(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著礦井現(xiàn)代化的發(fā)展，煤礦朝著生產(chǎn)能力大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、工作面連續(xù)推進(jìn)等方向發(fā)展，由此導(dǎo)致作業(yè)地點(diǎn)距離安全出口較遠(yuǎn)，一旦發(fā)生災(zāi)變，避險(xiǎn)人員在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法安全撤離到地面，只能躲到緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)，在危險(xiǎn)排除前只能被動(dòng)等待救援。同時(shí)，地面的救援人員施救路線長(zhǎng)，救援通道可能被堵塞或者存在潛在危險(xiǎn)導(dǎo)致救援工程量大，到達(dá)救援地點(diǎn)緩慢。另外，目前緊急避險(xiǎn)設(shè)施按照96h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，存在救援時(shí)間超出避難硐室有效防護(hù)時(shí)間的可能，有造成二次災(zāi)難的隱患[1]，并且緊急避險(xiǎn)存在諸多問(wèn)題[2]。對(duì)避險(xiǎn)人員來(lái)說(shuō)，逃生通道才是安全撤至地面的首要條件[3-4]。因此，避難硐室和直通地面的逃生通道相結(jié)合起來(lái)建設(shè)，將避難硐室的被動(dòng)避險(xiǎn)變成主動(dòng)逃生，是將來(lái)礦井緊急避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的一種發(fā)展趨勢(shì)[5-6]，這樣既可以減少現(xiàn)有避難硐室內(nèi)大部分設(shè)備的配置，減少了高壓氣瓶等安全隱患，也節(jié)省了硐室的成本；同時(shí)也提高了避險(xiǎn)系統(tǒng)的所容納人數(shù)，而且還能解決了大型礦井安全出口較遠(yuǎn)以及救援路線長(zhǎng)的問(wèn)題。本文結(jié)合神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦的采掘特點(diǎn)及現(xiàn)有的2-2煤100人永久避難硐室，提出了一種煤礦的小通道快速應(yīng)急逃生系統(tǒng)的構(gòu)建方案，對(duì)該系統(tǒng)中的提升艙、應(yīng)急逃生通道以及地面提升系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 礦井概況

布爾臺(tái)煤礦是中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)公司所屬的大型煤炭生產(chǎn)礦井，布爾臺(tái)井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗之東南，屬布爾臺(tái)鄉(xiāng)管轄。井田東西長(zhǎng)3.9～22.1km，南北寬2.2～16.9km。布爾臺(tái)煤礦井田面積192.632km2，地質(zhì)儲(chǔ)量33.03億t，可采儲(chǔ)量20億t，含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，煤層埋深在83～630m之間。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2000萬(wàn)t/a，服務(wù)年限71.3年。煤層頂?shù)装鍘r性較好，多為砂巖、砂質(zhì)泥巖，屬于II類一型中等冒落頂板，煤層瓦斯含量小，地溫?zé)o異常。煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，煤層易自燃，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。礦井采用斜井—平硐—立井聯(lián)合開拓方式，主斜井、輔運(yùn)平硐、進(jìn)風(fēng)斜井和回風(fēng)斜井設(shè)在礦井工業(yè)廣場(chǎng)，進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井設(shè)在風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)，分三個(gè)水平開采。全礦井劃分為7個(gè)盤區(qū)。在巷道系統(tǒng)布置上，將水平大巷與盤區(qū)巷道合二為一，減少盤區(qū)準(zhǔn)備巷道，系統(tǒng)劃分只有礦井和工作面兩級(jí)?；夭晒ぷ髅孢\(yùn)輸巷來(lái)煤直接與運(yùn)輸大巷搭接；而輔助運(yùn)輸則從輔助運(yùn)輸大巷直接進(jìn)入工作面輔助運(yùn)輸巷，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)環(huán)節(jié)。井下采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁一次采全高開采，工作面長(zhǎng)300～400m，推進(jìn)長(zhǎng)度為6000～7000m。

該礦2-2煤100人永久避難硐室位于2-2煤一盤區(qū)22105繞道與輔運(yùn)平硐交匯處，服務(wù)于2-2煤一盤區(qū)各采區(qū)。硐室由廢舊巷道改造而成，距離輔運(yùn)平硐約4000m，硐室埋深約367m。

2 避難硐室內(nèi)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硐室的設(shè)計(jì)原則

事故發(fā)生后，避險(xiǎn)人員在自救器的防護(hù)時(shí)間內(nèi)首先進(jìn)入避難硐室，然后通過(guò)硐室內(nèi)的逃生通道逃離井下。因此避難硐室的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下主要原則：

