国外井工矿避灾硐室的应用及启示.pdf

8 8 煤 矿 安 全 T o ta l 3 9 9 国外井工矿避灾硐室的应用及 赵利 安 ， 王铁 力 ． 辽宁工程技术大学硐室 资源与环境工程学院， 辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 白； 目 、 摘要 避灾 硐室作为一种能够减少井下由于各种灾害导致的人员伤亡的设施， 在国外采矿发达 国家已经得到了较为普遍的应用。为了促进避灾硐室的应用和发展， 本文首先简要介绍了国外 采矿发达国家避灾硐室的应用和发展情况， 然后论述了避灾硐室位置的确定， 强度要求， 主要功 能及分类， 内部 需要的基本设备 ， 密封和 空气监测、 调 节和过滤要求， 最后 ， 简述 了应用避 灾硐 室 存在的问题 ， 简要提 出了将来国内应用的启示。 ． 关键词 避 灾硐室； 采矿；井工矿；应用前景 中图分类号 T D 8 0 7 文献标识码 C 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 8 0 2 0 0 8 8 0 4 随着矿业 的发展 ， 矿井开采的规模越来越大， 井 下巷道越来越长 ， 巷道之间越来越复杂。这样 ， 当井 下灾难发生时， 人员逃生困难， 从而导致大量人员伤 亡。在我国， 每年的矿井事故 尤其是煤矿 都造成 大量人员伤亡， 其中绝大多数都是由于灾难所形成 的有毒烟气随风流蔓延， 导致井下人员中毒、 室息而 死亡 。应对的方法之一就是在矿工避灾路线上每隔 一 定距离设置一些避灾硐室。避灾硐室中有足以维 持数 日的生活必需品和其它辅助设施 ， 可以大大地 降低人员的伤亡程度 。目前， 在采矿发达国家 ， 避灾 硐室的应用 已经较为普遍， 而在国内， 其应用还很 少。因此， 有必要了解和学习国外避灾硐室的特点 和应用情况 ， 以便采用避灾硐室， 来减少我国的井下 人员伤亡事故 。 l 国外避灾硐室的发展和应用概况 自从 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 。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， 降低这两者的危 害。自从 2 0 0 0年以来， 澳大利亚的金属矿一直采用 可移动式避灾硐室， 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。 法 国煤炭研究所提出了充气硐室的设想 ， 并进 行了若干试验【 1 】 。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。充气硐室里应有压缩空 气送入的新鲜空气、 电话、 巷道平面图等。可见， 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 。 目前 ， 澳大利 亚、 美 国都 能够独立 生产避灾硐 室。移动避灾硐室一般用高强度钢材做成 ， 一般可 以容纳 8 2 0人不等 ， 避灾硐室最大的容纳人数可 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 Mi n e A R C公司已经研究 出一种新型的 H R M 型避灾硐室， 用 特殊材料做成 ， 它能够经受 2 0 0 0 。 C 火焰 2 h 的直接烘烤， 可用于煤矿井下使用。典型 的避灾硐室尺寸如表 1所示 。 表 1 美国的 S t r a t aP r o d u c t s 公司标准煤矿 避灾硐室标准尺 寸 】 m 注 括号内表示非煤矿山避灾硐室尺寸 当然了， 避灾硐室还可以根据客户的要求定做。 目 前， 澳大利亚、 美国、 加拿大和新西兰等国均 在不同程度上使用井下避灾硐室。