黃 明,謝正連

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400016)

煤炭工業(yè)作為我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的影響，在我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)中的主體地位短期內(nèi)不會(huì)改變[1]。近些年，我國(guó)已在開(kāi)采技術(shù)、作業(yè)環(huán)境、勞動(dòng)防護(hù)、安全管理等方面取得了顯著的成就，但由于種種原因，各類礦難事故仍時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦瓦斯事故中死亡人員的75％是由于有毒、有害氣體(主要是一氧化碳)中毒死亡，而事故發(fā)生后第一時(shí)間所處的位置、所選擇的路線對(duì)災(zāi)后救援是至關(guān)重要的[2]。國(guó)有大型礦井具有井筒深和運(yùn)輸距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)災(zāi)后人員撤離工作帶來(lái)一定的困難，而避難硐室對(duì)災(zāi)后人員逃生起著重要的作用。避難硐室根據(jù)所用時(shí)間長(zhǎng)短，分為永久避難硐室和臨時(shí)避難硐室；根據(jù)供氧方式不同，分為地面鉆孔供氧式避難硐室和自供氧式避難硐室。本文結(jié)合烏蘭煤礦實(shí)際情況，開(kāi)展1150水平地面鉆孔供氧式避難硐室的設(shè)計(jì)工作，以期改善烏蘭煤礦安全防護(hù)水平，提高其礦井抗災(zāi)變能力，并為其他礦井避難硐室的設(shè)計(jì)建設(shè)提供工程范例。

1 礦井概況

烏蘭煤礦位于賀蘭山北段煤田呼魯斯太礦區(qū)的北端，是神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)主焦煤的骨干礦井之一，屬生產(chǎn)多年的老礦井。礦井于1966年7月開(kāi)工建設(shè)，1975年6月30日正式建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a。1996年進(jìn)行技術(shù)改造及開(kāi)拓延深，技術(shù)改造后礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力提升至1.5Mt/a；2004年再次進(jìn)行技術(shù)改造，計(jì)劃將礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力提升為2.4Mt/a。

按照《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國(guó)發(fā)〔2010〕23號(hào))文件要求，神華寧煤集團(tuán)要求烏蘭煤礦在2012年6月底前，完成緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作，根據(jù)礦井實(shí)際情況決定在+1150m水平布置地面鉆孔供氧式避難硐室。

2 避難硐室的功能及布置原則

地面鉆孔供氧式避難硐室建立的目的是當(dāng)發(fā)生煤與瓦斯突出、瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)、冒頂片幫和水災(zāi)等礦井常見(jiàn)事故時(shí)，為井下有效區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員提供一個(gè)及時(shí)的、保證生存的、安全可靠的避難空間。因此，要求避難硐室具備以下功能：①防火防爆、抗高溫和沖擊波破壞的功能；②隔絕有毒有害氣體的功能；③氧氣供給和空氣凈化功能；④信息通訊和信號(hào)傳輸功能；⑤能量供給和維持生存基本需求功能；⑥地面壓風(fēng)供氧、流食供給和通訊傳輸功能。

3 避難硐室的選址

根據(jù)烏蘭煤礦實(shí)際情況并結(jié)合避難硐室的布置原則，確定將1150非常材料庫(kù)改裝成地面鉆孔供氧避難硐室，為南北翼采區(qū)的作業(yè)人員及其他作業(yè)人員提供避難場(chǎng)所。

4 避難硐室的構(gòu)建

4.1 規(guī)模尺寸

1) 規(guī)模：根據(jù)1150水平避難硐室的位置，并結(jié)合周圍有效區(qū)域內(nèi)人員分布情況，確定避難硐室最多容納100人。

2) 尺寸：根據(jù)1150水平非常材料庫(kù)的水文地質(zhì)、礦壓分布情況，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)模，保證人均面積不小于0.75m2,將該處地面鉆孔供氧式避難硐室設(shè)計(jì)為緩沖區(qū)及避難區(qū)，北側(cè)緩沖區(qū)長(zhǎng)11.0m，南側(cè)緩沖區(qū)長(zhǎng)為17.0m，避難區(qū)長(zhǎng)24.4m；硐室整體截面為凈寬4.6m，凈高4.4m，具體尺寸及內(nèi)部布置情況如圖1所示。

