煤矿井下避灾硐室研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 煤矿井下避灾硐室研究 姓名王丽 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张恩强;余学义 20090422 论文题目煤矿井下避灾硐室研究 专业采矿工程 硕士生王丽 指导教师张恩强 余学义 摘要 签名圣硒 签名酗 签名 为满足煤炭工业经济增长方式的转变的需求，煤矿生产方式发生了很大的变化，生 产机械化程度大幅度提高，生产集中化程度不断加大，使煤矿具有生产能力大、运输距 离长、工作面连续推进距离长的特点，进而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困难。建立 井下避灾硐室系统有效地缩短逃生路线，克服地面救援的单一性，弥补营救时间的不足， 从而提高井下作业人员的生存机率。井下避灾硐室的应用将增强煤矿系统抵御灾害的能 力，有效地减少煤矿灾害带来的损失。 论文在分析国内外相关研究和我国煤矿生产特点的基础上，结合煤矿灾害的特点及 现有避灾方式的不足，提出建立井下避灾硐室系统的需求性基于灾害后人员的逃生需 求，进行避灾硐室的反馈设计；建立以逃生时间为主要参数的避灾硐室与人员集中点的 距离模型，并借鉴地铁中火灾人群疏散原理，用疏散时间检验距离的合理性，进而确定 避灾硐室的位置；结合爆炸冲击波在巷道中传播规律，研究各区域避灾硐室的类型和布 设，建立井下避灾硐室系统根据不同类型避灾硐室的要求，给出设计依据、原理和方 法。本论文在煤矿井下避灾硐室方面的研究，完善了我国煤矿应急救援的发展需求，最 大限度保障生命财产安全。 关键词避灾硐室硐室设计；逃生时间；煤矿灾害 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nr e f h g ec h a m b e ro fc o a l m i n eu n d e r g r o u n d S p e c i a I t yM i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e W a n gL i I n s t r u c t o r Z h a n gE n q i a n g Y hX u e y i A b S t l ．a c t S i g n a t u 阳 S i g n a t u r e S i g n a t u r e W i 吐lt h ec h a l l g i n go fe c o n o m i cg r o Ⅲhm o d eo f c o 越i n d u s t 吼t h ec o a lw o r k i n gp a 他m s a n ds t r u c 骶st 1 习l V eb e e ng r c a t l yc h a n g e d ，e s p e c 训1 yt h ei n c r e a s i n g o fm e c h a l l i z ea n d Ⅱl e s e n d i n gu po fc e m r a l i z a t i o n ，w h i c hh a sr a i s e dan e wc l a j mf o ri n s u r a n c e ．M o d e mc o a l m i n e s h a V eb e e nc h a r a c t e r i z e db yl l i 曲p m d u c t i o nc 印a c i 吼栅t r a l l s p o r t a t i o nr a J l g ea n dc o n t i n u o u S w o r k m gf ．a c ea d V a n c i n g ，W h i c hr e s u l ti nh i g hp r o d u c t i o na n de m c i e n c y ，b u tm o r ed i 笳c u l t i e s 士．o rw o r l ㈣e nr e 慨a t i n g ．