白象山鐵礦避災硐室設計與應用

張發亮

(馬鋼姑山礦業公司白象山鐵礦)

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白象山鐵礦避災硐室設計與應用

張發亮

(馬鋼姑山礦業公司白象山鐵礦)

避災硐室是金屬非金屬礦山六大系統建設的核心環節，也被稱為“小六大系統”。通過對白象山鐵礦避災硐室的設計與應用，結合相關設計規范，歸納出該系統在每一個子環節設計及應用過程中的設計標準及注意事項，為礦山今后緊急避險系統設計提供技術參考。

避災硐室 金屬非金屬礦山 設計與應用 緊急避險系統

馬鋼集團姑山礦業有限責任公司白象山鐵礦年產鐵礦石200萬t，礦區地層主要有三疊系上統黃馬青組、侏羅系中下統象山群、白堊系下統上火山巖組以及第四系沖、坡積層，礦區內斷裂構造較為發育，勘探共發現10條斷層，其中對地下開采影響較大的有3條，分別為F1、F2和F3。該礦主要采用機械化上向分層充填采礦法，并采用三段碎礦+三段磨礦+3次磁選的選礦工藝。

根據需要，遵循國家安監總局2011年9月1日實施的《金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范》(AQ 2033—2011)設計緊急避險系統[1-2]，進行了整個避災硐室設計，其中包括硐室開拓設計、硐室設備安裝設計(密閉防護、壓風過濾、壓縮供氧、空氣凈化、降溫除濕、供水施救系統、電力與生命保障系統)[3-5]，筆者通過對以上各個系統環節的設計歸納總結，提出了相關設計建議與注意事項，為類似金屬非金屬礦山緊急避險系統的設計提供參考。

1 避災硐室開拓設計

根據白象山鐵礦富水礦山的實際，設計了井下避災硐室。以-450 m分層為例，硐室設有兩個進出口，間距不小于20 m，采用向外開啟的兩道隔離門，設計隔離門間的過渡室凈面積為19.11 m2(長×寬×高為3.9 m×4.9 m×4 m)。過渡室內設壓風噴淋裝置，第一道隔離門上設觀察窗，靠近底板附近設單向排水管和單向排氣管。生存硐室采用三心拱斷面，尺寸(長×寬×高)為34 m×5.9 m×6.8 m，能容納下100人(人均面積不得小于1 m2)，人員生存時間按照國家要求不低于96 h。

本次設計硐室過渡段采用鋼筋混凝土支護。生活室采用澆筑混凝土支護，支護厚度300 mm，澆筑混凝土強度等級為C25。制冰硐室、電源硐室及耳室暫按噴混凝土支護，支護厚度100 mm，混凝土強度等級為C20。現場可根據巖石揭露情況調整支護形式。

金屬非金屬礦山避災硐室的選址應結合規程并滿足以下條件：具有復雜水文地質條件、生產中段在地面最低安全出口以下、垂直距離大于300 m的，應在最低生產中段設置避險設施；距中段安全出口實際距離大于2 000 m的，應在本中段設置避險設施。白象山鐵礦在-450 m分層硐室選址時，結合其本身大水礦山這一復雜地質條件，將硐室選在-450 m東、西大巷叉點處。

硐室驗收應嚴格按照《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB 50086—2001)進行拉拔試驗[6](必須在錨桿安裝后0.5～4.0 h進行)，試驗時需根據硐室設計寬度和錨桿型號選擇拉拔試驗最小值，如：白象山鐵礦避災硐室寬度為5.0～8.0 m，采用φ22 mm螺紋鋼(I級)錨桿，按中型硐室要求設計，抗拉拔力不得低于80 kN。

2 硐室設備安裝設計

2.1 密閉防護系統

密閉防護系統為過渡室的兩道隔離門，一道防火門和一道防水門，防火門尺寸為2 200 mm×2 000 mm(H)，門框材料為耐火磚，厚度240 mm。防水門尺寸為2 400 mm×2 400 mm(H)，按承受凈水壓力1.6 MPa設計，門框及防水門可選用LM型博殼防水門，門框預先埋入混凝土基礎中。

硐室采用光面爆破，確保巖體整體性完好和契形體成型。防水門基礎要求一次澆筑完成，門框直接埋入混凝土基礎,防水門硐室混凝土澆筑養護28 d 后應進行壁后注漿和水壓試驗，試驗壓力為1.76 MPa，耐壓時間不小于24 h。防水門為常開式，在門扇底部砌托門墩。

