瓦斯爆炸严重影响煤矿安全生产,往往对煤矿造成重大破坏,有效的应急救援手段是减少人员伤亡和降低财产损失的重要途径。煤矿瓦斯爆炸灾区环境复杂而多变。空间受限、高温、黑暗、含有有毒有害气体、不稳定的岩层、冒落区等相互作用、不断演变,使应急救援极具风险性和挑战性。不恰当的应急救援方式极有可能导致救援人员自身伤亡事故的发生。很多案例表明,煤矿应急救援自身伤亡事故与灾情认识不足和应急决策不力有着重要关系。有效遏制煤矿救援自身伤亡事故的途径之一是加强瓦斯爆炸事故应急决策研究。为此,本文应用事故统计、理论研究、数值模拟、案例分析及数学建模等方法研究了灾区救援伤亡影响因素和灾区次生爆炸规律,进而从决策机制和决策方法两方面研究了煤矿瓦斯爆炸事故应急决策问题。研究内容主要分为以下五个方面:(1)灾区救援伤亡影响因素研究为有效提出避免应急决策失误的措施,利用事故统计方法研究了灾区救援伤亡影响因素。通过参阅相关文献和现场调研统计了1959-2013年期间的81起矿山救援队自身伤亡事故。将事故按照发生时间、伤亡影响因素、救灾作业类型和伤亡人数进行统计,研究了灾区救援伤亡事故特征、灾区救援伤亡影响因素以及救援伤亡影响因素对瓦斯爆炸应急决策的作用。研究表明:火灾事故和瓦斯煤尘爆炸事故救援始终是诱发自身伤亡事故概率最大的救灾作业种类,且近年来这一特点更为明显,火灾事故救援诱发瓦斯爆炸也成为重要特征。将矿山救援自身伤亡影响因素分为组织及个人因素、救援技术装备问题、违章指挥与处置、决策与指挥不合理、救援措施不当和其他等6类,其中组织及个人因素是诱发自身伤亡事故最多的因素,占比41.98%,救援技术装备问题次之,占比16.05%。近年来由决策与指挥问题及救灾措施不当诱发的自身伤亡事故比例有所增加。违章指挥与处置因素及决策与指挥不合理因素造成的矿山救援自身伤亡事故死亡人数可达到一个救援行动小队的人数,是防范的重点。火灾事故救援不当诱发的自身伤亡事故也比较严重,平均死亡人数达3-4人/起,爆炸事故次之,为2-3人/起。爆震伤、烧伤、中毒、窒息、钝挫伤及疲劳衰竭伤害等是导致矿山救援队员死亡的6种主要伤害类型。救援伤亡影响因素的诱导主体主要为抢险救援指挥部、矿山救援队指挥员和队员。救援伤亡影响因素研究有助于抢险救援指挥部、矿山救援队指挥员和队员科学应急决策,避免盲目施救。(2)瓦斯爆炸灾区环境变化规律及次生爆炸灾害判识研究为提升应急决策的科学性,借助爆炸力学、流体力学等相关理论和科研、事故案例等对瓦斯爆炸灾区环境变化规律及次生爆炸灾害判识进行了研究。次生瓦斯爆炸是由灾区环境的变化引起的。首先研究了灾区环境变化规律,其次分析了次生瓦斯爆炸诱因规律,再次从次生瓦斯爆炸演变过程和次生瓦斯爆炸演变形式两方面进一步分析了次生瓦斯爆炸规律,最后研究了次生爆炸灾害判识流程。①提出瓦斯爆炸灾区环境形成机理,将其形成分为3个阶段:一是爆炸冲击波的冲击破坏和火焰毁坏作用阶段,二是爆炸产生的热量和有毒有害气体的再分布阶段,三是施救措施对灾区环境的干扰阶段。②从瓦斯积聚和引爆火源的角度分析了应急救援过程中的次生爆炸诱因。对于爆炸性混合气体的形成,停风、无风微风、循环风、风量不足、通风系统不合理等是生产过程中导致瓦斯积聚的重要原因,而灾变过程中瓦斯排放、封闭灾区等救灾措施控制灾区爆炸性混合气体的形成。对于引爆火源,电火花、放炮火花、摩擦撞击火花、烟火、明火、煤自燃等是生产过程中诱发瓦斯爆炸的火源,而救灾过程中,灾区电源被切断,灾区明火和自燃火源成为诱发次生瓦斯爆炸的重要火源,除此之外,灾区失爆的电气设备(如矿灯)也有可能成为引火源。③总结并分析了次生瓦斯爆炸演变过程中的4种组合模式:一是救灾过程中形成的爆炸性混合气体遇隐蔽性强的自燃火源发生爆炸的模式,二是救灾过程形成的爆炸性混合气体遇灾区失爆的电气设备发生爆炸的模式,三是救灾过程形成的爆炸性混合气体运移至采煤工作面明火处发生爆炸的模式,四是火区引燃采煤工作面上(下)隅角爆炸性混合气体的模式。采取有效措施控制这四种组合模式是救援过程中预防瓦斯爆炸的重要思路。