基于金属矿山灾害特征的避灾硐室建设研究

李 磊，王 鹏，张殿国，闫福彬，黄圆月

（1.煤炭科学研究总院，北京100013；2.招金矿业股份有限公司，山东 招远265400）

紧急避险系统建设在我国煤矿行业已经得到了普遍的实施，但在金属非金属矿山领域起步还比较晚。近年来，随着社会对矿产资源需求的不断增长以及对自然环境保护意识的增强，金属矿山由露天开采转向地下开采已成为一种趋势。但由于开采深度的逐渐增加以及诸多因素导致冒顶、突水、塌陷、火灾等灾害频繁发生，给企业和广大人民群众造成了巨大的生命财产和经济损失，严重制约了国民经济和矿山企业的可持续发展。因此针对我国金属矿山灾害特点的系统全面的井下避灾硐室建设研究迫在眉睫。

1 金属矿山灾害

金属矿山透水、火灾、冲击地压、爆炸等重特大灾害具有突发性、灾害性、破坏性、继发性等特点，每种灾害根据不同灾变机理又具有不同的特征［1］。

1.1 冒顶片帮事故

分布在各矿井采掘作业面，主要有因矿岩破碎、节理构造较多、地压较大、爆破冲击等原因引发矿岩冒落造成的安全事故。

1.2 炮烟中毒事故

分布在各矿井采掘作业面，主要有因主通风系统不完善、独头掘进局部通风方式不规范、通风系统管理不到位等原因造成有毒有害气体超标而引发的安全事故。

1.3 炮击事故

分布在各矿井采掘作业面，主要有因爆破物品管理不规范、进入无警戒的爆破区、带盲炮作业等原因引发的安全事故。

1.4 火灾事故

井下火灾主要分布在井下仓库及井下动力电缆。井下火灾主要有因电缆超负荷、电缆接头处淋水、漏电断路器处线夹接头不实及外部明火等引发电缆及仓库起火。

1.5 突（透）水事故

根据矿床水文地质条件及成矿机理，金属矿体分布地段矿井充水的主要因素是断裂带的弱含水层中的构造裂隙水。其两侧的岩石受构造的影响，裂隙发育，具一定的弱富水性及透水性。当次级构造破碎带与含水裂隙相沟通并被坑道揭露后，则涌水量会增大，给生产造成不利影响甚至造成人员伤亡。

根据目前我国金属矿山灾害发生率与井下避险系统建设现状，国内金属矿山灾变特征统计分析见表1。

表1 灾变特征统计分析

由表1可以得出，瞬时性灾害具有无法令人躲避，瞬间导致伤亡的特点，其所造成的个体瞬时伤亡是无法通过有效避灾措施避免。但造成群体伤亡的继生灾害具有可感知性，有足够的时间进行躲避撤离，因此是井下防灾减灾的重要对象。科学的建设井下避险系统，合理的布置避灾硐室，加强井下安全施工管理都将可以有效的减少人员伤亡。

2 国内硐室建设问题

根据国家安全生产监督管理总局《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的通知》文件精神，目前我国陕西、山东、福建、湖北、云南等省安监部门已经下达避险系统建设及验收文件，部分金属矿山已经完成避灾硐室建设，并且通过了相关部门的验收。

由于避险系统建设在我国属于新生项目，地方各矿不具备相应建设经验，而且国内市场上承建单位及设计单位比较混杂，造成国内避灾硐室建设呈现盲目性，而缺乏有效的科学督导。从而产生一些不切合实际的问题，大大减弱了避灾硐室在矿山灾害突发中井下矿工紧急避难的效用，存在问题如下。

