某露天礦安全艙布局與技術(shù)路徑完善探討
——某露天礦安全艙實際應(yīng)用

劉 偉

（中核沽源鈾業(yè)有限責(zé)任公司，河北 張家口 076561）

0 概述

該露天礦山處于內(nèi)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(fēng)氣候。礦床開采劃分為三期：一期開采標(biāo)高地表～1444m，二期開采標(biāo)高1444m～1250m，三期開采標(biāo)高1250m～1150m。一期、二期均為露天開采，三期為地下開采。現(xiàn)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(chǎn)系統(tǒng)包括開拓和運輸系統(tǒng)、穿孔和采裝系統(tǒng)、排土系統(tǒng)、防水和排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)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(jī)鏟裝、自卸汽車運輸，最終邊坡進(jìn)行預(yù)裂爆破。

1 危險因素分析

1.1 邊坡塌方

1.1.1 巖層

本區(qū)經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史，廣泛發(fā)育了一套濱海～淺海相砂、泥質(zhì)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(tǒng)（灤平群）（J）、侵入巖及新生界第四系（Q）。

露天采場開采東側(cè)、南側(cè)及西側(cè)邊坡，已揭露邊坡巖層中生界侏羅系上統(tǒng)張家口組J3 Z 3-3、J3 Z 3-4、J3 Z 3-5含有凝灰?guī)r，局部呈現(xiàn)高嶺土化硅化，吸水性強(qiáng)透水性弱，為風(fēng)化不穩(wěn)定礦物，隨著開采暴露時間延長，易導(dǎo)致滑坡。

1.1.2 構(gòu)造

礦床范圍內(nèi)，主要發(fā)育有NEE、NW、NNE 三組斷裂構(gòu)造，其中具有代表性的為F45-1、F45-2、F3、F4、F9以及F10 等。構(gòu)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(zhì)膠結(jié)，形成硅化角礫巖。構(gòu)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(zhì)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(nèi)外接觸帶。水位埋深30m～50m，平均水位標(biāo)高1509.83m，主要含水段埋深于1200m 標(biāo)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(biāo)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(gòu)造的含水性

根據(jù)礦床巖層含水層統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合水文地質(zhì)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(chǎn)出的特征，而是以裂隙含水段的形式表現(xiàn)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(fā)育程度密切相關(guān)。各地層含水性統(tǒng)計結(jié)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?guī)r，遇水膨脹，一般不含水，可視為相對隔水層。

1.1.4 爆破作業(yè)

爆破是露天礦山采剝工程必不可少的作業(yè)環(huán)節(jié)，爆破使礦巖產(chǎn)生壓縮、變形、破壞、松散和拋擲現(xiàn)象，開采礦巖的同時，對邊坡巖體產(chǎn)生了破壞作用。降低了邊坡巖體的強(qiáng)度，提高了自然降水、基巖裂隙水、潛水及構(gòu)造含水在邊坡的滲水能力。該露天礦山地處高寒地區(qū)，凍脹風(fēng)化更為顯著，進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 礦坑涌水

露天礦山現(xiàn)已由山坡露天轉(zhuǎn)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(fā)生改變，呈現(xiàn)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(zhì)補(bǔ)充勘探工程。

通過掌握最新的水文地質(zhì)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(cè)450m、北側(cè)360m。帷幕頂?shù)讟?biāo)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(cè)水位示意圖

采剝過程中的爆破震動，會導(dǎo)致采場內(nèi)側(cè)帷幕灌漿出現(xiàn)振動，使帷幕注漿范圍內(nèi)的原有裂隙擴(kuò)展或新裂隙產(chǎn)生，降低帷幕強(qiáng)度和防滲能力。爆破作業(yè)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(xiàn)大量涌水的情況，危及采場內(nèi)作業(yè)人員安全。

鑒于該露天礦山冬季停產(chǎn)，夏季雨天暫停施工，該文暫不考慮大氣降水對采場作業(yè)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(yè)人員安全避難場所，應(yīng)滿足避免采場工作面作業(yè)過程中可能出現(xiàn)危險因素的不利影響，保障作業(yè)人員緊急避險后的人身安全。

安全艙可在露天礦山發(fā)生災(zāi)難或意外事故時，采場作業(yè)人員用于逃生、避難等待救援的封閉裝置設(shè)備，應(yīng)該滿足以下要求。

2.1 強(qiáng)度要求

安全艙應(yīng)滿足在靜態(tài)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(tài)荷載作用下的安全可靠[1]。因此，安全艙的強(qiáng)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(xiàn)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(yīng)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(nèi)層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并保證內(nèi)部設(shè)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(chǎn)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(jìn)行減震、降噪處理，保障避險人員在安全艙內(nèi)安全和舒適。

2.4 防水性能

一旦發(fā)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(jìn)入安全艙是保障艙內(nèi)人員安全的必然要求。

2.5 生活保障功能

避險人員進(jìn)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(nèi)存放必要的生活保障物資。

2.6 避險人員心理疏導(dǎo)

如何消除因事故造成安全艙內(nèi)避險人員心理異常，使避險人員情緒穩(wěn)定，保證救援工作順利進(jìn)行，也是事故應(yīng)急救援不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

2.7 方便救援

發(fā)生事故后，安全艙所處的位置，關(guān)系到救援的難度和進(jìn)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(shè)計、布設(shè)位置應(yīng)重點考慮的內(nèi)容。

3 安全艙設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

以“以卵擊石”、“雞蛋里挑骨頭”為設(shè)計靈感，將安全艙外形設(shè)計成類似雞蛋的橢球體，橢球體內(nèi)部設(shè)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(hù)層）、蛋黃（避難人員核心區(qū)），如圖2 所示。

