炮烟中毒窒息事故机理和预防措施研究

炮烟中毒窒息事故机理和预防措施研究
刘宁武;陈善刚;朱慧武;梅国栋;何显机;邵凯旋;张增学;李迎佳;杨若晨;马静玉
【摘要】在对中国五矿集团所属地下矿山炮烟中毒窒息事故案例分析的基础上,系统地研究了炮烟中毒窒息机理,分析了炮烟有毒有害气体成分及炮烟中毒窒息影响因素,提出了相应的预防措施,具有较强的实用性,对类似矿山企业的安全运行管理具有指导意义.
【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》
【年(卷),期】2012(064)003
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】炮烟;中毒窒息;机理;影响因素;预防措施
【作者】刘宁武;陈善刚;朱慧武;梅国栋;何显机;邵凯旋;张增学;李迎佳;杨若晨;马静玉
【作者单位】中国五矿集团公司,北京100044;中国五矿集团公司,北京100044;中国五矿集团公司,北京100044;中国安全生产科学研究院,北京100012;江西钨业集团有限公司,南昌330000;湖南有色金属控股集团有限公司,长沙410015;五矿邯邢矿业有限公司,河北邯郸056032;鲁中矿业有限公司,山东莱芜271113;中国五矿集团公司,北京100044;中国五矿集团公司,北京100044
【正文语种】中文
【中图分类】TD711
地下矿山采掘作业中，需用炸药进行爆破作业，以开拓井巷或爆破采矿。

爆破时会产生大量的炮烟，炮烟中含有有毒有害气体，这些气体的危害性极大。

当人体吸进一定量的有毒气体之后，轻则引起头痛、心悸、呕吐、四肢无力、昏厥，重则使人发生痉挛、呼吸停顿，甚至死亡。

2001－2010年，我国非煤矿山因中毒窒息共死亡1 562人，平均每年死亡超过156人，占总死亡人数的7.35%，排在各类事故类型的第五位。

从图1可以看出，2010－2011年，五矿集团下属矿山企业因炮烟中毒事故导致
死亡人数占死亡人数总数的34%，位居第一位。

例如，瑶岗仙矿曾发生炮烟中毒
事故4起，死亡14人，分别占该矿事故总数和死亡人数的28.57%和58.34%。

可见炮烟中毒窒息事故是中国五矿集团公司地下矿山较重要的事故类型。

本文通过研究分析地下矿山炮烟中毒事故的致灾机理及影响因素，提出相应的技术、工程和管理对策措施，以减少事故的发生，保障安全生产。

图1 2010－2011年矿山事故死亡人数比例统计Fig.1 Statistics of death toll in poisoning and asphyxiation of explosion smoke，2010－2011
1 炮烟中毒窒息机理
1.1 炸药爆炸后产生有毒气体的原因
炸药通常是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）4种元素组成，其中C、H 是可燃元素，O是助燃元素。

炸药爆炸的过程实质是可燃元素与助燃元素发生剧
烈氧化还原反应的过程，生成CO2、CO、H2O、N2，并放出大量的热量［1－3］。

炮烟中毒窒息事故的发生与炸药的氧平衡有关。

炸药的氧平衡是指炸药内含氧量与可燃元素完全氧化所需氧量之间的关系。

完全氧化指的是C原子完全氧化生成
CO2、H原子完全氧化生成H2O。

根据所含氧的多少，可以将炸药的氧平衡分为：1）零氧平衡，炸药中所含的氧刚够将可燃元素完全氧化；2）正氧平衡，炸药中所含的氧将可燃元素完全氧化后还有剩余；3）负氧平衡，炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。

零氧平衡下炸药的放热量最大。

负氧平衡下炸药爆炸产物中会含有CO、H2，甚
至固体C；而正氧平衡下炸药爆炸产物中则会出现NO、NO2等气体，两者都不
利于发挥炸药的最大威力，同时会生成较多的有害气体。

1.2 炮烟中毒窒息的病理学分析
炮烟对人的生理具有三方面危害作用，即剧毒效应、低浓度下的慢性中毒效应和氮氧化物烟气对矽肺病的加剧作用。

1）剧毒效应
炮烟中有毒气体（主要是CO和NO2）对人体的剧毒效应，主要表现在对血红蛋
白携氧破坏的原理上。

CO随肺泡进入血液循环，与血红蛋白（Hb）结合成碳氧血红蛋白（HbCO），
由于碳氧血红蛋白HbCO无携氧能力，且CO与Hb的亲和力比O2与Hb的亲
和力大200～300倍，而其解离速度却较HbO2慢3 600倍，同时，碳氧血红蛋
白还有抑制HbO2解离、阻止氧的释放和传递的作用，从而导致低氧血症和缺氧，引起肺炎、肺水肿、脑细胞缺氧，最后因呼吸衰竭而死亡。