T l l ec o a l m i n ea c c i d e n t sl e a d i n gt ob i gd a n g e r o u S r e g i o na I l dl o n g e s c a p i n gd i s t a I l c em a l 【ei td i 伍c u l tf o rs u Ⅳi v o r st 0 e s c a p ew h e nm e yh a p p e n e d ．1 1 1 e u 1 1 d e r 9 1 ．o u l l dr e f u g es y s t e m ，w 场c hi ss e tu pb yr e g i o n a ls e p a r a t i o n ，c a ne 虢“V e l yS h o n e n Ⅱ1 e e s c 印1 n gd l s t a I l c e 锄di n c r e a S em e 咖i V a lp o s s i b i l i t yo fw o r l I I l e n ．I t su s a g ew o u l da l s o o V e r c o m et h es m g l e n e s so fg r o u n dr e s c u e r ，e n r i c ht l l er e s c u e r t i m e ，i m p r o v et h ed i s a S t e r - r e s i s t a b l l l ．眵o fc o a l m i n e s ，a I l di n d u c et h el o s sb r o u g h tb yc o a l m i n ea C c i d e n t s ．． B a s e do nc o n ．e I a t i o nr e s e a r c h e sh o m ea I l da b r o a da n dt l l e p r o d u c t i o nc l 掰a c t e r so f c o a l m l n e smo u rc o u n t r y ’c o m b i I l i n gw i t hm ec h a r a c t e r so fc o 甜m i n ea c c i d e n t Sa n dt t l e s n o r t a g eo 士r e m g em a I u l e r ，t l l ea r t i c l ep r e s e n t st h en e c e s s i 锣o fb u i l d i n gt h eu n d e r g r o u r l d r e f u g es y s t e m A c c o r d i n gt 0t h ee s c 印i n gr e q u i r e m e n t sf o r 、№r k m e n ，i tp r e s e n t e dt h e 龟e d b a c k d e s l g l lr e f u g es y s t e m ，锄db u i l tu pt 1 1 ed i s t a n c em o d e la b o u tt l l er e m g ec h 锄b e ra I l d 、v o r k e r S c o n c e n t r a n o np o l mb yc o n s i d 甜n gt h e e s c a p et i m e 嬲m a i np a r a l n e t e r ．R e f e r e n c et 0t h e p e o p l ee V a c u a t l o np r i n c i p l ei ns u b w { l y ，t l l ea n i c l eu s e dt 1 1 ee v a c u a t i o nt i m et oc h e c kt l l e r e a S o n a b l l l t yo ft h ed i s t a n c e ．