矿山井下紧急避险系统关键技术研究

李云珠 倪 彬 刘晓明 肖厚藻 徐志强

(1.西安有色冶金设计研究院，陕西 西安710001;2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙410083)

矿井火灾、爆炸、冒顶塌方等灾害事故均会对井下人员的生命安全构成极大威胁。灾情发现后，如不能迅速处理，则必须将在受灾区域及可能伤害的作业人员撤离到安全地点。2010 年，国务院23 号令指出煤矿、非煤矿山建设通讯联络系统、监测监控系统、井下人员定位系统、压风自救系统、供水施救系统和紧急避险系统等六大系统，其中紧急避险系统为六大系统中重要组成部分［1-2］。

国外紧急避险系统建设较早［3-4］，加拿大早在1928 年就出现了避难硐室，利用压缩空气提供氧气。20 世纪70 年代初南非就建立了简单的避难硐室。2000 年以来，澳大利亚经常采用可移动式避难硐室。此外，美国、法国、新西兰等国均已经建立了井下紧急避险系统。随着国务院23 号令的稳步执行，国内出现了避险系统建设的浪潮，如何结合国内实情、依据相关标准规范建设经济合理、技术可行的紧急避险系统是当前研究的热点［5-13］。本研究以云南驰宏锌锗股份有限公司会泽分公司井下紧急避险系统建设为例，依据我国相关标准规范，结合企业现状，开展了矿山井下紧急避险系统关键技术的研究与应用。

1 矿山概况

会泽分公司是国有控股企业云南驰宏锌锗股份有限公司重要的原料生产基地之一，拥有麒麟厂、矿山厂2 座矿山和1 个选矿厂，目前开采最低中段为1 031 m。2013 年，为响应国务院号召，会泽分公司开展矿山安全避险六大系统建设。根据《AQ_2033—2011 金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范》要求，生产中段在地面最低安全出口以下垂直距离超过300 m 的矿山，应在最低生产中段设置紧急避险设施，为此，选择在1 031 m 中段设计一个紧急避险硐室，永久避难硐室生存室内按避难人数30 人考虑。

2 紧急避难路线三维设计

避难路线是指井下人员从现场撤离到安全地点的路线，需要安全可靠，并且路径最短。会泽分公司矿山厂的生产中段均在地面最低安全出口以上，并且1#竖井和3 中段平硐能够直通地表，1 584 m 中段与麒麟厂1 571 m 中段相连，直通麒麟厂2#竖井。麒麟厂所有矿体、采区、中段均有2 个以上通往地表的通道，其中1#竖井、1 931 中段、1 751 中段、1 631 中段和1 571 中段能够直通地表，井下各中段可以通过1#斜井、2#斜井、3#斜井、4#斜井、2#盲竖井将和斜坡道进入各安全出口。避难路线根据各安全出口的位置布置，各个中段人员向安全出口方向疏散。参考通风系统图，依照最佳避难路线设计原则，在数字矿业软件Dimine 中建立井下避难路线三维模型(图1)，该模型可融合到数字矿山管控平台DimineVR 中，与井下人员定位系统集成，当井下发生灾变时，矿山管理人员可及时调出矿井避难路线图，根据灾变的类型和地点，求解出安全最短撤退时间的最佳撤退路线，指挥井下作业人员快速、有序撤离灾变现场，使人员伤亡事故降至最低限度［7-8］。

图1 避难路线三维可视化显示Fig.1 3D visualization display of refuge route

3 避难硐室结构设计

3.1 避难硐室位置选择

根据矿井避灾路线，同时考虑自救器的有效使用时间，为确保井下灾变时受困人员能安全到达避难硐室，兼顾实际生产中段位置、人员集中区域、通风条件等因素，设计将永久避难硐室布置在1 031 m 中段避灾路线上，具体位置应选择在地质构造简单，围岩稳定区域，位置在1 031 m 中段4#斜井附近。

3.2 避难硐室结构及尺寸

避难硐室由联络道、过渡室和生存室组成，设计2 个安全通道，左右结构对称。硐室地面设计高于外部巷道底板0.5 m。

(1)联络道。避难硐室与中段主运输巷道之间设置2 m 长的联络通道。

(2)过渡室。硐室2 道防护密闭门之间为过渡室，过渡室长4 m，宽2.5 m，过渡室的净面积为10 m2。过渡室前后设置2 道向外开启的防护密闭门。

(3)生存室。硐室第2 道防护密闭门之内为避险生存室，生存室根据功能又分为救生区、生活区和排泄区。设计额定避难人数为30 人，依据相关文件按额定避难人数不低于1 m2的有效使用面积计算，同时考虑1.2 的备用系数，避难硐室避险生存室使用面积不得小于30 人×1 m2/人×1.2 =36 m2，另外生存室内设备、物品占用面积为28 m2，设计生存室宽度为4 m，经计算长度为16 m。故生存室尺寸定为16 m×4 m×2 m(长×宽×墙高)，面积为64 m2。避难硐室平面布置如图2 所示，三维立体示意图如图3 所示。

图2 避难硐室平面布置Fig.2 Plan layout of the refuge chamber

图3 避难硐室三维立体示意Fig.3 3D sketch map of the refuge chamber

3.3 避难硐室断面形状

根据硐室尺寸，结合围岩条件及地压情况，同时考虑空间的有效利用程度，避难硐室的开凿形状采用三心拱。生存室净断面宽为4 m，墙高2 m，支护厚度0.2 m，联络道和过渡室净断面宽为2.5 m，墙高1.75 m，支护厚度0.2 m。

