能力。基于此，研究建立了煤矿地面工程地震灾害隐患排查指标，共包含4种类别12项排查指标，见表2。
表2 煤矿地面工程地震灾害隐患排查指标
Table 2 Hidden danger investigation indexs of earthquake disaster in coal mine surface engineering
类别排查指标数量工业场地工业场地是否受不良地质作用的影响;供水、供配电、通风、压风等主要管路设置是否方便抢修2选煤厂原煤筛分破碎系统是否布置在煤仓的顶上;浓缩池是否采用落地式布置2给水系统是否有2个及以上的矿井生活饮用水水源;煤矿地面输水管道路径是否避开采煤地面沉陷区;输水管线是否采用双管供水、两根管是否沿不同路径3供配电系统煤矿电源线路及向重要电力设施供电的6～110kV架空线路(电缆)路径是否避开崩塌、滑坡、泥石流、地裂、地层错位等地段;35kV及以上电压等级的变电站是否避开崩塌、滑坡、泥石流、地裂、地层错位等地段;两回供电线路是否沿不同路径架设;沿相同路径架设时,不同电源线路之间的距离是否大于倒杆距离;煤矿35kV及以上电压等级的配电装置是否采用室外式配电装置5
工业场地包含主井场地、副井场地、风井场地、爆炸材料库场地、办公生活区等；工业场地应处理或避让山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、采空区沉陷、活动断层带、地裂等不良地质作用，同时工业场地内的供水、供配电、通风、压风等主要管路宜设置在道路两侧，以便震后管线能够及时抢修。
选煤厂的工艺布置与抗震效果有着密切关系，满足功能要求的前提下，选煤厂的工艺布置应为建筑结构的抗震设防创造有利条件。如厂房顶部设有缓冲仓、浓缩机等“头重脚轻”工艺，震害会比较严重，应严格禁止。
矿井给水系统关乎震灾发生后人民的生活及震后恢复建设工作，强震发生后，不同的水源条件遭受的破坏程度也不相同，多个水源震后维持供水能力的概率较大，有助于震后的恢复工作。因此，矿井给水系统不宜少于2条。
供配电系统是矿井机械设备及应急救援工作开展的主要动力，是矿井生命线之一。对供配电系统建筑结构和设备安装加强抗震措施，有利于抵御地震灾害，为灾后恢复创造条件，对于35 kV及以上主变压器增设对角拉线加强固定、两回供电线路沿不同路径架设、煤矿35 kV及以上电压等级的配电装置采用室外式配电装置均是唐山大地震的有益经验，可降低地震灾害损坏。
地震发生后，影响煤矿受灾程度、应急救援与恢复生产的矿井工程主要包含井巷工程、矿井安全出口、矿井通风系统、矿井提升系统、矿井主排水系统等，这些系统也是煤矿井下生命线的主体。基于此，建立了煤矿矿井工程地震次生灾害隐患排查类别与指标，共包含6种类别12项排查指标，具体内容详见表3。
表3 煤矿矿井工程地震灾害隐患排查指标
Table 3 Hidden danger investigation indexs of earthquake disaster in coal mine engineering
类别排查指标数量井筒支护地震烈度6、7度时,立井井筒地表以下30m以内、斜井或平硐埋深20m以内是否采用钢筋混凝土结构支护;地震烈度8度及以上时,立井井筒地表以下50m以内、斜井或平硐埋深30m内是否采用钢筋混凝土结构支护2矿井安全出口矿井安全出口的梯子间未采用折返式布置;立井井筒梯子间是否每隔200m设置休息点2矿井通风系统通风机的基础与电动机基础是否是整体式;通风机房起重机是否设有防坠落措施2瓦斯储存系统瓦斯储罐的进出口管道是否设置切断阀门1矿井提升系统全立井开拓、井深超过500m的矿井,副井只有一套提升设备时,是否设有应急提升交通罐设备及应急电源;提升机房的桥式起重机是否设有防坠落措施2矿井主排水系统矿井主排水系统能力;是否预留水泵的位置;是否设置抗灾排水系统3
井巷工程(含立、斜井，平硐)是煤炭开采人员、风、电、物资运输的必经之地。唐山大地震开滦矿区调查的31个立井井筒，支护材料有砖、混凝土、钢筋混凝土等，井筒直径3.0～7.5 m不等，穿过地层由表土层、饱和砂土层及基岩，各井筒发生破坏的位置一般距离地表较浅，破坏深度普遍小于20 m，破坏深度超过50 m的有4个。因此，排查井筒浅部支护强度是必要的，可避免地震时因井巷工程破坏导致次生瓦斯灾害、次生矿井水害等事故的发生。矿井安全出口是人员安全出入矿井的通道，在发生地震事故后，能保证井下人员迅速撤离危险区域，对于利用立井井筒梯子间作为矿井安全出口的，立井梯子间应每间隔200 m设置一个休息点。矿井通风系统承受地震灾害的部位包括风井井口房、通风机房、瓦斯储存系统等。其中，通风机基础与电动机基础采用整体式、起重机设有防坠落措施、瓦斯储罐的进出口管道设置切断阀门等可以大幅减小震灾破坏程度，降低次生瓦斯灾害的发生风险。
针对矿井提升系统，唐山大地震后震区多起提升机房因起重机坠落而导致设备被砸坏或人员伤亡的事件。因此，提升机房桥式起重机应设有防坠落措施，以减少起重机坠落导致人员伤亡事故的发生。
地震后矿井井下涌水量会骤然增加，这在唐山大地震、汶川大地震等多次地震中均得到证实。在矿井主排水系统设置抗震排水系统、预留可增加临时排水能力的条件，一旦震后涌水量增加可迅速增加排水设备形成排水能力，可避免淹井或延缓淹井等次生水害事故的发生，为人员撤离和抗灾赢得时间，同时也可为快速恢复生产创造条件。
1)研究了煤矿遭受地震灾害影响的典型案例，探讨了煤矿事故与地震灾害之间的可能关系，分析了地震诱发煤矿次生灾害防治存在的主要问题；针对地震灾害与煤矿承灾体之间的动力学作用机制，还需要进一步系统性深入研究。
2)针对地震诱发煤矿次生灾害防治存在的主要问题，系统研究了地震诱发煤矿次生灾害类别，提出了以煤矿生命线系统为主的承灾体可能存在的隐患，揭示了承灾体隐患与震后煤矿次生灾害类型之间的关系。
3)提出了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查方法，以煤矿生命线系统为主线构建了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系，排查体系包含煤矿地震灾害防治基础信息、地面工程排查、矿井工程排查等三大类型；其中，煤矿地震灾害防治基础信息包含6种类别32项基础信息；地面工程包含4种类别12项排查指标；矿井工程包含6种类别12项排查指标。
4)地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系具有较强的针对性和可操作性，能够全面覆盖煤矿主要地震承灾体，这对排查煤矿地震次生灾害隐患，精准提升煤矿抗震设防水平和抗震能力具有重要意义。
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