金属矿山避灾硐室标准化设计与应用

金属矿山避灾硐室标准化设计与应用
张爱民;尚晓明;申志妍;邵长峰
【摘要】随着现代化矿山生产规模逐渐加大和井下巷道距离加长,井下作业人员安全撤离较困难.避灾硐室作为一种有效的安全设施,能够减少灾变时的人员伤亡,在矿山中已得到广泛应用.本文在分析国内外避灾硐室设置现状的基础上,满足国内避灾硐室的相关规定,进行标准化设计,期望能对矿山避险系统设计起到借鉴作用.
【期刊名称】《中国矿山工程》
【年(卷),期】2018(047)004
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】避灾硐室;标准化设计;系统设计;防护时间
【作者】张爱民;尚晓明;申志妍;邵长峰
【作者单位】中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;中国恩菲工程技术有限公司,北京100038
【正文语种】中文
【中图分类】TD77+4
1 前言
现代化矿山逐渐形成具有生产规模大、运输距离长的特点，井下作业人员因避灾路线长而安全撤离较困难。

另外，由于井下空间封闭的特性，若发生火灾、水灾、爆
炸、塌方，都可能会造成巷道堵塞，动力、运输及通风系统的破坏，且通向地面出口的距离较远，给救援行动带来困难，无法及时进行施救。

避灾硐室作为一种能够减少井下由于各种灾害导致的人员伤亡的设施，在国外采矿发达国家已经得到了较为普遍的应用。

本文在分析国内外避灾硐室设置现状的基础上，以国内避灾硐室的相关规定为标准，进行标准化设计，期望能为矿山避险系统设计提供借鉴。

2 国内外避灾硐室设置现状
由相关文献可知，加拿大、澳大利亚、美国、南非等国家均在不同程度上使用了井下避灾硐室[1～5]。

早在1928年，加拿大就出现了初级避灾硐室，采用矿井压风系统提供呼吸用的空气；避灾硐室在澳大利亚使用较为频繁，并且政府强制要求所有矿井都必须设置避灾硐室；在西澳，MineARC公司研制出一种新型避灾硐室，用特殊材料制作，能经受2 000℃火焰2h直接烘烤，可用于煤矿井下使用。

另外，美国的Strata Products公司针对不同的容量人数制定出了不同规格的避灾硐室。

由2010年11月安标国家中心统计，美国煤矿井下目前安装配备救生舱1 193台，其中可充气式救生舱1 000台，硬体式钢制救生舱123台；避难硐室70个。

南非自1970就出现避难所，1986年Kinross金矿矿难(死亡177人)后，法律强
制井工矿山必须设立避难所，由于煤矿开采深度较浅，一般采用硐室+大直径钻孔方式。

在2011年4月10日，中国首次井下避难设施载人现场验证试验在山西省潞安集团常村矿顺利完成，由矿工、救护队员、科研人员等80人组成的试验人员，在模拟灾变环境的永久避难硐室内安全度过了48h。

硐室长39m，宽3.5m，高
3.05m，可以容纳80～100人，具有防爆密闭、氧气供应、空气监测、二氧化碳
吸附、空气温湿度控制、电力供应、联络通讯、食品饮水供应等系统。

南山煤矿二水平投资30万元首个仿救生仓式中央避灾硐室在二水平建成并投入使用，硐室内可容纳240人。

该避灾硐室由主室、副室、储藏室三部分组成，硐室内各个系统设置齐全。

随着矿山安全意识的加强，安全措施投入的增大，越来越多的矿山开始建设或已经使用避灾硐室这一设施。

3 避灾硐室标准化设计依据
自2010年10月，国家安全监管总局印发金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行规定通知(安监总管168号文)，随后，又陆续出台了由国家安全监管总局印发的《金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范》(AQ2033- 2011)和由中国有色金属工业协会主编的《有色金属矿山井巷工程设计规范》(GB50915- 2013)。

