烏蘭煤礦地面鉆孔式避難硐室的設計研究

黃 明,謝正連

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016)

煤炭工業(yè)作為我國的基礎產(chǎn)業(yè)，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的影響，在我國能源生產(chǎn)與消費中的主體地位短期內(nèi)不會改變[1]。近些年，我國已在開采技術、作業(yè)環(huán)境、勞動防護、安全管理等方面取得了顯著的成就，但由于種種原因，各類礦難事故仍時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，煤礦瓦斯事故中死亡人員的75％是由于有毒、有害氣體(主要是一氧化碳)中毒死亡，而事故發(fā)生后第一時間所處的位置、所選擇的路線對災后救援是至關重要的[2]。國有大型礦井具有井筒深和運輸距離長的特點，對災后人員撤離工作帶來一定的困難，而避難硐室對災后人員逃生起著重要的作用。避難硐室根據(jù)所用時間長短，分為永久避難硐室和臨時避難硐室；根據(jù)供氧方式不同，分為地面鉆孔供氧式避難硐室和自供氧式避難硐室。本文結(jié)合烏蘭煤礦實際情況，開展1150水平地面鉆孔供氧式避難硐室的設計工作，以期改善烏蘭煤礦安全防護水平，提高其礦井抗災變能力，并為其他礦井避難硐室的設計建設提供工程范例。

1 礦井概況

烏蘭煤礦位于賀蘭山北段煤田呼魯斯太礦區(qū)的北端，是神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司生產(chǎn)主焦煤的骨干礦井之一，屬生產(chǎn)多年的老礦井。礦井于1966年7月開工建設，1975年6月30日正式建成投產(chǎn)，原設計生產(chǎn)能力0.9Mt/a。1996年進行技術改造及開拓延深，技術改造后礦井設計生產(chǎn)能力提升至1.5Mt/a；2004年再次進行技術改造，計劃將礦井設計生產(chǎn)能力提升為2.4Mt/a。

按照《國務院關于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國發(fā)〔2010〕23號)文件要求，神華寧煤集團要求烏蘭煤礦在2012年6月底前，完成緊急避險系統(tǒng)的建設完善工作，根據(jù)礦井實際情況決定在+1150m水平布置地面鉆孔供氧式避難硐室。

2 避難硐室的功能及布置原則

地面鉆孔供氧式避難硐室建立的目的是當發(fā)生煤與瓦斯突出、瓦斯、煤塵爆炸、火災、冒頂片幫和水災等礦井常見事故時，為井下有效區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員提供一個及時的、保證生存的、安全可靠的避難空間。因此，要求避難硐室具備以下功能：①防火防爆、抗高溫和沖擊波破壞的功能；②隔絕有毒有害氣體的功能；③氧氣供給和空氣凈化功能；④信息通訊和信號傳輸功能；⑤能量供給和維持生存基本需求功能；⑥地面壓風供氧、流食供給和通訊傳輸功能。

3 避難硐室的選址

根據(jù)烏蘭煤礦實際情況并結(jié)合避難硐室的布置原則，確定將1150非常材料庫改裝成地面鉆孔供氧避難硐室，為南北翼采區(qū)的作業(yè)人員及其他作業(yè)人員提供避難場所。

4 避難硐室的構(gòu)建

4.1 規(guī)模尺寸

1) 規(guī)模：根據(jù)1150水平避難硐室的位置，并結(jié)合周圍有效區(qū)域內(nèi)人員分布情況，確定避難硐室最多容納100人。

2) 尺寸：根據(jù)1150水平非常材料庫的水文地質(zhì)、礦壓分布情況，結(jié)合設計規(guī)模，保證人均面積不小于0.75m2,將該處地面鉆孔供氧式避難硐室設計為緩沖區(qū)及避難區(qū)，北側(cè)緩沖區(qū)長11.0m，南側(cè)緩沖區(qū)長為17.0m，避難區(qū)長24.4m；硐室整體截面為凈寬4.6m，凈高4.4m，具體尺寸及內(nèi)部布置情況如圖1所示。

圖1 避難硐室尺寸及內(nèi)部布置圖

4.2 支護方式

根據(jù)選址處巖體的硬度及礦壓情況，整個避難硐室截面形狀初步設計成直墻半圓拱形，根據(jù)截面形狀和以往支護經(jīng)驗，避難硐室由巖體向避難硐室內(nèi)部支護方式分別為錨桿、錨網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護層；混凝土層，混凝土強度為C30。

5 避難硐室系統(tǒng)組成

5.1 地面鉆孔系統(tǒng)

鉆孔內(nèi)部布置。根據(jù)避難硐室中間硐室密閉性要求，地面鉆孔位置設計在緩沖硐室的小硐室內(nèi)。鉆孔內(nèi)包括壓風管路、動力電纜套管、通信監(jiān)測套管以及流食管。

地面鉆孔布置。烏蘭煤礦鉆孔孔深為450m，0～100m 孔徑為310mm，安裝DN275mm壁厚10mm的無縫鋼管，100～450m孔徑為255mm，安裝DN225mm壁厚10mm的無縫鋼管，在鉆孔與管壁周圍壓入水泥漿并凝固72h。