T h e r e f o r ei tc a I la S c e r t a i nt l l el o c a t i o no fr e 如g ec h a l n b e Ln r e s e a r c h e do nt h ec h a m b e rs t r l e sa I l da 仃觚g e m e m s ，a I l d s e tu pt h eu n d e 玛r o u n dr e 如g es y s t e m c o n l b m l n gw l n lt h em l eo fs h o c k 、Ⅳa V ep r o p a g a t i o ni nt l l er o a d w a y s ．T h ee s t a b l i s l 蚰e mo f u n d e I ‘g r o u I l dr e f u g es y S t 锄州1 1c o n s u m m a t et 1 1 ed e m a l l df o rc o a l m i n e se m e r 叠e n c yr e s c u eo f C h i n 钆a n dp r o t e c t1 i f ea l l dp r o p e r t yi nm a 【i m a Jd e g r e e ． K e yw o r d s m i n er e 如g ec h 锄b e rc h 锄b e rd e s i g n e s c 印et i m e c o a l m i n ea c c i d e n t s T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 西妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究T 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文t l l 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同T 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 Zi l j l 日期认哆．厂、弓 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 元翻 指导教师签名概绣 洲 ％其 日 1 绪论 1 ．1 构建井下避灾硐室思想的由来 1 绪论 近年来，地震、洪水、台风等自然灾害的不断发生，给城市人群的生命和财产安全 造成了极大损失。灾害的突发性使人们对生命倍加珍惜的同时，对城市的应急避灾系统 也提出越来越高的要求。城市应急避灾场所是指利用城市公园、绿地、广场、学校操场 等场地，经过科学的规划、建设与规范化管理，为居民提供安全避灾、基本生活保障及 救援指挥的场所Ⅲ。我国2 0 0 8 年发生的南方冰冻天气造成大面积地区的严重受灾，5 ．1 2 汶川大地震的酿成近1 0 万人无家可归，这些不可预测的灾难都给城市的应急避灾系统 敲响了警钟。如今，城市应急避灾场所成为城市应急救护必不可少一部分。近些年来我 国的煤矿事故仍然时有发生，尤其是国有重点煤矿死亡总人数仍在上升。我国煤矿突发 事故较多，对矿井安全生产危害严重，特别是重大的恶性事故如瓦斯爆炸、火灾、水灾 等给煤矿安全造成巨大威胁。从事故灾难的相似思考，若把煤矿井下生产系统设想成一 座运行中的“地下城市“ ，瓦斯爆炸、火灾、水灾等是这座城市不可准确预测的灾难， 那么在“地下城市’’中建立为逃生者提供应急避灾区域的“井下避灾场所“ 是否可行 它将在矿井救护中起到怎样的作用 煤矿灾害事故如火灾、水灾、爆炸等都会对井下作业人员的生命安全构成极大的威 胁。在发现灾情后，如果不能迅速处理，则必须将在受灾区域及可能受火灾气体或爆炸 影响区域工作的作业人员撤离到安全的地点。由于矿井系统本身的复杂性及其有限的出 口，以及灾变对矿井系统的不确定因素影响，原有的避灾路线常常被灾变及次生灾变所 阻断。因灾害的动态性暂存的安全状态可能转变成灾害区域，有时甚至波及整个矿井。 此时，对于逃生者达到地面是不可能的，那么井下有没有其他安全的区域 人的生命是 无价的，如何不使一个个鲜活的生命被矿难吞噬 以往我们总是从事故前预防的角度去 杜绝和减少煤矿事故，然而煤矿生产条件存在许多不可控制的能量突发。笔者从事故发 生后的逃生需求出发，认为面对突如其来的灾难，倘若逃生者在不能到达地面的紧急时 刻，还可以有另外一种选择与灾难隔离。