基于金屬礦山災(zāi)害特征的避災(zāi)硐室建設(shè)研究

李 磊，王 鵬，張殿國(guó)，閆福彬，黃圓月

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠(yuǎn)265400）

緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)在我國(guó)煤礦行業(yè)已經(jīng)得到了普遍的實(shí)施，但在金屬非金屬礦山領(lǐng)域起步還比較晚。近年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增長(zhǎng)以及對(duì)自然環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，金屬礦山由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采已成為一種趨勢(shì)。但由于開(kāi)采深度的逐漸增加以及諸多因素導(dǎo)致冒頂、突水、塌陷、火災(zāi)等災(zāi)害頻繁發(fā)生，給企業(yè)和廣大人民群眾造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此針對(duì)我國(guó)金屬礦山災(zāi)害特點(diǎn)的系統(tǒng)全面的井下避災(zāi)硐室建設(shè)研究迫在眉睫。

1 金屬礦山災(zāi)害

金屬礦山透水、火災(zāi)、沖擊地壓、爆炸等重特大災(zāi)害具有突發(fā)性、災(zāi)害性、破壞性、繼發(fā)性等特點(diǎn)，每種災(zāi)害根據(jù)不同災(zāi)變機(jī)理又具有不同的特征［1］。

1.1 冒頂片幫事故

分布在各礦井采掘作業(yè)面，主要有因礦巖破碎、節(jié)理構(gòu)造較多、地壓較大、爆破沖擊等原因引發(fā)礦巖冒落造成的安全事故。

1.2 炮煙中毒事故

分布在各礦井采掘作業(yè)面，主要有因主通風(fēng)系統(tǒng)不完善、獨(dú)頭掘進(jìn)局部通風(fēng)方式不規(guī)范、通風(fēng)系統(tǒng)管理不到位等原因造成有毒有害氣體超標(biāo)而引發(fā)的安全事故。

1.3 炮擊事故

分布在各礦井采掘作業(yè)面，主要有因爆破物品管理不規(guī)范、進(jìn)入無(wú)警戒的爆破區(qū)、帶盲炮作業(yè)等原因引發(fā)的安全事故。

1.4 火災(zāi)事故

井下火災(zāi)主要分布在井下倉(cāng)庫(kù)及井下動(dòng)力電纜。井下火災(zāi)主要有因電纜超負(fù)荷、電纜接頭處淋水、漏電斷路器處線夾接頭不實(shí)及外部明火等引發(fā)電纜及倉(cāng)庫(kù)起火。

1.5 突（透）水事故

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件及成礦機(jī)理，金屬礦體分布地段礦井充水的主要因素是斷裂帶的弱含水層中的構(gòu)造裂隙水。其兩側(cè)的巖石受構(gòu)造的影響，裂隙發(fā)育，具一定的弱富水性及透水性。當(dāng)次級(jí)構(gòu)造破碎帶與含水裂隙相溝通并被坑道揭露后，則涌水量會(huì)增大，給生產(chǎn)造成不利影響甚至造成人員傷亡。

根據(jù)目前我國(guó)金屬礦山災(zāi)害發(fā)生率與井下避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)金屬礦山災(zāi)變特征統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。

表1 災(zāi)變特征統(tǒng)計(jì)分析

由表1可以得出，瞬時(shí)性災(zāi)害具有無(wú)法令人躲避，瞬間導(dǎo)致傷亡的特點(diǎn)，其所造成的個(gè)體瞬時(shí)傷亡是無(wú)法通過(guò)有效避災(zāi)措施避免。但造成群體傷亡的繼生災(zāi)害具有可感知性，有足夠的時(shí)間進(jìn)行躲避撤離，因此是井下防災(zāi)減災(zāi)的重要對(duì)象?？茖W(xué)的建設(shè)井下避險(xiǎn)系統(tǒng)，合理的布置避災(zāi)硐室，加強(qiáng)井下安全施工管理都將可以有效的減少人員傷亡。

2 國(guó)內(nèi)硐室建設(shè)問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《金屬非金屬地下礦山安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”安裝使用和監(jiān)督檢查暫行規(guī)定的通知》文件精神，目前我國(guó)陜西、山東、福建、湖北、云南等省安監(jiān)部門(mén)已經(jīng)下達(dá)避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)及驗(yàn)收文件，部分金屬礦山已經(jīng)完成避災(zāi)硐室建設(shè)，并且通過(guò)了相關(guān)部門(mén)的驗(yàn)收。

