張愛民，尚曉明，申志妍，邵長峰(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

現(xiàn)代化礦山逐漸形成具有生產(chǎn)規(guī)模大、運(yùn)輸距離長的特點(diǎn)，井下作業(yè)人員因避災(zāi)路線長而安全撤離較困難。另外，由于井下空間封閉的特性，若發(fā)生火災(zāi)、水災(zāi)、爆炸、塌方，都可能會造成巷道堵塞，動力、運(yùn)輸及通風(fēng)系統(tǒng)的破壞，且通向地面出口的距離較遠(yuǎn)，給救援行動帶來困難，無法及時(shí)進(jìn)行施救。避災(zāi)硐室作為一種能夠減少井下由于各種災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡的設(shè)施，在國外采礦發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了較為普遍的應(yīng)用。

本文在分析國內(nèi)外避災(zāi)硐室設(shè)置現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以國內(nèi)避災(zāi)硐室的相關(guān)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，期望能為礦山避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 國內(nèi)外避災(zāi)硐室設(shè)置現(xiàn)狀

由相關(guān)文獻(xiàn)可知，加拿大、澳大利亞、美國、南非等國家均在不同程度上使用了井下避災(zāi)硐室[1～5]。

早在1928年，加拿大就出現(xiàn)了初級避災(zāi)硐室，采用礦井壓風(fēng)系統(tǒng)提供呼吸用的空氣；避災(zāi)硐室在澳大利亞使用較為頻繁，并且政府強(qiáng)制要求所有礦井都必須設(shè)置避災(zāi)硐室；在西澳，MineARC公司研制出一種新型避災(zāi)硐室，用特殊材料制作，能經(jīng)受2 000℃火焰2h直接烘烤，可用于煤礦井下使用。

另外，美國的Strata Products公司針對不同的容量人數(shù)制定出了不同規(guī)格的避災(zāi)硐室。由2010年11月安標(biāo)國家中心統(tǒng)計(jì)，美國煤礦井下目前安裝配備救生艙1 193臺，其中可充氣式救生艙1 000臺，硬體式鋼制救生艙123臺；避難硐室70個(gè)。

南非自1970就出現(xiàn)避難所，1986年Kinross金礦礦難(死亡177人)后，法律強(qiáng)制井工礦山必須設(shè)立避難所，由于煤礦開采深度較淺，一般采用硐室+大直徑鉆孔方式。

在2011年4月10日，中國首次井下避難設(shè)施載人現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)在山西省潞安集團(tuán)常村礦順利完成，由礦工、救護(hù)隊(duì)員、科研人員等80人組成的試驗(yàn)人員，在模擬災(zāi)變環(huán)境的永久避難硐室內(nèi)安全度過了48h。硐室長39m，寬3.5m，高3.05m，可以容納80～100人，具有防爆密閉、氧氣供應(yīng)、空氣監(jiān)測、二氧化碳吸附、空氣溫濕度控制、電力供應(yīng)、聯(lián)絡(luò)通訊、食品飲水供應(yīng)等系統(tǒng)。

南山煤礦二水平投資30萬元首個(gè)仿救生倉式中央避災(zāi)硐室在二水平建成并投入使用，硐室內(nèi)可容納240人。該避災(zāi)硐室由主室、副室、儲藏室三部分組成，硐室內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)設(shè)置齊全。

隨著礦山安全意識的加強(qiáng)，安全措施投入的增大，越來越多的礦山開始建設(shè)或已經(jīng)使用避災(zāi)硐室這一設(shè)施。

3 避災(zāi)硐室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)依據(jù)

自2010年10月，國家安全監(jiān)管總局印發(fā)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)定通知(安監(jiān)總管168號文)，隨后，又陸續(xù)出臺了由國家安全監(jiān)管總局印發(fā)的《金屬非金屬地下礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》(AQ2033- 2011)和由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會主編的《有色金屬礦山井巷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50915- 2013)。

本避災(zāi)硐室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、參考國外礦山避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)和考察國內(nèi)外礦山避災(zāi)硐室的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。但由于礦山工程的特殊性，不同礦山的開拓系統(tǒng)也不同，因此需要根據(jù)礦山的具體情況進(jìn)行調(diào)整硐室的結(jié)構(gòu)和尺寸。

4 避災(zāi)硐室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《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，井下避災(zāi)硐室額定人數(shù)應(yīng)滿足本中段最多同時(shí)作業(yè)人員避險(xiǎn)需要，且單個(gè)避災(zāi)硐室額定人數(shù)不大于100人。另外，還指出硐室進(jìn)出口要滿足防水要求，硐室防護(hù)時(shí)間96h。

根據(jù)《有色金屬礦山井巷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，避災(zāi)硐室分防火和防水類兩種，防水類同上規(guī)范一致，而防火類硐室防護(hù)時(shí)間要求不低于8h。

