煤矿避难硐室设计研究.pdf

第 3 2 卷第 4期 2 0 1 1年8 月 建 井 技 术 M 1 NE C ONS TRUC T1 0N TECHNOL0GY Vo1 ． 32 No ．4 Au g． 2 01 1 试 验研 究 煤矿避难硐室设计研究 张 为 ， 赵宏伟 ， 杨 明。 ， 贺 超 1新疆建设兵团安监局 ， 新疆 乌鲁木齐 ， 8 3 0 0 0 0 ；2天地科技建井研究院 ， 北京 ， 1 0 0 0 1 3 摘 要 介绍 了井下避难硐 室国内外研 究现状和 当前我国煤矿避难硐室建设存在 的问题 ， 提出了避难硐室建设原则和技术要求； 并从避难硐 室布置原则、 构建及设计、 系统设计等方面 入手 ， 研 究 了避难硐 室布 置形 式及 支护 方式 ， 以及应具 备 的 系统 和设 施 。 关键 词 煤矿 ； 避难硐 室； 布置原 则 ； 支护方 式 ； 系统设 计 中图分类号 T D2 1 4 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 1 1 0 4 0 0 2 6 0 4 1建设避 难硐 室的意 义 现代煤矿具有生产能力大、 运输距离长、 工作 面连续推进距离长等特点 ， 对煤矿安全保 障提出 了新的要求[ 】 ] 。煤矿事故扩散速度快， 导致的危 险 区域 大 ， 逃 生路 线长 ， 给井下 作业 人员安 全撤 离 带来 了 困难 。许 多 矿 难 案例 说 明 ， 直 接在 井 下 灾 害地点伤亡 的人数较少； 而在灾害波及 区域 的遇 险人员 ， 在逃生中和逃生受阻时 ， 由于气体 中毒、 缺氧窒息、 溺水而引发的伤亡， 占事故死亡率的比 例却很高L 2 ] 。可见 ， 不能为矿工提供有效的“ 避难 场所” ， 是造成矿难大规模伤亡 的主要原 因之一。 因此 ， 需要创造条件 ， 让井下作业人员在矿难发生 后 ， 能够迅速逃离危险地点 ， 到达地面 ， 或者进入 避难 硐室 。 在井下建设避难硐室 ， 可有效地缩短逃生路 线 ， 减小次生灾害所造成的伤亡 ， 对于提升煤矿安 全保障能力具有重要作用。 2避难 硐 室研 究现 状 目前 ， 南非 、 加拿大、 美 国、 澳大利亚和德国等 一 些采矿业发达的国家 ， 已经形成 了一套较为完 整而成熟的井下救护安全体系 ， 包括避难场设施 救生舱 的技术研究 、 设备研发、 相关标准和行业 标准的制定等 ] 。这些技术、 设备和规范 已经被 广泛应用于井下实 际救援工作 中， 并多次成功地 收稿 日期 2 0 1 1 _ O 6 一 O 2 完成了矿难 营救工作。与固定式避难硐室相比， 国外“ 移动式救生舱” 的研发取得 了较为明显的成 绩。 国外大部分避难硐室都是为非煤矿 山设计 、 建造的， 和煤矿井下条件差别较大。 目前在我国 矿井设计 中， 还没有专 门设置避难硐室 的规范 。 煤矿救护规程 在矿 山救护专业用语解释 中， 虽 提到了避灾硐室， 但没有对其设计提出具体要求 。 采 矿工 程设计 手册 虽提 到在井 底 车场设 计井 下 急救站硐室， 但各采 区避灾硐室未提及。迄今为 止 ， 国内尚缺乏对井下避灾系统做系统 的设计和 研究工作 ， 一些企业现正积极参与井下可移动式 救生舱的设计 、 研制 ， 对避难硐室的研究才刚刚起 步 ， 存在一定的技术难题。如不 同地层、 不同井型 的避难硐室结构 、 硐室布置设计以及施工维护等 的系统研究， 有毒气体净化装置 、 硐室防爆气密门 的研制 ， 以及避难硐室钻孔快速通风 、 通信和逃逸 系统的研究等 ； 而避难硐室相关系统装备建设 ， 也 缺乏标准依据和基础研究 。 建设井下避难硐室 ， 现 已成为世界各主要采 煤国家的硬性法律规定和通行做法 。