某露天礦安全艙布局與技術路徑完善探討
——某露天礦安全艙實際應用

劉 偉

（中核沽源鈾業有限責任公司，河北 張家口 076561）

0 概述

該露天礦山處于內蒙古高原南部邊緣高寒地帶，屬于壩上低山丘陵地貌單元，屬干旱、半干旱大陸性高原季風氣候。礦床開采劃分為三期：一期開采標高地表～1444m，二期開采標高1444m～1250m，三期開采標高1250m～1150m。一期、二期均為露天開采，三期為地下開采?，F開采至1444m 梯段，已形成10 個臺階，最大高差120m，處一期開采尾聲階段。

露天礦山中主要的生產系統包括開拓和運輸系統、穿孔和采裝系統、排土系統、防水和排水系統、供電系統等。從上而下、分多個水平梯段開采，梯段邊坡角60°～70°，水平梯段高度12m。采用汽車運輸開拓方式，公路縱坡8%，雙車道，路面寬11.5m。梯段開挖采用中深孔爆破、挖掘機鏟裝、自卸汽車運輸，最終邊坡進行預裂爆破。

1 危險因素分析

1.1 邊坡塌方

1.1.1 巖層

本區經歷了漫長而復雜的地質演化歷史，廣泛發育了一套濱海～淺海相砂、泥質巖石與火山巖建造。地層由老到新依次為上太古界紅旗營子群（Ar2）、中生界侏羅系上統（灤平群）（J）、侵入巖及新生界第四系（Q）。

露天采場開采東側、南側及西側邊坡，已揭露邊坡巖層中生界侏羅系上統張家口組J3 Z 3-3、J3 Z 3-4、J3 Z 3-5含有凝灰巖，局部呈現高嶺土化硅化，吸水性強透水性弱，為風化不穩定礦物，隨著開采暴露時間延長，易導致滑坡。

1.1.2 構造

礦床范圍內，主要發育有NEE、NW、NNE 三組斷裂構造，其中具有代表性的為F45-1、F45-2、F3、F4、F9以及F10 等。構造F3 貫穿于采場西北至東南走向方向，角礫巖帶。早期使圍巖破碎，晚期被灰白色硅質膠結，形成硅化角礫巖。構造F45-1 貫穿采場東北方向，硅化角礫巖帶。早期破碎成角礫，后期大量硅質充填，形成硅化角礫巖帶。

1.1.3 水文

1.1.3.1 礦床地下水

礦床地下水分為基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水。

基巖裂隙水主要分布于張家口組三段地層層間破碎帶和次流紋斑巖體內外接觸帶。水位埋深30m～50m，平均水位標高1509.83m，主要含水段埋深于1200m 標高以上，含水層平均總厚度80.60m。

系松散層孔隙水主要分布于礦床第四系沖積洪積物中，巖性為粉砂、黏土、砂礫石互層，厚度5m～46m，水位埋深3m～15m，平均水位標高1494.11m。該層地下水淺部為潛水，深部為承壓水；巖層富水性較好。

1.1.3.1 地層構造的含水性

根據礦床巖層含水層統計結果，結合水文地質剖面圖，基巖含水的特點是很難以層劃分，不像沉積巖那樣具有層狀產出的特征，而是以裂隙含水段的形式表現出來，而且裂隙含水帶具有各向異性，含水性由地表向深部逐漸減弱。礦床分布的張家口組三段、二段地層及次流紋斑巖體，巖石致密堅硬，其含水性與裂隙發育程度密切相關。各地層含水性統計結果，J3Z3-3、J3Z3-5、Cλπ 含水段分布多，單層厚度大，含水性相對較好，為礦床主要含水巖層、巖體。J3Z3-4、J3Z3-6角礫凝灰巖，遇水膨脹，一般不含水，可視為相對隔水層。

1.1.4 爆破作業

爆破是露天礦山采剝工程必不可少的作業環節，爆破使礦巖產生壓縮、變形、破壞、松散和拋擲現象，開采礦巖的同時，對邊坡巖體產生了破壞作用。降低了邊坡巖體的強度，提高了自然降水、基巖裂隙水、潛水及構造含水在邊坡的滲水能力。該露天礦山地處高寒地區，凍脹風化更為顯著，進一步降低了邊坡的穩定性。

1.2 礦坑涌水

露天礦山現已由山坡露天轉為凹陷露天開采，開采范圍及周邊潛水、地下水流道、流向均發生改變，呈現采場四周向采場中心的流向。對此該露天礦山開展了水文地質補充勘探工程。

通過掌握最新的水文地質情況，該礦山先后開展了兩期帷幕注漿治水工程。治水范圍為采場涌水方向，即采場南側450m、北側360m。帷幕頂底標高分別為1504m、1410m，帷幕高度94m。水位線如圖1 所示。