根據(jù)以上規(guī)范要求，本次避災(zāi)硐室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)考慮以下5種類型(其中臨時(shí)型暫未考慮冰冷降溫系統(tǒng))：①50人防火臨時(shí)型(Ⅰ型)；②50人防水臨時(shí)型(Ⅱ型)；③50人冰冷防水永久型(Ⅲ型)；④100人防火臨時(shí)型(Ⅳ型)；⑤100人冰冷防水永久性(Ⅴ型)。

每種型式的避災(zāi)硐室，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的因素基本一致，包括：硐室位置、氧氣供給系統(tǒng)、除濕降溫系統(tǒng)、動力保障系統(tǒng)、生活保障系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以及硐室管理等。

以下以50人冰冷防水永久型(Ⅲ型)避災(zāi)硐室為例，詳述硐室內(nèi)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4.1 硐室位置

50人冰冷防水永久型避災(zāi)硐室適應(yīng)于水文地質(zhì)條件中等及復(fù)雜或有透水風(fēng)險(xiǎn)的地下礦山，作為永久避險(xiǎn)設(shè)施使用。其設(shè)置要求如下。

(1)避災(zāi)硐室的設(shè)置要避開地質(zhì)構(gòu)造帶、應(yīng)力異常區(qū)以及透水威脅區(qū)，并要盡量設(shè)置在圍巖穩(wěn)固、支護(hù)良好、靠近人員相對集中的地方。

(2)硐室底板高于巷道底板0.5m以上，前后20m范圍內(nèi)應(yīng)采用非可燃性材料支護(hù)。

(3)在井下通往避災(zāi)硐室的入口處設(shè)“避災(zāi)硐室”反光顯示標(biāo)志。

(4)避災(zāi)硐室額定防護(hù)時(shí)間不低于96h。

(5)硐室進(jìn)出口的防水門及硐室防水等級應(yīng)根據(jù)具體礦山總體設(shè)防水頭高度確定。

4.2 氧氣供給系統(tǒng)

硐室內(nèi)考慮兩套氧氣供給系統(tǒng)，即壓風(fēng)供氧系統(tǒng)和壓縮供氧系統(tǒng)。

(1)壓風(fēng)供氧系統(tǒng)。避災(zāi)硐室內(nèi)鋪設(shè)壓風(fēng)自救管道，由中段生產(chǎn)壓氣管接入，接入時(shí)需安裝油水分離器。壓風(fēng)自救管采用φ89mm×4mm的無縫鋼管。硐室內(nèi)壓風(fēng)自救管接出2個(gè)支管，通過閥門與壓風(fēng)自救裝置連接。每套壓風(fēng)過濾系統(tǒng)均由減壓、消音和過濾裝置組成。壓風(fēng)過濾系統(tǒng)如圖1所示。

硐室內(nèi)空氣通過單向排氣管排出硐室，排氣管沿避災(zāi)硐室外主巷道鋪設(shè)至上一中段水平。排氣管道采用φ159mm×4mm的無縫鋼管。

圖1 壓風(fēng)過濾系統(tǒng)

(2)壓縮供氧系統(tǒng)。壓縮氧供氣設(shè)施由醫(yī)用氧氣瓶、減壓閥、壓力表、供氣管路、流量調(diào)節(jié)閥、開關(guān)等組成，如圖2所示。

圖2 壓縮氧供氣設(shè)施

根據(jù)人均供氧量0.5L/min計(jì)算，避災(zāi)人數(shù)50人，96h防護(hù)時(shí)間內(nèi)，共需要工作壓力為15MPa、水容積為40L醫(yī)用氧氣28支。

4.3 除濕降溫系統(tǒng)

硐室內(nèi)熱負(fù)荷主要包括：人體負(fù)荷、照明負(fù)荷等，通過計(jì)算，此型式硐室的總熱量約為740kWh。

目前較常用的制冷形式有：液體CO2無動力制冷系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)、電蓄冰制冷系統(tǒng)、化學(xué)劑制冷等。由于電蓄冰制冷效果好且無二次污染氣體產(chǎn)生，故經(jīng)過綜合比較后選擇冰降溫系統(tǒng)。

根據(jù)總熱負(fù)荷，選擇2臺制冷量8.6kW、功率7kW的壓縮冷凝機(jī)組，并對應(yīng)配備6臺1.7t蓄冰槽，蓄冰槽尺寸為2 280mm×700mm×1 500mm。壓縮冷凝機(jī)組及蓄冰槽如圖3和圖4所示。

