礦山井下緊急避險系統關鍵技術研究

李云珠 倪 彬 劉曉明 肖厚藻 徐志強

(1.西安有色冶金設計研究院，陜西 西安710001;2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙410083)

礦井火災、爆炸、冒頂塌方等災害事故均會對井下人員的生命安全構成極大威脅。災情發現后，如不能迅速處理，則必須將在受災區域及可能傷害的作業人員撤離到安全地點。2010 年，國務院23 號令指出煤礦、非煤礦山建設通訊聯絡系統、監測監控系統、井下人員定位系統、壓風自救系統、供水施救系統和緊急避險系統等六大系統，其中緊急避險系統為六大系統中重要組成部分［1-2］。

國外緊急避險系統建設較早［3-4］，加拿大早在1928 年就出現了避難硐室，利用壓縮空氣提供氧氣。20 世紀70 年代初南非就建立了簡單的避難硐室。2000 年以來，澳大利亞經常采用可移動式避難硐室。此外，美國、法國、新西蘭等國均已經建立了井下緊急避險系統。隨著國務院23 號令的穩步執行，國內出現了避險系統建設的浪潮，如何結合國內實情、依據相關標準規范建設經濟合理、技術可行的緊急避險系統是當前研究的熱點［5-13］。本研究以云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤分公司井下緊急避險系統建設為例，依據我國相關標準規范，結合企業現狀，開展了礦山井下緊急避險系統關鍵技術的研究與應用。

1 礦山概況

會澤分公司是國有控股企業云南馳宏鋅鍺股份有限公司重要的原料生產基地之一，擁有麒麟廠、礦山廠2 座礦山和1 個選礦廠，目前開采最低中段為1 031 m。2013 年，為響應國務院號召，會澤分公司開展礦山安全避險六大系統建設。根據《AQ_2033—2011 金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范》要求，生產中段在地面最低安全出口以下垂直距離超過300 m 的礦山，應在最低生產中段設置緊急避險設施，為此，選擇在1 031 m 中段設計一個緊急避險硐室，永久避難硐室生存室內按避難人數30 人考慮。

2 緊急避難路線三維設計

避難路線是指井下人員從現場撤離到安全地點的路線，需要安全可靠，并且路徑最短。會澤分公司礦山廠的生產中段均在地面最低安全出口以上，并且1#豎井和3 中段平硐能夠直通地表，1 584 m 中段與麒麟廠1 571 m 中段相連，直通麒麟廠2#豎井。麒麟廠所有礦體、采區、中段均有2 個以上通往地表的通道，其中1#豎井、1 931 中段、1 751 中段、1 631 中段和1 571 中段能夠直通地表，井下各中段可以通過1#斜井、2#斜井、3#斜井、4#斜井、2#盲豎井將和斜坡道進入各安全出口。避難路線根據各安全出口的位置布置，各個中段人員向安全出口方向疏散。參考通風系統圖，依照最佳避難路線設計原則，在數字礦業軟件Dimine 中建立井下避難路線三維模型(圖1)，該模型可融合到數字礦山管控平臺DimineVR 中，與井下人員定位系統集成，當井下發生災變時，礦山管理人員可及時調出礦井避難路線圖，根據災變的類型和地點，求解出安全最短撤退時間的最佳撤退路線，指揮井下作業人員快速、有序撤離災變現場，使人員傷亡事故降至最低限度［7-8］。

圖1 避難路線三維可視化顯示Fig.1 3D visualization display of refuge route

3 避難硐室結構設計

3.1 避難硐室位置選擇

根據礦井避災路線，同時考慮自救器的有效使用時間，為確保井下災變時受困人員能安全到達避難硐室，兼顧實際生產中段位置、人員集中區域、通風條件等因素，設計將永久避難硐室布置在1 031 m 中段避災路線上，具體位置應選擇在地質構造簡單，圍巖穩定區域，位置在1 031 m 中段4#斜井附近。

3.2 避難硐室結構及尺寸

避難硐室由聯絡道、過渡室和生存室組成，設計2 個安全通道，左右結構對稱。硐室地面設計高于外部巷道底板0.5 m。

(1)聯絡道。避難硐室與中段主運輸巷道之間設置2 m 長的聯絡通道。

(2)過渡室。硐室2 道防護密閉門之間為過渡室，過渡室長4 m，寬2.5 m，過渡室的凈面積為10 m2。過渡室前后設置2 道向外開啟的防護密閉門。

(3)生存室。硐室第2 道防護密閉門之內為避險生存室，生存室根據功能又分為救生區、生活區和排泄區。設計額定避難人數為30 人，依據相關文件按額定避難人數不低于1 m2的有效使用面積計算，同時考慮1.2 的備用系數，避難硐室避險生存室使用面積不得小于30 人×1 m2/人×1.2 =36 m2，另外生存室內設備、物品占用面積為28 m2，設計生存室寬度為4 m，經計算長度為16 m。故生存室尺寸定為16 m×4 m×2 m(長×寬×墻高)，面積為64 m2。避難硐室平面布置如圖2 所示，三維立體示意圖如圖3 所示。

圖2 避難硐室平面布置Fig.2 Plan layout of the refuge chamber

圖3 避難硐室三維立體示意Fig.3 3D sketch map of the refuge chamber

3.3 避難硐室斷面形狀

根據硐室尺寸，結合圍巖條件及地壓情況，同時考慮空間的有效利用程度，避難硐室的開鑿形狀采用三心拱。生存室凈斷面寬為4 m，墻高2 m，支護厚度0.2 m，聯絡道和過渡室凈斷面寬為2.5 m，墻高1.75 m，支護厚度0.2 m。