其中， 澳大利亚 使用避灾硐室最为频繁， 在澳大利亚， 政府强制要求 所有的井工矿井都使用避灾硐室。加拿大甚至规定 了在避灾硐室内还要准备剃须刀、 毛毯等细节 。 维普资讯 煤 矿 安 全 2 0 0 8 0 2 8 9 美国的相关法律也规定要求井工矿井使用避灾硐 室， 然而矿业安全和健康管理局 M S H A 却没有严 格执行， 从而从某种程度导致了2 0 0 6年2月西弗吉 尼亚州萨戈煤矿 S a g o mi n e 爆炸 1 1窒息 1人爆炸 当场死亡 死亡的事故 引。 2 避灾硐室的位置 2 ． 1 避 灾硐 室按位置分类 避灾硐室按其所处位置可分为永久性的避灾硐 室和临时性的避灾硐 室。永久性避灾硐室 ， 通 常位 于主要运输巷道 内 采用永久性 的钻孔来 提供 呼吸 用的空气和通讯服务。临时性的避灾硐室一般选在 距采掘工作地点较近的独 头巷道 、 硐室或两道风 门 之间的巷道中。随着采矿活动的进行 ， 不断拆迁 、 重 建。也就是说， 当采矿活动转移到其它区域时， 避灾 硐室一般就要拆除 ， 用来建设其他 的避灾硐室。有 一 种特殊的临时避灾硐室 ， 其底部都安装有滑道 ， 能 够随着采掘工作的进行， 不断移动， 这种避灾硐室一 般被称为可移动的避灾硐室。为了实现灵活移动， 在硐室外部有水和空气和电力接头 ， 易于实现拆卸 、 移动和再连接。 2 ． 2距 工作 地 点 的距 离 避灾硐室的位置要在工作面附近 ， 还要考虑工 作面人员的需要 。最大距离要基于人员在合理 的状 态下采用合理的装备 以合适的行走方式在 自救器持 续时间限度内行走 的距离 。为 了安区起见 ， 国外一 般采用自救器持续时间的5 0 ％内能行走的距离， 原 因是 1 危险环境中的人员 的不安、 焦虑会对 自救 器的持续时间产生不利影响。 2 当行走时， 可能会碰到各种以预料的困难。 3 井下 的浓烟可能浓度极 大， 从而只可能采 用爬行的方式移动。 国外 的经验数据表 明 ， 矿工距离避灾硐室的最 大距离不能超过7 5 0 m， 这个距离是 自救器正常使 用时间的5 0 ％时间段 内， 人员正常行走 的的经验数 值。考虑一定安全系数是合理的， 因为澳大利亚井 下的经验表明， 在紧急情况下， 自救器的消耗要比预 想的高。 2 ． 3 避灾硐室在 围岩 中合理位置 设立避灾硐室的目的就是在危险情况下， 给井 下工作人员提供一个避灾所。因而要求避灾硐室的 位置要远离各种灾害 ， 应该 避免将避灾硐室设 置在 变电所 站 、 火药库、 燃油存贮设施或者停车点， 因 为它们存在潜在的火灾。例如 加拿大政府规定， 井 下避灾硐室至少距离火药库、 柴油存贮设施和燃料 站或电池充电站 1 0 0 ml3 J 。避灾硐室还应该远离各 种地质构造 区域 ， 例如 断层、 岩层 断裂破碎带 、 岩 脉， 不受地震活动或者其他扰动的影响。大的地下 位移如地震可能破坏避灾硐室及其 内部设备。避灾 硐室如果是永久固定的， 就要选择在足够强度的煤 层或者岩层中， 并且要有足够的非可燃物料保护厚 度； 如果是可移动的避灾硐室， 就要用不可燃的高强 度材料制作。避灾硐室的位置还要考虑不能设置井 在下容易积水 的地点 ， 这样 的话 在有水患 的时候可 能对硐室内的人员构成威胁 。 3 避灾硐室的强度要求 无论是永久避灾硐室和临时避灾硐室 ， 都要求 附近的巷道顶板支护应该有足够的强度， 应该达到 永久支护的程度。存料场、 车场 、 废弃的水泵房和风 桥等都可 以用来作为避灾硐室。如果是临时的避灾 硐室 ， 服务时 间太 长的话 ， 还要定期进行维 修。 目 前 ， 国外 的移动避灾硐室一般都是钢结构 ， 用 5 I n I n 厚的钢板制成， 十分耐用， 可以承受0 ． 1 M P a 的高 压。为 了适应不同的巷道 高度， 还采用 了油缸升降 装置， 使避灾硐室可 以调节高度 ， 从而提 高其 机动 性。