中小型磷礦井下安全避險系統建設方案

胡文軍，胡章地，陳 龍，董 強，竇宇雄，張電吉

(1.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學法商學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

礦山井下安全避險“六大系統”包括：監測監控系統、人員定位系統、緊急避險系統、壓風自救系統、供水施救系統和通信聯絡系統.國家安全生產監督管理總局2011 年7 月下發了《關于切實加強金屬非金屬地下礦山安全避險“六大系統”建設的通知》，要求國內所有的已建設的地下礦山在2013 年6 月底前必須完成“六大系統”的建設任務.筆者主要針對中小型磷礦進行了“六大系統”建設方案的研究[1-6].

中小型地下開采磷礦一般具有如下特點：緩傾斜磷礦層，平硐或斜井/斜坡道開拓，淺孔房柱采礦法，年生產能力較小，井下同時作業人數較少，井下安全出口較多.

中小型磷礦開采過程中可能存在的主要危險因素有：采空區地質災害、冒頂片幫、中毒和窒息、放炮和火藥爆炸、火災、車輛傷害、機械傷害、高處墜落、物體打擊、觸電(包括雷擊)、透水等；有害因素有：粉塵危害、噪聲危害、其它危害等.井下安全避險“六大系統”(含避災硐室)應具備防范采空區地質災害、冒頂片幫、火災、水災、中毒和窒息、放炮和火藥爆炸等事故的基本功能.

本文將中小型磷礦劃分為以下兩類：①普通類.平硐開拓、自流排水，水文地質條件簡單，且生產中段在地面最低安全出口以下垂直距離小于300 m，距中段安全出口實際距離小于2 000 m，其“六大系統”(含避災設施)暫可不具備防范透水事故的功能.經論證，此類礦山中有些礦山可緩建或不建避災設施.②防透水類.斜井/斜坡道開拓，水文地質條件中等或復雜，生產中段在地面最低安全出口以下垂直距離超過300 m，距中段安全出口實際距離超過2 000 m，其“六大系統”(含避災設施)應具備防范透水事故的功能.

1 緊急避險系統

緊急避險系統包括個體防護(自救器、礦燈、通訊設備)、避災設施、合理設置的避災路線、科學制定的應急預案等[1].

根據“撤離優先，避險就近”的原則，結合各礦具體情況，制定避災路線.

根據《生產經營單位安全生產事故應急預案編制導則》(AQ/T 9002-2006國家安全生產監督管理總局)及安全避險“六大系統”建設等要求，編制應急救援預案.

緊急避險設施設置原則應符合《金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范》(AQ 2033-2011)要求.

避災設施包括救生艙和避災硐室等.根據礦山實際情況選用.選用救生艙應考慮避災人數、運輸及安裝條件等.

中船重工礦用救生艙分A、B、C、D四個系列，分別為全能型(圓形)、防爆型(方形)、防透水型(圓形)、避難艙室(圓形).

避災硐室方案分為大直徑鉆孔通風方案；井巷內鋼管供風供水局扇通風換氣方案.

選用大直徑鉆孔通風避災硐室方案應充分考慮鉆孔深度、地質地層及鉆孔設備條件.中小型礦山可采用大直徑鉆孔通風的變形方案——井巷內鋼管供風供水局扇通風換氣方案.

避災硐室(容納30人)如圖1.硐室凈寬大于4 m，長15 m，凈高>2.8 m，(半圓)拱形斷面，采用錨桿+錨索+現澆鋼筋砼(500 mm厚)，并安裝防水設施，防止硐室滴水.硐室底板打地坪，高于巷道底板0.5 m，并采用向外開啟的2道隔離門，高1.8 m，寬0.8 m.兩道門間距為2 m.且在隔離門墻體周邊掏槽，深度0.2 m，墻體用空心磚砌.各種管線在進入硐室前先埋設于巷底.