圖1 避難硐室尺寸及內(nèi)部布置圖

4.2 支護(hù)方式

根據(jù)選址處巖體的硬度及礦壓情況，整個(gè)避難硐室截面形狀初步設(shè)計(jì)成直墻半圓拱形，根據(jù)截面形狀和以往支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，避難硐室由巖體向避難硐室內(nèi)部支護(hù)方式分別為錨桿、錨網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)層；混凝土層，混凝土強(qiáng)度為C30。

5 避難硐室系統(tǒng)組成

5.1 地面鉆孔系統(tǒng)

鉆孔內(nèi)部布置。根據(jù)避難硐室中間硐室密閉性要求，地面鉆孔位置設(shè)計(jì)在緩沖硐室的小硐室內(nèi)。鉆孔內(nèi)包括壓風(fēng)管路、動(dòng)力電纜套管、通信監(jiān)測(cè)套管以及流食管。

地面鉆孔布置。烏蘭煤礦鉆孔孔深為450m，0～100m 孔徑為310mm，安裝DN275mm壁厚10mm的無(wú)縫鋼管，100～450m孔徑為255mm，安裝DN225mm壁厚10mm的無(wú)縫鋼管，在鉆孔與管壁周圍壓入水泥漿并凝固72h。

吊裝工藝。①DN225無(wú)縫鋼管采用焊接的方式固定于地面槽鋼上，槽鋼下使用工字鋼作為支撐。②大套管內(nèi)部壓風(fēng)管等使用吊車進(jìn)行分段式吊裝。露出地面套管焊接與法蘭盤(pán)上，并采用上下托盤(pán)鎖緊的形式。③動(dòng)力、通訊等電纜在鉆孔口使用卡套將電纜與鋼絲繩卡牢，鋼絲繩捆綁在工字鋼上，用鋼絲擰緊。

5.2 避難硐室供氧系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)采用地面鉆孔供氧、井下壓風(fēng)供氧、生氧凈化器供氧等多種供氧方式。

地面鉆孔供氧。地面鉆孔供氧是通過(guò)硐室內(nèi)與地面貫通的鉆孔為硐室內(nèi)提供壓縮空氣。發(fā)生緊急情況時(shí)，地面的壓縮機(jī)通過(guò)鉆孔內(nèi)壓風(fēng)管道為硐室內(nèi)提供壓縮空氣。地面選用LGCY-16型空壓機(jī)2臺(tái)(1用1備)。

井下壓風(fēng)供氧。礦井壓風(fēng)供氧通過(guò)引入井下現(xiàn)有壓風(fēng)管路，與硐室內(nèi)部的壓風(fēng)控制系統(tǒng)和布?xì)庀到y(tǒng)相連接為避難硐室內(nèi)供氧，滿足避難硐室內(nèi)人員的氧氣需求，同時(shí)形成內(nèi)外正壓，防止毒害氣體的滲入。

生氧凈化器供氧。通過(guò)高壓氧氣等瓶生氧凈化器設(shè)備，在釋放氧氣的同時(shí)去除空氣中多余的CO2、水和有害氣體，達(dá)到供氧、調(diào)節(jié)空間內(nèi)濕度及除害的目的。

供氧方式的啟動(dòng)原則。優(yōu)先選用地面鉆孔向硐室供氧，其次采用井下壓風(fēng)系統(tǒng)供氧。若地面鉆孔和井下壓風(fēng)系統(tǒng)均遭中斷或破壞，則開(kāi)啟氧氣瓶向硐室供氧。

5.3 供電系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)除了引進(jìn)巷道內(nèi)動(dòng)力電纜外，還從地面單獨(dú)供應(yīng)了動(dòng)力電纜，從而形成兩個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)。當(dāng)災(zāi)害損壞了巷道內(nèi)電纜時(shí)，啟動(dòng)地面救援機(jī)房中發(fā)電機(jī)組開(kāi)始供電。

5.4 通訊、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

設(shè)置兩路固定電話，一路布置于避難室，信號(hào)直接通過(guò)地面鉆孔通訊電纜與地面調(diào)度室相接；另一路布置于緩沖硐室內(nèi)，與硐室外的井下通信系統(tǒng)相接。