而永久性的避灾硐室一般要求用水泥做成， 壁 厚为 1 m。 4 避灾硐室按运行功能分类 从避灾硐室功能来看， 现代的避灾硐室有 3 种 状态 备用、 外部支持和单机运行状态。 4 ． 1 备 用状 态 备用状态是避灾硐室处于无危急状况下， 此时 救援系统没有启动， 各种电源处于充电状态， 检测和 通讯系统处于未被激活状态。备用状态是准备阶 段， 如果需要， 则立即启动。要保证避灾硐室处于良 好状态 ， 需要专人定期检测。 4 ． 2 外部 支持状态 当有危险发生， 并且正常的电力、 压风和可饮用 水的供应没有受到影响时， 避灾硐室处于外部支持 状态 。在理想状态下 ， 可呼吸的空气可 以从地面通 过管线到达避灾硐室。当压缩空气管路被切断时， 可以通过防尘管路来进行空气输送。饮用水管线是 从地面通过独立的非金属管道到达避灾硐室。严格 地说， 如果输送可呼吸空气和饮用水的管线通过高 温的火灾区域， 则输送就会变得很难， 甚至不可能。 维普资讯 9 0 煤 矿 安 全 ‰ 1 3 9 9 因此， 避灾硐室的各种管线， 如水管、 电缆、 压缩空气 管最好采用不可燃的高强度材料制作。 4 ． 3 单机状态 当避灾硐 室的外部服务 如井下 电力、 压风 和 可饮用水等 被切断， 就必须独立地运行 ， 来确保 内 部人员的生存 ， 此时其处于单机运行状态。在危险 情况下， 避灾硐室被完全断绝外部供应的情况是存 在的。此时避灾硐室必须为避灾硐室中的人员提供 全面的， 独立的生存支持。这其中包括 1 供给可呼吸的空气。 2 维持避灾硐 室的电源。 3 提供可饮用水。 4 维持避灾硐室内的温度在诱发中暑的温度 以下 。 可呼 吸空气可通 过避灾硐室 内的氧气瓶来提 供， 瓶装医用氧气可以维持在人员3 6 h ， 每人每分钟 提供 0 ． 5 L的氧气。使用氧气烛也是挺好的一种方 供氧方式， 它是一种容易贮存和使用方便的固体氧 源。它蓄氧量高， 类似于液氧的密度 ， 大约是同体积 压缩氧的 3倍 。氧烛 比较稳定 ， 不会产生泄漏现象 ， 并且具有产氧迅速 、 产氧量大、 设备体积小、 重量轻 和贮存期长等优点， 可作为地下密闭空间应急用的 氧源。氧烛是以氯酸盐 如氯酸钠 为主体， 以金属 粉末为燃料， 添加少量的催化剂、 抑氯剂和粘结剂， 经混合后 ， 干 湿 压或浇铸而成的。 氧烛的工作原理是在有催化剂存在的条件下， 氯酸盐热分解放出氧气。氯酸盐分解所需热量 由金 属 F e 、 A I 、Mn和 Mg等 粉末燃烧 提供 ， 化学反应 方程式为 4MCI O3 一 A3 MC I O4 MC I 1 MCI O _ A M C I 2 0 2 2MCI O3 一 A MCI30 2 3 式中 M为碱金属 ， 氯酸盐热反应在适 中的温度 按式 1 、 2 进行， 高温的时候按式 3 进行。氯酸 盐热分解反应中若有水存在， 则会产生氯气， 化学反 应方程式为 2 M C I O 3 M 2 0 2 ． 5 o 2 c l 2 4 ‘ ‘ ‘ 、 人呼入氧气后 ， 会产生二氧化碳 ， 除去二氧化碳 用碱石灰 ， 主要成分是 8 0 ％的氧化钙、 3 ％的氢氧化 钠和 1 7 ％的水， 放热反应为 C O 2 H 2 O H 2 C O 5 H 2 C O 3 2 N a O H - - - N a 2 O H 2 H 2 0 6 N a C O 3 C a O H 2 C a C O 3 2 N a O Hh e a t 7 通过反应式 5 、 6 和 7 可知 ， 1 1 6 g的碱石 灰可以吸收2 2 ． 4 L的二氧化碳。 观察式 4 可发现， 反应中产生了氯气， 而且有 的催化剂反应过程中也会产生一氧化碳、 有机物和 烟尘等， 这些物质可以采用除氯剂、 霍加拉特剂、 玻 璃布等除去。 避灾硐室中的空气监测 、 空气净化 、 照明和电子 控制系统都要求要有 电源 。