礦山井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李云珠 倪 彬 劉曉明 肖厚藻 徐志強(qiáng)

(1.西安有色冶金設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710001;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

礦井火災(zāi)、爆炸、冒頂塌方等災(zāi)害事故均會(huì)對(duì)井下人員的生命安全構(gòu)成極大威脅。災(zāi)情發(fā)現(xiàn)后，如不能迅速處理，則必須將在受災(zāi)區(qū)域及可能傷害的作業(yè)人員撤離到安全地點(diǎn)。2010 年，國(guó)務(wù)院23 號(hào)令指出煤礦、非煤礦山建設(shè)通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)和緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)等六大系統(tǒng)，其中緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)為六大系統(tǒng)中重要組成部分［1-2］。

國(guó)外緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)較早［3-4］，加拿大早在1928 年就出現(xiàn)了避難硐室，利用壓縮空氣提供氧氣。20 世紀(jì)70 年代初南非就建立了簡(jiǎn)單的避難硐室。2000 年以來(lái)，澳大利亞經(jīng)常采用可移動(dòng)式避難硐室。此外，美國(guó)、法國(guó)、新西蘭等國(guó)均已經(jīng)建立了井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)。隨著國(guó)務(wù)院23 號(hào)令的穩(wěn)步執(zhí)行，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)的浪潮，如何結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)情、依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［5-13］。本研究以云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤分公司井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)為例，依據(jù)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀，開展了礦山井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 礦山概況

會(huì)澤分公司是國(guó)有控股企業(yè)云南馳宏鋅鍺股份有限公司重要的原料生產(chǎn)基地之一，擁有麒麟廠、礦山廠2 座礦山和1 個(gè)選礦廠，目前開采最低中段為1 031 m。2013 年，為響應(yīng)國(guó)務(wù)院號(hào)召，會(huì)澤分公司開展礦山安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)建設(shè)。根據(jù)《AQ_2033—2011 金屬非金屬地下礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》要求，生產(chǎn)中段在地面最低安全出口以下垂直距離超過(guò)300 m 的礦山，應(yīng)在最低生產(chǎn)中段設(shè)置緊急避險(xiǎn)設(shè)施，為此，選擇在1 031 m 中段設(shè)計(jì)一個(gè)緊急避險(xiǎn)硐室，永久避難硐室生存室內(nèi)按避難人數(shù)30 人考慮。

2 緊急避難路線三維設(shè)計(jì)

避難路線是指井下人員從現(xiàn)場(chǎng)撤離到安全地點(diǎn)的路線，需要安全可靠，并且路徑最短。會(huì)澤分公司礦山廠的生產(chǎn)中段均在地面最低安全出口以上，并且1#豎井和3 中段平硐能夠直通地表，1 584 m 中段與麒麟廠1 571 m 中段相連，直通麒麟廠2#豎井。麒麟廠所有礦體、采區(qū)、中段均有2 個(gè)以上通往地表的通道，其中1#豎井、1 931 中段、1 751 中段、1 631 中段和1 571 中段能夠直通地表，井下各中段可以通過(guò)1#斜井、2#斜井、3#斜井、4#斜井、2#盲豎井將和斜坡道進(jìn)入各安全出口。避難路線根據(jù)各安全出口的位置布置，各個(gè)中段人員向安全出口方向疏散。參考通風(fēng)系統(tǒng)圖，依照最佳避難路線設(shè)計(jì)原則，在數(shù)字礦業(yè)軟件Dimine 中建立井下避難路線三維模型(圖1)，該模型可融合到數(shù)字礦山管控平臺(tái)DimineVR 中，與井下人員定位系統(tǒng)集成，當(dāng)井下發(fā)生災(zāi)變時(shí)，礦山管理人員可及時(shí)調(diào)出礦井避難路線圖，根據(jù)災(zāi)變的類型和地點(diǎn)，求解出安全最短撤退時(shí)間的最佳撤退路線，指揮井下作業(yè)人員快速、有序撤離災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)，使人員傷亡事故降至最低限度［7-8］。

圖1 避難路線三維可視化顯示Fig.1 3D visualization display of refuge route

3 避難硐室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 避難硐室位置選擇

根據(jù)礦井避災(zāi)路線，同時(shí)考慮自救器的有效使用時(shí)間，為確保井下災(zāi)變時(shí)受困人員能安全到達(dá)避難硐室，兼顧實(shí)際生產(chǎn)中段位置、人員集中區(qū)域、通風(fēng)條件等因素，設(shè)計(jì)將永久避難硐室布置在1 031 m 中段避災(zāi)路線上，具體位置應(yīng)選擇在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，圍巖穩(wěn)定區(qū)域，位置在1 031 m 中段4#斜井附近。

3.2 避難硐室結(jié)構(gòu)及尺寸

避難硐室由聯(lián)絡(luò)道、過(guò)渡室和生存室組成，設(shè)計(jì)2 個(gè)安全通道，左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱。硐室地面設(shè)計(jì)高于外部巷道底板0.5 m。

