白象山铁矿避灾硐室设计与应用

张发亮

(马钢姑山矿业公司白象山铁矿)



白象山铁矿避灾硐室设计与应用

张发亮

(马钢姑山矿业公司白象山铁矿)

避灾硐室是金属非金属矿山六大系统建设的核心环节，也被称为“小六大系统”。通过对白象山铁矿避灾硐室的设计与应用，结合相关设计规范，归纳出该系统在每一个子环节设计及应用过程中的设计标准及注意事项，为矿山今后紧急避险系统设计提供技术参考。

避灾硐室 金属非金属矿山 设计与应用 紧急避险系统

马钢集团姑山矿业有限责任公司白象山铁矿年产铁矿石200万t，矿区地层主要有三叠系上统黄马青组、侏罗系中下统象山群、白垩系下统上火山岩组以及第四系冲、坡积层，矿区内断裂构造较为发育，勘探共发现10条断层，其中对地下开采影响较大的有3条，分别为F1、F2和F3。该矿主要采用机械化上向分层充填采矿法，并采用三段碎矿+三段磨矿+3次磁选的选矿工艺。

根据需要，遵循国家安监总局2011年9月1日实施的《金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范》(AQ 2033—2011)设计紧急避险系统[1-2]，进行了整个避灾硐室设计，其中包括硐室开拓设计、硐室设备安装设计(密闭防护、压风过滤、压缩供氧、空气净化、降温除湿、供水施救系统、电力与生命保障系统)[3-5]，笔者通过对以上各个系统环节的设计归纳总结，提出了相关设计建议与注意事项，为类似金属非金属矿山紧急避险系统的设计提供参考。

1 避灾硐室开拓设计

根据白象山铁矿富水矿山的实际，设计了井下避灾硐室。以-450 m分层为例，硐室设有两个进出口，间距不小于20 m，采用向外开启的两道隔离门，设计隔离门间的过渡室净面积为19.11 m2(长×宽×高为3.9 m×4.9 m×4 m)。过渡室内设压风喷淋装置，第一道隔离门上设观察窗，靠近底板附近设单向排水管和单向排气管。生存硐室采用三心拱断面，尺寸(长×宽×高)为34 m×5.9 m×6.8 m，能容纳下100人(人均面积不得小于1 m2)，人员生存时间按照国家要求不低于96 h。

本次设计硐室过渡段采用钢筋混凝土支护。生活室采用浇筑混凝土支护，支护厚度300 mm，浇筑混凝土强度等级为C25。制冰硐室、电源硐室及耳室暂按喷混凝土支护，支护厚度100 mm，混凝土强度等级为C20。现场可根据岩石揭露情况调整支护形式。

金属非金属矿山避灾硐室的选址应结合规程并满足以下条件：具有复杂水文地质条件、生产中段在地面最低安全出口以下、垂直距离大于300 m的，应在最低生产中段设置避险设施；距中段安全出口实际距离大于2 000 m的，应在本中段设置避险设施。白象山铁矿在-450 m分层硐室选址时，结合其本身大水矿山这一复杂地质条件，将硐室选在-450 m东、西大巷叉点处。

硐室验收应严格按照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2001)进行拉拔试验[6](必须在锚杆安装后0.5～4.0 h进行)，试验时需根据硐室设计宽度和锚杆型号选择拉拔试验最小值，如：白象山铁矿避灾硐室宽度为5.0～8.0 m，采用φ22 mm螺纹钢(I级)锚杆，按中型硐室要求设计，抗拉拔力不得低于80 kN。

2 硐室设备安装设计

2.1 密闭防护系统

密闭防护系统为过渡室的两道隔离门，一道防火门和一道防水门，防火门尺寸为2 200 mm×2 000 mm(H)，门框材料为耐火砖，厚度240 mm。防水门尺寸为2 400 mm×2 400 mm(H)，按承受净水压力1.6 MPa设计，门框及防水门可选用LM型博壳防水门，门框预先埋入混凝土基础中。

硐室采用光面爆破，确保岩体整体性完好和契形体成型。防水门基础要求一次浇筑完成，门框直接埋入混凝土基础,防水门硐室混凝土浇筑养护28 d 后应进行壁后注浆和水压试验，试验压力为1.76 MPa，耐压时间不小于24 h。防水门为常开式，在门扇底部砌托门墩。