圖2 安全艙外形設(shè)計示意圖

在發(fā)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(jìn)移動，即向采場工作一側(cè)移動，可減少后續(xù)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，通過艙內(nèi)飾的合理布局解決人員遇險過程中的應(yīng)急風(fēng)險。滑坡能量釋放完畢進(jìn)入救援期，通過在艙體內(nèi)布設(shè)其他設(shè)備設(shè)施，保證避險人員的生理需求，為救援提供有利條件。

根據(jù)安全艙的外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、遇險應(yīng)急響應(yīng)、便于救援及全過程保障遇險人員安全等因素，構(gòu)建了安全艙設(shè)計的總思路。

3.2 安全艙強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

根據(jù)安全艙設(shè)計思路，采用薄殼理論進(jìn)行理論[2]推導(dǎo)驗算，核算安全艙強(qiáng)度及穩(wěn)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(guān)于x軸對稱，y為正，對y值分別求一階、二階導(dǎo)函數(shù)，如公式（3）和公式（4）所示。

如圖4 所示，可得如下關(guān)系：

根據(jù)微體平衡方程，可以推導(dǎo)出經(jīng)向應(yīng)力δ?和緯向應(yīng)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(jù)Mushtri 方程[4]，求得安全艙耐壓殼屈曲臨界應(yīng)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(shè)計

安全艙外形為類橢球體的“雞蛋型”，根據(jù)安全艙穩(wěn)定性及強(qiáng)度計算，結(jié)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(shè)置“大頭”側(cè)，其內(nèi)側(cè)鋼筋骨架設(shè)置第二道門。

鋼筋骨架位于艙體內(nèi)側(cè)，與艙體外殼間距0.1m，整體構(gòu)造仍為橢球體，焊接縫處增設(shè)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(yīng)用的場景和要求，重點考慮其強(qiáng)度指標(biāo)，安全艙艙體外殼、鋼筋骨架均采用高強(qiáng)度Q345 鋼材。安全艙外殼選用厚12mm 板材，經(jīng)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(jié)構(gòu)示意圖

安全艙鋼筋骨架結(jié)構(gòu)采用方形空心鋼管，規(guī)格為80mm×80mm，厚度80mm。其外側(cè)支撐托板，規(guī)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(nèi)填充聚苯乙烯泡沫材料，連續(xù)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(guān)閉，門縫設(shè)置橡膠密封條，防止有害氣體、粉塵以及水等進(jìn)入艙體。鋼筋骨架設(shè)置第二道門，同時設(shè)置密封設(shè)施，起到雙重保護(hù)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(nèi)側(cè)，雙排對稱布設(shè)，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(shè)置雙重安全帶，內(nèi)側(cè)為軟質(zhì)安全帶，外側(cè)為剛性安全帶。剛性安全用于固定避險人員，防止艙體轉(zhuǎn)動過程中，人員晃動造成傷害；將軟質(zhì)安全帶用于艙體避險穩(wěn)定后，用于艙體轉(zhuǎn)動造成人員側(cè)向或朝下等行動不便的人身保護(hù)。座椅具有旋轉(zhuǎn)功能，可以從多角度進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對艙體旋轉(zhuǎn)。

3.6 生活保障

艙體內(nèi)設(shè)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(jìn)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(cè)，設(shè)置簡易封閉衛(wèi)生間，生活排泄物不會因艙體轉(zhuǎn)動而發(fā)生外溢，保證艙體內(nèi)空氣質(zhì)量和人員舒適度。設(shè)置固定氧氣瓶，外側(cè)進(jìn)行固定，以應(yīng)對長時間救援的情況。

3.7 通信保障

艙體內(nèi)設(shè)置通信基站，避險人員可通過艙體內(nèi)平板電腦接入該露天礦山北斗數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字化系統(tǒng)現(xiàn)已建成采場范圍內(nèi)人員、設(shè)備定位、全景視頻全覆蓋。通過露天礦山所有視頻監(jiān)控查看艙體外實景及救援現(xiàn)場情況，減少避險人員的焦慮情緒。

艙體內(nèi)設(shè)置定位系統(tǒng)，通過與人員定位的有效聯(lián)動，可以為救援提供準(zhǔn)確位置，為科學(xué)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(nèi)配備4 塊電瓶（12V，120Ah），逆變器DC12V轉(zhuǎn)AC 220V，功率1000W，用以保障艙內(nèi)照明設(shè)施、電子設(shè)備的使用；水下安全應(yīng)急設(shè)備的配備，防止艙體破損，造成采場涌水進(jìn)入艙體。

4 結(jié)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。“以石擊卵”的雞蛋型艙體外殼設(shè)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(xù)救援的土方開挖量。“雞蛋里加骨頭”可以進(jìn)一步增加橢形外殼強(qiáng)度，提升安全艙力學(xué)結(jié)構(gòu)，保障避險人員安全。煮熟雞蛋的“蛋殼、蛋清、蛋黃”的分層結(jié)構(gòu)，可確保外殼的強(qiáng)度，保證安全艙的整體穩(wěn)固；“蛋清”的減震降噪，可以進(jìn)一步提升避險人員的舒適度；艙體核心設(shè)施設(shè)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(xiàn)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(yīng)用仍處于探索階段，艙體相關(guān)設(shè)計仍存在較大提升空間。后續(xù)可利用擴(kuò)幫爆破等，開展相關(guān)無人試驗，進(jìn)一步優(yōu)化安全艙設(shè)計。