炮烟中生成的NO遇氧就氧化为NO2，NO2与水作用生成硝酸和亚硝酸。

硝酸
及亚硝酸对呼吸道（包括肺）黏膜有直接刺激作用，可增加毛细血管的通透性，使肺泡间隙溢液，导致肺水肿。

亚硝酸盐吸收以后的作用是使血管扩张，血压下降，引起高铁血红蛋白血症及代偿性的心率增加。

严重的缺氧可通过颈动脉窦等化学感受器使呼吸中枢麻痹。

2）低浓度下的慢性中毒效应
炮烟中的有毒气体成分对人体中毒程度影响因素有两个，一个是有毒气体浓度，另
一个是与有毒气体接触的时间。

高浓度（CO为0.4%、NO2为0.025%）时人员
即刻死亡，表现出的是剧毒效应。

当人体接触到低浓度炮烟时，经过长时间的累积效应，也会表现出慢性中毒症状。

血中碳氧血红蛋白含量达10%～20%为轻度中毒。

患者可出现头痛、头晕、失眠、视物模糊、耳鸣、恶心、呕吐、全身乏力、心动过速、短暂昏厥。

血中碳氧血红蛋白约在30%～40%为中度中毒。

除轻度中毒症状加重外，口唇、指甲、皮肤黏膜
出现樱桃红色、多汗、血压先升高后降低、心率加速、心律失常、烦躁、一时性感觉和运动分离（即尚有思维，但不能行动）。

氮氧化物主要损害呼吸道，吸入气体初期仅有轻微的眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等。

常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫绀等，可并发气胸及纵隔气肿。

3）氮氧化物烟气对矽肺病的加剧作用
矽肺病是最为普遍的尘肺病，是一种慢性进行性疾病，由于生产过程中长期吸入含游离二氧化硅的粉尘所致。

病者由于肺组织广泛的纤维化，影响呼吸机能，出现胸痛、气促、咳嗽等症状，并往往由于合并肺结核或继发肺原性心脏病而死亡。

呼吸带有矽尘的高浓度的氮氧化物气体会加速矽肺病的发展。

因此爆破后必须保证加强通风若干时间，减少呼吸烟气。

2 炮烟成分的影响因素
炸药爆炸产生炮烟种类受到自身性质与环境因素的影响，例如炸药种类及性能、爆破条件等。

2.1 炸药种类及性能对炮烟种类的影响［4－6］
一般硝化甘油（NG）炸药与包含其它感度较高的炸药产生的CO含量较高，而
NO2则较低。

这是因为含有这种高感度成分的炸药可以达到爆炸比较完全。

作为
炸药中的氧化剂KNO3与NaNO3亦比NH4NO3更有助于促进爆炸完全而减少NO2。

2.2 爆破条件对炮烟成分的影响
2.2.1 起爆方式对炮烟成分的影响
一般来说，起爆能量越大，生成的有害气体越少。

相反，如起爆条件不好，炸药爆轰不完全或炸药发生爆燃将会产生较多的NO2。

工程爆破中的起爆方法应根据环
境条件、爆破规模、经济技术效果、是否安全可靠以及工人掌握起爆操作技术的熟练程度来确定。

2.2.2 爆破周围岩性对炮烟成分的影响
爆炸地点的周围岩性也对炸药所产生的各种气体量和分布起着相当大的影响。

硝铵炸药药卷四周的岩体及其爆破阻力，无疑也影响着爆炸反应。

大量的高热爆炸气体在形成过程中，遇到的外界阻力越大，爆破压力急剧升高的时间就越长，而爆破就愈完全，装药室产生的压力也就愈高。

上述时间的延长，意味着岩体爆破之前绝大部分的爆炸反应愈趋彻底，因而所产生的有害气体也就愈少。

2.2.3 炮眼深度对炮烟成分的影响
炮眼深度对炸药爆破后所产生的气体生成量及其成分起着很大的影响。

炮眼愈长，炮眼内炸药爆炸分解作用也就愈加充分，所产生的氮氧化物的数量也就愈小。

所以，从减少炮烟的角度来看，广泛地采用深孔爆破技术是有益的。

此外，环境湿度、装药量等因素也对炮烟成分有很大的影响。

3 炮烟中毒窒息事故影响因素
3.1 通风系统的影响
3.1.1 通风方式的影响
要根据施工井巷的设置形式，初步确定风道的布置形式和长度，进而确定风机的布置数量和性能规格。