硐室内的设备及安全装置在密闭系统(防水、防火门)未安装前应提前进入硐室，防止设备在硐室出入口浇筑、制模、安装防水、防火门后无法进入。

2.2 压风过滤系统

利用地面压缩空气作为气源，经过阀门后进入生存室内设置的水、灰尘、油三级过滤，从预先设置的减压器、浮子流量计、管路进入气体输出端，为避灾硐室内避险人员提供新鲜、高质量的空气。

白象山铁矿在设计此系统时，将压风系统与生产供风合二为一，按人均供风量大于0.3 m3/min，入口压力大于0.8 MPa、出口压力0～0.3 MPa(可调节)、输出流量不小于0.3 m3/(min·人)。井下压风装置主管路在通过地表时，应避免多次转弯，严禁使用溜井、支护强度差的立井，避开受爆破强度影响大的路段，确保供风管道的可靠、有效。

2.3 压缩供氧系统

为保证避险人员安全，要求硐室中氧含量不低于18.5%～23%，氧含量的危险限度为17%，正常情况下通过井上压缩空气(压风自救系统)供给新鲜空气，避灾硐室可以无限得到外部供氧；若在供风管道阻断时，避灾硐室内有限空气将不能长时间维持避险人员的呼吸，此时供氧系统将及时启用，以保证氧气供给。

供氧系统由高压氧气源、可调节流量计、汇流排、减压箱、氧气呼吸带、氧气呼吸终端、氧气面罩组成。供氧系统采用双组气瓶双路控制，一组使用，一组备用，人员使用氧气面罩吸氧；当一组的氧气压力使用到低于设定值时，人工切换到另一组，系统可以连续供氧，具体见图1。

图1 压缩氧供气系统原理

白象山铁矿采用φ14X1不锈钢管供氧，采用φ8X1不锈钢管进入氧气终端，集中输送氧气至减压箱，氧气瓶压力在高压减压和中压二次减压至0.4 MPa左右，氧气终端采用自封式快速插座，每个终端流量不小于10 L/min，氧气终端分别布置在休息座椅上方(图2)。

图2 压缩氧吸气装置示意

白象山铁矿在设计之初，从经济性考虑在硐室中间耳室部分计划摆放氧气钢瓶56个，但因耳室空间不足，将56个气瓶分为两组，分别放置在过渡硐室，并在生存硐室两端设置出气控制端口，增加硐室内部空气流动性，保证了此系统模块既满足了经济性又确保了安全性。

2.4 空气净化系统

按照《金属非金属地下矿山六大系统建设规范》(AQ 2033—2011)设计，100人永久硐室内部配置2台空气净化装置，将制冰系统与空气净化系统配套使用。空气净化系统由两台气动空气净化装置组成，每台配一台风机：选用气动马达消除综合防护期间舱内二氧化碳、一氧化碳，保障避险人员的安全，其工作原理如图3。

图3 制冰系统与空气净化系统配套原理

空气净化装置内含有CO、CO2吸附剂，风机安装在净化装置的底端，通过风机旋转，带动硐室内的环境空气流过药剂箱，完成空气净化。从净化装置出来的空气进入冰柜风道中，降温除湿后供硐室人员使用。

该矿在试用期间发现，人体在硐室内会产生大量的湿气，而且CO2在吸收的过程中也会产生水分，为了降低湿度，在净化器中配备一定量的硅胶和分子筛，可以有效的除湿和清除异味，同时提高CO催化剂的效率。

2.5 降温除湿系统

硐室制冷系统由压缩冷凝机组、控制箱、轴流风机、不锈钢蓄冰槽四部分组成，如图4所示。

制冰硐室内要求不滴水，墙面采用混凝土并刷白，混凝土强度等级为C20，地面采用水泥抹平，且高出巷道地板500 mm设人行踏步。压缩冷凝机组安装，根据设备要求确定制冰硐室与生活硐室之间的岩体内施钻数量及孔径参数，并在钻孔内预埋套管若干，钻孔与套管之间注浆密实，注浆压力1.6 MPa。