(1)聯(lián)絡(luò)道。避難硐室與中段主運(yùn)輸巷道之間設(shè)置2 m 長(zhǎng)的聯(lián)絡(luò)通道。

(2)過(guò)渡室。硐室2 道防護(hù)密閉門之間為過(guò)渡室，過(guò)渡室長(zhǎng)4 m，寬2.5 m，過(guò)渡室的凈面積為10 m2。過(guò)渡室前后設(shè)置2 道向外開啟的防護(hù)密閉門。

(3)生存室。硐室第2 道防護(hù)密閉門之內(nèi)為避險(xiǎn)生存室，生存室根據(jù)功能又分為救生區(qū)、生活區(qū)和排泄區(qū)。設(shè)計(jì)額定避難人數(shù)為30 人，依據(jù)相關(guān)文件按額定避難人數(shù)不低于1 m2的有效使用面積計(jì)算，同時(shí)考慮1.2 的備用系數(shù)，避難硐室避險(xiǎn)生存室使用面積不得小于30 人×1 m2/人×1.2 =36 m2，另外生存室內(nèi)設(shè)備、物品占用面積為28 m2，設(shè)計(jì)生存室寬度為4 m，經(jīng)計(jì)算長(zhǎng)度為16 m。故生存室尺寸定為16 m×4 m×2 m(長(zhǎng)×寬×墻高)，面積為64 m2。避難硐室平面布置如圖2 所示，三維立體示意圖如圖3 所示。

圖2 避難硐室平面布置Fig.2 Plan layout of the refuge chamber

圖3 避難硐室三維立體示意Fig.3 3D sketch map of the refuge chamber

3.3 避難硐室斷面形狀

根據(jù)硐室尺寸，結(jié)合圍巖條件及地壓情況，同時(shí)考慮空間的有效利用程度，避難硐室的開鑿形狀采用三心拱。生存室凈斷面寬為4 m，墻高2 m，支護(hù)厚度0.2 m，聯(lián)絡(luò)道和過(guò)渡室凈斷面寬為2.5 m，墻高1.75 m，支護(hù)厚度0.2 m。

4 避難硐室關(guān)鍵系統(tǒng)建設(shè)

井下避難硐室設(shè)計(jì)各系統(tǒng)組成如圖4 所示。其中通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)等系統(tǒng)伴隨“六大系統(tǒng)”中其他系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行建設(shè)，本文重點(diǎn)闡述供氧系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)的建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 避難硐室系統(tǒng)組成Fig.4 System composition of the refuge chamber

4.1 供氧系統(tǒng)

硐室內(nèi)設(shè)計(jì)三級(jí)供氧系統(tǒng)，分別為壓風(fēng)管路供氧、壓縮氧氣供氧和壓縮氧自救器［12］。

第一級(jí)供氧(壓風(fēng)管路供氧):設(shè)計(jì)與礦用壓風(fēng)管路兼容的管路，在礦井壓風(fēng)輸送正常時(shí)，采用壓縮空氣直接為避難硐室內(nèi)送風(fēng)，并能長(zhǎng)時(shí)間保持良好的空氣質(zhì)量。

第二級(jí)供氧(壓縮氧氣供氧):若壓風(fēng)自救系統(tǒng)中斷，采用醫(yī)用壓縮氧氣鋼瓶提供96 h 所需全部氧氣。

(1)氧氣量計(jì)算。為了保證氧氣能夠在30 人避難硐室內(nèi)供應(yīng)96 h，氧氣瓶數(shù)量計(jì)算如下:1 個(gè)成年人正常情況下所需氧氣量為0.5 L/min，因此30 人在96 h 內(nèi)所需的氧氣量為

(2)氧氣瓶數(shù)量計(jì)算。目前常用醫(yī)用氧氣瓶規(guī)格為25 MPa、40 L 的壓縮氧，折算成正常氣壓下的氧氣體積為

按1.1 的備用系數(shù)計(jì)算，在30 人規(guī)格的避難硐室內(nèi)，共需要氧氣瓶數(shù)量為

第三級(jí)供氧(壓縮氧自救器):硐室內(nèi)按避難人數(shù)1.2 的備用系數(shù)進(jìn)行配隔絕式壓縮氧自救器，設(shè)計(jì)采用36 臺(tái)ZYX45 型隔絕式壓縮氧自救器。

4.2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)分硐室內(nèi)監(jiān)測(cè)和硐室外監(jiān)測(cè)，硐室內(nèi)外分別配備獨(dú)立的6 種無(wú)線傳感器，監(jiān)測(cè)硐室內(nèi)外的CO、O2、CO2、NO2、溫度、濕度等參數(shù)。硐室內(nèi)安裝智能數(shù)據(jù)采集分站，用于實(shí)時(shí)采集傳感器通過(guò)有線方式傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)環(huán)境參數(shù)顯示終端，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若硐室內(nèi)外監(jiān)測(cè)參數(shù)超限，則自動(dòng)聲光報(bào)警。