硐室內(nèi)外均布置七合一監(jiān)測(cè)器，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)O2、CO2、CH4、溫濕度等七種環(huán)境參數(shù)。監(jiān)測(cè)器的信號(hào)通過(guò)地面鉆孔中的通訊電纜實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室。

5.5 人員定位、攝像系統(tǒng)

人員定位及攝像系統(tǒng)位于避難室兩端。人員定位選用KJ139型分站及讀卡器，通過(guò)井下MHYV1×4×7/0.52電纜及地面鉆孔中MHYVP-2×20×0.43電纜地面調(diào)度室連接；攝像系統(tǒng)選用KBA113A攝像儀與KTG102-127A型四路光端機(jī)，通過(guò)井下與地面鉆孔內(nèi)的MGTSV-8B型光纜傳輸信號(hào)。

5.6 回風(fēng)系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)采用井下壓風(fēng)或鉆孔壓風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)，稀釋硐室內(nèi)有毒有害氣體并降低硐室溫度，污風(fēng)采用兩種方式排出。一種是當(dāng)硐室內(nèi)氣壓超過(guò)硐室外300Pa時(shí)，硐室兩端超壓排氣閥將自動(dòng)打開(kāi)。另一種通過(guò)地面鉆孔向地面排出。

5.7 排水系統(tǒng)

硐室兩端均設(shè)置排水系統(tǒng)，排水管路深埋至硐室外排水溝，排水坡度3‰，排水端口連接單向閥，防止水災(zāi)情況下巷道積水逆流進(jìn)硐室。

5.8 醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)

避難室內(nèi)備有4個(gè)急救箱，備有止血?jiǎng)⑾疽?、繃帶等藥品，以便處理避險(xiǎn)時(shí)的受傷人員。緩沖硐室內(nèi)放置4個(gè)打包式馬桶搜集糞便等生活垃圾。

5.9 生活系統(tǒng)

硐室內(nèi)備有瓶裝礦泉水、軍用壓縮餅干和營(yíng)養(yǎng)液以保證100人96h所需，若避險(xiǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，地面人員可通過(guò)鉆孔流食管向硐室輸送流食。

6 結(jié)論

1) 通過(guò)分析烏蘭煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)狀，并根據(jù)避難硐室的布置原則，確定了地面鉆孔式避難硐室的主要功能及避難硐室的合理位置。

2) 根據(jù)避難硐室各區(qū)域功能，確定了合理的硐室規(guī)模、尺寸以及硐室的支護(hù)方式，確保了避難硐室的安全性及穩(wěn)定性。

3) 通過(guò)分析研究影響人類生存環(huán)境的因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用先進(jìn)技術(shù)，完善了避難硐室的9大系統(tǒng)，以保證避難硐室內(nèi)人員的生存和設(shè)備的正常運(yùn)行，充分體現(xiàn)了地面鉆孔式永久避難硐室的“可靠性、完善性、先進(jìn)性”等技術(shù)特點(diǎn)。

4) 烏蘭煤礦地面鉆孔式永久避難硐室的設(shè)計(jì)與建設(shè)，可為災(zāi)后井下無(wú)法撤離的遇險(xiǎn)人員提供一個(gè)安全的密閉空間，創(chuàng)造基本的生存條件，使災(zāi)后應(yīng)急救援模式由原來(lái)的被動(dòng)待援改變?yōu)橹鲃?dòng)自救與外部救援相結(jié)合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有序、有效救援起到至關(guān)重要的作用。

[1]袁學(xué)良.煤炭行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論及應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[2]張大明，馬云龍，丁延龍.礦井避難硐室研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(3)：194-198.

[3]孟磊，趙毅鑫，姜耀東，等.煤礦井下避難硐室系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].煤礦安全，2011，42(11)：144-147.

[4]郝迎格，王旭，郭英，等.南屯煤礦采區(qū)避難硐室設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2011，42(8)：98-100.

[5]張為，趙宏偉，楊明，等.煤礦避難硐室設(shè)計(jì)研究[J].建井技術(shù)，2011，32(4)：26-29.

[6]中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院.神華寧煤集團(tuán)烏蘭煤礦二水平安全技術(shù)改造補(bǔ)套工程及三水平延深初步設(shè)計(jì)[Z].2010.