由于避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)在我國(guó)屬于新生項(xiàng)目，地方各礦不具備相應(yīng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，而且國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上承建單位及設(shè)計(jì)單位比較混雜，造成國(guó)內(nèi)避災(zāi)硐室建設(shè)呈現(xiàn)盲目性，而缺乏有效的科學(xué)督導(dǎo)。從而產(chǎn)生一些不切合實(shí)際的問(wèn)題，大大減弱了避災(zāi)硐室在礦山災(zāi)害突發(fā)中井下礦工緊急避難的效用，存在問(wèn)題如下。

1）硐室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施的技術(shù)參數(shù)、數(shù)量、安放位置等缺少合理計(jì)算與設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行整體設(shè)計(jì)優(yōu)化從而達(dá)到設(shè)備設(shè)施效用的最大化。

2）硐室建設(shè)政績(jī)化嚴(yán)重，浪費(fèi)大量的人力、物力在硐室內(nèi)部裝修美化上，過(guò)于追求樣板示范工程。

3）按照國(guó)家規(guī)范模式化建設(shè)，沒(méi)有對(duì)各礦自身安全環(huán)境及隱患特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

4）不重視全礦井避災(zāi)路線與硐室相結(jié)合的合理化線路布置，反光標(biāo)志牌、引導(dǎo)繩等設(shè)施缺失或不明確。

5）礦方重點(diǎn)放在建設(shè)永久避災(zāi)硐室上，忽略了臨時(shí)避災(zāi)硐室在整體避險(xiǎn)系統(tǒng)中與永久避災(zāi)硐室相輔相成的作用，臨時(shí)避災(zāi)硐室是緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)不可或缺的重要組成。

6）避災(zāi)硐室與礦井整體監(jiān)控監(jiān)測(cè)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)緊密結(jié)合。首先要做到精確災(zāi)變預(yù)警，其次礦工互助合理逃避，才能發(fā)揮避災(zāi)硐室庇護(hù)的作用。

7）應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)不科學(xué)，缺乏針對(duì)災(zāi)變的真實(shí)演練，礦工缺少設(shè)備操作以及互助急救等知識(shí)及培訓(xùn)。

8）硐室建設(shè)驗(yàn)收完成后，礦方疏于管理與維護(hù)，專人專崗不明確，致使避災(zāi)硐室形同擺設(shè)。

從目前國(guó)內(nèi)金屬礦山井下避災(zāi)硐室建設(shè)來(lái)看，針對(duì)金屬礦山災(zāi)害特征，因地制宜的對(duì)硐室內(nèi)部建設(shè)、設(shè)備設(shè)施的配置、救援預(yù)案的演練等進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，從而對(duì)維持避險(xiǎn)系統(tǒng)整體的運(yùn)行效用至關(guān)必要。

3 硐室建設(shè)案例

3.1 安全環(huán)境分析

大尹格莊金礦緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)為山東省非煤礦山示范工程。床位于膠東半島的北部，其大地構(gòu)造處于華北地臺(tái)膠東臺(tái)隆之膠北隆起區(qū)，沂沭斷裂帶東側(cè)。其北部為龍口盆地，南部為膠萊坳陷。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，脈狀裂隙水做為主要礦床充水，因其補(bǔ)給條件差，對(duì)礦床開(kāi)采不起威脅作用；降水對(duì)坑道涌水不會(huì)產(chǎn)生影響；礦區(qū)內(nèi)無(wú)較大的地表水體，對(duì)礦區(qū)開(kāi)采則無(wú)威脅。礦井采用中央對(duì)角機(jī)械抽出式通風(fēng)方式，井下最低中段在－496m，溫度達(dá)到32℃，濕度達(dá)到80%。頂板條件整體較好，大面積采空區(qū)的頂板壓力有待監(jiān)測(cè)。

綜合分析得出，火災(zāi)是大尹格莊金礦容易發(fā)生的災(zāi)害，冒頂、透水災(zāi)害較易發(fā)生。因此對(duì)硐室的氣密性、內(nèi)部環(huán)境控制提出了嚴(yán)格的要求。