硐室內的設備及安全裝置在密閉系統(防水、防火門)未安裝前應提前進入硐室，防止設備在硐室出入口澆筑、制模、安裝防水、防火門后無法進入。

2.2 壓風過濾系統

利用地面壓縮空氣作為氣源，經過閥門后進入生存室內設置的水、灰塵、油三級過濾，從預先設置的減壓器、浮子流量計、管路進入氣體輸出端，為避災硐室內避險人員提供新鮮、高質量的空氣。

白象山鐵礦在設計此系統時，將壓風系統與生產供風合二為一，按人均供風量大于0.3 m3/min，入口壓力大于0.8 MPa、出口壓力0～0.3 MPa(可調節)、輸出流量不小于0.3 m3/(min·人)。井下壓風裝置主管路在通過地表時，應避免多次轉彎，嚴禁使用溜井、支護強度差的立井，避開受爆破強度影響大的路段，確保供風管道的可靠、有效。

2.3 壓縮供氧系統

為保證避險人員安全，要求硐室中氧含量不低于18.5%～23%，氧含量的危險限度為17%，正常情況下通過井上壓縮空氣(壓風自救系統)供給新鮮空氣，避災硐室可以無限得到外部供氧；若在供風管道阻斷時，避災硐室內有限空氣將不能長時間維持避險人員的呼吸，此時供氧系統將及時啟用，以保證氧氣供給。

供氧系統由高壓氧氣源、可調節流量計、匯流排、減壓箱、氧氣呼吸帶、氧氣呼吸終端、氧氣面罩組成。供氧系統采用雙組氣瓶雙路控制，一組使用，一組備用，人員使用氧氣面罩吸氧；當一組的氧氣壓力使用到低于設定值時，人工切換到另一組，系統可以連續供氧，具體見圖1。

圖1 壓縮氧供氣系統原理

白象山鐵礦采用φ14X1不銹鋼管供氧，采用φ8X1不銹鋼管進入氧氣終端，集中輸送氧氣至減壓箱，氧氣瓶壓力在高壓減壓和中壓二次減壓至0.4 MPa左右，氧氣終端采用自封式快速插座，每個終端流量不小于10 L/min，氧氣終端分別布置在休息座椅上方(圖2)。

圖2 壓縮氧吸氣裝置示意

白象山鐵礦在設計之初，從經濟性考慮在硐室中間耳室部分計劃擺放氧氣鋼瓶56個，但因耳室空間不足，將56個氣瓶分為兩組，分別放置在過渡硐室，并在生存硐室兩端設置出氣控制端口，增加硐室內部空氣流動性，保證了此系統模塊既滿足了經濟性又確保了安全性。

2.4 空氣凈化系統

按照《金屬非金屬地下礦山六大系統建設規范》(AQ 2033—2011)設計，100人永久硐室內部配置2臺空氣凈化裝置，將制冰系統與空氣凈化系統配套使用。空氣凈化系統由兩臺氣動空氣凈化裝置組成，每臺配一臺風機：選用氣動馬達消除綜合防護期間艙內二氧化碳、一氧化碳，保障避險人員的安全，其工作原理如圖3。

圖3 制冰系統與空氣凈化系統配套原理

空氣凈化裝置內含有CO、CO2吸附劑，風機安裝在凈化裝置的底端，通過風機旋轉，帶動硐室內的環境空氣流過藥劑箱，完成空氣凈化。從凈化裝置出來的空氣進入冰柜風道中，降溫除濕后供硐室人員使用。

該礦在試用期間發現，人體在硐室內會產生大量的濕氣，而且CO2在吸收的過程中也會產生水分，為了降低濕度，在凈化器中配備一定量的硅膠和分子篩，可以有效的除濕和清除異味，同時提高CO催化劑的效率。

2.5 降溫除濕系統

硐室制冷系統由壓縮冷凝機組、控制箱、軸流風機、不銹鋼蓄冰槽四部分組成，如圖4所示。

制冰硐室內要求不滴水，墻面采用混凝土并刷白，混凝土強度等級為C20，地面采用水泥抹平，且高出巷道地板500 mm設人行踏步。壓縮冷凝機組安裝，根據設備要求確定制冰硐室與生活硐室之間的巖體內施鉆數量及孔徑參數，并在鉆孔內預埋套管若干，鉆孔與套管之間注漿密實，注漿壓力1.6 MPa。