圖1 避災硐室布置圖Fig.1 Refuge chamber layout

避災硐室采用向外開啟的兩道門結構.外側第一道門采用能抵擋一定強度的沖擊波、水壓、有毒有害氣體的防護密閉防水門；第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門.兩道門之間為過渡室，密閉門之內為避險生存室.門墻設單向排水管和單向排氣管，排水管和排氣管加裝手動閥門.避災硐室內采用壓縮空氣供氧，硐室外設有減壓閥門，壓風管線沿硐室內四周鋪設，設有供氣閥門(可接供氣機，帶消聲器).在避災硐室內部布置成彌撒式和防護罩式相結合的供氣系統，最后通過單向排氣管路實現避災硐室內的空氣循環，整個避災硐室內始終保持不低于200 Pa的正壓，防止毒害氣體的滲入.在無壓風的情況下，可采用備用的供氧系統(“醫用氧氣瓶+管道”方案)供氧.為適應水災事故避災需要，排氣管道直通地表，排氣口安裝抽出式局扇.

緊急避險設施應具備安全防護、氧氣供給保障、有害氣體排除、環境監測、通訊、照明、人員生存保障等基本功能，在無任何外界支持情況下額定防護時間不低于96 h.

避災硐室內設有電源柜，電纜從變電所直接引入，專為硐室有關設備用.另外，配備額定使用時間不少于96 h的備用電源(蓄電池).

硐室內設有電話，直通礦部中央監控室.硐室內設有紅外線攝像頭.硐室內設衛生間，安裝集便器(機械打包便器).飲水：通過地面生活水池鋪設供水管線和轉換閘閥至生產水管，再從生產水管延伸至硐室，災變時轉供生活用水至硐室，另備滿足硐內全員96 h的飲用水.食物：硐室內必須配備滿足當班作業人員96 h的食品.硐室內備有擔架和一定量的繃帶、止血藥等應急藥品.每個避災硐室配相應的位置說明、井下可供逃生的各途徑說明、所指引的方位圖示、應注意的重要問題和心理輔導事項.

避災硐室內有毒有害氣體處理：空氣凈化處理裝置在凈化空氣的同時還能夠實現制冷除濕功能.可根據避災硐室通風效果選用.

避災硐室內溫濕度控制：可根據避災硐室通風效果選擇安裝降溫除濕設備.正常情況下，避災硐室的外部礦山專用防爆制冷機組可依靠礦井電力維持運行，完成避災硐室內冷量儲備后，以較低的電能消耗維持蓄冷設備運行；當礦井發生事故造成電力供應中斷或外部機組受損停止運行時，避災硐室內可以通過蓄冷設備釋放儲存冷量來平衡人體散熱、設備放熱甚至外部傳熱.

避災硐室內配備獨立的內外環境參數檢測或監測儀器，在突發緊急情況下人員避險時，能夠對避險設施生存室內的CO、CO2、O2、溫度、濕度和大氣壓進行檢測或監測.

避災硐室內按額定人數配備ZY45隔絕式壓縮氧自救器.

避災設施必須進行多次無人試驗、短時試運行，對設備進行調試，環境參數檢測合格后方可投入運行.

2 壓風自救和供水施救系統

壓風自救系統由空氣壓縮機、送風管路、閥門、油水分離器、壓風自救裝置組成.當發生災害時，井下逃生人員可利用壓風自救裝置，實現自救[2-3].

在地表空壓機房內安裝螺桿式空壓機(及壓氣過濾裝置)，鋪設鋼管至避災硐室、采礦工作面、掘進工作面，形成一枝狀管網.鋪設供氣鋼管至主要行人巷道，每200 m左右設置一只供氣閥門，在人員集中的采掘工作面、爆破時撤離人員集中地點和避險硐室等場所設置閥門.

在每個采場附近安裝ZYJ壓風自救裝置，可直接聯入壓風系統中.發生災難時，避災人員立即趕到附近的壓風自救裝置處迅速開通閥門開關，手拿自吸過濾式面罩，按在嘴上進行呼吸自救.