1)逃生為主，避險(xiǎn)為輔：避難硐室作為一個(gè)人員短暫避險(xiǎn)的區(qū)域，最終目的是讓所有進(jìn)入硐室的人員通過(guò)逃生通道逃離到地面。

2)具備安全防護(hù)能力：在等待逃生的時(shí)間內(nèi)，須保證避難硐室內(nèi)人員的基本生存條件。

3)滿足服務(wù)區(qū)域的最多人數(shù)需求：避難硐室應(yīng)能保證所服務(wù)區(qū)域的最多人數(shù)的避險(xiǎn)和逃生需求，并能保證一定的富余系數(shù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

由于避險(xiǎn)人數(shù)較多，避險(xiǎn)人員必須分組依次逃離，不可能同時(shí)逃離井下，因此避險(xiǎn)人員需要一個(gè)能夠提供生命保障的安全空間，在等待時(shí)間內(nèi)能夠?yàn)楸茈U(xiǎn)人員提供生命所必需的物質(zhì)及設(shè)施。

避難硐室內(nèi)部分為防爆緩沖區(qū)、過(guò)渡室、生存室、逃生室，如圖1所示。

圖1 避難硐室平面布置圖

防爆緩沖區(qū)的目的是減弱煤塵或者瓦斯爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)硐室的沖擊。

過(guò)渡室的功能是防止有毒有害氣體伴隨避難人員的進(jìn)入而污染硐室內(nèi)部的空氣，過(guò)渡室內(nèi)設(shè)有氣幕噴淋系統(tǒng)。

生存室的功能是為避險(xiǎn)逃生人員提供一個(gè)安全的停留區(qū)域，保證避險(xiǎn)人員在等待逃生過(guò)程中的安全，里面設(shè)有壓風(fēng)、供水、食物等維持生存所必須的物質(zhì)及配套系統(tǒng)，以及環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。上述系統(tǒng)應(yīng)分別從井下和逃生通道獨(dú)立的接入硐室，形成井下整體性的安全避險(xiǎn)系統(tǒng)，提高了避難硐室安全防護(hù)的可靠性。根據(jù)相關(guān)文件[7]要求，采用專用鉆孔或?qū)Ｓ霉苈窞楸茈y硐室供氧(風(fēng))的，在滿足人員避險(xiǎn)需求的前提下，可以簡(jiǎn)化或不再配置避難硐室高壓氧氣瓶、有毒有害氣體去除和溫濕度調(diào)節(jié)裝置，因此在滿足人員一定時(shí)間生存的條件下可大大減少硐室內(nèi)設(shè)備的配置。

3 小通道應(yīng)急逃生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

小通道應(yīng)急逃生系統(tǒng)主要包括：提升艙、應(yīng)急逃生通道、提升系統(tǒng)等三大部分。礦難發(fā)生后，井下不能直接升井的工作人員，可進(jìn)入避難硐室緊急避險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)與地面指揮聯(lián)系后，硐室內(nèi)人員可進(jìn)入提升艙，再通過(guò)提升系統(tǒng)提升到地面。

3.1 提升艙

3.1.1 基本功能及內(nèi)部設(shè)備配置

安全提升功能：為了保證人員能快速升井，設(shè)置上下兩層結(jié)構(gòu)，每層可容納2人，如圖2所示。

圖2 提升艙結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

通訊功能：提升艙內(nèi)配備有通訊設(shè)備，當(dāng)避險(xiǎn)人員在提升過(guò)程中可與地面營(yíng)救人員保持聯(lián)絡(luò)。

應(yīng)急供氧功能：提升艙內(nèi)配置有4臺(tái)120min自救器，確保提升艙內(nèi)避險(xiǎn)人員在緊急狀態(tài)下的供氧需求。

應(yīng)急逃生功能：當(dāng)提升艙在提升過(guò)程中因意外卡在逃生通道內(nèi)時(shí)，艙內(nèi)避險(xiǎn)人員可通過(guò)設(shè)置提升艙頂部的應(yīng)急逃生門撤出提升艙，然后再通過(guò)逃生通道內(nèi)的安全梯爬至地面。

3.1.2 基本參數(shù)的確定

根據(jù)有關(guān)資料[8]，99%的18～25歲成年男子滿足最大肩寬482mm，胸厚241mm，身高1830mm，按照額定每層提升兩人設(shè)計(jì)，考慮提升艙內(nèi)部設(shè)備尺寸，人員的活動(dòng)空間，提升艙內(nèi)徑取780mm，外徑取800mm，單層空間高2000mm，提升艙兩層總高約5440mm，重量約700kg。

