金屬礦山避災硐室標準化設計與應用

張愛民，尚曉明，申志妍，邵長峰(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

現代化礦山逐漸形成具有生產規模大、運輸距離長的特點，井下作業人員因避災路線長而安全撤離較困難。另外，由于井下空間封閉的特性，若發生火災、水災、爆炸、塌方，都可能會造成巷道堵塞，動力、運輸及通風系統的破壞，且通向地面出口的距離較遠，給救援行動帶來困難，無法及時進行施救。避災硐室作為一種能夠減少井下由于各種災害導致的人員傷亡的設施，在國外采礦發達國家已經得到了較為普遍的應用。

本文在分析國內外避災硐室設置現狀的基礎上，以國內避災硐室的相關規定為標準，進行標準化設計，期望能為礦山避險系統設計提供借鑒。

2 國內外避災硐室設置現狀

由相關文獻可知，加拿大、澳大利亞、美國、南非等國家均在不同程度上使用了井下避災硐室[1～5]。

早在1928年，加拿大就出現了初級避災硐室，采用礦井壓風系統提供呼吸用的空氣；避災硐室在澳大利亞使用較為頻繁，并且政府強制要求所有礦井都必須設置避災硐室；在西澳，MineARC公司研制出一種新型避災硐室，用特殊材料制作，能經受2 000℃火焰2h直接烘烤，可用于煤礦井下使用。

另外，美國的Strata Products公司針對不同的容量人數制定出了不同規格的避災硐室。由2010年11月安標國家中心統計，美國煤礦井下目前安裝配備救生艙1 193臺，其中可充氣式救生艙1 000臺，硬體式鋼制救生艙123臺；避難硐室70個。

南非自1970就出現避難所，1986年Kinross金礦礦難(死亡177人)后，法律強制井工礦山必須設立避難所，由于煤礦開采深度較淺，一般采用硐室+大直徑鉆孔方式。

在2011年4月10日，中國首次井下避難設施載人現場驗證試驗在山西省潞安集團常村礦順利完成，由礦工、救護隊員、科研人員等80人組成的試驗人員，在模擬災變環境的永久避難硐室內安全度過了48h。硐室長39m，寬3.5m，高3.05m，可以容納80～100人，具有防爆密閉、氧氣供應、空氣監測、二氧化碳吸附、空氣溫濕度控制、電力供應、聯絡通訊、食品飲水供應等系統。

南山煤礦二水平投資30萬元首個仿救生倉式中央避災硐室在二水平建成并投入使用，硐室內可容納240人。該避災硐室由主室、副室、儲藏室三部分組成，硐室內各個系統設置齊全。

隨著礦山安全意識的加強，安全措施投入的增大，越來越多的礦山開始建設或已經使用避災硐室這一設施。

3 避災硐室標準化設計依據

自2010年10月，國家安全監管總局印發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通知(安監總管168號文)，隨后，又陸續出臺了由國家安全監管總局印發的《金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范》(AQ2033- 2011)和由中國有色金屬工業協會主編的《有色金屬礦山井巷工程設計規范》(GB50915- 2013)。

本避災硐室標準化設計，在查閱國內外相關文獻、參考國外礦山避災硐室設計和考察國內外礦山避災硐室的基礎上，按照相關規范的要求進行設計。但由于礦山工程的特殊性，不同礦山的開拓系統也不同，因此需要根據礦山的具體情況進行調整硐室的結構和尺寸。

4 避災硐室系統設計

根據《金屬非金屬地下礦山緊急避險系統建設規范》要求，井下避災硐室額定人數應滿足本中段最多同時作業人員避險需要，且單個避災硐室額定人數不大于100人。另外，還指出硐室進出口要滿足防水要求，硐室防護時間96h。

根據《有色金屬礦山井巷工程設計規范》要求，避災硐室分防火和防水類兩種，防水類同上規范一致，而防火類硐室防護時間要求不低于8h。

根據以上規范要求，本次避災硐室標準化設計考慮以下5種類型(其中臨時型暫未考慮冰冷降溫系統)：①50人防火臨時型(Ⅰ型)；②50人防水臨時型(Ⅱ型)；③50人冰冷防水永久型(Ⅲ型)；④100人防火臨時型(Ⅳ型)；⑤100人冰冷防水永久性(Ⅴ型)。

每種型式的避災硐室，其系統設計主要考慮的因素基本一致，包括：硐室位置、氧氣供給系統、除濕降溫系統、動力保障系統、生活保障系統、環境監測系統以及硐室管理等。

以下以50人冰冷防水永久型(Ⅲ型)避災硐室為例，詳述硐室內各系統的設計。

4.1 硐室位置

50人冰冷防水永久型避災硐室適應于水文地質條件中等及復雜或有透水風險的地下礦山，作為永久避險設施使用。其設置要求如下。

(1)避災硐室的設置要避開地質構造帶、應力異常區以及透水威脅區，并要盡量設置在圍巖穩固、支護良好、靠近人員相對集中的地方。

(2)硐室底板高于巷道底板0.5m以上，前后20m范圍內應采用非可燃性材料支護。

(3)在井下通往避災硐室的入口處設“避災硐室”反光顯示標志。

(4)避災硐室額定防護時間不低于96h。

(5)硐室進出口的防水門及硐室防水等級應根據具體礦山總體設防水頭高度確定。

4.2 氧氣供給系統

硐室內考慮兩套氧氣供給系統，即壓風供氧系統和壓縮供氧系統。

(1)壓風供氧系統。避災硐室內鋪設壓風自救管道，由中段生產壓氣管接入，接入時需安裝油水分離器。壓風自救管采用φ89mm×4mm的無縫鋼管。硐室內壓風自救管接出2個支管，通過閥門與壓風自救裝置連接。每套壓風過濾系統均由減壓、消音和過濾裝置組成。壓風過濾系統如圖1所示。