硐室內(nèi)所有的傳感器均安裝在生存區(qū)中間區(qū)域的墻壁上，其中，CO 傳感器安裝在距離硐室頂板0.3 m 位置，CO2和NO2傳感器安裝在距離硐室底板0.3 m 位置，O2、濕度及溫度傳感器安裝在CO 和CO2傳感器中間位置。硐室外所有傳感器安裝在硐室外2個(gè)出口中間。

4.3 壓風(fēng)自救系統(tǒng)

礦山現(xiàn)有壓氣管道將壓縮空氣送至各生產(chǎn)中段，只需在現(xiàn)有管路上通過(guò)變徑管加裝支管，將壓縮空氣引入避難硐室，通過(guò)供氣閥門控制開關(guān)，并最終連接到壓風(fēng)自救裝置，該裝置包含減壓、消音、過(guò)濾裝置和帶有閥門控制的呼吸嘴，其中過(guò)濾裝置具備油水分離功能。對(duì)于30 人規(guī)格避難硐室，同時(shí)在壓風(fēng)管道上共設(shè)計(jì)6 套壓風(fēng)自救裝置，每套壓風(fēng)自救裝置可同時(shí)供6 人呼吸使用，壓風(fēng)自救裝置之間的距離設(shè)計(jì)為2.5 m。

緊急狀態(tài)下避難硐室最大需風(fēng)量(Qmax)按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中，K 為漏風(fēng)系數(shù)，管網(wǎng)總長(zhǎng)度小于1 km 取1.1;N為避難硐室額定人數(shù)，30 人;Q 為避難硐室內(nèi)人員需要的新鮮風(fēng)量，取300 L/min。

根據(jù)式(4)可以計(jì)算出會(huì)澤分公司井下避難硐室最大需風(fēng)量為

4.4 環(huán)境控制系統(tǒng)

避難硐室是一個(gè)密閉空間，室內(nèi)溫度會(huì)因避險(xiǎn)人員身體散熱或用電設(shè)備發(fā)熱而導(dǎo)致溫度升高，并產(chǎn)生CO、CO2以及有毒有害氣體。為了控制溫度及凈化有毒有害氣體，井下避難硐室需建設(shè)環(huán)境控制系統(tǒng)。環(huán)境控制系統(tǒng)主要由溫度控制、空氣凈化和濕度控制三大系統(tǒng)組成。

(1)溫度控制系統(tǒng)。常用制冷方法有蓄冰制冷、電動(dòng)制冷機(jī)制冷及高壓氣體膨脹制冷等。蓄冰制冷、電動(dòng)制冷機(jī)制冷因需要大容量蓄電池或外接大功率電源，不宜采用。高壓氣體膨脹制冷是通過(guò)高壓氣體膨脹吸熱制冷，具有無(wú)電源、維護(hù)費(fèi)用低、維護(hù)量小等優(yōu)勢(shì)。常用的制冷劑有二氧化碳、氟利昂、液氨等。液氨有毒，氟利昂儲(chǔ)藏設(shè)備體積較大，遇高溫會(huì)分解出有害氣體等。二氧化碳具有安全穩(wěn)定、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用二氧化碳進(jìn)行制冷。

(2)空氣凈化系統(tǒng)。井下避難硐室應(yīng)具備對(duì)有毒有害氣體的處理能力和空氣調(diào)節(jié)控制能力，采用空氣凈化裝置和CO、CO2吸附劑對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行凈化，空氣凈化系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇將空氣吸入凈化柜，空氣經(jīng)過(guò)柜內(nèi)的吸收藥劑，有害氣體被充分吸收后從出風(fēng)口吹出。

(3)濕度控制系統(tǒng)。濕度主要通過(guò)循環(huán)風(fēng)和吸附劑控制。避難硐室兩過(guò)渡室分別接入單向排氣管道和單向排水管道，排水管和排氣管均加裝手動(dòng)閥門，室內(nèi)一側(cè)的管口靠近底板，并在過(guò)渡室設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)開關(guān)，控制硐室內(nèi)外空氣的流動(dòng)。吸附劑選擇強(qiáng)力干燥劑和除濕干燥簾。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用三維礦業(yè)軟件Dimine 對(duì)會(huì)澤分公司井下避難路線進(jìn)行了三維可視化設(shè)計(jì)。

(2)依據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)避難硐室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，避難硐室由聯(lián)絡(luò)道、過(guò)渡室和生存室組成，設(shè)計(jì)2 個(gè)安全通道。

(3)對(duì)避難硐室內(nèi)部供氧系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和壓風(fēng)自救系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

(4)通過(guò)建立井下避難硐室，為井下作業(yè)人員提供安全保障，減少了人員傷亡和災(zāi)害損失，保障礦工的生命安全，保證了企業(yè)正常的安全生產(chǎn)活動(dòng)。

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