白象山鐵礦避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張發(fā)亮

(馬鋼姑山礦業(yè)公司白象山鐵礦)

?

白象山鐵礦避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張發(fā)亮

(馬鋼姑山礦業(yè)公司白象山鐵礦)

避災(zāi)硐室是金屬非金屬礦山六大系統(tǒng)建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，也被稱為“小六大系統(tǒng)”。通過對(duì)白象山鐵礦避災(zāi)硐室的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，歸納出該系統(tǒng)在每一個(gè)子環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng)，為礦山今后緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

避災(zāi)硐室 金屬非金屬礦山 設(shè)計(jì)與應(yīng)用 緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)

馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司白象山鐵礦年產(chǎn)鐵礦石200萬t，礦區(qū)地層主要有三疊系上統(tǒng)黃馬青組、侏羅系中下統(tǒng)象山群、白堊系下統(tǒng)上火山巖組以及第四系沖、坡積層，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，勘探共發(fā)現(xiàn)10條斷層，其中對(duì)地下開采影響較大的有3條，分別為F1、F2和F3。該礦主要采用機(jī)械化上向分層充填采礦法，并采用三段碎礦+三段磨礦+3次磁選的選礦工藝。

根據(jù)需要，遵循國家安監(jiān)總局2011年9月1日實(shí)施的《金屬非金屬地下礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》(AQ 2033—2011)設(shè)計(jì)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)[1-2]，進(jìn)行了整個(gè)避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)，其中包括硐室開拓設(shè)計(jì)、硐室設(shè)備安裝設(shè)計(jì)(密閉防護(hù)、壓風(fēng)過濾、壓縮供氧、空氣凈化、降溫除濕、供水施救系統(tǒng)、電力與生命保障系統(tǒng))[3-5]，筆者通過對(duì)以上各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)歸納總結(jié)，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)建議與注意事項(xiàng)，為類似金屬非金屬礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 避災(zāi)硐室開拓設(shè)計(jì)

根據(jù)白象山鐵礦富水礦山的實(shí)際，設(shè)計(jì)了井下避災(zāi)硐室。以-450 m分層為例，硐室設(shè)有兩個(gè)進(jìn)出口，間距不小于20 m，采用向外開啟的兩道隔離門，設(shè)計(jì)隔離門間的過渡室凈面積為19.11 m2(長×寬×高為3.9 m×4.9 m×4 m)。過渡室內(nèi)設(shè)壓風(fēng)噴淋裝置，第一道隔離門上設(shè)觀察窗，靠近底板附近設(shè)單向排水管和單向排氣管。生存硐室采用三心拱斷面，尺寸(長×寬×高)為34 m×5.9 m×6.8 m，能容納下100人(人均面積不得小于1 m2)，人員生存時(shí)間按照國家要求不低于96 h。

本次設(shè)計(jì)硐室過渡段采用鋼筋混凝土支護(hù)。生活室采用澆筑混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度300 mm，澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。制冰硐室、電源硐室及耳室暫按噴混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20?，F(xiàn)場可根據(jù)巖石揭露情況調(diào)整支護(hù)形式。

金屬非金屬礦山避災(zāi)硐室的選址應(yīng)結(jié)合規(guī)程并滿足以下條件：具有復(fù)雜水文地質(zhì)條件、生產(chǎn)中段在地面最低安全出口以下、垂直距離大于300 m的，應(yīng)在最低生產(chǎn)中段設(shè)置避險(xiǎn)設(shè)施；距中段安全出口實(shí)際距離大于2 000 m的，應(yīng)在本中段設(shè)置避險(xiǎn)設(shè)施。白象山鐵礦在-450 m分層硐室選址時(shí)，結(jié)合其本身大水礦山這一復(fù)雜地質(zhì)條件，將硐室選在-450 m東、西大巷叉點(diǎn)處。

硐室驗(yàn)收應(yīng)嚴(yán)格按照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2001)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)[6](必須在錨桿安裝后0.5～4.0 h進(jìn)行)，試驗(yàn)時(shí)需根據(jù)硐室設(shè)計(jì)寬度和錨桿型號(hào)選擇拉拔試驗(yàn)最小值，如：白象山鐵礦避災(zāi)硐室寬度為5.0～8.0 m，采用φ22 mm螺紋鋼(I級(jí))錨桿，按中型硐室要求設(shè)計(jì)，抗拉拔力不得低于80 kN。