在井下建立与灾难隔绝的避灾硐室，就 如同城市避灾场所一样，为受灾人群提供暂时、及时的安全场所。 国内学者在煤矿瓦斯预警、预报系统、矿山压力检测技术、防灭火技术、井下仿真 模拟技术以及安全管理、矿工的行为心理学等方面做了大量的工作。这些研究只是揭示 灾害的形成机制与规律，可以实现对灾害较准确的预测和预报。但是，近年来煤矿瓦斯 爆炸事故接连不断口3 ，统计数据表明，我国每百万吨采煤的死亡人数是美国的1 4 0 多倍， 是印度的9 0 多倍。我国煤矿百万吨死亡率居高不下，从而让我们思考现有煤矿系统是 西安科技大学硕士学位论文 否还存在某些弊端甚至是“盲点”。数据显示H 1 在矿井灾害带来的中毒、窒息、溺水等构 成了矿工的“头号杀手”，大约超过9 0 ％遇险矿工的死亡正是在这关键的“1 小时内’’。 然而，目前我国安全救生措施相对滞后，在接近事故发生临界点的救生设备设施处于空 白状态。我们努力揭示灾害的形成机制，把握灾害的规律，对灾害尽可能做精确的预测。 准确的预测、预报是有效地开展防灾、减灾工作的重要基础，但事实上，很多煤矿灾害 是防不胜防。因此，作者认为增强事故后煤矿系统抵御灾害的能力，也是减少煤矿伤亡 的必要环节。 1 ．2 国外井下避灾研究现状 世界各国都非常注意总结矿井救灾的经验和教训，即便是一些发达国家也非常注意 学习别国的经验和教训，通过不断总结自身的经验，并且结合自身的管理体制和特点， 形成了多样的矿井救灾模式。 1 加拿大、南非和法国 自从璐1 1 9 2 8 年的H o l l i n g e r 矿火灾 造成3 9 人死亡 后，加拿大就出现了初级的避灾 硐室，利用压缩空气，通过面具提供呼吸氧气。目前，采用可移动式避灾硐室已经成为 加拿大金属矿安全的基本要求。 2 0 世纪7 0 年代初南非某金矿的工人在一次矿井火灾中碰巧逃到一个有压缩空气的 盲巷里，首次建立了简单的避灾硐室，因而全部获救。后来，出现了空气清理系统用来 清除空气中的一氧化碳和二氧化碳的危害。 法国煤炭哺1 研究所提出了充气硐室的设想，并进行了若干试验。充气硐室用柔性的材 料作为硐室的挡帘，挡帘起到隔火、隔热、隔绝有毒气体的作用，从而有效的保护人员。 充气硐室里有压缩空气送入的新鲜空气，通讯电话及巷道平面图等。充气硐室可以看作 为一种原始的避灾硐室，目前在生产中，很少被采用。 2 美国的“逃生管道“ 美国矿山安全健康局近日盯1 2 0 0 8 年2 月 在其“审批认证中心”首次展示了一种 名为“G r e a tE s c a p e ”的新型救援装置，帮助井下矿工在紧急情况下迅速安全逃生。美国 矿山安全健康局局长理查德斯蒂克勒说，这种紧急逃生管道由矿山安全健康局技术支 持处研发，具有井下避灾硐室和自救器的优点，矿工经过简单培训即会使用。矿山安全 健康局展示的逃生管道由直径4 2 英寸的钢筋混凝土管道构建组成，沿管道设有一些入 口，在管道各个入口处和端盖上装有门和通气孔。在井下安装时，可采用直径小于4 2 英寸的混凝土管道，按照井巷布置，将各工作区与太平井联结起来直通地面。逃生管道 内可以装备通讯和追踪设施，采用蓄电池驱动的人车将矿工运至地面。地面的压风机通 过一个与逃生管道直接相联的钻孔向管道输送新鲜空气满足管道内对新鲜空气的需求， 并使矿工无需花费时间来佩戴自供养自救器。混凝土管道经久耐用，可以确保通讯和追 2 1 绪论 踪系统正常工作。目前对样机进行试验并进行整体改进。 3 澳大利亚避难仓哺1 澳大利亚是世界上第四大产煤国，最大的煤炭出口国。澳大利亚煤矿安全生产也被 认为是世界上最好的，2 0 0 3 年煤矿业做到了零死亡。位于悉尼西北8 0 多公里的阿平煤 矿是一个大矿，也是有名的高瓦斯矿井。1 9 7 9 年7 月，该煤矿曾发生瓦斯爆炸，1 4 名 矿工遇难。近年来，该矿却年年实现“零死亡“ 。一些来该矿取经的外国人表示，澳大 利亚煤矿的条件甚至还不如自己的国家的煤矿好，但为何能做到“零死亡’’呢 按照法 律规定，澳大利亚矿井的每一个采掘区都必须开辟救生巷道，配备氧气瓶、面罩等救生 设备。同时，在采掘区的入口外设立号牌存放栏。存放栏内有多个挂钉，就表明救生巷 道内有多少套救生设备。巷道内还有一条挂着许多荧光手柄的管线。这是矿工的生命线， 他们只通向安全站。矿工遇到危险，可用巷道内的防爆电话与安全中心联络，同时迅速 从安全柜内取出救生设备，穿戴好后拉住巷道内的生命线赶往安全站。