我们必须从 矿井整体安全角度出发 ， 考虑避难硐室的布局 、 建 设和管理 。 3避难硐室建设原则与技术要求 避难硐室建设 的 目的， 是当发生煤与瓦斯突 第 4期 张为 ， 等 煤矿避难硐室设计研 究 出， 瓦斯 、 煤尘爆炸， 火灾 ， 冒顶片帮 ， 水灾等矿井 常见事故时 ， 为井下有效 区域 内的作业人员提供 一 个安全可靠的避难空间， 防止在事故 中受到伤 害。因此 ， 矿井永久避难硐室应具备坚 固、 防火、 防爆 、 密闭、 独立供氧等功能 ， 并应能结合矿山煤 层开采工艺 的技术特点， 满足一次救援人数多、 安 全性能高、 造价更合理的矿山安全救援要求 。 避难硐室通过多重支护设计 ， 保证 了硐室 的 强度与密闭性能。同时， 其 内部构建有生存环境 保障系统 ， 环境监控、 通讯系统， 生命保障系统 ， 为 避难人员等待救援提供 了时间保障。避难硐室应 具 备 以下功 能 1 防火防爆 ， 抗高温和冲击波破坏 ； 2 隔绝有毒、 有害气体 ； 3 氧气供给和空气净化 ； 4 信息通讯和信号传输 ； 5 能量供给 ， 维持生存基本需求 ； 6 地面压气供氧、 流食供给和通讯传输。 避难 硐室基 本技 术要求 如 下 1 应具备安全防护 、 氧气供给、 有害气体处 理、 温湿度控制 、 通讯、 照明、 基本生存保障功能 ， 在无外部支持的情况下 ， 保证避 险人员生存 9 6 h 以 上 。 2 应配备空气供给装置或设施 ， 在额定防护 时间 内， 保 证避 险人员 人均 供 氧量 不低 于 o ． 3 m。 ／ rai n ， 并保证氧气浓度为 1 8 ． 5 ～2 3 ． 0 ； 避 难硐 室 内部与外部 巷道相 比， 始 终保持 不低于 1 0 0 P a 的正压， 防止有毒、 有害气体渗入。 3 避难硐室应接人矿井压气管路 ， 并有减压 装置和带有阀门控制的呼吸嘴 ， 以及可靠 的供氧 系统。避难硐室内应配备使用时间不少于 4 S tai n 的隔绝式氧气呼吸器， 配备数量不低于 1 ． 2倍 临 时避难硐室为 I ． I 倍 。 4 应具备有毒、 有害气体处理能力和空气调 节 能力 ， C O。 排 除 能 力 不 低 于 0 ． 5 L ／ rai n ， C O 处 理能力应 能保证 2 0 rai n内将 C O浓度 由 0 ． 0 4 降到 0 ． 0 0 2 4 。额定防护时间内， 舱内 C O浓度 低于 2 4 p p m， C O 。 浓度低于 1 ． 0 9 ／ 6 ， 空气温度不高 于 3 5 ℃ ， 湿度不高于 8 5 。 5 应具备 内外环境 中的 C O 。 、 C H 、 O 。 、 C O 及 温度 检测仪 器 。 6 避难硐室应设有 与矿调度室联系的直通 电话 。 7 应配备防护时间内， 额定人员生存所需的 食品和饮用水 ， 食品不少于 5 o o o k J ／ 人 d ， 食 用水 不少 于 1 5 0 0 mL ／ 人 d ； 应 急 救 助所 需 的 医疗设备 ， 包括急救箱、 救生器等； 必要 的应急维 修所需的工具箱 、 灭火工具等。同时， 避难硐室还 应具有人体排泄物处理功能。 4 避 难硐 室设 计 4 ． 1布 置原 则 避难硐室在各类巷道 中有不同的分布特点 。 井下避难系统是 由一系列分布合理的多种避难空 间相结合组成的有机整体。避难硐室应设在采区 避灾路线上 ， 布置在矿井 的各种巷道 中。其选址 必须保证其服 务的作业人员能够在 4 0 rai n内到 达， 距离作业人员工作区必须控制在 1 O 0 0 m 范 围 内。 避难硐室不宜设置在变电所、 火药库、 燃油存 贮 设施 或者停 车 点 等存 在 安 全 隐患 的地方 ； 同 时 应远离各种地质构造区域 ， 如断层、 岩层断裂破碎 带 、 岩脉 ， 避免受地震活动或其他扰动的影响。