礦山井下避難場所設置優化研究

陳昕楠+李丹天

摘 要 以某地下礦山井下實際數據為背景，建立等比例全尺寸數值計算模型，模擬當發生突發災害時井下人員可以逃往專門設置的避難場所躲避災害的過程。分別模擬了無避難場所和含有4個、5個、6個、7個避難場所五種工礦并對有4個避難場所進行優化。計算得到，當不設置避難場所時人員逃生總時間為1199 s，設置4個、5個、6個、7個避難場所時最短時間分別為456 s、414 s、346 s、308 s，通過對有4個避難場所的工礦劃分區域進行優化，得到最短時間為379 s。

關鍵詞 避難場所；人員疏散；礦山；路線優化

中圖分類號：X928 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0033-03

根據世界各國對礦井事故的調查，在火災、爆炸等事故發生現場受到傷害死亡的礦工只占事故傷亡總人數的很少一部分，絕大多數礦工都是因為在火災、爆炸后不能及時升井或逃離高濃度有毒有害氣體現場，導致窒息或中毒死亡的。因此，如何為礦難后井下被困的幸存員提供躲避有毒有毒害氣體環境及其它傷害的密閉空間，為其提供必需的生存條件，延長其生存時間，直至救援人員到達，成為礦井應急救援的一個重要課題。論文以某礦井為背景，以其實際數據為基礎，采用數值模擬軟件進行模擬實驗，得到了礦井工作人員在發生礦難時的疏散狀態，并根據疏散過程中存在的問題，對疏散路徑和緊急避險設施（救生艙及避難硐室）的優化布局進行研究。

1 避難場所

井下避難場所是當井下突發災害事故時，為井下工作人員提供暫時避難的空間，它包括：避難硐室和應急救生倉。

礦井應急救生艙是設置在礦井下各危險工作區域的密閉空間，一般為鋼制腔體，亦可依托巷道墻壁挖掘而成，整體設計上能夠做到氣密，并能抵御一定的外力沖擊，內部通常有氧氣（02）供給系統、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）凈化系統、供電系統和通訊系統，以及相應的監視、防護措施，同時還有足夠的水和食物。

移動救生艙一般用高強度鋼材做成，一般可以容納8～20人不等，避災硐室最大的容納人數可以達到100人，單機狀態運行時間可達96 h。國外的經驗數據表明，礦工距離避災硐室的最大距離不能超過750 m，這個距離是自救器正常使用時間的50%時間段內，人員正常行走的經驗數值，獨頭巷道掘進時，應每掘進500 m設置一個避災硐室或救生艙；加拿大政府規定，井下避災硐室至少距離火藥庫、柴油存貯設施和燃料站或電池充電站100 m。

2 數值計算軟件

Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發的一種基于人員進出和運動的模擬器。Pathfinder可以通過3D results viewer三維動畫視覺效果展現災難發生時的場景，可以直接描繪疏散開始后各個時刻各個場所的人員分布，也可以分解構筑物區域，展示各個區域的人員逃生路徑，可以計算每個成員獨立運動的時間，并賦予一套獨立的參數（最高速度，出口的選擇等等）。它利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練，從而可以準確確定每個個體在災難發生時的最佳逃生路徑和逃生時間，可以為緊急情況下人員疏散和建筑設計提供指導。

3 模型建立

井下避難場所設置優化主要考慮井下突發災害事故時，能確保井下所有工作人員能盡快通過逃生通道、避難場所進行避難或逃生，縮短逃生時間是關鍵，本文根據某非煤礦采掘平面，運用數值計算軟件按照等比例建立井下模型，優化逃生路線、不同數量和位置的避難場所設置確保井下人員縮短逃生時間。軟件系統設置人員移動速度為1.19 m/s，肩寬為0.456 m。

根據井下資料，井下有80個工作人員需要避難逃生，每個工況80人所在位置固定且相同，由模擬計算軟件隨機產生。由于礦井地形條件和通風的限制，當發生突發事故時，只能按照固定的方向逃生，所在礦井并不能像平地一樣，可以選擇任意逃生方向。并且逃生時幸存人員經過事故現場時必須繞道而行，這樣便會延長逃生時間，減少幸存人員被救的可能。建立避難硐室可以為發生礦難后井下被困的幸存人員提供躲避有毒有害氣體環境及其它傷害的密閉空間，為其提供必需的生存條件，延長其生存時間，直至救援人員到達。避難場所必須建立在遠離采取變電所、坑內爆破器材庫等危險場所100 m。避難場所是可以容納20人以內的避難硐室或逃生艙。

4 數值計算工況

數值計算目的主要有兩個：1）分析井下發生礦難事故時救生艙對人員疏散所用時間的影響；2）針對發生礦難事故時井下工作人員在有救生艙情況下的緊急逃生，提出合理疏散路線進行優化，并通過數值計算模擬得出優化以后的人員疏散相關數據。