本避灾硐室标准化设计，在查阅国内外相关文献、参考国外矿山避灾硐室设计和考察国内外矿山避灾硐室的基础上，按照相关规范的要求进行设计。

但由于矿山工程的特殊性，不同矿山的开拓系统也不同，因此需要根据矿山的具体情况进行调整硐室的结构和尺寸。

4 避灾硐室系统设计
根据《金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范》要求，井下避灾硐室额定人数应满足本中段最多同时作业人员避险需要，且单个避灾硐室额定人数不大于100人。

另外，还指出硐室进出口要满足防水要求，硐室防护时间96h。

根据《有色金属矿山井巷工程设计规范》要求，避灾硐室分防火和防水类两种，防水类同上规范一致，而防火类硐室防护时间要求不低于8h。

根据以上规范要求，本次避灾硐室标准化设计考虑以下5种类型(其中临时型暂未考虑冰冷降温系统)：①50人防火临时型(Ⅰ型)；②50人防水临时型(Ⅱ型)；③50
人冰冷防水永久型(Ⅲ型)；④100人防火临时型(Ⅳ型)；⑤100人冰冷防水永久性(Ⅴ型)。

每种型式的避灾硐室，其系统设计主要考虑的因素基本一致，包括：硐室位置、氧气供给系统、除湿降温系统、动力保障系统、生活保障系统、环境监测系统以及硐室管理等。

以下以50人冰冷防水永久型(Ⅲ型)避灾硐室为例，详述硐室内各系统的设计。

4.1 硐室位置
50人冰冷防水永久型避灾硐室适应于水文地质条件中等及复杂或有透水风险的地
下矿山，作为永久避险设施使用。

其设置要求如下。

(1)避灾硐室的设置要避开地质构造带、应力异常区以及透水威胁区，并要尽量设
置在围岩稳固、支护良好、靠近人员相对集中的地方。

(2)硐室底板高于巷道底板0.5m以上，前后20m范围内应采用非可燃性材料支护。

(3)在井下通往避灾硐室的入口处设“避灾硐室”反光显示标志。

(4)避灾硐室额定防护时间不低于96h。

(5)硐室进出口的防水门及硐室防水等级应根据具体矿山总体设防水头高度确定。

4.2 氧气供给系统
硐室内考虑两套氧气供给系统，即压风供氧系统和压缩供氧系统。

(1)压风供氧系统。

避灾硐室内铺设压风自救管道，由中段生产压气管接入，接入
时需安装油水分离器。

压风自救管采用φ89mm×4mm的无缝钢管。

硐室内压风
自救管接出2个支管，通过阀门与压风自救装置连接。

每套压风过滤系统均由减压、消音和过滤装置组成。

压风过滤系统如图1所示。

硐室内空气通过单向排气管排出硐室，排气管沿避灾硐室外主巷道铺设至上一中段水平。

排气管道采用φ159mm×4mm的无缝钢管。

图1 压风过滤系统
(2)压缩供氧系统。

压缩氧供气设施由医用氧气瓶、减压阀、压力表、供气管路、流量调节阀、开关等组成，如图2所示。

图2 压缩氧供气设施
根据人均供氧量0.5L/min计算，避灾人数50人，96h防护时间内，共需要工作压力为15MPa、水容积为40L医用氧气28支。

4.3 除湿降温系统
硐室内热负荷主要包括：人体负荷、照明负荷等，通过计算，此型式硐室的总热量约为740kWh。

目前较常用的制冷形式有：液体CO2无动力制冷系统、空调制冷系统、电蓄冰制冷系统、化学剂制冷等。

由于电蓄冰制冷效果好且无二次污染气体产生，故经过综合比较后选择冰降温系统。

根据总热负荷，选择2台制冷量8.6kW、功率7kW的压缩冷凝机组，并对应配备6台1.7t蓄冰槽，蓄冰槽尺寸为2 280mm×700mm×1 500mm。

压缩冷凝机组及蓄冰槽如图3和图4所示。

图3 压缩冷凝机组
图4 蓄冰槽
选择错时蓄能的方式制冰，即压缩冷凝机组在非避灾情况下利用外部电源给蓄冰槽进行制冰，在避灾情况下利用蓄冰槽的冰来降温。