工作面巷道一侧 有一条绳索，矿工们管它叫“救命索“ ，在发生险情不能辨认方向的时候，可以摸着这 条绳索到达救生站。绳索上每隔一段距离就有一个圆锥形扶手，大头方向就是救生站的 方向。紧急呼吸器可以确保有足够的时间摸到救生站。救生站储有大的氧气瓶，旁边就 是逃生巷道。到了这里化险为夷的机会就大大增加了。 目前，澳大利亚、美国都能够独立生产移动避难仓。移动避难仓一般用高强度钢材 做成，一般可以容纳8 ～2 0 人不等，避难仓最大的容纳人数可以达到5 0 人，单机状态 运行时间可达3 6 h 。西澳大利亚的M i n eA R C 公司己经研究出一种新型的H I 洲型避难 仓，用特殊材料做成，它能够经受2 0 0 0 ℃火焰2 h 的直接烘烤，可用于煤矿井下使用。 自从2 0 0 0 年以来，澳大利亚的金属矿一直采用可移动式避难仓。 1 ．3 我国煤矿应急救援及避灾研究现状 1 ．3 ．1 煤矿应急救援现状 煤矿事故应急救援系统是在“预防为主“ 的前提下，按照“统一指挥，分级负责， 区域为主，单位自救和社会救援相结合“ 的原则，在事故发生后能迅速、有序、准确、 有效地开展应急救援工作。它的基本任务是立即组织营救受害人员、组织撤离或者采取 其他措施保护危害区域内其他人员和重点设施，迅速控制危险源，消除危害后果等。完 善有效的事故应急救援系统应当包括完备的应急救援装备系统、事故现场受害人员J 下确 的自救互救措施和组织系统、迅速准确的应急指挥系统、救护队伍及时有效的应急救助、 地方政府有力的支援和后勤保障系统等方面内容。其中最为关键的是在事故发生后有效 的自救 第一响应时间内能启动应急救援装备、事故现场人员的自救互救措施、应急指 挥系统 和救护队的有力支援。 3 西安科技大学硕士学位论文 我国有～些事故由于及时启动事故应急救援系统而降低了事故损失，有些甚至避免 了人员伤亡。如郑煤集团超化煤矿2 0 0 4 年“4 ．1 1 ”透水事故、辽宁阜新艾友煤矿2 0 0 6 年“2 ．1 8 ”顶板事故等。但也有一些煤矿由于在发生事故时没能及时启动事故应急救援 系统，造成事故危害和灾害范围的扩大。 然而，目前煤矿事故应急救援系统还存在一些问题 1 矿井应急救援系统不完善。我国的煤矿应急救援主要还是依托地面救护队为 主要救援力量，而在井下避灾人员只借助简单的避灾路线和自救器。然而，事实上很多 事故救护队并不能到达井下在害处、避灾路线受阻或自救器不能发挥作用时煤矿应急救 援工作就无法展开。 2 煤矿企业编制的灾害预防措施和处理计划和矿井应急救援预案，有不 少是为了应付上级检查，存在内容不全、针对性不强、可操作性差等问题；没有认真组 织培训、贯彻、实施，没有及时根据矿井生产布局的变化进行修改。一旦矿井发生事故， 这些计划和预案根本不能用来指挥事故抢险。 3 煤矿企业很少按规定进行矿井救灾演习。不进行救灾演习就难以发现灾害 预防措施和处理计划和矿井应急救援预案存在的不足之处，同时也难以发现应急 救援装备、事故现场受害人员自救互救措施和组织、应急指挥系统、救护队伍应急救助 等方面存在的问题。 4 对工人培训不足。工人没有掌握正确的自救互救等救灾避灾知识。事故发生 初期不能采取正确的救灾方法，致使灾害范围扩大；事故现场工人自救互救无组织性， 人员撤退慌乱，有时甚至会采取错误的救灾避灾措施。 5 煤矿应急救援指挥系统在灾害发生时不能起到应急指挥中心的作用。大部分 乡镇煤矿不能快速组织应急指挥系统，部分国有煤矿的应急指挥系统由于灾害预防措 施和处理计划和矿井应急救援预案不实用，不能应对突发灾害。在事故发生时慌 乱无序、组织混乱、不能及时全面准确掌握事故现场情况；甚至会产生错误判断对救灾 发出错误指令造成事故扩大，有时还造成本不应该发生的事故发生。 6 部分乡镇煤矿不及时召请社会应急救援力量，造成事故不能在最短时间内得 到救援。一些乡镇煤矿在矿井发生事故后，首先考虑的不是如何抢险而是如何隐瞒事故； 怕知情范围扩大而不愿召请社会救援力量造成事故不能在发生初期得到救援和控制，导 致灾害扩大。 7 为乡镇煤矿服务的救护队不能及时到达灾害地点进行救助。目前，乡镇煤矿 的救护工作一般都由地方救护队承担，地方上的煤矿救护队一般都设在县城所在地与有 的煤矿距离较远，发生事故时难以在规定时间内到达造成部分事故不能得到及时救助而 使事故灾害扩大。 