对于掘进工作面，按照掘进巷道通风动力形式不同，通风方式
分为3种：局部通风机通风、矿井总风压通风及引射器通风。

出于安全和自动化需求，局部通风机通风是目前掘进巷道的主要通风方式，包括压入式、抽出式和混合式3种类型［7］。

1）压入式通风
压入式通风方式如图2所示。

局部通风机及其附属电气设备安装于新鲜风流中，距掘进巷道排风口的距离大于10m，污风不通过风机，安全性高。

掘进工作面所需风量由局部风机经风筒送入，稀释工作面产生的炮烟、气体污风，并经巷道出口排出。

且对风筒的材质要求低，既可使用硬质风筒，也可使用柔性风筒。

因此，压入式通风方式在我国矿井掘进巷道中应用最广泛。

图2 掘进巷道压入式通风Fig.2 Forced ventilation of excavation roadway
当新鲜风流自风筒出口流出时，具有一定压力和速度射向掘进工作面，在射流过程中，其流速范围逐渐扩大为自由状态，所以，当空气达到一定射程距离后，其流速逐渐降低，并随后发生折转反向流出。

风流从离开风筒出口到风流反向处的距离，称为风流的有效射程，用le表示，其计算公式为：
其中，le为风筒出口风流有效射程，m；S为掘进巷道断面积，m2。

利用式（1）可得巷道边界条件下风流的有效射程。

为了保证炮烟及瓦斯气体及时排除，风筒出口距离掘进端面的距离要小于le。

2）抽出式通风
抽出式通风方式如图3所示。

采用抽出式通风，局部通风机和附属电气设备安设在离掘进巷道出口10m以外的回风侧，新鲜风流沿掘进巷道流入工作面，而污风经风筒由局部通风机抽出。

抽出式通风的优点为：新鲜风流沿巷道进入工作面，整个巷道内空气质量较好，劳动环境好，巷道排污所需时间较短。

但是由于污风通过通风机存在一定的安全隐患，并且抽出式通风的有效吸程短，掘进施工中难以保证风筒吸入口到工作面的距离在有效吸程之内，排烟排尘效果差。

同时，抽出式通风的风筒处于负压运行，必须使用刚性或带刚性骨架的可伸缩风筒而无法使用柔性风筒，成本较高，安装与运输不方便。

图3 掘进巷道抽出式通风Fig.3 Exhaust ventilation of excavation roadway
图4 掘进巷道混合式通风Fig.4 Mixed ventilation of excavation roadway
3）混合式通风
混合式通风是压入式和抽出式两种方式的联合运用，如图4所示。

由两台局部风机组成，其中一台局部扇风机向工作面压入式通风，另外一台作抽出式通风。

这种通风方式具体又可分为长压短抽、长抽短压两种，其中前者压入风机布置在新鲜风流中，压入风筒沿巷道全长布置，抽出风筒与除尘风机则随着工作面延伸而前移；后者抽出风筒从位于回风道内的除尘风机开始并接至工作面，小功率压入风机只作为辅助通风设备安装于掘进巷道内，仅起到吹散稀释顶板、工作面瓦斯，提高工作面风速和加速粉尘炮烟排出的作用。

混合式通风兼有抽出式与压入式通风的优点，通风效果好，是大断面长距离岩巷掘进较好的通风方式。

但采用混合式通风也存在明显的缺点：电能消耗大，管理比较复杂，并且降低压入式与抽出式两列风筒重叠段巷道内的风量，当掘进巷道断面较大时，此区域风速较小，必须制定安全措施。

3.1.2 风量的影响
掘进工作面污浊空气的主要成分是爆破后的炮烟、粉尘气体。

由于对于非煤矿山的采掘工作，炮采是目前主要的工作方式，炮烟会在非煤矿山生产作业中大量产生，并对人体产生极其严重的危害，因此是否能够向采掘工作面供给足够的新鲜风是影响炮烟浓度稀释的重要因素，并直接影响炮烟中毒事件发生的概率。