2 硐室設(shè)備安裝設(shè)計(jì)

2.1 密閉防護(hù)系統(tǒng)

密閉防護(hù)系統(tǒng)為過渡室的兩道隔離門，一道防火門和一道防水門，防火門尺寸為2 200 mm×2 000 mm(H)，門框材料為耐火磚，厚度240 mm。防水門尺寸為2 400 mm×2 400 mm(H)，按承受凈水壓力1.6 MPa設(shè)計(jì)，門框及防水門可選用LM型博殼防水門，門框預(yù)先埋入混凝土基礎(chǔ)中。

硐室采用光面爆破，確保巖體整體性完好和契形體成型。防水門基礎(chǔ)要求一次澆筑完成，門框直接埋入混凝土基礎(chǔ),防水門硐室混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)28 d 后應(yīng)進(jìn)行壁后注漿和水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.76 MPa，耐壓時(shí)間不小于24 h。防水門為常開式，在門扇底部砌托門墩。

硐室內(nèi)的設(shè)備及安全裝置在密閉系統(tǒng)(防水、防火門)未安裝前應(yīng)提前進(jìn)入硐室，防止設(shè)備在硐室出入口澆筑、制模、安裝防水、防火門后無法進(jìn)入。

2.2 壓風(fēng)過濾系統(tǒng)

利用地面壓縮空氣作為氣源，經(jīng)過閥門后進(jìn)入生存室內(nèi)設(shè)置的水、灰塵、油三級(jí)過濾，從預(yù)先設(shè)置的減壓器、浮子流量計(jì)、管路進(jìn)入氣體輸出端，為避災(zāi)硐室內(nèi)避險(xiǎn)人員提供新鮮、高質(zhì)量的空氣。

白象山鐵礦在設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)，將壓風(fēng)系統(tǒng)與生產(chǎn)供風(fēng)合二為一，按人均供風(fēng)量大于0.3 m3/min，入口壓力大于0.8 MPa、出口壓力0～0.3 MPa(可調(diào)節(jié))、輸出流量不小于0.3 m3/(min·人)。井下壓風(fēng)裝置主管路在通過地表時(shí)，應(yīng)避免多次轉(zhuǎn)彎，嚴(yán)禁使用溜井、支護(hù)強(qiáng)度差的立井，避開受爆破強(qiáng)度影響大的路段，確保供風(fēng)管道的可靠、有效。

2.3 壓縮供氧系統(tǒng)

為保證避險(xiǎn)人員安全，要求硐室中氧含量不低于18.5%～23%，氧含量的危險(xiǎn)限度為17%，正常情況下通過井上壓縮空氣(壓風(fēng)自救系統(tǒng))供給新鮮空氣，避災(zāi)硐室可以無限得到外部供氧；若在供風(fēng)管道阻斷時(shí)，避災(zāi)硐室內(nèi)有限空氣將不能長時(shí)間維持避險(xiǎn)人員的呼吸，此時(shí)供氧系統(tǒng)將及時(shí)啟用，以保證氧氣供給。

供氧系統(tǒng)由高壓氧氣源、可調(diào)節(jié)流量計(jì)、匯流排、減壓箱、氧氣呼吸帶、氧氣呼吸終端、氧氣面罩組成。供氧系統(tǒng)采用雙組氣瓶雙路控制，一組使用，一組備用，人員使用氧氣面罩吸氧；當(dāng)一組的氧氣壓力使用到低于設(shè)定值時(shí)，人工切換到另一組，系統(tǒng)可以連續(xù)供氧，具體見圖1。

圖1 壓縮氧供氣系統(tǒng)原理

白象山鐵礦采用φ14X1不銹鋼管供氧，采用φ8X1不銹鋼管進(jìn)入氧氣終端，集中輸送氧氣至減壓箱，氧氣瓶壓力在高壓減壓和中壓二次減壓至0.4 MPa左右，氧氣終端采用自封式快速插座，每個(gè)終端流量不小于10 L/min，氧氣終端分別布置在休息座椅上方(圖2)。