4 1 绪论 1 ．3 ．2 煤矿避灾研究现状 衡量一个国家职业安全健康水平高低，一方面要看事故发生频率，另一方面要看每 次事故造成的伤亡及经济损失大小，或者说是应急救援成效。纵观世界各国改善安全状 况的客观实践，凡是安全生产水平较高的国家与地区，不但事故少，而且均拥有较强的 抢险救灾能力。因此，从政府管理与社会发展角度出发，应该做到两手抓，在尽量降低 事故发生次数的同时，必须重视事故发生后的抢险救灾，以减少事故造成的损失。很多 的学者也逐步意识到要降低伤亡总量控制特大事故必须加强煤矿安全的源头管理、过 程控制、应急救援和事故查处等4 个重要环节。 国内学者在煤矿瓦斯预警、预报系统、矿山压力检测技术、防灭火技术、井下仿真 模拟技术以及安全管理、矿工的行为心理学等方面做了大量的工作。这些都是从事故前 的预防进行研究，对事故后的预防措施我国研究的并不多。1 9 9 4 年7 月2 4 日特制煤 矿救护规程，为我国的煤矿救护提供了科学依据。煤矿救护规程在矿山救护专业用 语解释中提到避灾硐室，并没有对其设计有具体的要求；采矿工程设计手册阳1 提到在 井底车场设计井下急救站硐室，其它各采区的避灾硐室未提及。我国的学者赵利安，王 铁力等在避灾硐室研究较多，但对并没有对井下避灾系统做系统的设计和研究。 1 煤矿“生命线”建设 河南省三门峡市陕县支建煤矿“7 ．2 9 “ 淹井事件抢险救灾成功的事例表明，井下通 讯线、压风管线和防尘供水管线是井下人员生存起决定性作上的“三条保障线“ 。国家 安全生产监督管理总局李毅中局长在2 0 0 7 年8 月6 日全国安全生产视频调度会议上要 求“小煤矿都要配备完善井下通讯线路、压风管路和防尘洒水管路，要把这‘三条生命 线’作为小煤矿的一项技术标准确定下来、强制执行”。随后，国家安全监管总局、国 家煤矿安监局要求所有煤矿必须立即安装和完善井下通讯、压风、防尘供水系统。实际 上，通讯、压风和防尘供水三条管线是煤矿安全规程要求的煤矿井下生产必要的三 套系统。针对这三套系统在煤矿安全规程第4 7 8 、1 5 2 、4 3 7 ～4 3 9 条分别有具体的 规定。煤矿三条“生命线”建设落实，必将多一份生命安全保障线。 2 避灾硐室研究 然而，我国对避灾硐室的研究还不够。目前，我国一些科技公司也对井下避难仓的 设计进行研究，例如天津向日葵国际集团提出在矿山井下作业面放置一个具备抗压、 防毒、防水、隔热并能提供必要生存条件的应急救生舱的设想，据悉该公司正在研发“矿 山应急救生系统”。天享科技有限公司n o ] 研发出“煤矿井下避难仓”，该“避难仓”是一 个可方便移动的耐热、坚固和密封可靠的长筒形金属小仓，每个仓设计可容纳5 ～1 5 人 不等。仓内经常贮备足够的食物和水且能与井上联系的通讯系统。为矿工营造一个安全、 舒适、有氧气供给的避难空间。但避灾硐室及避难仓的实际应用我国还处于初级阶段。 5 西安科技大学硕士学位论文 从国外避灾系统的应用可以看出，井下避灾硐室是矿井安全救援系统的重要组成部分， 在矿井灾害逃生和救援过程中具有重要作用。然而，目前在我国矿井设计中还没有专门 设置避难硐室，但在国外井下避灾硐室已有较普遍使用。 3 人员定位搜救技术 灾害发生后及时发现井下幸存人员的位置是井下救援的关键。我国学者在人员定位 搜救技术研究是多方面的。目前主要在射频识别技术和气味辨识井下遇难人员的定位技 术有一定的成果。井下人员生命探测技术基于生物探测技术的井下人员搜寻方法生物探 测技术是指人或动物根据气味、声音进行矿工搜寻定位工作，最常见的是使用搜救犬。 近年来，煤矿井下现代搜寻救援技术的研究与应用取得了较大的进展，未来的一个 发展重点将有针对性地研究与开发高可靠性、稳定性、适应性的定位救援技术与装备。 随着科技的发展，将有更多先进技术在矿山得到应用和推广，也会出现更多用于井下救 援工作的先进装备。目前，专门用于矿山井下搜救的特种机器人，具有四履带单元驱动 机构，各个履带单元既可以履带行走，还可以像腿一样绕其主动轴实现腿式摆动，具有 防爆防尘功能，适于在井下复杂地形环境里行走。机器人配备有多种传感器，能够探测 被困矿工的位置，侦测现场瓦斯浓度、温度和风速等环境指标，并将侦测到的矿工位置 和现场环境指标传送给地面的指挥系统。