④提出了3种主要次生瓦斯爆炸演变形式。救援过程中,次生瓦斯爆炸存在直接起爆和火焰加速机制,灾区状况的改变可能导致瓦斯燃烧转向瓦斯爆燃,小范围爆燃转向大范围爆燃,甚至爆燃转向爆轰,造成更大的破坏效应。⑤制定了瓦斯爆炸灾区次生爆炸灾害判识流程,有利于救援人员判识灾区次生爆炸风险,科学应急决策。(3)基于灾区环境参数的瓦斯爆炸数值模拟研究为进一步探究次生瓦斯爆炸规律,避免应急决策失误,依据灾区环境参数开展了瓦斯爆炸数值模拟研究。将灾区简化为管道中的瓦斯空气预混区域,预混区域瓦斯浓度选取参考灾区参数。利用AnsysGambit2.4建立了直径0.1m、长1m的封闭管道模型,借助AnsysFluent15.0模拟了预混区域长度分别为0.2m和0.3m时的瓦斯(简化为甲烷)爆炸过程,其中甲烷体积分数分别为6%、8%、9.5%、11%和14%。以爆炸压力、爆炸压力上升速率、爆炸温度、燃烧反应速率、冲击波速度、火焰传播速度、压力波与火焰波的相对位置等为指标,研究了小型管道中预混范围变化的甲烷/空气爆炸特征,探讨了灾区环境参数变化下的次生爆炸规律。研究表明:①当灾区环境参数发生变化时,次生瓦斯爆炸呈现一定的规律性,如预混长度增大,体积分数减小时,当甲烷体积分数接近化学当量浓度时,甲烷爆炸压力随之增大,当甲烷浓度接近瓦斯爆炸下限时,尽管甲烷预混长度有所增大,其爆炸压力却并未增大。预混长度增大后,瓦斯爆炸时间有所增长。应用表明可将数值模拟研究结果用于指导实践。②甲烷爆炸压力并非在化学当量浓度时达到最大,而是在接近爆炸上限的体积分数时达到最大,受预混区与非预混区气体体积比影响,可燃气体向非预混区传播致使体积分数接近爆炸上限的甲烷爆炸压力最大。③爆炸压力上升速率在最初50ms内出现一个峰值(即快速上升后又迅速下降的过程),然后保持较低的值。但对于高于化学当量浓度的甲烷在爆炸50ms后会由于部分甲烷传播至非预混区域,体积分数降低至接近化学当量浓度,致使反应速率有所增大,压力上升速率呈现出一定的波动。④由于预混区较小,爆炸呈现强度较小的爆燃形式。燃烧过程表明直径0.1m、长1m封闭管道中,部分预混甲烷爆炸火焰加速距离较短,且火焰连续加速现象不明显。预混区长度增大后,甲烷爆炸持续时间有所增大。爆炸冲击波速度和火焰传播速度相对较小。冲击波速度为300-400m/s,火焰传播速度为0-10m/s。⑤点火温度为2600K时,化学当量浓度下预混气体爆炸温度场云图和各监测点温度曲线表明,预混区比非预混区爆炸温度高,但爆炸火焰传播至的非预混区域高温仍会造成严重的烧伤。(4)典型瓦斯爆炸事故应急决策与次生爆炸特征研究为了寻求应急决策与次生瓦斯爆炸演变之间的关系,以2013年我国两座煤矿的瓦斯爆炸事故为研究对象,分析了其应急决策和次生瓦斯爆炸特征,构建了两者之间的关系。研究表明,应急决策不当会导致次生瓦斯爆炸的演变。针对煤矿恶性事故,尽早成立抢险救援指挥部是安全救援的重要保障。构建煤矿瓦斯爆炸事故应急决策机制对规范应急处置,减少应急决策失误具有重要意义。(5)瓦斯爆炸事故应急决策机制及前景理论应急决策模型研究根据煤矿瓦斯爆炸事故应急救援具有的多主体多阶段特点,理论研究了煤矿瓦斯爆炸事故应急决策机制和前景理论应急决策模型。①探讨了机制设计理论角度下的煤矿瓦斯爆炸应急决策机制。煤矿瓦斯爆炸事故应急救援应分前期处置和中后期处置两个阶段,不同阶段对应的应急决策主体不同。抢险救援指挥部是应急决策中的核心组织。研究认为,煤矿重特大事故及复杂性事故(如暂未造成伤亡的复杂火灾)应由政府部门指导成立抢险救援指挥部。基于煤矿瓦斯爆炸事故的复杂性,应急决策方式应融合层级式决策方式和分散式决策方式,在保证抢险救援指挥部的统一指挥下,给救援人员适当的决策权,实现安全、高效及有序应急救援。阐明了煤矿瓦斯爆炸事故应急决策要点,能够指导决策主体进行应急决策。②提出了煤矿瓦斯爆炸事故的前景理论应急决策模型。通过对前景理论进行改进,使前景理论更加符合煤矿应急决策特点。应用表明,前景理论应急决策模型能够促进煤矿瓦斯爆炸事故应急决策的科学化。