圖4 制冷裝置組成

白象山鐵礦采用蓄冰空調降溫，此類空調主要由制冷裝置(硐室外)和蓄冰柜(硐室內)兩部分組成，由穿墻管線連接，該產品每組需要留置3個管道口(兩組即6個)以便于銅管和傳感器線穿越墻體，其他礦山在此模塊選用蓄冰空調降溫設計時，應提前做好降溫設備與施工鉆孔匹配問題，避免二次返工，在對墻體鉆孔過程中，應從后期管路封堵嚴密性和減少破壞圍巖穩定性出發，盡量減小預埋管管徑，如白象山鐵礦將原先設計的6根φ159 mm管路變更為φ80，φ60，φ40 mm管路各2根。此外，在蓄冰空調運行中發現，硐室外的制冷裝置在運行中極易產生較大的灰塵，造成設備散熱效果差，后期嚴重影響制冰效果，平時應做好制冷裝置周圍保濕、防除塵工作。

2.6 供水施救、電力、生命保障系統及其他

(1)供水施救。供水施救系統的設計與壓風自救系統基本一致，與該礦生產、消防供水共用一套系統，由地表的高位水池實現地表通往井下各主巷道的供水，再由各主巷道向各個分層的采區、盤區輸送，避災硐室內的水源也由硐室外六大系統供水管引入室內，經水箱后，再由引水管進入引水機供室內人員飲用。

(2)供電系統。該礦電力系統采用外接電源和備用電源兩種形式，外接電源設計從東1#采區變電所和西2#采區變電所各敷設2條380 V低壓電纜進入硐室動力配電區和制冰硐室內，硐室內用電設備及照明系統供電為雙回路供電；備用電源設計UPS應嚴格按照規程必須具有在外接電源斷電時，可轉換為220 V交流電繼續供負載使用，運行時間不低于96 h。

(3)生命保障系統。要求硐室內配備有急救箱、應急礦燈、工具箱、滅火器等輔助設施和隔絕式自救器，自救器需按入井總人數的10%配備，且有效防護時間不低于30 min。

(4)其他。避災硐室還應與礦井安全監測監控、人員定位、壓風自救、供水施救、通信聯絡等系統相連接，形成井下整體性的安全避險系統。壓風自救φ133 mm×5 mm無縫鋼管、供水施救φ32 mm×3.5 mm無縫鋼管等應通過地埋接入硐室內，礦井通信聯絡系統應延伸至井下避災硐室，硐室內需設置直通礦調度室的電話，硐室生存環境參數檢測的氣體、視頻、語音等信息通過通信系統傳輸至井上，實現地表與硐室內人員的互連互通。

3 結 語

(1)水文地質復雜或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避災硐室，中段安全出口實際距離超過2 000 m的生產中段應設置緊急避險設施。

(2)密閉防水裝置應混凝土澆筑養護，1個月內進行注漿與水壓試驗，試驗壓力不得低于1.6 MPa,耐壓時間不小于24 h。

(3)壓風過濾、供水施救系統與生產供風、供水合二為一時，其主管路走線應避開受爆破采動影響大的區域，禁止使用溜井及成型差的立井，確保管線安全可靠。

(4)采用蓄冰空調降溫時，應事先做好設備與施工鉆孔參數匹配，避免二次返工，盡量減小鉆孔數量及開口孔徑，保證墻體圍巖的密閉、穩定性。

(5)緊急避險系統應與礦山其余五大系統實現互連互通，確保系統的整體性。

[1] 國家安全生產監督管理總局.安監總管一(2010)168號 金屬非金屬地下礦山安全避險“六大系統”安裝使用和監督檢查暫行規定[S].北京：國家安全生產監督管理總局，2010.

[2] 國家安全生產監督管理總局.AQ 2033—2011 金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范[S].北京：國家安全生產監督管理總局，2011.

[3] 劉建東,王 平.金屬礦山關鍵技術與應用[J].現代礦業,2013(11):76-78.

[4] 杜振斐,馬 壯.某金礦避災硐室設計[J].有色金屬,2013,65(5):67-70.

[5] 毛春雷,許 暉.金屬礦山安全避險六大系統設計思路[J].金屬礦山,2012(5):126-129.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建標(2001)158號 錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2001.

2016-07-15)

張發亮(1985—),男,助理工程師，碩士，343182 安徽省馬鞍山市當涂縣太白鎮。