电源一般 为 2 2 0～2 4 0 V的交流电 ， 频率为 5 0～ 6 0 H z 。在正常情况下 ， 可 利用矿井下 电力系统供电。可是在特殊情况下 ， 矿 井电力系统如果被破坏 ， 这就危险 了。可 以有 以下 三种选择 1 独立的避灾硐室电源。通过特殊钻孑 L 或者 井筒 ， 给避灾硐室独立通 电。这种供 电方式对 于可 移动的避灾硐室不太合理， 而对于永久性的避灾硐 室， 的确是一种可选择的供电方式。 2 外置 电池 ， 可通 过专 门的外 置 电池供 电。 通常， 外置电池可以利用井下电源重复充电， 以备紧 急情况下使用。这种形式电源常常被使用。 3 采用各种发 电机临时发电。目前 ， 井下常 用 的是柴油机、 燃料 电池、 压缩空气发 电机 、 低 温电 源等。由于这些方式用于井下 ， 价格 昂贵。从 目前 使用情况来看， 采用临时井下发 电， 效果不理想， 用 的不多。 5 避灾硐室的基本要求 除了上述的要有可呼吸氧气产生装置 、 电源外 ， 饮用水 、 厕所等必不可少。饮用水可预先储备 ， 以备 紧急情况下使用。在避灾硐室内， 厕所一般为轻型 可移动的干式厕所。桌子和椅子可用来提供各种娱 乐 ， 分散注意力， 缓解紧张情绪 。 最后 ， 更为重要的是 ， 避灾硐室作为人 为创造的 一 个地下密闭空间， 有两个重要要求， 即 ①要尽量 严格密封， 与井下有毒有害气体和烟流隔绝； ②要对 避灾硐室内的空气成分进行监控， 适时进行调节的 过滤。 5 ． 1 避 灾硐 室的密封 避灾硐室里面处于正压状态， 其压力一般比外 界压力高 2 0 0 3 0 0 P a 。负压是不合适的， 因为工人 不是 1 次进入避灾硐室的， 这就要求避灾硐室的门 不停地打开和关闭， 因为处于正压， 这就防止了一些 有害的气体进入。另外， 如果避灾硐室封闭不严的 话， 正压也可防止有害气体进入。国外学者的研究 维普资讯 煤 矿 安 全 2 0 0 8 0 2 9 1 发现 ， 密封性不好的避灾硐室所造成 的的不利影响 远远大于避灾硐室的门开关数十次所带来的不利影 响。通用橡胶密封制品如氯丁橡胶 、 天然橡胶、 聚氨 脂橡胶等均可用来密封避灾硐室， 但是这类材料一 般在2 0 0 oC以下使用， 新型的耐高温的材料有的可 以忍耐 6 0 0 oC的高温。 5 ． 2 避 灾硐 室内空气调节和过滤 气体监视器用来随时了解密闭硐室内空气成分 的变化， 以便启动相应的仪器， 调节空气中各种气体 的比例 。因为人员要在避灾硐 室内生存 ， 就要首先 维持地 下硐 室 内空 气 中 的氧 气 体 积浓 度 不 低 于 1 9 ％ ～ 2 0 ％； 其次， 避灾硐室内的二氧化碳的浓度不 应高于 2 ％， 最好在 1 ％以下。 【 6 高温和高湿度不仅能引起最危险的中暑， 还会 形成一种 紧张的环境。显然 ， 避灾硐室 内有不少 电 力设备、 照明设备 ， 上述式 1 一 7 的反应 中有可 能放热 ， 外界传人避灾硐室 的热量都可能引起硐室 内温度升高。另外众所周知， 人体产生 2 ． 1 6～ 4 ． 3 2 M J 的热量也会促使硐室内温度升高。避灾硐室里 如果需要冷却 ， 可以采用制冷设 备 如标准空调调 或者化学制冷。 当人员与外界隔绝时， 由于蛋白质的分解而不 断散发出硫化氢、 氮和各类酸类等气体。这些臭气 气味不仅妨 碍呼吸 ， 还会 影响神经 中枢 ， 引起人头 痛、 恶心和呕吐。需要通过臭气 处理装置净化后排 放， 从而消除井下避灾硐室内的臭味、 异味。一般每 隔 3 4 h就要对避灾硐室内的空气进行过滤清理 ， 从 而防止臭味、 异味和热量的积聚。最后 ， 灭火器、 观察孔， 信号系统， 储藏室 储藏水、 食品、 衣物和救 援物品等 也是应该配备的。 后退式方法， 因此， 可以设想， 将来国内的避灾硐室 按区域划分， 可以建立三类避灾硐室 1 中央避灾硐室。