烏蘭煤礦地面鉆孔式避難硐室的設計研究

黃 明,謝正連

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016)

煤炭工業作為我國的基礎產業，對于國民經濟的發展具有重要的影響，在我國能源生產與消費中的主體地位短期內不會改變[1]。近些年，我國已在開采技術、作業環境、勞動防護、安全管理等方面取得了顯著的成就，但由于種種原因，各類礦難事故仍時有發生。據統計，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，而事故發生后第一時間所處的位置、所選擇的路線對災后救援是至關重要的[2]。國有大型礦井具有井筒深和運輸距離長的特點，對災后人員撤離工作帶來一定的困難，而避難硐室對災后人員逃生起著重要的作用。避難硐室根據所用時間長短，分為永久避難硐室和臨時避難硐室；根據供氧方式不同，分為地面鉆孔供氧式避難硐室和自供氧式避難硐室。本文結合烏蘭煤礦實際情況，開展1150水平地面鉆孔供氧式避難硐室的設計工作，以期改善烏蘭煤礦安全防護水平，提高其礦井抗災變能力，并為其他礦井避難硐室的設計建設提供工程范例。

1 礦井概況

烏蘭煤礦位于賀蘭山北段煤田呼魯斯太礦區的北端，是神華寧夏煤業集團有限責任公司生產主焦煤的骨干礦井之一，屬生產多年的老礦井。礦井于1966年7月開工建設，1975年6月30日正式建成投產，原設計生產能力0.9Mt/a。1996年進行技術改造及開拓延深，技術改造后礦井設計生產能力提升至1.5Mt/a；2004年再次進行技術改造，計劃將礦井設計生產能力提升為2.4Mt/a。

按照《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》(國發〔2010〕23號)文件要求，神華寧煤集團要求烏蘭煤礦在2012年6月底前，完成緊急避險系統的建設完善工作，根據礦井實際情況決定在+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發生煤與瓦斯突出、瓦斯、煤塵爆炸、火災、冒頂片幫和水災等礦井常見事故時，為井下有效區域內的作業人員提供一個及時的、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地面壓風供氧、流食供給和通訊傳輸功能。

3 避難硐室的選址

根據烏蘭煤礦實際情況并結合避難硐室的布置原則，確定將1150非常材料庫改裝成地面鉆孔供氧避難硐室，為南北翼采區的作業人員及其他作業人員提供避難場所。

4 避難硐室的構建

4.1 規模尺寸

1) 規模：根據1150水平避難硐室的位置，并結合周圍有效區域內人員分布情況，確定避難硐室最多容納100人。

2) 尺寸：根據1150水平非常材料庫的水文地質、礦壓分布情況，結合設計規模，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計為緩沖區及避難區，北側緩沖區長11.0m，南側緩沖區長為17.0m，避難區長24.4m；硐室整體截面為凈寬4.6m，凈高4.4m，具體尺寸及內部布置情況如圖1所示。

圖1 避難硐室尺寸及內部布置圖

4.2 支護方式

根據選址處巖體的硬度及礦壓情況，整個避難硐室截面形狀初步設計成直墻半圓拱形，根據截面形狀和以往支護經驗，避難硐室由巖體向避難硐室內部支護方式分別為錨桿、錨網和錨索聯合支護層；混凝土層，混凝土強度為C30。

5 避難硐室系統組成

5.1 地面鉆孔系統

鉆孔內部布置。根據避難硐室中間硐室密閉性要求，地面鉆孔位置設計在緩沖硐室的小硐室內。鉆孔內包括壓風管路、動力電纜套管、通信監測套管以及流食管。

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的無縫鋼管，100～450m孔徑為255mm，安裝DN225mm壁厚10mm的無縫鋼管，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大套管內部壓風管等使用吊車進行分段式吊裝。露出地面套管焊接與法蘭盤上，并采用上下托盤鎖緊的形式。③動力、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

避難硐室內采用地面鉆孔供氧、井下壓風供氧、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硐室內與地面貫通的鉆孔為硐室內提供壓縮空氣。發生緊急情況時，地面的壓縮機通過鉆孔內壓風管道為硐室內提供壓縮空氣。地面選用LGCY-16型空壓機2臺(1用1備)。

井下壓風供氧。礦井壓風供氧通過引入井下現有壓風管路，與硐室內部的壓風控制系統和布氣系統相連接為避難硐室內供氧，滿足避難硐室內人員的氧氣需求，同時形成內外正壓，防止毒害氣體的滲入。

生氧凈化器供氧。通過高壓氧氣等瓶生氧凈化器設備，在釋放氧氣的同時去除空氣中多余的CO2、水和有害氣體，達到供氧、調節空間內濕度及除害的目的。

供氧方式的啟動原則。優先選用地面鉆孔向硐室供氧，其次采用井下壓風系統供氧。若地面鉆孔和井下壓風系統均遭中斷或破壞，則開啟氧氣瓶向硐室供氧。

5.3 供電系統

避難硐室內除了引進巷道內動力電纜外，還從地面單獨供應了動力電纜，從而形成兩個獨立的供電系統。當災害損壞了巷道內電纜時，啟動地面救援機房中發電機組開始供電。

5.4 通訊、監測系統

設置兩路固定電話，一路布置于避難室，信號直接通過地面鉆孔通訊電纜與地面調度室相接；另一路布置于緩沖硐室內，與硐室外的井下通信系統相接。

硐室內外均布置七合一監測器，能夠同時監測O2、CO2、CH4、溫濕度等七種環境參數。監測器的信號通過地面鉆孔中的通訊電纜實時傳輸到地面調度室。

5.5 人員定位、攝像系統

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

5.6 回風系統

避難硐室內采用井下壓風或鉆孔壓風系統供風，稀釋硐室內有毒有害氣體并降低硐室溫度，污風采用兩種方式排出。一種是當硐室內氣壓超過硐室外300Pa時，硐室兩端超壓排氣閥將自動打開。另一種通過地面鉆孔向地面排出。

5.7 排水系統

硐室兩端均設置排水系統，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，防止水災情況下巷道積水逆流進硐室。

5.8 醫療衛生系統

避難室內備有4個急救箱，備有止血劑、消毒液、繃帶等藥品，以便處理避險時的受傷人員。緩沖硐室內放置4個打包式馬桶搜集糞便等生活垃圾。

5.9 生活系統

硐室內備有瓶裝礦泉水、軍用壓縮餅干和營養液以保證100人96h所需，若避險時間較長，地面人員可通過鉆孔流食管向硐室輸送流食。

6 結論

1) 通過分析烏蘭煤礦的生產現狀，并根據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) 根據避難硐室各區域功能，確定了合理的硐室規模、尺寸以及硐室的支護方式，確保了避難硐室的安全性及穩定性。

3) 通過分析研究影響人類生存環境的因素，在設計過程中采用先進技術，完善了避難硐室的9大系統，以保證避難硐室內人員的生存和設備的正常運行，充分體現了地面鉆孔式永久避難硐室的“可靠性、完善性、先進性”等技術特點。

4) 烏蘭煤礦地面鉆孔式永久避難硐室的設計與建設，可為災后井下無法撤離的遇險人員提供一個安全的密閉空間，創造基本的生存條件，使災后應急救援模式由原來的被動待援改變為主動自救與外部救援相結合，對于實現科學、有序、有效救援起到至關重要的作用。

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