圖1 露天采場帷幕外側水位示意圖

采剝過程中的爆破震動，會導致采場內側帷幕灌漿出現振動，使帷幕注漿范圍內的原有裂隙擴展或新裂隙產生，降低帷幕強度和防滲能力。爆破作業過程中會不斷破壞帷幕的截水能力，一旦新的涌水通道被完全打開，可能會出現大量涌水的情況，危及采場內作業人員安全。

鑒于該露天礦山冬季停產，夏季雨天暫停施工，該文暫不考慮大氣降水對采場作業面危險因素的影響。

2 安全艙性能要求

露天礦山安全艙作為采場工作面作業人員安全避難場所，應滿足避免采場工作面作業過程中可能出現危險因素的不利影響，保障作業人員緊急避險后的人身安全。

安全艙可在露天礦山發生災難或意外事故時，采場作業人員用于逃生、避難等待救援的封閉裝置設備，應該滿足以下要求。

2.1 強度要求

安全艙應滿足在靜態荷載作用下抵抗永久塑性變形和斷裂的能力，已保證邊坡塌方后安全艙周圍的巖體對其靜態荷載作用下的安全可靠[1]。因此，安全艙的強度是確保其安全性能的基本條件和要求。

2.2 抗沖擊要求

一旦采場出現邊坡塌方，破碎巖體將沿邊坡滑落沖擊安全艙，安全艙表層材料應該在滑落巖體沖擊荷載作用下不被破壞。表層的抗沖擊能力可以保證內層結構的穩定性，并保證內部設施完好，保障緊急避險人員安全。

2.3 減震降噪性能

安全艙受到滑落巖體撞擊后，受滑落巖體動能作用，將會對安全艙產生一定的沖擊作用，同時伴隨著震動和噪聲。因此需要對安全艙進行減震、降噪處理，保障避險人員在安全艙內安全和舒適。

2.4 防水性能

一旦發生采場透水事故，邊坡涌水大量涌入工作面，短時大量涌水存在淹沒工作面安全艙的可能性。因此，防止積水進入安全艙是保障艙內人員安全的必然要求。

2.5 生活保障功能

避險人員進入安全艙后，受救援難度、時間等不利因素影響，為了保證人員生存的基本需求，須在安全艙內存放必要的生活保障物資。

2.6 避險人員心理疏導

如何消除因事故造成安全艙內避險人員心理異常，使避險人員情緒穩定，保證救援工作順利進行，也是事故應急救援不可忽視的重要環節。

2.7 方便救援

發生事故后，安全艙所處的位置，關系到救援的難度和進度，盡可能減少安全艙上方覆蓋的巖石量、積水量，也是安全艙外形設計、布設位置應重點考慮的內容。

3 安全艙設計

3.1 設計思路

以“以卵擊石”、“雞蛋里挑骨頭”為設計靈感，將安全艙外形設計成類似雞蛋的橢球體，橢球體內部設計橢球體鋼筋骨架支撐外壁，提升安全艙外壁安全性能。安全艙類似“煮熟的雞蛋”，包括外殼、蛋清（含有鋼筋骨架及防震保護層）、蛋黃（避難人員核心區），如圖2 所示。

圖2 安全艙外形設計示意圖

在發生滑坡的不利情況下，安全艙利用落石滑落的動能，朝滑落前進移動，即向采場工作一側移動，可減少后續救援開挖土方工程量，便于后期救援，如圖3 所示。

圖3 安全艙遇險示意圖

安全艙受滑落巖石沖擊產生旋轉運動，通過艙內飾的合理布局解決人員遇險過程中的應急風險?；履芰酷尫磐戤呥M入救援期，通過在艙體內布設其他設備設施，保證避險人員的生理需求，為救援提供有利條件。

根據安全艙的外部形狀、內部結構、遇險應急響應、便于救援及全過程保障遇險人員安全等因素，構建了安全艙設計的總思路。

3.2 安全艙強度及穩定性分析

根據安全艙設計思路，采用薄殼理論進行理論[2]推導驗算，核算安全艙強度及穩定性，安全艙縱剖面示意圖如圖4所示[3]。縱剖面曲線方程如公式（1）所示。

圖4 安全艙縱剖面示意圖

因此可得公式（2）。

該曲線關于x軸對稱，y為正，對y值分別求一階、二階導函數，如公式（3）和公式（4）所示。

如圖4 所示，可得如下關系：

根據微體平衡方程，可以推導出經向應力δ?和緯向應力δθ，如公式（9）和公式（10）所示。

式中：p為外壓力，t為安全艙耐壓殼厚度。

根據Mushtri 方程[4]，求得安全艙耐壓殼屈曲臨界應力，如公式（11）所示。

式中：t為厚度，R1，R2為殼上主要曲率半徑的平均值。

3.3 框架設計

安全艙外形為類橢球體的“雞蛋型”，根據安全艙穩定性及強度計算，結合礦山實際需求，確定長度（長軸）4m，高度（短軸）2.35m。安全艙艙門設置“大頭”側，其內側鋼筋骨架設置第二道門。