3.2 應(yīng)急逃生通道

3.2.1 通道內(nèi)部尺寸確定

為保證硐室內(nèi)生存保障系統(tǒng)的可靠性，在逃生通道內(nèi)設(shè)置從地面接入硐室的壓風(fēng)管路、供水管路、通訊及供電線纜，艙內(nèi)還設(shè)有安全梯和提升艙的罐道(罐道設(shè)置在安全梯兩側(cè)，對(duì)提升艙進(jìn)行限位，防止提升過(guò)程中提升艙旋轉(zhuǎn)，以增加提升的安全性與穩(wěn)定性)，為保證通道能容納提升艙且考慮一定的富余量，逃生通道凈直徑取1m，通道平面布置如圖3所示。

1—壁后水泥固結(jié)；2—鋼筒壁；3—提升艙；4—罐道；5—人梯；6—供水管；7—壓風(fēng)管；8—供電電纜；9—通信電纜；10—光纖；11—逃生人員；12—自救器圖3 逃生通道平面布置圖(mm)

3.2.2 通道底部布置

通道底部布置如圖4所示，在底部設(shè)有緩沖裝置，可有效緩解提升艙在下降到底時(shí)對(duì)地面的撞擊；為了使逃生人員快速進(jìn)入提升艙上層，在逃生室設(shè)置臺(tái)階，這樣上下兩層的避險(xiǎn)人員可同時(shí)進(jìn)入提升艙，縮短了逃生的時(shí)間。

3.2.3 通道頂部布置

在逃生通道地面處設(shè)置活動(dòng)板房保護(hù)通道，在通道口設(shè)置蓋板，入口處采用喇叭形，方便提升艙下放時(shí)進(jìn)入通道。出口旁設(shè)置臺(tái)階，方便提升艙上部人員出來(lái)。使用提升艙時(shí)，活動(dòng)板房房頂可開孔打開。

圖4 逃生通道立面布置圖

3.3 提升系統(tǒng)及配套設(shè)備研究

3.3.1 提升系統(tǒng)確定

目前適用于小通道鉆孔提升的提升系統(tǒng)主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的絞車提升，主要配套設(shè)備為絞車、井架及天輪，該系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備成熟，單臺(tái)成本較低，但是地面設(shè)備占地面積大、平時(shí)維護(hù)成本高；另一種是車載式可移動(dòng)式救援絞車，它將提升設(shè)備安裝在移動(dòng)平臺(tái)上改裝成，有電力、柴油兩種發(fā)動(dòng)機(jī)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，井口設(shè)備占地面積少，可服務(wù)于礦區(qū)內(nèi)多個(gè)礦井，平時(shí)可以放置在室內(nèi)進(jìn)行維護(hù)，一旦其所服務(wù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生事故，該救援設(shè)備可直接開至逃生通道地面出口處，實(shí)施快速救援，但是其系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，單臺(tái)設(shè)備造價(jià)較高?？紤]到神東礦區(qū)煤礦分布特點(diǎn)，設(shè)備平時(shí)維護(hù)的便捷性、綜合成本以及逃生通道上方配置設(shè)備占地面積等因素，選用車載式可移動(dòng)式救援絞車，如圖5所示。

1—天輪；2—臂架；3—鋼絲繩；4—支撐座；5—電動(dòng)推桿；6—電動(dòng)推桿底座；7—臂架底座；8—卷筒；9—控制室；10—手搖螺旋千斤頂；11—拖鉤；12—窗口；13—提升艙；14—房子；15—地面；16—人梯；17—罐道；18—吊鉤；19—救援平臺(tái)圖5 車載式可移動(dòng)式救援絞車提升圖

3.3.2 鋼絲繩確定

鋼絲繩懸掛時(shí)的安全系數(shù)必須符合《煤礦安全規(guī)程》第400條表七規(guī)定，按單繩纏繞式提升裝置，專為升降人員時(shí)，安全系數(shù)的最低值取9。

1)鋼絲繩最大懸垂高度367m。

2)鋼絲繩終端荷重：

Q0=Q1+QT=9.81×4×80+

700×9.81=10006.2N

式 中，Q1為提升人員重量，每人重80kg，按4人計(jì)算；QT為提升容器自重700kg。

3)鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量為：

/9.81

=0.6kg/m

式中，σB為鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度，取1670MPa；ma為鋼絲繩安全系數(shù)，取9。

選擇14NAT18×7+FC1670型鋼絲繩，每米鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)重量為0.764>0.6kg/m，其最小鋼絲破斷力總和Qd為137281N。