用于矿山井下人员搜救的机器人在国内外还没 有先例，特别是井下海量数据的远距离无线传输问题还没有解决，要使机器人在井下救 援工作中达到实用，还将有一段路要走。 4 快速钻孔技术 目前快速钻机在救灾中发挥作用尚处在起步阶段，还未达到熟练掌握新型设备各种 技术性能的程度。为充分发挥此项技术快速、高效的优越性能，须就以下问题进行深入 研究、尽快解决并加以完善。①改善钻探工艺提高操作技能。例如，在郑煤集团超化矿 的救援施工中，钻孔纯钻进时间2 4 小时5 2 分钟，辅助时间 下套管、固井、上下钻具、 安装设备等 8 小时1 5 分钟，事故处理 粘钻和二次封固表土层套管 1 6 小时5 0 分钟，从 钻进效率上讲并不十分理想。如何减少提钻次数，如何根据实际创造条件更多地采用空 气潜孔锤跟管钻进、空气潜孔锤冲击钻进、空气泡沫潜孔锤钻进，如何减少故障率及处 理故障时间等等，都需要认真研究解决；②配套救援装备完善救援体系追求救援实效； ③加强队伍建设努力提高实战能力。平时应对钻井员工业务能力与综合素质有高标准的 具体要求，要突出培养一批能够顽强作战、随机应变的骨干队伍，以在抢险救灾行动中， 抓住战机、成功实施救援；④增加装备数量保持合理布局。我国煤炭资源分布广泛，煤 炭生产中安全事故时有发生。快速钻机作为矿井抢险救灾重要设备，运输线路不宜太长， 应按地域配备一定数量的钻探设备，在尽可能短的时间内投入救灾工作。健全应急救援 机制，有效整合各种社会资源，充分保证救援行动协调、统一、及时、高效。 国家煤炭工业局赵铁锤指出n l l 继续把煤矿防灾、减灾技术作为科技攻关重点，应 6 1 绪论 用高新技术，提高煤矿灾害防治技术的先进性和可靠性。在我国煤矿灾害及被灾害威胁 区域的人员能够逃生，基本上分为两种情况，一是通过简单的装备逃生 自救 ；二是 通过救护队员救护脱险 救护 。通过自救的逃生者，一般都是远离爆炸点，而且逃生 距离较近、不穿越火区，在选择正确的逃生 避灾 路线的基础上借助于自救器才能成 功逃生。否则，灾害瞬间的幸存者根本不可能逃生。因此，我国煤矿避灾救灾系统方面 存在以下不足 1 我国煤矿救援系统主要还依靠地面救护队救援，井下避灾系统还只是停留设 想阶段，现有的简单躲避硐室和避灾路线，不能满足现代化矿井安全的需求。 2 我国安全救生措施相对滞后，在接近矿难发生临界点的事故救生设备、设施 处于空白状态，我国井下正在使用的救生设备最常见的只有自救器。 3 救援工作基本属于“被动待援“ ，而矿难发生后大约“l 小时内”的外部救援 措施无法及时展开。 4 现阶段研究只能通过借鉴国外经验或是实践经验，我国缺少有关避灾硐室设 计规范和推广使用的法律、法规。 1 ．4 课题研究的目的及意义 1 ．4 ．1 论文研究目的 历年来，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、透水、冒顶以及由此引发继发性事故一直 是导致重大人员伤亡的主要原因。由于上述事故存在破坏力大、事故原因复杂、易导致 连锁事故发生等特点，使矿难发生后大约“1 小时内”的外部救援措施无法及时展开。 在矿井下由矿难带来的中毒、窒息、溺水等构成了矿工的“头号杀手“ ，大约超过9 0 ％ 遇险矿工的死亡正是在这关键的“1 小时内”。而我国井下正在使用的自救器最大供氧时 间为4 5 分钟，要想在如此短暂的生存时间内脱离危险是很困难的。灾难一旦发生，井 下矿工也只能在自救中与灾难面对面的抗争，幸存者也要经历身体和精神上的折磨等待 地面救护的一线希望。现阶段“焦点l 小时“ 问题给矿山应急救援工作带来了一个盲点， 填补这一“盲点’’已成为政府和矿山企业迫切需要解决的问题。因此，本论文研究的主 要目的 1 硐室位置按照灾害的特点分区域设置，可供逃生者及时躲避灾难，赢得救援 时间。从而大大缩短逃生路线，增加生存机会，解决“焦点l 小时“ 问题，有效的降低 我国煤矿百万吨死亡率； 2 配合外部积极的救援工作，转“被动待援“ 为“主动自救和外部救援相结 合“ ，以最大限度地提升矿难应急救生工作效率，弥补了地面救援在营救时间上的不足； 3 减少现代化煤矿生产系统的脆弱性带来的隐患。构建井下避灾硐室系统使矿 7 西安科技大学硕士学位论文 井安全体系从量变提到了质的变化，最大限度的保障人类的生命财产安全。 1 ．4 ．2 论文研究意义 我国现代化矿井具有生产规模大、运输距离长、工作面连续推进距离长特点，这些 给煤矿生产带来高产高效的同时，也给井下事故发生时人员安全撤离带来不便。