以将炮烟排出和将粉尘气体稀释到安全浓度为依据，计算掘进工作面安全工作所需
的风量。

1）按排出炮烟计算所需风量
当风筒出口距掘进工作面的距离l≤le时，掘进工作面所需风量即风筒出口的风量可按式（2）计算。

其中，Fe为压入式通风掘进工作面有效风量，m3／min；t为通风时间，min，一般可取20～30min；X为一次爆破的炸药消耗量，kg；ba为每千克炸药爆破产生的CO量，L／kg，煤巷爆破取其值为100 L／kg，岩巷爆破取40L／kg；S为巷道截面积，m2；Lv为巷道通风长度，m；Ψ为风筒进风端与出风端的风量比，即风筒漏风备用系数；Ca为通风所要达到的CO浓度允许值，一般取0.02%。

若取ba＝100L／kg，Ψ＝1，Ca＝0.02%，则式（2）可进一步简化为式（3）。

2）按最高允许粉尘浓度计算所需风量
井下粉尘是指生产过程中所产生的矿物和非矿物的细微颗粒的统称。

粉尘对人体危害巨大，并且具有一定的爆炸性，还可影响到其他爆炸性气体的爆炸极限，因此为了将掘进巷道内粉尘浓度控制在安全水平，风筒供给风量可按式（4）计算。

其中，Fd为稀释掘进工作面粉尘至允许浓度所需风量，m3／min；du为掘进巷道的产尘量，mg／min；Op为巷道内最高允许含尘量，mg／m3，当矿尘中含游离SiO2达到或超过10%时，其值为2 mg／m3，当矿尘中含游离SiO2小于10%时，其值为10mg／m3；Oi为进风流中含尘量，mg／m3，一般要求不超过0.5mg／m3。

3.1.3 风筒布置长度的影响
根据前文分析可知，采用局部风机为采掘工作面供风，风筒是重要的供风设施。

对
于压入式通风方式，当新鲜风流从风筒出口流出时，具有一定的压力和速度射向采掘工作面，在射流过程中，其流速范围逐渐扩大为自由状态，当空气达到一定射程距离后，其流速逐渐降低，而后便反向流出。

对于抽出式通风，同样风筒出口的负压只对其前方一定范围内的空气产生作用。

由此分析可知，当风筒出口距采掘工作面的距离大于一定距离后，采掘工作面内的炮烟气体较难与新鲜风形成对流，炮烟扩散的速度较慢。

而相反，当风筒布置长度较长时，即风筒出口距采掘工作面距离较近时，新鲜风能够与炮烟气体形成较为充分的对流，较快地降低炮烟气体的浓度。

因此风筒布置长度是影响炮烟气体稀释过程的重要因素，合理的风筒布置长度能够快速有效地降低炮烟浓度，减少炮烟中毒事件的发生。

3.2 管理因素的影响
炮烟中毒窒息事故之所以发生，是因为客观上存在着生产过程中的不安全因素。

中毒窒息事故的直接原因是人的不安全行为（如通风时间不足、不遵守操作规程冒险进入工作面等）和物的不安全状态（如局扇发生故障，未能排除炮烟）。

具体到各个生产矿山，引起炮烟中毒窒息的管理因素主要有以下几方面：1）炮烟中毒窒息事故是否纳入安全生产目标与指标；2）安全生产责任制中是否包含预防与控制炮烟中毒窒息事故的要求；3）炮烟中毒窒息事故风险管理执行情况；4）
教育培训及其执行效果情况；5）通风系统管理制度制定与落实情况；6）通风设
备设施的维护情况；7）爆破作业安全管理执行情况；8）应急管理执行和落实情况。