4)鋼絲繩安全系數(shù)驗(yàn)算：

m=Qd/(Q0+9.81PSBH0)=137281/(10006.2+

9.81×0.764×367)=10.76>9

故選用14NAT18×7+FC1670鋼絲繩符合要求。

3.3.3 提升速度的確定

參考《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，立井中用罐籠升降人員時(shí)的加速度和減速度，都不得超過(guò)0.75m/s2，逃生通道深度為367m，在有罐道時(shí)，其最大速度為ν=0.25H1/2=4.7m/s，考慮到艙體運(yùn)行狀況以及人員避險(xiǎn)、逃生時(shí)的心理因素，選擇提升速度為2m/s，單次升井所需時(shí)間為184s，上人及下人時(shí)間及加速度時(shí)間總和t總=140s，則提升1次(4人)平均所需時(shí)間為t2=(184+140)×2=648s，約11min。

3.3.4 滾筒的選擇

1)滾筒直徑。為了保證鋼絲繩的壽命，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求[9]，滾筒直徑應(yīng)大于16～20倍的鋼絲繩直徑?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，井上提升裝置的卷筒和包圍角大于90°的天輪，卷筒和天輪的最小直徑與鋼絲直徑之比不得小于80；圍包角小于90°的天輪，不得小于60。但溫毅等[10]指出，礦用提升機(jī)卷筒在設(shè)計(jì)時(shí)，往往要求鋼絲繩的使用壽命越長(zhǎng)越好，并不優(yōu)先考慮提升機(jī)體積的大小，因而其繩徑比Dg/d要求達(dá)到80以上。而在緊急救援系統(tǒng)中，則要求：①在保證安全的前提下，提升機(jī)體積要盡可能小，即鋼絲繩直徑一定時(shí)，繩徑比盡可能小；②鋼絲繩完成一次救援任務(wù)就可更換，或者中途也可以停機(jī)更換。可以初選繩徑比Dg/d為45。

因此，Dg=45d=45×14=630mm

式中，Dg為滾筒直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。

2)滾筒寬度。根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》收集的礦用絞車參數(shù)，在單滾筒提升絞車中，滾筒直徑在500～800mm時(shí)，滾筒寬度選用600mm。

3)滾筒外徑。滾筒每一層纏繞的圈數(shù)n：n=600/14=42；每一圈所纏繞的長(zhǎng)度l：l=π×Dg=3.14×630=1978mm。因此，鋼絲繩的纏繞層數(shù)為：367÷(1.98×42)=4.4。即鋼絲繩的纏繞層數(shù)為5層。

則滾筒的外徑D1：

D1≥Dg+2×5×d

式中，d為鋼絲繩直徑，d=14mm 。

D1≥Dg+2×5×d=630+2×5×14=770mm

4)驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)煤礦實(shí)際條件，礦區(qū)電力系統(tǒng)相對(duì)完善，即使電纜無(wú)法到達(dá)的地方，也可以及時(shí)地配備大功率發(fā)電機(jī)，因此，絞車驅(qū)動(dòng)方式選用電力驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié) 論

1)煤礦井下事故發(fā)生后，避險(xiǎn)人員首先進(jìn)入避難硐室，經(jīng)過(guò)短暫停留，等待地面設(shè)備準(zhǔn)備到位后可通過(guò)逃生通道逃離到地面。避難硐室生存室設(shè)有壓風(fēng)、供水、食物等維持生存所需的物質(zhì)及配套系統(tǒng)，可保證硐室服務(wù)區(qū)域內(nèi)所有人員有足夠的等待時(shí)間逃生至地面。

2)提升艙內(nèi)徑取780mm，外徑取800mm，單層空間高2000mm，兩層總高5440mm，總重700kg，每層可容納2人，艙內(nèi)配有通訊系統(tǒng)、自救器等應(yīng)急設(shè)施，在艙體頂部設(shè)有安全出口。

3)逃生通道凈直徑取1m，通道內(nèi)設(shè)置從地面接入硐室的壓風(fēng)管路、供水管路、通訊及供電線纜，同時(shí)還備有安全梯和提升艙罐道可增加提升的安全性與穩(wěn)定性。

4)提升系統(tǒng)選用車載式可移動(dòng)式救援絞車，一臺(tái)設(shè)備可同時(shí)服務(wù)于多個(gè)礦井，平均成本低。鋼絲繩型號(hào)為14NAT18×7+FC1670，提升速度為2m/s，單趟提升時(shí)間約11min。

5)移動(dòng)絞車滾筒直徑為630mm，寬度為600mm，滾筒外徑為770mm，鋼絲繩纏繞層數(shù)為5層，采用電力驅(qū)動(dòng)。