4 避難硐室關鍵系統建設

井下避難硐室設計各系統組成如圖4 所示。其中通訊系統、視頻監控系統、人員定位系統、供水施救系統等系統伴隨“六大系統”中其他系統的建設進行建設，本文重點闡述供氧系統、監測監控系統、壓風自救系統、環境控制系統的建設關鍵技術。

圖4 避難硐室系統組成Fig.4 System composition of the refuge chamber

4.1 供氧系統

硐室內設計三級供氧系統，分別為壓風管路供氧、壓縮氧氣供氧和壓縮氧自救器［12］。

第一級供氧(壓風管路供氧):設計與礦用壓風管路兼容的管路，在礦井壓風輸送正常時，采用壓縮空氣直接為避難硐室內送風，并能長時間保持良好的空氣質量。

第二級供氧(壓縮氧氣供氧):若壓風自救系統中斷，采用醫用壓縮氧氣鋼瓶提供96 h 所需全部氧氣。

(1)氧氣量計算。為了保證氧氣能夠在30 人避難硐室內供應96 h，氧氣瓶數量計算如下:1 個成年人正常情況下所需氧氣量為0.5 L/min，因此30 人在96 h 內所需的氧氣量為

(2)氧氣瓶數量計算。目前常用醫用氧氣瓶規格為25 MPa、40 L 的壓縮氧，折算成正常氣壓下的氧氣體積為

按1.1 的備用系數計算，在30 人規格的避難硐室內，共需要氧氣瓶數量為

第三級供氧(壓縮氧自救器):硐室內按避難人數1.2 的備用系數進行配隔絕式壓縮氧自救器，設計采用36 臺ZYX45 型隔絕式壓縮氧自救器。

4.2 監測監控系統

監測監控系統分硐室內監測和硐室外監測，硐室內外分別配備獨立的6 種無線傳感器，監測硐室內外的CO、O2、CO2、NO2、溫度、濕度等參數。硐室內安裝智能數據采集分站，用于實時采集傳感器通過有線方式傳輸的監測數據，監測數據通過環境參數顯示終端，實時顯示監測數據，若硐室內外監測參數超限，則自動聲光報警。

硐室內所有的傳感器均安裝在生存區中間區域的墻壁上，其中，CO 傳感器安裝在距離硐室頂板0.3 m 位置，CO2和NO2傳感器安裝在距離硐室底板0.3 m 位置，O2、濕度及溫度傳感器安裝在CO 和CO2傳感器中間位置。硐室外所有傳感器安裝在硐室外2個出口中間。

4.3 壓風自救系統

礦山現有壓氣管道將壓縮空氣送至各生產中段，只需在現有管路上通過變徑管加裝支管，將壓縮空氣引入避難硐室，通過供氣閥門控制開關，并最終連接到壓風自救裝置，該裝置包含減壓、消音、過濾裝置和帶有閥門控制的呼吸嘴，其中過濾裝置具備油水分離功能。對于30 人規格避難硐室，同時在壓風管道上共設計6 套壓風自救裝置，每套壓風自救裝置可同時供6 人呼吸使用，壓風自救裝置之間的距離設計為2.5 m。

緊急狀態下避難硐室最大需風量(Qmax)按下式進行計算:

式中，K 為漏風系數，管網總長度小于1 km 取1.1;N為避難硐室額定人數，30 人;Q 為避難硐室內人員需要的新鮮風量，取300 L/min。

根據式(4)可以計算出會澤分公司井下避難硐室最大需風量為

4.4 環境控制系統

避難硐室是一個密閉空間，室內溫度會因避險人員身體散熱或用電設備發熱而導致溫度升高，并產生CO、CO2以及有毒有害氣體。為了控制溫度及凈化有毒有害氣體，井下避難硐室需建設環境控制系統。環境控制系統主要由溫度控制、空氣凈化和濕度控制三大系統組成。

(1)溫度控制系統。常用制冷方法有蓄冰制冷、電動制冷機制冷及高壓氣體膨脹制冷等。蓄冰制冷、電動制冷機制冷因需要大容量蓄電池或外接大功率電源，不宜采用。高壓氣體膨脹制冷是通過高壓氣體膨脹吸熱制冷，具有無電源、維護費用低、維護量小等優勢。常用的制冷劑有二氧化碳、氟利昂、液氨等。液氨有毒，氟利昂儲藏設備體積較大，遇高溫會分解出有害氣體等。二氧化碳具有安全穩定、無毒等優點，因此，選用二氧化碳進行制冷。

(2)空氣凈化系統。井下避難硐室應具備對有毒有害氣體的處理能力和空氣調節控制能力，采用空氣凈化裝置和CO、CO2吸附劑對有毒有害氣體進行凈化，空氣凈化系統通過風扇將空氣吸入凈化柜，空氣經過柜內的吸收藥劑，有害氣體被充分吸收后從出風口吹出。

(3)濕度控制系統。濕度主要通過循環風和吸附劑控制。避難硐室兩過渡室分別接入單向排氣管道和單向排水管道，排水管和排氣管均加裝手動閥門，室內一側的管口靠近底板，并在過渡室設置風量調節開關，控制硐室內外空氣的流動。吸附劑選擇強力干燥劑和除濕干燥簾。

5 結 語

(1)采用三維礦業軟件Dimine 對會澤分公司井下避難路線進行了三維可視化設計。

(2)依據國家有關標準規范對避難硐室結構進行了詳細設計，避難硐室由聯絡道、過渡室和生存室組成，設計2 個安全通道。

(3)對避難硐室內部供氧系統、監測監控系統、環境控制系統和壓風自救系統等關鍵系統進行了研究。

(4)通過建立井下避難硐室，為井下作業人員提供安全保障，減少了人員傷亡和災害損失，保障礦工的生命安全，保證了企業正常的安全生產活動。

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