供水施救系統是地下開采礦山生產過程中發生災害事故時能為井下重點區域提供生活飲用水的系統，包含水源、供水管道、三通閥門、供水接頭、控制閥門、檢修閥門、過濾裝置、供水施救設備及切換裝置等.

從高位飲用水水池接鋼管進入井下，采用獨立式枝狀管網向井下進行供水施救.優先采用靜壓供水.管道系統上，大約每隔200 m設置一組三通及閥門.與壓風自救系統供氣閥門配套.

供水施救系統中個人生活用水量按每天每人6 L計算.用水地點管道出口水壓不應小于0.1 MPa.對于靜壓供水系統，選擇一條最不利管線進行計算，只要最不利點能夠滿足水壓和水量要求，則其它供水點均能滿足.

3 監測監控系統

監測監控系統是由主機、傳輸接口、傳輸線纜、分站、傳感器等設備及管理軟件組成的系統，具有信息采集、傳輸、存儲、處理、顯示、打印和聲光報警功能，用于監測金屬非金屬地下礦山有毒有害氣體濃度，以及風速、風壓、溫度、煙霧、通風機開停狀態、地壓等.

3.1 井下環境監測系統

為了提高礦井的現代化水平，保證礦井安全生產，根據該礦井的具體情況，設置井下環境監測系統，主要監測生產環境中一氧化碳等有毒有害氣體濃度，主要工作地點風速、風壓，重要機電硐室溫度等，可以對全礦井生產的主要環節進行實時監測、監視，便于生產調度指揮，使礦井生產安全可靠，有效地預防和及時處理各種突發事故和自然災害.

礦井井下環境監測系統選用較成熟的KJ70N系統，主要由地面中心站、傳輸接口、監控分站、各種傳感器等部分組成.

地面中心站主要由兩臺監控主、備機組成，系統通過自己專用的傳輸信道，完成對整個系統測點數據的監測、記錄、添減及修改等.為了保證系統的安全性和可靠性，系統選用工業控制計算機，雙機熱備份.若其中一臺工控機發生故障，另一臺可繼續運行.

為防止井下有毒氣體、火災等危害人身和設備安全，在井下采掘工作面、主要巷道、機電硐室等處設置各種傳感器，監測一氧化碳、溫度、風速、負壓等各類環境參數，由各傳感器采集的監測信息，通過分站傳送到地面調度中心.當出現超限情況時，地面調度中心及現場均應有聲、光報警.

另配一定數量的便攜式氣體檢測報警儀.

3.2 視頻監控

為能實時、直觀地了解礦井各主要環節的生產、運行情況，設置一套礦井工業電視系統，將地面及井下重要生產崗位的圖像實時傳送到礦井調度室，使調度人員和主管領導可以直觀掌握現場情況，便于調度指揮.工業電視墻設在礦井調度中心，由幾組監視器組成，可通過電視墻對礦井上、下重要的生產和運輸系統進行實時監視.系統將現場傳來的視頻信號各分為兩路，一路經視頻矩陣切換器送電視墻顯示，另一路送視頻服務器進MPEG4數字壓縮編碼錄像與存儲.

在地面各井口等處設槍機攝像機，在各工業場地設球機攝像機.地面攝像機通過光纖，將視頻信號傳至調度中心.在井下主要機電硐室、中段馬頭門等處設井下防爆攝像機，井下攝像機通過礦用光纜將視頻信號上傳至調度中心.

3.3 地壓監測

采空區地壓監測采取綜合監測方案，隨著礦山采空區不斷擴大，應該不斷記錄、分析監測結果.采空區地壓綜合監測方案包括：巖體聲發射監測方案(采用巖體聲發射監測儀)、采空區頂板變形監測方案(頂板動態報警儀系統、動態礦壓傳感器)、礦柱應力監測方案(安裝鉆孔應力計)、地面沉降監測方案.