圖2 壓縮氧吸氣裝置示意

白象山鐵礦在設(shè)計(jì)之初，從經(jīng)濟(jì)性考慮在硐室中間耳室部分計(jì)劃擺放氧氣鋼瓶56個(gè)，但因耳室空間不足，將56個(gè)氣瓶分為兩組，分別放置在過渡硐室，并在生存硐室兩端設(shè)置出氣控制端口，增加硐室內(nèi)部空氣流動(dòng)性，保證了此系統(tǒng)模塊既滿足了經(jīng)濟(jì)性又確保了安全性。

2.4 空氣凈化系統(tǒng)

按照《金屬非金屬地下礦山六大系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》(AQ 2033—2011)設(shè)計(jì)，100人永久硐室內(nèi)部配置2臺(tái)空氣凈化裝置，將制冰系統(tǒng)與空氣凈化系統(tǒng)配套使用?？諝鈨艋到y(tǒng)由兩臺(tái)氣動(dòng)空氣凈化裝置組成，每臺(tái)配一臺(tái)風(fēng)機(jī)：選用氣動(dòng)馬達(dá)消除綜合防護(hù)期間艙內(nèi)二氧化碳、一氧化碳，保障避險(xiǎn)人員的安全，其工作原理如圖3。

圖3 制冰系統(tǒng)與空氣凈化系統(tǒng)配套原理

空氣凈化裝置內(nèi)含有CO、CO2吸附劑，風(fēng)機(jī)安裝在凈化裝置的底端，通過風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)硐室內(nèi)的環(huán)境空氣流過藥劑箱，完成空氣凈化。從凈化裝置出來的空氣進(jìn)入冰柜風(fēng)道中，降溫除濕后供硐室人員使用。

該礦在試用期間發(fā)現(xiàn)，人體在硐室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的濕氣，而且CO2在吸收的過程中也會(huì)產(chǎn)生水分，為了降低濕度，在凈化器中配備一定量的硅膠和分子篩，可以有效的除濕和清除異味，同時(shí)提高CO催化劑的效率。

2.5 降溫除濕系統(tǒng)

硐室制冷系統(tǒng)由壓縮冷凝機(jī)組、控制箱、軸流風(fēng)機(jī)、不銹鋼蓄冰槽四部分組成，如圖4所示。

制冰硐室內(nèi)要求不滴水，墻面采用混凝土并刷白，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，地面采用水泥抹平，且高出巷道地板500 mm設(shè)人行踏步。壓縮冷凝機(jī)組安裝，根據(jù)設(shè)備要求確定制冰硐室與生活硐室之間的巖體內(nèi)施鉆數(shù)量及孔徑參數(shù)，并在鉆孔內(nèi)預(yù)埋套管若干，鉆孔與套管之間注漿密實(shí)，注漿壓力1.6 MPa。

圖4 制冷裝置組成

白象山鐵礦采用蓄冰空調(diào)降溫，此類空調(diào)主要由制冷裝置(硐室外)和蓄冰柜(硐室內(nèi))兩部分組成，由穿墻管線連接，該產(chǎn)品每組需要留置3個(gè)管道口(兩組即6個(gè))以便于銅管和傳感器線穿越墻體，其他礦山在此模塊選用蓄冰空調(diào)降溫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前做好降溫設(shè)備與施工鉆孔匹配問題，避免二次返工，在對(duì)墻體鉆孔過程中，應(yīng)從后期管路封堵嚴(yán)密性和減少破壞圍巖穩(wěn)定性出發(fā)，盡量減小預(yù)埋管管徑，如白象山鐵礦將原先設(shè)計(jì)的6根φ159 mm管路變更為φ80，φ60，φ40 mm管路各2根。此外，在蓄冰空調(diào)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，硐室外的制冷裝置在運(yùn)行中極易產(chǎn)生較大的灰塵，造成設(shè)備散熱效果差，后期嚴(yán)重影響制冰效果，平時(shí)應(yīng)做好制冷裝置周圍保濕、防除塵工作。