硐室內空氣通過單向排氣管排出硐室，排氣管沿避災硐室外主巷道鋪設至上一中段水平。排氣管道采用φ159mm×4mm的無縫鋼管。

圖1 壓風過濾系統

(2)壓縮供氧系統。壓縮氧供氣設施由醫用氧氣瓶、減壓閥、壓力表、供氣管路、流量調節閥、開關等組成，如圖2所示。

圖2 壓縮氧供氣設施

根據人均供氧量0.5L/min計算，避災人數50人，96h防護時間內，共需要工作壓力為15MPa、水容積為40L醫用氧氣28支。

4.3 除濕降溫系統

硐室內熱負荷主要包括：人體負荷、照明負荷等，通過計算，此型式硐室的總熱量約為740kWh。

目前較常用的制冷形式有：液體CO2無動力制冷系統、空調制冷系統、電蓄冰制冷系統、化學劑制冷等。由于電蓄冰制冷效果好且無二次污染氣體產生，故經過綜合比較后選擇冰降溫系統。

根據總熱負荷，選擇2臺制冷量8.6kW、功率7kW的壓縮冷凝機組，并對應配備6臺1.7t蓄冰槽，蓄冰槽尺寸為2 280mm×700mm×1 500mm。壓縮冷凝機組及蓄冰槽如圖3和圖4所示。

圖3 壓縮冷凝機組

圖4 蓄冰槽

選擇錯時蓄能的方式制冰，即壓縮冷凝機組在非避災情況下利用外部電源給蓄冰槽進行制冰，在避災情況下利用蓄冰槽的冰來降溫。平時需要進行冰量維護，及時補充融化損失部分。

4.4 動力保障系統

動力保障設施由外接電源和備用電源組成。外接電源作為礦山正常生產時降溫系統制冰、傳感器監測、備用電源充電、硐室內照明等的動力。

靠近避災硐室頂部/底部預留有孔徑為60mm的電纜孔。

當災害發生后外部電源中斷時，備用電源自動啟動，保障在96h以內氣體凈化設施和環境監測設施、礦用空調的動力需求。

備用電源由大容量的鎳氫蓄電池組組成，具有自動充電、充電狀態顯示、均衡充放電等電源管理和過充過放等安全保護功能。

4.5 生活保障系統

生活保障系統包括以下幾個方面。

(1)避災硐室應配備在額定防護時間內額定人員生存所需要的食品和飲用水。

(2)避災硐室內配備隔絕式自救器，自救器使用時間不低于30min，配備數量不低于額定人數的1.1倍。

(3)避災硐室設有與礦井調度室直通的電話，并設置一套無線通訊系統，以保證災變期間通訊可靠。

(4)硐室內設置供水管，供水管線在進入避難硐室前埋設于巷底，以確保在災變發生時不被破壞，埋設距離避災硐室200m以上，供水管管徑為32mm。

(5)硐室內設置與外界相通的單向排水管，管徑為108mm，室內一側的管口靠近避難硐室底板。

(6)避災硐室配備的食品和急救藥品，過期或失效的必須及時更換。

(7)排泄物收集采用坐便器，采用化學除臭劑除異味。

4.6 環境監測系統

避災硐室內配置一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度、濕度和大氣壓的檢測報警裝置各1套，避災硐室內一氧化碳、二氧化碳、氧氣等氣體參數通過內部傳感器實時監測、顯示，當一氧化碳、二氧化碳濃度及溫度超過額定值實現超限報警，氧氣濃度值低于18.5%時可實現報警，提醒硐室內人員采取相應的措施保證避災硐室環境的穩定。

所有傳感器均垂直懸掛，距巷壁不小于0.2m，其中CO、CO2、O2等3種傳感器安設距底板1.2m處，大氣壓、溫度、濕度等3種傳感器安設距底板1.6m處。

4.7 硐室管理

針對避災硐室管理，需要遵循以下幾個方面。

(1)礦井建立避災硐室管理制度，設專人管理，每周檢查一次。按相關規定對其配套設施設備進行維護、保養和調校，發現問題及時處理，確保設施完好可靠。

(2)礦井應對入井人員進行避災硐室使用的培訓，每年組織一次避災硐室使用演練，確保每位入井員工都能正確使用避災硐室及其配套設施。

(3)避災硐室內應有簡明易懂的使用說明，以指導遇險人員正確使用避難設施。

(4)在非避災情況下，該硐室也可作為井下就餐室、會議室、培訓等用。

5 國內避災硐室應用

隨著國家相關規定的出臺，國內越來越多的地下礦山已經開始設置避災硐室，并投入使用。

目前，先后完成了武鋼集團金山店鐵礦、程潮鐵礦、大冶鐵礦、臨沂會寶嶺鐵礦、白象山鐵礦、金川鎳礦、冬瓜山銅礦、薩熱克銅礦等礦山的避災硐室設計，不同礦山選擇的硐室類型也不同。其中部分礦山已經建成，并通過國家安監局驗收及使用。

后期，將結合現場實際使用情況，不斷優化設計，期望能設計出合理的、經濟的避災硐室供礦山使用。