1）硐室内部结构及设备设施的技术参数、数量、安放位置等缺少合理计算与设计，需要进行整体设计优化从而达到设备设施效用的最大化。

2）硐室建设政绩化严重，浪费大量的人力、物力在硐室内部装修美化上，过于追求样板示范工程。

3）按照国家规范模式化建设，没有对各矿自身安全环境及隐患特点进行针对性设计。

4）不重视全矿井避灾路线与硐室相结合的合理化线路布置，反光标志牌、引导绳等设施缺失或不明确。

5）矿方重点放在建设永久避灾硐室上，忽略了临时避灾硐室在整体避险系统中与永久避灾硐室相辅相成的作用，临时避灾硐室是紧急避险系统不可或缺的重要组成。

6）避灾硐室与矿井整体监控监测、通信联络系统紧密结合。首先要做到精确灾变预警，其次矿工互助合理逃避，才能发挥避灾硐室庇护的作用。

7）应急预案设计不科学，缺乏针对灾变的真实演练，矿工缺少设备操作以及互助急救等知识及培训。

8）硐室建设验收完成后，矿方疏于管理与维护，专人专岗不明确，致使避灾硐室形同摆设。

从目前国内金属矿山井下避灾硐室建设来看，针对金属矿山灾害特征，因地制宜的对硐室内部建设、设备设施的配置、救援预案的演练等进行科学合理的设计，从而对维持避险系统整体的运行效用至关必要。

3 硐室建设案例

3.1 安全环境分析

大尹格庄金矿紧急避险系统为山东省非煤矿山示范工程。床位于胶东半岛的北部，其大地构造处于华北地台胶东台隆之胶北隆起区，沂沭断裂带东侧。其北部为龙口盆地，南部为胶莱坳陷。矿区水文地质条件简单，脉状裂隙水做为主要矿床充水，因其补给条件差，对矿床开采不起威胁作用；降水对坑道涌水不会产生影响；矿区内无较大的地表水体，对矿区开采则无威胁。矿井采用中央对角机械抽出式通风方式，井下最低中段在－496m，温度达到32℃，湿度达到80%。顶板条件整体较好，大面积采空区的顶板压力有待监测。

综合分析得出，火灾是大尹格庄金矿容易发生的灾害，冒顶、透水灾害较易发生。因此对硐室的气密性、内部环境控制提出了严格的要求。

3.2 硐室建设案例

根据大尹格庄金矿现有安全环境与灾害特征，结合硐室内避灾人数、设备优化安置、室内环境控制等因素，遵循“撤离优先，避险就近”的原则［2－5］，对永久避灾硐室内部结构设计图见图1。

图1 硐室内部结构设计

避灾硐室技术参数详见表2。

表2 避灾硐室技术参数表

硐室整体由过渡室、生存室、电源硐室、供氧硐室、卫生间等结构组成。

永久避灾硐室布置在稳定的岩层中，避开地质构造带、高温带、应力异常区以及透水危险区，前后20m范围内巷道采用锚网喷支护，且顶板完整、支护完好，符合安全出口的要求。靠近辅运大巷，在通往主竖井的避灾路线上，易于得到救援，快速撤离到地面。

避灾硐室为半圆拱形截面，采用混凝土强度C30的锚网喷支护厚度100mm，硐室内表面用白水泥沙浆抹面，硐室底板采用混凝土地面，混凝土强度等级为C20，地面贴防滑砖，硐室地面高于相邻巷道底板500mm。

1）防护密闭系统：防护密闭系统包括防护墙和防护气密门，第一道门墙满足防护气密要求，应够抗击透水灾害下的最大静水压力并防止硐室外有毒有害气体入侵。第二道门墙满足气密性，防止过渡室内气体渗入。

2）预埋管路：硐室外底板下预埋压风和供水管路、监控监测和动力电缆套管，硐室顶部预埋单向排气管，底板表面预埋单向排水阀。

3）气幕喷淋装置：过渡室内设置压缩空气幕和压气喷淋装置，压风管路和压缩空气瓶汇流排相连接。当硐室外压风管路不受破坏时，硐室防爆门打开启动机械阀，联通压风管路的高压空气，通过气幕喷气孔形成无形的气帘，阻止硐室外有毒有害气体渗入。关门后，空气幕自行停止。避险人员进入到过渡室，站在压气喷淋装置下，雾化喷头喷出的强大气雾可以吹散附着在人体衣物上的有害气体，通过对有毒有害气体的清洗，防止被带入到生存室。