平时需要进行冰量维护，及时补充融化损失部分。

4.4 动力保障系统
动力保障设施由外接电源和备用电源组成。

外接电源作为矿山正常生产时降温系统制冰、传感器监测、备用电源充电、硐室内照明等的动力。

靠近避灾硐室顶部/底部预留有孔径为60mm的电缆孔。

当灾害发生后外部电源中断时，备用电源自动启动，保障在96h以内气体净化设
施和环境监测设施、矿用空调的动力需求。

备用电源由大容量的镍氢蓄电池组组成，具有自动充电、充电状态显示、均衡充放电等电源管理和过充过放等安全保护功能。

4.5 生活保障系统
生活保障系统包括以下几个方面。

(1)避灾硐室应配备在额定防护时间内额定人员生存所需要的食品和饮用水。

(2)避灾硐室内配备隔绝式自救器，自救器使用时间不低于30min，配备数量不低于额定人数的1.1倍。

(3)避灾硐室设有与矿井调度室直通的电话，并设置一套无线通讯系统，以保证灾变期间通讯可靠。

(4)硐室内设置供水管，供水管线在进入避难硐室前埋设于巷底，以确保在灾变发生时不被破坏，埋设距离避灾硐室200m以上，供水管管径为32mm。

(5)硐室内设置与外界相通的单向排水管，管径为108mm，室内一侧的管口靠近避难硐室底板。

(6)避灾硐室配备的食品和急救药品，过期或失效的必须及时更换。

(7)排泄物收集采用坐便器，采用化学除臭剂除异味。

4.6 环境监测系统
避灾硐室内配置一氧化碳、二氧化碳、氧气、温度、湿度和大气压的检测报警装置各1套，避灾硐室内一氧化碳、二氧化碳、氧气等气体参数通过内部传感器实时监测、显示，当一氧化碳、二氧化碳浓度及温度超过额定值实现超限报警，氧气浓度值低于18.5%时可实现报警，提醒硐室内人员采取相应的措施保证避灾硐室环境的稳定。

所有传感器均垂直悬挂，距巷壁不小于0.2m，其中CO、CO2、O2等3种传感器安设距底板1.2m处，大气压、温度、湿度等3种传感器安设距底板1.6m处。

4.7 硐室管理
针对避灾硐室管理，需要遵循以下几个方面。

(1)矿井建立避灾硐室管理制度，设专人管理，每周检查一次。

按相关规定对其配
套设施设备进行维护、保养和调校，发现问题及时处理，确保设施完好可靠。

(2)矿井应对入井人员进行避灾硐室使用的培训，每年组织一次避灾硐室使用演练，确保每位入井员工都能正确使用避灾硐室及其配套设施。

(3)避灾硐室内应有简明易懂的使用说明，以指导遇险人员正确使用避难设施。

(4)在非避灾情况下，该硐室也可作为井下就餐室、会议室、培训等用。

5 国内避灾硐室应用
随着国家相关规定的出台，国内越来越多的地下矿山已经开始设置避灾硐室，并投入使用。

目前，先后完成了武钢集团金山店铁矿、程潮铁矿、大冶铁矿、临沂会宝岭铁矿、白象山铁矿、金川镍矿、冬瓜山铜矿、萨热克铜矿等矿山的避灾硐室设计，不同矿山选择的硐室类型也不同。

其中部分矿山已经建成，并通过国家安监局验收及使用。

后期，将结合现场实际使用情况，不断优化设计，期望能设计出合理的、经济的避灾硐室供矿山使用。

[参考文献]
【相关文献】
[1] 赵利安，许振良.矿井避灾硐室应用浅析[J].煤炭工程，2008，(4)：99-103.
[2] 张大明，马云东，等.矿井避难硐室研究与设计[J].中国安全生产科学技术，2009，(3)：194-198.
[3] 王丽.煤矿井下避灾硐室研究[D].西安：西安科技大学，2009.
[4] 赵利安，王铁力.国外井工矿避灾硐室的应用及启示[J].煤炭安全，2008，(2)：88-91.
[5] 孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究[J].煤炭学报，2011，36(5)：713-717.。