4 防治炮烟中毒窒息事故的措施
4.1 技术措施
减少或消除炸药爆破中炮烟有毒气体的产生，是防止炮烟中毒的根本措施，具体措施包括以下方面。

4.1.1 炮烟消除技术措施
1）优选炸药品种和严格控制一次起爆药量
在井巷爆破掘进过程中，应根据工作面的实际情况选择炸药品种。

如井巷工作面存在积水时，应选用抗水型炸药，防止因炸药受潮影响爆炸稳定传播，从而产生大量有毒气体。

对于低温冻结井施工，应选用防冻型炸药，否则炸药也会因不完全爆炸产生大量有毒气体。

爆破产生的有毒气体量与炸药用量成正比，严格控制起爆药量，可以有效降低有毒气体生成量。

2）采用物理化学方法
（1）合理使用水泡泥。

用水泡泥代替泥土，炮烟中的CO2、CO、NO2等含量均可大大降低。

（2）水泡泥中添加抑制剂。

选择使用在1%碱液中加二氧化锰（MnO2）成为胶
质悬浮物的液体，装在聚乙烯袋中用作炮泥，能显著降低炮烟中的有毒气体。

或是用次氯酸钾和双氧水（1∶12）溶液作为氧化液，放在聚乙烯袋中置于炮药和炮泥之间，消除炮烟中的CO和NO2两种气体。

4.1.2 炮烟净化技术措施
1）选用中和剂
在爆破后的工作面巷道中，用压缩机把0.5% MnOH溶液喷雾或20号筛孔的熟石灰喷射，以消除NO2。

2）采用气体净化装置
采用带空气过滤器的气体净化装置，过滤器中装有粒度为3mm的霍加拉特（主要成分为MnO2、CuO）及粒度为3～5mm的碱石灰，放到工作面开动风机，使炮烟中的CO和NO2与过滤器里的化学药剂作用生成CO2而被吸收。

4.2 工程措施
4.2.1 通风系统优化改造工程
对地下矿山进行通风系统优化改造，根据通风阻力测定结果，结合每个采掘工作面
的需风量情况，优化通风系统［7］。

4.2.2 炮烟监测预警工程
按照《金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范》（AQ2031－21011），为每个班组配置便携式气体检测报警仪，并建设有毒有害气体在线监测系统。

4.3 管理措施
根据炮烟中毒窒息事故致灾机理、影响因素，结合对中国五矿集团公司所属地下矿山炮烟中毒窒息事故案例分析结果，提出以下几方面的管理要求。

1）加强爆破技术管理
爆破作业人员严格按规定时间放炮，其他作业人员必须在规定的放炮时间内撤离危险区。

加强炸药运输和贮存的管理，保证炮孔堵塞长度和堵塞质量，采用水封爆破或放炮喷雾，反向起爆方式。

2）加强爆破警戒
严格按爆破规程的规定进行警戒，做到所有通往爆破作业面的通道，都悬挂标志和站岗警戒。

警戒人员必须在爆破前对所有受爆破影响的区域及相邻作业面进行清岗。

3）严格爆破组织措施
两人以上进行爆破时，要指定专人负责。

了解和掌握爆破作业点和周围作业面的相互关系，互相协调，并制定稳妥的安全措施和组织措施。

与相邻作业面同时进行爆破作业时，必须协调好爆破时间，防止相互影响造成事故。

4）加强安全培训
加强爆破技术和安全培训，提高爆破人员的素质以及井下作业人员自我防护能力。

5）个体防护
由于地下矿山生产的特殊性，入井人员必须随身携带过滤式自救器。

过滤式自救器应符合GB8159—87《矿用一氧化碳过滤式自救器》的规定。

6）奖惩考核
制定《安全生产管理奖惩细则》，依据考核办法对各个项目部及管理人员进行考核，做到奖惩分明。

设置考核制度，定期定点的按照规定要求进行现场考核记录，以督促按照正确的方法进行工作，从根本上减少危险发生的可能性。

对于按照规定良好运作并提出建议或者发现不安全因素及其它有利于防止炮烟中毒事故发生的行为，给予相应的奖励。

若考核发现存在不按照规定进行正当操作的行为，必须给予相应的警告或者惩罚。

7）应急措施
矿山应该设有专门的应急指挥部，各部门职责明确、联络紧密。

其次，应该配备专业的救援人员以确保救援指挥和通讯的顺利实施，保障应急救护、人员疏散线路畅通，维护矿区内治安秩序、防止人为破坏，便于恢复生产。

5 结论
1）系统、全面地提出了影响炮烟成分的因素，并对各因素进行了定性和定量分析，区分出了对有毒有害气体产生量增加或减少的因素种类及原理，为减少或消除炮烟提供了理论基础。

2）从管理层面上对炮烟中毒窒息事故的发生进行分析，主要与炮烟中毒窒息事故预防与控制纳入安全生产目标与考核指标与否、炮烟中毒窒息事故预防与控制纳入安全生产责任制与否、炮烟中毒窒息事故风险管理执行情况、教育培训及其效果执行情况、通风系统管理制度制定与落实情况、通风设备设施的维护情况、爆破作业安全管理执行情况、应急管理执行和落实情况等因素有关。

3）从消除、抑制和减少炮烟产生的治本之策着手，从技术、工程和管理三方面提出了全面、系统地预防炮烟中毒窒息的措施。

提出了从炸药的选用、使用、爆破条件的改善、添加中和剂、安装净化装置、加强通风和设立炮烟检查关键任务等具体可行的操作措施，为有效预防和控制炮烟中毒窒息事故提供了良好的借鉴方法。

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