可设在井底车场附近， 与 井下其他硐室 如医疗室、 候车室等 结合在一起。 这类硐室一般为永久性硐室， 依托巷道或者废弃硐 室， 用水泥砌筑， 为全矿井服务。 2 采区避灾硐室。设 于采 区安全出 口的路线 上 ， 距人员集中工作地点不超过 7 5 0 m 。为了节省 资金， 这种类型的避灾硐室最好充分利用围岩无裂 隙、 顶板完整、 支护有力的独头巷道、 存料场、 车场、 废弃的水泵房和风桥等。其容积应能容纳一个工作 班的采区全体人员 。如果 采区服务 时间长 ， 最好通 过从地面的钻孔的方式提供可呼吸空气和水等， 也 可以采用可移动避灾硐室。 3 采掘作业面避灾硐室。此类硐室属于临时 避灾硐室 ， 可以利用工作地点的临时巷道 、 硐室临时 修建。灾害发生后 、 正确 地选择修建 临时避难硐室 的地点， 往往 能对 受难人员 发挥很好 的救 护作用。 从目 前国外发展情况看， 采用可移动避灾硐室是一 种发展趋势。这种避灾硐室可以在顺槽内移动， 如 前面所述， 有的高度可以调节， 以适应各种不同尺寸 的顺槽。这种可移动硐室可真正做到有备无患， 有 效保护井下人员的 目的。 参考文献 [ 1 ] c ． 斯维克林斯基， R ． 络德尔． 矿井火灾安全防护对策 [ c ] ． 第 2 3届国际采矿安全会议论文集 1 7 ． [ 2]h t t p ／ ／ s t r a t a mi n e s e r v i c e s ．c o m ／ E m e r g e n e y R e f u g e B r o - c h u m． p 越 [ 3]h t t p ／ ／ w w w ．c a n l i i ．o r g ／ n s ／ l a w s ／ r agu ／ 200 3 r ．1 5 3 ／ 6 避灾硐室存在问题及在我国的应用设想 [ 4 ] 6 ． 1 目前避 灾硐 室存 在 问题 在井下设置避灾硐室的缺点是需要有复杂的后 勤服务， 以保证随着工作面的不断前进， 避灾硐室随 之前进。另外 ， 避灾硐室容纳人数不好确定。最后， 当井下发生在灾害时， 尤其是巷道内充满烟雾的情 况下， 工人如何迅速、 准确地找到避灾硐室， 还是一 个问题。但是这些缺点相对于挽救工人生命而言， 却是微不足道的。况且， 国外尤其是加拿大已经有 利用避灾硐室挽救工人的成功经验。 ” 6 ． 2 对我国煤矿应用避 灾硐 室的设 想 由于我国煤炭的赋存条件决定 了我国大、 中型 煤矿一般采井工分区式开拓， 采煤方法一般为长壁 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 2 0 0 5 1 2 1 6 ／ w h o l e ． h t m1 ． T h e S a g o M i n e D i s a s t e r [ N] ， The N e w Y o r k T i m e s， J a n u - a r y 5，2 0 0 6 ． 范敏，卜 建杰． 氧烛的研究现状与发展 [ J ] ． ， 船舶防 化， 2 0 0 6 4 81 0 ． 随鹏程． 矿工 自救与避 灾硐室 [ J ] ． 现代职业安全， 2 0 0 7 ． A Ⅱ7 2 m i n e r s s u r f a c e a f t e r S a s k a t c h e w a n fi r e [ N] ， C B C Ne ws ， 2 0 0 6一O 13 0 ． 作者简介 赵利安 1 9 7 3一 ， 男， 汉族， 陕西西安人， 1 9 9 9 年毕业于辽宁工程技术大学， 现为辽宁工程技术大学讲师， 从事采矿工程教学， 在读博士研究生， 研究方向 采矿工程和 浆体管道输送 ， 发表论文 1 0余篇。 收稿 日期 2 0 0 70 82 0 ； 责任编辑 齐秀昆 维普资讯