大 的地下位移如地震， 可能破坏避难硐室及其 内部 设备。因此 ， 要把避难硐室布置在有足够强度 的 煤层或岩层中， 并要有足够的非可燃物保护厚度。 此外 ， 还要考虑避难硐室不能设置在井下容易积 水 的地点 ， 避 免受水 患影 响 。 4 ． 2 构建及设计 1 区域划分。根据新疆建设兵 团金川煤矿 的实际情况 ， 硐室内部设计分为过渡室和生存室 ， 布 置形 式如 图1 所 示 。 过 渡室 的功 能是 防止 有 窖葺 0 传感器探 头 密 闭 门 0摄像头 空气 后备电 池 。工 脯 氧 伸 疑 弋 茎 u 鼍。 ∞ 空 气 过 渡 室 门 生 存 室 嚣 。 闭 过幕室 气 I幕 墼座 椅 座 椅监 瞥 嚣 I 空 调 自 生 氧 I l l l l l J l ll I l I I I I I l l J l l l l l 摄像头0 辅 密 闭 门 传感器探头0 图 1 避难硐室 内部布置 建井技术 2 0 1 1年第 3 2卷 毒 、 有害气体伴随避难人员进入而污染硐室内的 空气 ， 区域 内设有气幕 隔离系统 、 后备电池 、 自生 氧和卫生设施 。生存室的功能是为避难人员提供 氧气、 水、 食物等维持生存所必须的物质 ， 区域 内 设有压气布置系统 包括地面压气和井下压气 、 生氧净化器供气系统等。 2 规格尺寸。避难硐室的规格尺寸要能够 满足所服务区域的所有人员避险需要 。考虑到该 避难硐室所服务的采 区作业人员、 瓦斯监测人员 、 维修人员等的情况 ， 其设计规格应达到能容纳 8 0 人的要求 。避难硐室设计总长度为 4 5 m， 其 中两 侧的过渡室长 5 m， 生存室长 3 5 m。硐室断面为直 墙半圆拱形 ， 净宽 3 ． 5 m， 净高 3 ． 1 5 m。硐室具体 尺寸及 内部布置情况如图 1 、 图 2所示 。 图 2避难硐室支 护断面不 意 3 支护方 式。避难硐 室 内部支护 由锚 网 其开启应遵循灵活 、 快捷、 手动、 密闭性 良好等原 索 联合支护、 混凝土喷层 、 充填材料层、 钢筋混 则。密闭门的门框为长方形整体结构， 纵横方 向 凝土层组成 ， 各支护层分布如图 2 所示。 各设计有加强筋板 ， 使 门板有足够 的抵抗压力变 避 难硐 室前 期施 工 ， 采 用 金 属前 探 梁 作 临 时 形 的能力 。外墙 采 用 钢筋 混凝 土 结 构 ， 混凝 土强 支护 ， 并 在每根前探梁 的前端增加 1套折叠梁 。 度等级 C 3 0 ， 以增强抗冲击波能力 。 一 次支护为让压锚杆锚索双钢筋托梁金属网 2 密闭缓 冲系统， 包括外层防火 、 防爆密闭 片喷射混凝土联合支护。二次支护为钢筋混凝 门和密闭墙 ， 缓冲空间内的 2道密闭门， 避难硐室 土 ， 混凝土强度等级 C 3 0 。三次支护在钢筋混凝 四周的密闭缓 冲层。该系统能够 防止有毒、 有害 土壁后注入充填材料， 进行密 闭与缓 冲。巷道下 气体渗入 ， 缓解矿压和周 围采动对硐室整体结构 部打底拱 。 和支护的破坏。 4 ． 3 系统设计 3 气幕隔绝系统。避难硐室外层 防护门人 为保证避难硐室设备正常运行 ， 满足避难硐 口处上方设置的气幕系统 ， 能够有效地防止有毒 、 室内的人员生存需求 ， 设置了 8个系统 有害气体伴随避难人员进入而污染避难硐室内部 1 防火 、 防爆系统 ， 包括防火 、 防爆密闭门和 空气。 密闭墙 ， 分别设置在避难硐室的两侧 ， 要求能够抵 4 供氧系统。采用多级供氧方式 ， 包括地面 抗 1 ． O MP a的冲击波 。密 闭门设计如图 3所示 ， 钻孔压气供氧、 井下压气供氧和生氧净化器供氧 ， 第 4 期 张为 ， 等 煤矿避 难硐 室设计研究 图 3防火 、 防 爆 密 闭 门 以保证硐室内部的氧气需求。 