4）降温除湿系统：避灾硐室内为密闭空间，室内温度随着避难人员新陈代谢产生的热量和湿度而逐渐升高，因此硐室内配备安全、高效的蓄冰制冷装置。在风机的吹动下形成气流循环，高温高湿气体被蓄冰空调吸入，从排风口吹出舒适冷气，从而整体达到事宜人类生存的环境。

避灾硐室内环境控制系统由温度控制、湿度控制、有毒有害气体去除和供氧系统共同组成。如表3所示。

表3 避灾硐室环境控制系统组成

5）硐室内采用三级供氧：压风管路供氧、压缩氧气瓶供氧、压缩自救器供氧。

6）避灾硐室内配备独立的内外环境监控监测系统，实现突发灾变情况下硐室内的避难人员实时对生存室内外的 O2、CO2、CO、温度、湿度、压差进行监测并超限报警。硐室内安装直通地面调度室内的电话，视频，扩播系统。最大限度保证灾变期间硐室内遇难人员的安全和等待救援过程中的生存效率。

7）电源硐室内配备了大容量不间断电源，在硐室外电缆遭到灾变破坏的情况下能通过UPS电源对空调风机、空气净化装置、照明系统提供电力供应。

8）为了给避难人员创造良好的生活环境，保证避难人员的健康安全。在避灾硐室内设置储物式座椅，硐室里配备压缩食物、水、急救包、工具箱、担架、灭火器、马桶等辅助设施。

3.3 硐室整体性能检测

在硐室整体检测中，通信设施正常使用，仪器仪表参数平稳，温湿度较为舒适。

通过本次检测得出以下结论：①根据试验使用、消耗的压缩氧、吸附剂、液态二氧化碳情况，通过剩余能力的计算，避难硐室的防护时间超过1.2×96h（其中1.2是备用系数）；②硐室内的温湿度较为适中，各类监测传感器无报警，通过抽取气样分析，各类传感器监测数值准确、可靠。

检测数据见表4。

表4 检测数据

4 结论

1）大尹格庄金矿为山东省非煤矿山示范工程，其耗资150余万元。根据因地制宜的原则，硐室内部为锚网喷支护且墙体刷暖色调喷漆，有效的减缓了避灾人员的内心高度压抑感和焦躁感。

2）硐室内采用蓄冰制冷系统。通过科学合理计算，采用两组蓄冰制冷空调进行制冷，在外接380V动力电缆遇灾变切断后，可通过可通过硐室内24V动力电源驱动风机将蓄冰箱体内冷风流抽出，达到室内降温的要求。

3）硐室气密性较好，且维持正压状态，防止火灾产生的有毒有害气体侵入。硐室内避灾人员生活而产生的有毒有害气体可在硐室内部通过循环过滤系统进行吸附，达到生存条件。

4）避灾硐室采取专人负责制。救援预案由矿长为第一负责人，并对避灾系统组织相关部门进行演练。

5）通过对大尹格庄金矿避灾硐室示范工程建设，极大的促进了山东省内金属矿山井下避险系统建设，提高了省域内金属矿山安全管理意识，对规范“六大系统”建设与运营起到了重要的推动作用。

［1］文永胜，方颜空，吕力行.地下金属矿山灾害分析与防治［J］.矿业工程，2010（2）：47－49.

［2］AQ2033－2011.金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范［S］.国家安全监督管理总局.

［3］王涛，赵毅鑫，姜耀东，等.煤矿井下避难硐室设计与应用［J］.煤矿开采，2011（4）：33－36.

［4］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（5）：713－716.

［5］李磊，黄园月，宝海忠.金属矿山井下压风自救系统参数设计［J］.金属矿山，2012（8）：130－132.