4 避难硐室关键系统建设

井下避难硐室设计各系统组成如图4 所示。其中通讯系统、视频监控系统、人员定位系统、供水施救系统等系统伴随“六大系统”中其他系统的建设进行建设，本文重点阐述供氧系统、监测监控系统、压风自救系统、环境控制系统的建设关键技术。

图4 避难硐室系统组成Fig.4 System composition of the refuge chamber

4.1 供氧系统

硐室内设计三级供氧系统，分别为压风管路供氧、压缩氧气供氧和压缩氧自救器［12］。

第一级供氧(压风管路供氧):设计与矿用压风管路兼容的管路，在矿井压风输送正常时，采用压缩空气直接为避难硐室内送风，并能长时间保持良好的空气质量。

第二级供氧(压缩氧气供氧):若压风自救系统中断，采用医用压缩氧气钢瓶提供96 h 所需全部氧气。

(1)氧气量计算。为了保证氧气能够在30 人避难硐室内供应96 h，氧气瓶数量计算如下:1 个成年人正常情况下所需氧气量为0.5 L/min，因此30 人在96 h 内所需的氧气量为

(2)氧气瓶数量计算。目前常用医用氧气瓶规格为25 MPa、40 L 的压缩氧，折算成正常气压下的氧气体积为

按1.1 的备用系数计算，在30 人规格的避难硐室内，共需要氧气瓶数量为

第三级供氧(压缩氧自救器):硐室内按避难人数1.2 的备用系数进行配隔绝式压缩氧自救器，设计采用36 台ZYX45 型隔绝式压缩氧自救器。

4.2 监测监控系统

监测监控系统分硐室内监测和硐室外监测，硐室内外分别配备独立的6 种无线传感器，监测硐室内外的CO、O2、CO2、NO2、温度、湿度等参数。硐室内安装智能数据采集分站，用于实时采集传感器通过有线方式传输的监测数据，监测数据通过环境参数显示终端，实时显示监测数据，若硐室内外监测参数超限，则自动声光报警。

硐室内所有的传感器均安装在生存区中间区域的墙壁上，其中，CO 传感器安装在距离硐室顶板0.3 m 位置，CO2和NO2传感器安装在距离硐室底板0.3 m 位置，O2、湿度及温度传感器安装在CO 和CO2传感器中间位置。硐室外所有传感器安装在硐室外2个出口中间。

4.3 压风自救系统

矿山现有压气管道将压缩空气送至各生产中段，只需在现有管路上通过变径管加装支管，将压缩空气引入避难硐室，通过供气阀门控制开关，并最终连接到压风自救装置，该装置包含减压、消音、过滤装置和带有阀门控制的呼吸嘴，其中过滤装置具备油水分离功能。对于30 人规格避难硐室，同时在压风管道上共设计6 套压风自救装置，每套压风自救装置可同时供6 人呼吸使用，压风自救装置之间的距离设计为2.5 m。

紧急状态下避难硐室最大需风量(Qmax)按下式进行计算:

式中，K 为漏风系数，管网总长度小于1 km 取1.1;N为避难硐室额定人数，30 人;Q 为避难硐室内人员需要的新鲜风量，取300 L/min。

根据式(4)可以计算出会泽分公司井下避难硐室最大需风量为

4.4 环境控制系统

避难硐室是一个密闭空间，室内温度会因避险人员身体散热或用电设备发热而导致温度升高，并产生CO、CO2以及有毒有害气体。为了控制温度及净化有毒有害气体，井下避难硐室需建设环境控制系统。环境控制系统主要由温度控制、空气净化和湿度控制三大系统组成。

(1)温度控制系统。常用制冷方法有蓄冰制冷、电动制冷机制冷及高压气体膨胀制冷等。蓄冰制冷、电动制冷机制冷因需要大容量蓄电池或外接大功率电源，不宜采用。高压气体膨胀制冷是通过高压气体膨胀吸热制冷，具有无电源、维护费用低、维护量小等优势。常用的制冷剂有二氧化碳、氟利昂、液氨等。液氨有毒，氟利昂储藏设备体积较大，遇高温会分解出有害气体等。二氧化碳具有安全稳定、无毒等优点，因此，选用二氧化碳进行制冷。

(2)空气净化系统。井下避难硐室应具备对有毒有害气体的处理能力和空气调节控制能力，采用空气净化装置和CO、CO2吸附剂对有毒有害气体进行净化，空气净化系统通过风扇将空气吸入净化柜，空气经过柜内的吸收药剂，有害气体被充分吸收后从出风口吹出。

(3)湿度控制系统。湿度主要通过循环风和吸附剂控制。避难硐室两过渡室分别接入单向排气管道和单向排水管道，排水管和排气管均加装手动阀门，室内一侧的管口靠近底板，并在过渡室设置风量调节开关，控制硐室内外空气的流动。吸附剂选择强力干燥剂和除湿干燥帘。

5 结 语

(1)采用三维矿业软件Dimine 对会泽分公司井下避难路线进行了三维可视化设计。

(2)依据国家有关标准规范对避难硐室结构进行了详细设计，避难硐室由联络道、过渡室和生存室组成，设计2 个安全通道。

(3)对避难硐室内部供氧系统、监测监控系统、环境控制系统和压风自救系统等关键系统进行了研究。

(4)通过建立井下避难硐室，为井下作业人员提供安全保障，减少了人员伤亡和灾害损失，保障矿工的生命安全，保证了企业正常的安全生产活动。

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