地面钻孔压气供氧 ， 通过贯穿避难硐室和地 面的钻孔， 引入地面压气管路 ， 与硐室内的布气系 统和地面钻孔供氧控制系统相连接 ， 实现 内部氧 气供给 ， 满足避难硐室内人员的氧气需求 ； 同时形 成 内部正压 ， 防止有毒、 有害气体渗入。引人流食 管路、 通讯管路和电缆 ， 实现能量供给和通讯、 电 力供给 。 生氧净化器供氧是通 过生氧净化器 ， 在释放 氧气 的同时 ， 去除空气 中多余 的 C O。和有毒 、 有 害气体， 并通过控制系统 ， 释放 出供人 呼吸的氧 气 。该系统的启动 ， 可满足避难硐室 内 8 0人 9 6 h 的氧气需求。另外 ， 在硐室底板附近 ， 还设置了两 趟只能向外排的单向排水管和单向排气管 。 上述 3 种供氧方式的启动原则是 地面钻孔 压气系统启动前， 优先采用井下压气供氧； 若井下 压气系统 中断或遭破坏， 立即开启氧气瓶， 向硐室 内供氧。若地面压气系统 已启动， 则优先采用地 面压气系统向硐室内供氧 。 5 通信系统。必须保证硐室内至少有两种 通讯方式 。利用现有的电话 、 广播网， 结合灾害报 警系统 ， 及时汇报避难硐室内的人员情况， 听从指 挥， 等待救援。 6 监测监控 系统。避难硐室 内的多合一监 测监控设备 ， 能够 同时监测硐室 内部及外部空气 中的 C O、 C O 、 O 。 、 C H 含 量 ， 温 度 、 湿 度 的变 化 ； 并在环境参数超限时发 出警报 ， 提醒硐室内的人 员采取相应措施 ， 保证环境稳定 。 7 制冷除湿系统 。对于温度较高的避难硐 室 ， 可安装硐室专用的制冷除湿设备来降低硐室 内的温度 、 湿度 。 8 附属系统 ， 包括照明系统 、 动力系统、 水、 食品、 卫生设备 、 灭火器和 自救器等 ， 能够保证救 援人员到来之前 ， 硐室 内避难人员的基本生活需 求 。 5 结 语 井下避难硐室的建设 ， 可为井下火灾 、 瓦斯等 灾变事故发生后无法及时撤离的遇险人员提供一 个安全的密闭空间， 并为他们提供氧气、 食物、 水 ， 去除有毒、 有害气体， 创造基本生存条件 ， 使矿难 应急救援模式由被动待援改变为主动 自救与外部 救援相结合 ， 对于实现科学、 有序 、 有效救援起到 至关 重要 的作用 。 井下固定避难硐室弥补了现有救援设备容纳 人数有 限、 成本较高、 占用巷道空间等方面的不 足， 更好地结合了井下煤层开采工艺的技术特点 ， 满足了一次救援人数多 、 安全性能高 、 造价更合理 的井下安全救援要求。固定避难硐室的研究和设 计具有重要的安全意义、 社会意义和经济意义， 同 时也是井下救援研究的大势所趋及重要组成部分。 [ 参考文献] [ 1 ] 卢鉴章 ， 刘见 中． 煤矿灾 害防治技术现状 与发展 ． J ] ．煤炭科 学 技术 ， 2 0 0 6 ， 3 4 5 5 ． [ 2 ] 柳晓莉 ， 郭立稳， 张志业 ． 2 0 0 5年 1月--2 0 0 9年 6月煤矿死亡 事故统计分析[ J 3 ．河北理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 2 2 ． E 3 ] 赵利安 ， 王铁力． 国外井工矿避灾硐室 的应用及启示[ J ] ．煤矿 安全 ， 2 0 0 8 2 8 8 8 9 ． 作 者 简 介 张为 1 9 6 5 ， 男 ， 汉族 ， 新疆阿 克苏人 ， 高级工程师 。毕 业于西安矿业学院采矿系采矿工程专业 ， 曾就职于兵团经贸委能 源处 ， 从事煤 炭行业管理工作 ； 2 0 0 2年后， 就职于兵 团安 监局 兵 团煤监分局 ， 从事煤矿安全监管监察工作至今 ， 现任兵团安监局 二处处长。