图4 制冷装置组成

白象山铁矿采用蓄冰空调降温，此类空调主要由制冷装置(硐室外)和蓄冰柜(硐室内)两部分组成，由穿墙管线连接，该产品每组需要留置3个管道口(两组即6个)以便于铜管和传感器线穿越墙体，其他矿山在此模块选用蓄冰空调降温设计时，应提前做好降温设备与施工钻孔匹配问题，避免二次返工，在对墙体钻孔过程中，应从后期管路封堵严密性和减少破坏围岩稳定性出发，尽量减小预埋管管径，如白象山铁矿将原先设计的6根φ159 mm管路变更为φ80，φ60，φ40 mm管路各2根。此外，在蓄冰空调运行中发现，硐室外的制冷装置在运行中极易产生较大的灰尘，造成设备散热效果差，后期严重影响制冰效果，平时应做好制冷装置周围保湿、防除尘工作。

2.6 供水施救、电力、生命保障系统及其他

(1)供水施救。供水施救系统的设计与压风自救系统基本一致，与该矿生产、消防供水共用一套系统，由地表的高位水池实现地表通往井下各主巷道的供水，再由各主巷道向各个分层的采区、盘区输送，避灾硐室内的水源也由硐室外六大系统供水管引入室内，经水箱后，再由引水管进入引水机供室内人员饮用。

(2)供电系统。该矿电力系统采用外接电源和备用电源两种形式，外接电源设计从东1#采区变电所和西2#采区变电所各敷设2条380 V低压电缆进入硐室动力配电区和制冰硐室内，硐室内用电设备及照明系统供电为双回路供电；备用电源设计UPS应严格按照规程必须具有在外接电源断电时，可转换为220 V交流电继续供负载使用，运行时间不低于96 h。

(3)生命保障系统。要求硐室内配备有急救箱、应急矿灯、工具箱、灭火器等辅助设施和隔绝式自救器，自救器需按入井总人数的10%配备，且有效防护时间不低于30 min。

(4)其他。避灾硐室还应与矿井安全监测监控、人员定位、压风自救、供水施救、通信联络等系统相连接，形成井下整体性的安全避险系统。压风自救φ133 mm×5 mm无缝钢管、供水施救φ32 mm×3.5 mm无缝钢管等应通过地埋接入硐室内，矿井通信联络系统应延伸至井下避灾硐室，硐室内需设置直通矿调度室的电话，硐室生存环境参数检测的气体、视频、语音等信息通过通信系统传输至井上，实现地表与硐室内人员的互连互通。

3 结 语

(1)水文地质复杂或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避灾硐室，中段安全出口实际距离超过2 000 m的生产中段应设置紧急避险设施。

(2)密闭防水装置应混凝土浇筑养护，1个月内进行注浆与水压试验，试验压力不得低于1.6 MPa,耐压时间不小于24 h。

(3)压风过滤、供水施救系统与生产供风、供水合二为一时，其主管路走线应避开受爆破采动影响大的区域，禁止使用溜井及成型差的立井，确保管线安全可靠。

(4)采用蓄冰空调降温时，应事先做好设备与施工钻孔参数匹配，避免二次返工，尽量减小钻孔数量及开口孔径，保证墙体围岩的密闭、稳定性。

(5)紧急避险系统应与矿山其余五大系统实现互连互通，确保系统的整体性。

[1] 国家安全生产监督管理总局.安监总管一(2010)168号 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[S].北京：国家安全生产监督管理总局，2010.

[2] 国家安全生产监督管理总局.AQ 2033—2011 金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范[S].北京：国家安全生产监督管理总局，2011.

[3] 刘建东,王 平.金属矿山关键技术与应用[J].现代矿业,2013(11):76-78.

[4] 杜振斐,马 壮.某金矿避灾硐室设计[J].有色金属,2013,65(5):67-70.

[5] 毛春雷,许 晖.金属矿山安全避险六大系统设计思路[J].金属矿山,2012(5):126-129.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建标(2001)158号 锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2001.

2016-07-15)

张发亮(1985—),男,助理工程师，硕士，343182 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。