圖3 壓縮冷凝機(jī)組

圖4 蓄冰槽

選擇錯(cuò)時(shí)蓄能的方式制冰，即壓縮冷凝機(jī)組在非避災(zāi)情況下利用外部電源給蓄冰槽進(jìn)行制冰，在避災(zāi)情況下利用蓄冰槽的冰來降溫。平時(shí)需要進(jìn)行冰量維護(hù)，及時(shí)補(bǔ)充融化損失部分。

4.4 動力保障系統(tǒng)

動力保障設(shè)施由外接電源和備用電源組成。外接電源作為礦山正常生產(chǎn)時(shí)降溫系統(tǒng)制冰、傳感器監(jiān)測、備用電源充電、硐室內(nèi)照明等的動力。

靠近避災(zāi)硐室頂部/底部預(yù)留有孔徑為60mm的電纜孔。

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后外部電源中斷時(shí)，備用電源自動啟動，保障在96h以內(nèi)氣體凈化設(shè)施和環(huán)境監(jiān)測設(shè)施、礦用空調(diào)的動力需求。

備用電源由大容量的鎳氫蓄電池組組成，具有自動充電、充電狀態(tài)顯示、均衡充放電等電源管理和過充過放等安全保護(hù)功能。

4.5 生活保障系統(tǒng)

生活保障系統(tǒng)包括以下幾個(gè)方面。

(1)避災(zāi)硐室應(yīng)配備在額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)額定人員生存所需要的食品和飲用水。

(2)避災(zāi)硐室內(nèi)配備隔絕式自救器，自救器使用時(shí)間不低于30min，配備數(shù)量不低于額定人數(shù)的1.1倍。

(3)避災(zāi)硐室設(shè)有與礦井調(diào)度室直通的電話，并設(shè)置一套無線通訊系統(tǒng)，以保證災(zāi)變期間通訊可靠。

(4)硐室內(nèi)設(shè)置供水管，供水管線在進(jìn)入避難硐室前埋設(shè)于巷底，以確保在災(zāi)變發(fā)生時(shí)不被破壞，埋設(shè)距離避災(zāi)硐室200m以上，供水管管徑為32mm。

(5)硐室內(nèi)設(shè)置與外界相通的單向排水管，管徑為108mm，室內(nèi)一側(cè)的管口靠近避難硐室底板。

(6)避災(zāi)硐室配備的食品和急救藥品，過期或失效的必須及時(shí)更換。

(7)排泄物收集采用坐便器，采用化學(xué)除臭劑除異味。

4.6 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

避災(zāi)硐室內(nèi)配置一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度、濕度和大氣壓的檢測報(bào)警裝置各1套，避災(zāi)硐室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、氧氣等氣體參數(shù)通過內(nèi)部傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示，當(dāng)一氧化碳、二氧化碳濃度及溫度超過額定值實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警，氧氣濃度值低于18.5%時(shí)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，提醒硐室內(nèi)人員采取相應(yīng)的措施保證避災(zāi)硐室環(huán)境的穩(wěn)定。

所有傳感器均垂直懸掛，距巷壁不小于0.2m，其中CO、CO2、O2等3種傳感器安設(shè)距底板1.2m處，大氣壓、溫度、濕度等3種傳感器安設(shè)距底板1.6m處。

4.7 硐室管理

針對避災(zāi)硐室管理，需要遵循以下幾個(gè)方面。

(1)礦井建立避災(zāi)硐室管理制度，設(shè)專人管理，每周檢查一次。按相關(guān)規(guī)定對其配套設(shè)施設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)校，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，確保設(shè)施完好可靠。

(2)礦井應(yīng)對入井人員進(jìn)行避災(zāi)硐室使用的培訓(xùn)，每年組織一次避災(zāi)硐室使用演練，確保每位入井員工都能正確使用避災(zāi)硐室及其配套設(shè)施。

(3)避災(zāi)硐室內(nèi)應(yīng)有簡明易懂的使用說明，以指導(dǎo)遇險(xiǎn)人員正確使用避難設(shè)施。

(4)在非避災(zāi)情況下，該硐室也可作為井下就餐室、會議室、培訓(xùn)等用。

5 國內(nèi)避災(zāi)硐室應(yīng)用

隨著國家相關(guān)規(guī)定的出臺，國內(nèi)越來越多的地下礦山已經(jīng)開始設(shè)置避災(zāi)硐室，并投入使用。

目前，先后完成了武鋼集團(tuán)金山店鐵礦、程潮鐵礦、大冶鐵礦、臨沂會寶嶺鐵礦、白象山鐵礦、金川鎳礦、冬瓜山銅礦、薩熱克銅礦等礦山的避災(zāi)硐室設(shè)計(jì)，不同礦山選擇的硐室類型也不同。其中部分礦山已經(jīng)建成，并通過國家安監(jiān)局驗(yàn)收及使用。

后期，將結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望能設(shè)計(jì)出合理的、經(jīng)濟(jì)的避災(zāi)硐室供礦山使用。