4 人員定位和通訊聯絡系統

井下人員定位系統利用射頻傳輸和數字編碼識別技術，能成功識別井下人員及動態目標，可以及時反饋井下人員的各種信息，一旦發生事故，可使救治工作以最快的速度有效展開，最大限度地減少災害損失[4].

對于中小型磷礦，可根據井下工作人員多少新建井下人員定位系統，設置人員定位傳輸分站和無線讀卡器；或(當井下最多同時作業人數少于30人)設置考勤系統，完善人員出入井信息管理制度，準確掌握井下各個區域作業人員的數量.

通信聯絡系統是調度人員與各環節的工作人員之間能直接通話聯系，為金屬非金屬地下礦山提供通信聯絡的系統.根據《金屬非金屬地下礦山通信聯絡系統建設規范》(AQ 2036-2011)，應具備調度室發起強拆、強插、緊呼等功能.

對原有有線通信系統進行升級改造，滿足規范要求，為了提高原有井下通信線路承載強度，保證井下通信安全和暢通，使用礦用通信光纜替換原有通信電纜.同時為適應井下環境，井下電話機選用防灰塵、寬電壓、寬溫濕度范圍的防爆電話機.

“六大系統”中的電源系統、網絡系統、電話系統需安裝電源防雷器、網絡信號防雷器、電話防雷模塊等進行防雷保護.

“六大系統”的光纜、電纜、管線應有保護措施.可選用穿管、槽鋼等方案進行保護.

5 結 語

本文結合中小型磷礦的實際，對金屬非金屬地下礦山安全避險“六大系統”建設方案進行了研究，針對不同的礦山條件，形成了相應的“六大系統”建設方案.主要研究結論如下：

a. 緊急避險系統由個體防護、避災設施、避災路線、應急預案等組成.有些礦山經論證可緩建或不建避災設施，防透水型避災硐室可采用井巷內鋼管供風供水、地表局扇抽出式排氣方案.

b. 壓風自救和供水施救系統從地表空壓機或高位飲用水水池安裝鋼管至避災硐室、采礦工作面、掘進工作面等人員集中場所，形成一枝狀管網.管道每200 m左右設置一只閥門.供氣、供水閥門配套.

c. 監測監控系統中選用較成熟的KJ70N等礦井井下環境監測系統，視頻監控系統將地面及井下重要安全生產崗位的圖像實時傳送到礦井調度室.采空區地壓監測采取綜合監測方案，包括：巖體聲發射監測方案(采用巖體聲發射監測儀)、采空區頂板變形監測方案(頂底板動態報警儀系統、動態礦壓傳感器)、礦柱應力監測方案(安裝鉆孔應力計)、地面沉降監測方案.

d. 對于中小型磷礦，可根據井下工作人員數量新建井下人員定位系統，設置人員定位傳輸分站和無線讀卡器；當井下最多同時作業人數少于30人時可設置考勤系統.通信聯絡系統應按規范要求安裝.

以上這些方案均已通過了省安監局組織的專家驗收評審，在相應的礦山進行了實施，目前已相繼投入運行.

參考文獻：

[1] 郭亮，鄧立久. 井下緊急避險系統設計關鍵技術研究[J]. 科技風，2011(14):142-143.

[2] 朱志堅. “壓風自救裝置系統”簡介及應用[J]. 中州煤炭. 1988(3):12-24.

[3] 盧鑒章. 煤礦井下壓風自救系統[J]. 煤炭科學技術，2010(12):9-11.

[4] 王春，華鋼，朱艾春，等. 煤礦井下人員定位系統上位機軟件的設計與實現[J]. 煤礦安全. 2010(8):68-70.

[5] 鄒文華. 生命呼喚科技 科技護佑生命——我國非煤礦山井下安全避險“六大系統”安裝使用綜合分析[J]. 安全與健康，2011(5):6-7.

[6] 賈進亞. 煤礦井下安全避險六大系統[J]. 煤炭科技，2010(4):102.