鋼筋骨架位于艙體內側，與艙體外殼間距0.1m，整體構造仍為橢球體，焊接縫處增設支桿、托盤，托盤面積為0.01m2，用于支撐艙體外壁。

綜合考慮安全艙應用的場景和要求，重點考慮其強度指標，安全艙艙體外殼、鋼筋骨架均采用高強度Q345 鋼材。安全艙外殼選用厚12mm 板材，經磨具制作完成橢球體左右2 個部分，保證艙體完整，如圖5 所示。安裝過程采用焊接方式，將左右2 個部分形成外殼整體。

圖5 安全艙雙層結構示意圖

安全艙鋼筋骨架結構采用方形空心鋼管，規格為80mm×80mm，厚度80mm。其外側支撐托板，規格為100mm×100mm，厚度10mm，與外殼采用焊接連接[5]。

外殼與鋼筋骨架內填充聚苯乙烯泡沫材料，連續均勻噴涂，可起到防噪、減震作用，減少巖體與艙體碰撞過程中對避險人員的傷害。

3.4 密封性

安全艙外殼艙門，采用斜向下滑式，便于避險人員快速關閉，門縫設置橡膠密封條，防止有害氣體、粉塵以及水等進入艙體。鋼筋骨架設置第二道門，同時設置密封設施，起到雙重保護的作用。

3.5 座椅

座椅固定在鋼骨架上，位于第二道門0.2m 內側，雙排對稱布設，高度0.5m，寬度0.5m，共計12 個座位，可滿足12 人同時避險。座椅設置雙重安全帶，內側為軟質安全帶，外側為剛性安全帶。剛性安全用于固定避險人員，防止艙體轉動過程中，人員晃動造成傷害；將軟質安全帶用于艙體避險穩定后，用于艙體轉動造成人員側向或朝下等行動不便的人身保護。座椅具有旋轉功能，可以從多角度進行調整，以應對艙體旋轉。

3.6 生活保障

艙體內設置氧氣自救器、礦泉水、食物等生活必需品[6]。自救器放置于座椅上方，便于避免人員進入后立即使用；其他生活必需品放置于兩排座椅之間的鐵皮柜。

在艙體“小頭”側，設置簡易封閉衛生間，生活排泄物不會因艙體轉動而發生外溢，保證艙體內空氣質量和人員舒適度。設置固定氧氣瓶，外側進行固定，以應對長時間救援的情況。

3.7 通信保障

艙體內設置通信基站，避險人員可通過艙體內平板電腦接入該露天礦山北斗數字化系統。數字化系統現已建成采場范圍內人員、設備定位、全景視頻全覆蓋。通過露天礦山所有視頻監控查看艙體外實景及救援現場情況，減少避險人員的焦慮情緒。

艙體內設置定位系統，通過與人員定位的有效聯動，可以為救援提供準確位置，為科學救援提供必要條件。

3.8 輔助功能

座椅扶手配備耳塞，降低撞擊過程中噪聲對避險人員聽力的損傷；艙內配備4 塊電瓶（12V，120Ah），逆變器DC12V轉AC 220V，功率1000W，用以保障艙內照明設施、電子設備的使用；水下安全應急設備的配備，防止艙體破損，造成采場涌水進入艙體。

4 結論

通過對該露天礦山安全體系的分析，采場工作缺少臨時避難場所，建立露天礦山安全艙是必要的?！耙允瘬袈选钡碾u蛋型艙體外殼設計，可利用滑落巖體動能，使安全艙隨邊坡滑動方向運動，降低后續救援的土方開挖量?！半u蛋里加骨頭”可以進一步增加橢形外殼強度，提升安全艙力學結構，保障避險人員安全。煮熟雞蛋的“蛋殼、蛋清、蛋黃”的分層結構，可確保外殼的強度，保證安全艙的整體穩固；“蛋清”的減震降噪，可以進一步提升避險人員的舒適度；艙體核心設施設備，可確保降低避險人員的安全。通信保障可以使避險人員隨時查看救援現場，了解艙體外實施情況，便于救援過程的順利開展。目前該露天礦山安全艙應用仍處于探索階段，艙體相關設計仍存在較大提升空間。后續可利用擴幫爆破等，開展相關無人試驗，進一步優化安全艙設計。