3.2 硐室建設(shè)案例

根據(jù)大尹格莊金礦現(xiàn)有安全環(huán)境與災(zāi)害特征，結(jié)合硐室內(nèi)避災(zāi)人數(shù)、設(shè)備優(yōu)化安置、室內(nèi)環(huán)境控制等因素，遵循“撤離優(yōu)先，避險(xiǎn)就近”的原則［2－5］，對(duì)永久避災(zāi)硐室內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 硐室內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

避災(zāi)硐室技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 避災(zāi)硐室技術(shù)參數(shù)表

硐室整體由過(guò)渡室、生存室、電源硐室、供氧硐室、衛(wèi)生間等結(jié)構(gòu)組成。

永久避災(zāi)硐室布置在穩(wěn)定的巖層中，避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造帶、高溫帶、應(yīng)力異常區(qū)以及透水危險(xiǎn)區(qū)，前后20m范圍內(nèi)巷道采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，且頂板完整、支護(hù)完好，符合安全出口的要求。靠近輔運(yùn)大巷，在通往主豎井的避災(zāi)路線上，易于得到救援，快速撤離到地面。

避災(zāi)硐室為半圓拱形截面，采用混凝土強(qiáng)度C30的錨網(wǎng)噴支護(hù)厚度100mm，硐室內(nèi)表面用白水泥沙漿抹面，硐室底板采用混凝土地面，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，地面貼防滑磚，硐室地面高于相鄰巷道底板500mm。

1）防護(hù)密閉系統(tǒng)：防護(hù)密閉系統(tǒng)包括防護(hù)墻和防護(hù)氣密門(mén)，第一道門(mén)墻滿足防護(hù)氣密要求，應(yīng)夠抗擊透水災(zāi)害下的最大靜水壓力并防止硐室外有毒有害氣體入侵。第二道門(mén)墻滿足氣密性，防止過(guò)渡室內(nèi)氣體滲入。

2）預(yù)埋管路：硐室外底板下預(yù)埋壓風(fēng)和供水管路、監(jiān)控監(jiān)測(cè)和動(dòng)力電纜套管，硐室頂部預(yù)埋單向排氣管，底板表面預(yù)埋單向排水閥。

3）氣幕噴淋裝置：過(guò)渡室內(nèi)設(shè)置壓縮空氣幕和壓氣噴淋裝置，壓風(fēng)管路和壓縮空氣瓶匯流排相連接。當(dāng)硐室外壓風(fēng)管路不受破壞時(shí)，硐室防爆門(mén)打開(kāi)啟動(dòng)機(jī)械閥，聯(lián)通壓風(fēng)管路的高壓空氣，通過(guò)氣幕噴氣孔形成無(wú)形的氣簾，阻止硐室外有毒有害氣體滲入。關(guān)門(mén)后，空氣幕自行停止。避險(xiǎn)人員進(jìn)入到過(guò)渡室，站在壓氣噴淋裝置下，霧化噴頭噴出的強(qiáng)大氣霧可以吹散附著在人體衣物上的有害氣體，通過(guò)對(duì)有毒有害氣體的清洗，防止被帶入到生存室。

4）降溫除濕系統(tǒng)：避災(zāi)硐室內(nèi)為密閉空間，室內(nèi)溫度隨著避難人員新陳代謝產(chǎn)生的熱量和濕度而逐漸升高，因此硐室內(nèi)配備安全、高效的蓄冰制冷裝置。在風(fēng)機(jī)的吹動(dòng)下形成氣流循環(huán)，高溫高濕氣體被蓄冰空調(diào)吸入，從排風(fēng)口吹出舒適冷氣，從而整體達(dá)到事宜人類生存的環(huán)境。

避災(zāi)硐室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)由溫度控制、濕度控制、有毒有害氣體去除和供氧系統(tǒng)共同組成。如表3所示。