2.6 供水施救、電力、生命保障系統(tǒng)及其他

(1)供水施救。供水施救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與壓風(fēng)自救系統(tǒng)基本一致，與該礦生產(chǎn)、消防供水共用一套系統(tǒng)，由地表的高位水池實(shí)現(xiàn)地表通往井下各主巷道的供水，再由各主巷道向各個(gè)分層的采區(qū)、盤區(qū)輸送，避災(zāi)硐室內(nèi)的水源也由硐室外六大系統(tǒng)供水管引入室內(nèi)，經(jīng)水箱后，再由引水管進(jìn)入引水機(jī)供室內(nèi)人員飲用。

(2)供電系統(tǒng)。該礦電力系統(tǒng)采用外接電源和備用電源兩種形式，外接電源設(shè)計(jì)從東1#采區(qū)變電所和西2#采區(qū)變電所各敷設(shè)2條380 V低壓電纜進(jìn)入硐室動(dòng)力配電區(qū)和制冰硐室內(nèi)，硐室內(nèi)用電設(shè)備及照明系統(tǒng)供電為雙回路供電；備用電源設(shè)計(jì)UPS應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程必須具有在外接電源斷電時(shí)，可轉(zhuǎn)換為220 V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，運(yùn)行時(shí)間不低于96 h。

(3)生命保障系統(tǒng)。要求硐室內(nèi)配備有急救箱、應(yīng)急礦燈、工具箱、滅火器等輔助設(shè)施和隔絕式自救器，自救器需按入井總?cè)藬?shù)的10%配備，且有效防護(hù)時(shí)間不低于30 min。

(4)其他。避災(zāi)硐室還應(yīng)與礦井安全監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)等系統(tǒng)相連接，形成井下整體性的安全避險(xiǎn)系統(tǒng)。壓風(fēng)自救φ133 mm×5 mm無縫鋼管、供水施救φ32 mm×3.5 mm無縫鋼管等應(yīng)通過地埋接入硐室內(nèi)，礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)延伸至井下避災(zāi)硐室，硐室內(nèi)需設(shè)置直通礦調(diào)度室的電話，硐室生存環(huán)境參數(shù)檢測的氣體、視頻、語音等信息通過通信系統(tǒng)傳輸至井上，實(shí)現(xiàn)地表與硐室內(nèi)人員的互連互通。

3 結(jié) 語

(1)水文地質(zhì)復(fù)雜或生產(chǎn)中段在地面最低安全出口以下垂直距離超過300 m的礦山，應(yīng)在最低生產(chǎn)中段設(shè)置避災(zāi)硐室，中段安全出口實(shí)際距離超過2 000 m的生產(chǎn)中段應(yīng)設(shè)置緊急避險(xiǎn)設(shè)施。

(2)密閉防水裝置應(yīng)混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)，1個(gè)月內(nèi)進(jìn)行注漿與水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不得低于1.6 MPa,耐壓時(shí)間不小于24 h。

(3)壓風(fēng)過濾、供水施救系統(tǒng)與生產(chǎn)供風(fēng)、供水合二為一時(shí)，其主管路走線應(yīng)避開受爆破采動(dòng)影響大的區(qū)域，禁止使用溜井及成型差的立井，確保管線安全可靠。

(4)采用蓄冰空調(diào)降溫時(shí)，應(yīng)事先做好設(shè)備與施工鉆孔參數(shù)匹配，避免二次返工，盡量減小鉆孔數(shù)量及開口孔徑，保證墻體圍巖的密閉、穩(wěn)定性。

(5)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)應(yīng)與礦山其余五大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互連互通，確保系統(tǒng)的整體性。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.安監(jiān)總管一(2010)168號(hào) 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[S].北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2010.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.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[S].北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2011.

[3] 劉建東,王 平.金屬礦山關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(11):76-78.

[4] 杜振斐,馬 壯.某金礦避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)[J].有色金屬,2013,65(5):67-70.

[5] 毛春雷,許 暉.金屬礦山安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路[J].金屬礦山,2012(5):126-129.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建標(biāo)(2001)158號(hào) 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2001.

2016-07-15)

張發(fā)亮(1985—),男,助理工程師，碩士，343182 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣太白鎮(zhèn)。