根據礦井自生結構，共分六種數值計算工況見表1，每種工況均是在相同條件下改變避難場所的位置進行多次模擬選出在發生礦難后人員逃生所需時間最短的方案。

各工礦中井下人數80人，人員位置隨機均勻分布，建立的是可以容納20人以內的避難場所，所以建立4個、5個、6個、7個避難場所。工況一中沒有建立避難場所，在發生礦難事故時只能通過主井電梯和副井電梯進行逃生。工況二至五模擬計算當發生突發事故后幸存人員通過主井電梯、副井出口和避難場所逃往安全位置，避難場所數目從四個依次增加至七個，位置按表1在圖1中查找。工況六對工況二進行優化，避難場所位置與數目不改變，將礦井劃分為五個區域，當發生突發事故后人員按照固定逃生路線逃往所指定的安全場所。

表1 數值計算工況

計算工況 救生艙（個） 救生艙位置

（見圖1） 主井電梯疏散口 副井疏散通道口

一 0 0 均有 均有

二 4 1#、2#、8#、10#

三 5 1#、2#、4#、6#、11#

四 6 1#、2#、3#、5#、9#、12#endprint

五 7 1#、2#、3#、7#、5#、9#、12#

六 4 1#、2#、8#、10#

圖1 數值計算工況模型

5 數值計算結果分析

5.1 常規方案人員疏散路線分析

工況一中，只有主井電梯和副井出口逃生。礦井橫向長度約為2100 m，縱向長度約為800 m。發生突發事故時礦井工作人員只能從所在位置逃往主井電梯和副井出口逃生，由于礦井跨度較大，幸存人員在逃生時需要較長時間。人員全部到達安全位置所用時間為1199 s。主井電梯疏散68人所用時間為1199 s，副井出口疏散12人所用時間為935 s。由結果可知，由于逃生路線單一，可有效利用的逃生出口較少，副井出口在幸存人員逃生時作用相對較小，85%人員均從主井電梯逃往安全場所，所用時間長達20分鐘，在疏散過程中使用率較低。說明在礦井中逃生路線受到限制，沒有高效的逃生路線。

5.2 救生艙的分析

工況二在礦井結構基礎上，建立4個避難硐室，按照礦井模型進行疏散模擬。幸存人員逃生所需時間為456 s，結論見表2。有16人由主井電梯到達安全場所，所用時間為415 s，副井出口有3人共用282 s逃出，61人進入避難場所躲避災害。其中2#救生艙有24人在等待救援，超過了救生艙的容納范圍，8#救生艙作用時間最長為456 s，有12人等待救援，人均耗時38 s，10#救生艙只有5人等待救援，并且5人逃往10#救生艙共用167 s，人均耗時33.4 s，8#、10#救生艙的使用效果并不顯著。與工況一相比逃生時間減少了743 s，到達安全位置人數最多的不再是通過主井電梯而是救生艙。由此可見，當礦井下發生突發事故時，利用救生艙可以縮減幸存人員的逃生時間，為礦工提供更多的生存機會，降低人員傷亡率，當多數礦工選擇避難硐室作為安全場所等待救援時，礦工逃往避難硐室所用時間隨之增加，使用主井電梯逃往安全場所人數下降，使主井電梯使用效率大大減少。

工況三在礦井中建立5個避難場所，幸存人員逃生所需時間為414 s，與工況二相比時間減少了42 s，實驗結論見表2。共有63人逃往避難硐室，占總人數的78%，每個避難場所等待救援的幸存人員均控制在20人以內，作用時間均在300 s以上，但6#、11#救生艙人均耗時均在50 s以上。在礦難發生后幸存人員有效的利用了避難場所等待救援人員營救但6#、11#救生艙利用率相對較低。

工況四在礦井中建立6個避難場所，意外事故發生后，幸存人員需要346 s逃往安全場所，與工況三相比逃生所需時間減少了68 s，實驗結果見表2。每個避難場所在人員逃生時作用時間均在240 s以上，但5#救生艙與12#救生艙中分別只有2人、4人在等待救援，人均耗時分別為62.25 s、139.5 s，使救生艙不能充分利用，利用率嚴重降低。

圖2 各個工況疏散時間曲線圖

工況五在礦井中建立7個避難場所，所有幸存者在事故發生后逃往安全位置共用308 s，與工況四相比所需時間減少了32 s，實驗結果見表2。由表2可以看出5#救生艙、7#救生艙、12#救生艙在發生事故后使用人數分別為4人、2人、2人，人均耗時分別為62.25 s、40.5 s、139.5 s。隨著救生艙數量的增加，幸存人員所需逃生時間確有減少，但時間減少并不顯著，然而，避難硐室利用率降低這一現象愈來愈嚴重，使避難艙不能充分利用。