表3 避災(zāi)硐室環(huán)境控制系統(tǒng)組成

5）硐室內(nèi)采用三級(jí)供氧：壓風(fēng)管路供氧、壓縮氧氣瓶供氧、壓縮自救器供氧。

6）避災(zāi)硐室內(nèi)配備獨(dú)立的內(nèi)外環(huán)境監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)突發(fā)災(zāi)變情況下硐室內(nèi)的避難人員實(shí)時(shí)對(duì)生存室內(nèi)外的 O2、CO2、CO、溫度、濕度、壓差進(jìn)行監(jiān)測(cè)并超限報(bào)警。硐室內(nèi)安裝直通地面調(diào)度室內(nèi)的電話，視頻，擴(kuò)播系統(tǒng)。最大限度保證災(zāi)變期間硐室內(nèi)遇難人員的安全和等待救援過(guò)程中的生存效率。

7）電源硐室內(nèi)配備了大容量不間斷電源，在硐室外電纜遭到災(zāi)變破壞的情況下能通過(guò)UPS電源對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)、空氣凈化裝置、照明系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。

8）為了給避難人員創(chuàng)造良好的生活環(huán)境，保證避難人員的健康安全。在避災(zāi)硐室內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)物式座椅，硐室里配備壓縮食物、水、急救包、工具箱、擔(dān)架、滅火器、馬桶等輔助設(shè)施。

3.3 硐室整體性能檢測(cè)

在硐室整體檢測(cè)中，通信設(shè)施正常使用，儀器儀表參數(shù)平穩(wěn)，溫濕度較為舒適。

通過(guò)本次檢測(cè)得出以下結(jié)論：①根據(jù)試驗(yàn)使用、消耗的壓縮氧、吸附劑、液態(tài)二氧化碳情況，通過(guò)剩余能力的計(jì)算，避難硐室的防護(hù)時(shí)間超過(guò)1.2×96h（其中1.2是備用系數(shù)）；②硐室內(nèi)的溫濕度較為適中，各類監(jiān)測(cè)傳感器無(wú)報(bào)警，通過(guò)抽取氣樣分析，各類傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)值準(zhǔn)確、可靠。

檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）大尹格莊金礦為山東省非煤礦山示范工程，其耗資150余萬(wàn)元。根據(jù)因地制宜的原則，硐室內(nèi)部為錨網(wǎng)噴支護(hù)且墻體刷暖色調(diào)噴漆，有效的減緩了避災(zāi)人員的內(nèi)心高度壓抑感和焦躁感。

2）硐室內(nèi)采用蓄冰制冷系統(tǒng)。通過(guò)科學(xué)合理計(jì)算，采用兩組蓄冰制冷空調(diào)進(jìn)行制冷，在外接380V動(dòng)力電纜遇災(zāi)變切斷后，可通過(guò)可通過(guò)硐室內(nèi)24V動(dòng)力電源驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)將蓄冰箱體內(nèi)冷風(fēng)流抽出，達(dá)到室內(nèi)降溫的要求。

3）硐室氣密性較好，且維持正壓狀態(tài)，防止火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害氣體侵入。硐室內(nèi)避災(zāi)人員生活而產(chǎn)生的有毒有害氣體可在硐室內(nèi)部通過(guò)循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行吸附，達(dá)到生存條件。

4）避災(zāi)硐室采取專人負(fù)責(zé)制。救援預(yù)案由礦長(zhǎng)為第一負(fù)責(zé)人，并對(duì)避災(zāi)系統(tǒng)組織相關(guān)部門(mén)進(jìn)行演練。

5）通過(guò)對(duì)大尹格莊金礦避災(zāi)硐室示范工程建設(shè)，極大的促進(jìn)了山東省內(nèi)金屬礦山井下避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)，提高了省域內(nèi)金屬礦山安全管理意識(shí)，對(duì)規(guī)范“六大系統(tǒng)”建設(shè)與運(yùn)營(yíng)起到了重要的推動(dòng)作用。

［1］文永勝，方顏空，呂力行.地下金屬礦山災(zāi)害分析與防治［J］.礦業(yè)工程，2010（2）：47－49.

［2］AQ2033－2011.金屬非金屬地下礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范［S］.國(guó)家安全監(jiān)督管理總局.

［3］王濤，趙毅鑫，姜耀東，等.煤礦井下避難硐室設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2011（4）：33－36.

［4］孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011（5）：713－716.

［5］李磊，黃園月，寶海忠.金屬礦山井下壓風(fēng)自救系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.金屬礦山，2012（8）：130－132.