矿井灾 害事故一旦发生，可能会危及井下一个区域或整个矿井。因此，当井下人员判断发生事 故后，应立即逃出危险区，并尽快升井。但有些事故扩散很快、危险区很大加上逃出路 线长。因此逃生所需要时间长，实际有可能根本来不及逃出和升井；有时还会因为事故 或其他原因导致避灾路线受阻、逃生人员无法逃出和升井。因此，如果在井下按照灾害 的特点，分区域设置可供逃生者躲避灾难、赢得救援时间的安全空间，将可大大缩短逃 生路线，增加生存机会，这种空间就是井下避灾硐室。因此，本课题研究的主要意义在 于 1 强调煤矿事故后“预防为主“ 的思想，从事故后人员的逃生需求出发，进行 避灾硐室系统的反馈设计，满足灾害中人员的生存需求。对提高我国煤矿系统的抗灾、 减灾能力具有指导作用； ． 2 井下灾害一旦发生，遇难者心中有意识的“绿色通道“ 向避灾硐室系统逃生， 同时地面救援部队心中有“蓝图’’也能迅速的判断遇难者可能所在的位置，避免了救护 的盲目性。事故对人员、财产和环境造成的损失降低至最小程度，对减少我国煤矿事故 的伤亡具有重要的意义； 3 建立从地面救援一避灾路线逃生一进入井下避灾硐室的自救和互救相结合的 一套完整避灾系统。克服地面救援的单一性，从而实现“立体”救援。提出并实施了新 的救援思路，对我国的煤矿安全及矿山救护的健康发展有积极的推动作用； 4 弥补在接近矿难发生临界点的事故救生设备、设施处于空白的状态。课题研 究将对我国采矿工程设计提出新的内容，完善我国采矿工程设计手册的设计内容。 1 ．5 论文研究的主要内容及技术路线 1 ．5 ．1 主要研究内容 随着现代化生产的发展，煤矿企业生产规模也随着日趋扩大、生产过程中巨大能量 潜在着危险，尤其是火灾、瓦斯爆炸、水灾突出等事故危害极大。通过安全设计、操作、 维护、检查等措施，可以预防事故，降低风险，但还达不到绝对的安全。因此，需要让 井下作业人员能够迅速逃离危险地点，到达地面或者进入避灾硐室。井下避灾硐室系统 是煤矿有效减少灾害对人伤害的的必要手段。论文研究的主要内容 1 分析我国煤矿生产系统特点、煤矿灾害特点及现有避灾方式不足，结合国外 8 1 绪论 避灾硐室应用现状，提出建立井下避灾硐室系统的需求性；定义井下避灾硐室系统的概 念和基本构成；编制井下避灾的基本原则及各类煤矿灾害自救方法。 2 研究避灾硐室的位置。建立以逃生时间为主要参数的避灾硐室与人员集中点 的距离模型结合爆炸冲击波巷道传播规律，研究各区域避灾硐室的类型和布设； 3 设计符合规范的避灾硐室。根据不同类型避灾硐室的要求，给出设计依据、 原理和方法；对硐室设计提出基本要求； 4 以陈家山煤矿事故前的巷道布置系统为基础，设计陈家山煤矿井下避灾硐室 系统。 1 ．5 ．2 技术路线 本课题的主要目标是建立井下避灾硐室系统，主要研究方案分析井下避灾硐室系 统的主要构成及各部分的相互关系；在结合煤矿瓦斯爆炸对人员伤害的基础上，分析灾 后的生存时间，研究避灾硐室距工作面的一般距离，并用疏散时间检验避灾硐室离工作 面距离的合理性；分析爆炸冲击波巷道传播规律，研究各区域避灾硐室的分布特点；设 计出符合规范的避灾硐室；以“陈家山1 1 ．2 8 特大瓦斯爆炸事故“ 为例，分析井下避灾 系统对煤矿救灾的作用。技术路线见图1 ．1 。 图1 ．1 技术路线图 9 西安科技大学硕士学位论文 2 井下避灾硐室系统研究 2 ．1 避灾硐室的需求性分析 2 ．1 ．1 煤矿生产系统特点 我国的现代化矿井多是“一井两面“ 或“一井一面“ 的生产模式，日产万吨以上。 随机械化的发展晗1 | ，大中型矿井以发展综采为主，例如，大柳塔煤矿是神华集团神府东 胜煤炭有限责任公司所属的一座特大型现代化矿井，全矿年产原煤1 4 1 1 万t 、其中大柳 塔井9 3 4 万吨、活鸡兔井4 7 7 万t ；平均日产原煤4 ．1 3 9 7 万t ；全矿最高月产原煤1 4 4 ．8 万t ；全矿最高同产原煤7 ．0 8 万t ；全员工效1 0 6 ．3 4 t ／工；回采工效4 4 0 ．2 9 t ／工。其矿井 井巷布置充分利用了煤层赋存稳定，开采条件好的优势，采用平硐开拓方式，盘区式布 置，沿煤层布置大巷，沿大巷两侧直接布置条带工作面。开拓系统由4 条平巷组成，一 条带式输送机大巷，两条辅助运输平巷，一条总回风巷。回采