5.3 疏散路線優化分析

由上述各工況可知，在礦井中隨著避難場所數量的增加，意外事故發生后幸存人員逃生所需時間逐漸減少，為幸存人員贏得了更多的生存機會。但是，隨著避難場所數目的增加，利用率較低的避難場所數目也在相應增加。因此合理的設計避難場所不僅可以給幸存人員提供等待救援的安全空間還可以有效地降低建造避難場所所需成本。

由圖2各工況疏散時間曲線圖可以看出工況二所需疏散時間減少迅速，說明避難場所可以減少礦井中發生突發事故后幸存人員所需的逃生時間，工況三、工況四、工況五疏散時間減少量開始變得緩慢并趨于相對穩定的數值。其中工況二建立4個避難場所滿足理論要求，但工況二逃生所需時間過長，并且避難場所的利用率不高，因此工況六通過優化逃生路線改進這一問題。

工況六對工況二進行優化，在工況二的基礎上對礦井進行分區，礦井中建立的四個避難場所位置不發生改變（如圖3）。工況六將礦井分為五個區域，1#區域含有1#救生艙躲避災害，2#區域含有2#救生艙躲避災害，3#區域含有8#救生艙躲避災害，4#區域含有10#救生艙和副井出口躲避災害，5#區域含有主井電梯躲避災害。當發生突發事故時每個區域的工作人員按照指定的路線逃往安全場所，所得到疏散結果見表2。每個避難場所中等待救援的幸存人員都控制在20人以內，所有幸存者在事故發生后逃往安全位置所需時間為379 s，與工況二相比時間減少了77 s，與工況三相比時間減少了35 s，1#、2#、8#、10#救生艙人均耗時分別為17.16 s、18.8 s、37.9 s、24.66 s，結果證明，劃分路線可有效降低疏散時間，因此井下救生艙使用需要合理分區。

圖3 工況六模型

6 結論

通過以上各工況進行數值模擬計算與分析，得出了各工況中礦井在發生意外事故后幸存人員疏散所用的時間。綜合上述各工況可知在沒有避難場所的情況下幸存人員逃往安全位置所需時間為1199 s，隨著避難場所數目的增加，當礦井在發生意外事故后幸存人員疏散所用的時間也在相應的減少，但隨著避難場所數目的增加，導致避難場所利用率降低的現象越來越嚴重，建立避難場所的成本也在增加，因此避難場所的數目并不是越多越好。工況二是相對較優的方案，但工況二每個避難場所在發生事故時，等待救援的礦工人數并沒有控制在20人以內，且救生艙的利用率不高，工況六就此問題對工況二進行優化。工況六將礦井劃分為五個區域，每個區域的人按照規定的路線逃往指定的安全場所，經過優化將人數控制在20人之內，疏散時所用時間為379 s與工況二所用時間456 s相比減少了77 s。工況三中每個避難場所等待救援人員雖然控制在20人以內，但工況三中共建立了5個避難場所，疏散時間為414 s比工況六還增加了35 s，所以工礦六是相對較優的方案，幸存人員逃生時不僅所用時間最少，建立避難場所所用成本也是最低的。結果證明，將礦井劃分區域可有效降低疏散時間，因此，井下救生艙的使用需要合理分區。

項目基金

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201210488017）。

參考文獻

[1]趙利安，王鐵辦.國外井工礦避災硐室的應用及啟示[J].煤礦安全，2008（02）：88-91.

[2]張大明，馬云東，丁延龍. 礦井避難硐室研究與設計[J].中國安全生產科學技術，2009，05（3）：194-198.

[3]汪聲，金龍哲，栗婧.國外礦用應急救生艙技術現狀[J].中國安全生產科學技術，2010，08（4）：120-123.

[4]趙利安，許振良.礦井避災硐室應用淺析[J].煤炭工程，2008（4）：99-101.

[5]王靜，王偉，柯琪材，鄭梓德.基于pathfinder的某高校圖書館人員疏散模擬研究[J].安防科技，2011（6）：3-7.

[6]王桂芬，張憲立，閻衛東.建筑物火災中人員行為EXODUS模擬的研究[J].中國安全生產科學技術，2011，08（8）：67-72.

[7]韓海榮，金龍哲，高娜，等.礦井避難硐室正壓密閉系統研究[J].中國安全生產科學技術，2011（1）：89-93.

[8]李芳瑋，金龍哲，等.煤礦井下避難硐室的選址及其關鍵技術.遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2012，31（5）：686-689.

[9]崔兆華.2001-2008年我國煤礦瓦斯事故統計及原因分析[J].科技情報開發與經濟，2009（21）：139-40.

[10]周心權，吳兵，徐景德.煤礦井下瓦斯爆炸的基本特性[J].中國煤炭，2002（9）：8-11.

作者簡介

陳昕楠（1991-），女，主要從事工業安全與環保方面的研究工作。

李丹天（1992-），男，漢族，主要從事礦井火災及人員疏散數值模擬方面的研究工作。endprint