吊裝工藝。①DN225無縫鋼管采用焊接的方式固定于地面槽鋼上，槽鋼下使用工字鋼作為支撐。②大套管內(nèi)部壓風管等使用吊車進行分段式吊裝。露出地面套管焊接與法蘭盤上，并采用上下托盤鎖緊的形式。③動力、通訊等電纜在鉆孔口使用卡套將電纜與鋼絲繩卡牢，鋼絲繩捆綁在工字鋼上，用鋼絲擰緊。

5.2 避難硐室供氧系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)采用地面鉆孔供氧、井下壓風供氧、生氧凈化器供氧等多種供氧方式。

地面鉆孔供氧。地面鉆孔供氧是通過硐室內(nèi)與地面貫通的鉆孔為硐室內(nèi)提供壓縮空氣。發(fā)生緊急情況時，地面的壓縮機通過鉆孔內(nèi)壓風管道為硐室內(nèi)提供壓縮空氣。地面選用LGCY-16型空壓機2臺(1用1備)。

井下壓風供氧。礦井壓風供氧通過引入井下現(xiàn)有壓風管路，與硐室內(nèi)部的壓風控制系統(tǒng)和布氣系統(tǒng)相連接為避難硐室內(nèi)供氧，滿足避難硐室內(nèi)人員的氧氣需求，同時形成內(nèi)外正壓，防止毒害氣體的滲入。

生氧凈化器供氧。通過高壓氧氣等瓶生氧凈化器設備，在釋放氧氣的同時去除空氣中多余的CO2、水和有害氣體，達到供氧、調(diào)節(jié)空間內(nèi)濕度及除害的目的。

供氧方式的啟動原則。優(yōu)先選用地面鉆孔向硐室供氧，其次采用井下壓風系統(tǒng)供氧。若地面鉆孔和井下壓風系統(tǒng)均遭中斷或破壞，則開啟氧氣瓶向硐室供氧。

5.3 供電系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)除了引進巷道內(nèi)動力電纜外，還從地面單獨供應了動力電纜，從而形成兩個獨立的供電系統(tǒng)。當災害損壞了巷道內(nèi)電纜時，啟動地面救援機房中發(fā)電機組開始供電。

5.4 通訊、監(jiān)測系統(tǒng)

設置兩路固定電話，一路布置于避難室，信號直接通過地面鉆孔通訊電纜與地面調(diào)度室相接；另一路布置于緩沖硐室內(nèi)，與硐室外的井下通信系統(tǒng)相接。

硐室內(nèi)外均布置七合一監(jiān)測器，能夠同時監(jiān)測O2、CO2、CH4、溫濕度等七種環(huán)境參數(shù)。監(jiān)測器的信號通過地面鉆孔中的通訊電纜實時傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室。

5.5 人員定位、攝像系統(tǒng)

人員定位及攝像系統(tǒng)位于避難室兩端。人員定位選用KJ139型分站及讀卡器，通過井下MHYV1×4×7/0.52電纜及地面鉆孔中MHYVP-2×20×0.43電纜地面調(diào)度室連接；攝像系統(tǒng)選用KBA113A攝像儀與KTG102-127A型四路光端機，通過井下與地面鉆孔內(nèi)的MGTSV-8B型光纜傳輸信號。

5.6 回風系統(tǒng)

避難硐室內(nèi)采用井下壓風或鉆孔壓風系統(tǒng)供風，稀釋硐室內(nèi)有毒有害氣體并降低硐室溫度，污風采用兩種方式排出。一種是當硐室內(nèi)氣壓超過硐室外300Pa時，硐室兩端超壓排氣閥將自動打開。另一種通過地面鉆孔向地面排出。

5.7 排水系統(tǒng)

硐室兩端均設置排水系統(tǒng)，排水管路深埋至硐室外排水溝，排水坡度3‰，排水端口連接單向閥，防止水災情況下巷道積水逆流進硐室。

5.8 醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)

避難室內(nèi)備有4個急救箱，備有止血劑、消毒液、繃帶等藥品，以便處理避險時的受傷人員。緩沖硐室內(nèi)放置4個打包式馬桶搜集糞便等生活垃圾。

5.9 生活系統(tǒng)

硐室內(nèi)備有瓶裝礦泉水、軍用壓縮餅干和營養(yǎng)液以保證100人96h所需，若避險時間較長，地面人員可通過鉆孔流食管向硐室輸送流食。

6 結(jié)論

1) 通過分析烏蘭煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)狀，并根據(jù)避難硐室的布置原則，確定了地面鉆孔式避難硐室的主要功能及避難硐室的合理位置。

2) 根據(jù)避難硐室各區(qū)域功能，確定了合理的硐室規(guī)模、尺寸以及硐室的支護方式，確保了避難硐室的安全性及穩(wěn)定性。

3) 通過分析研究影響人類生存環(huán)境的因素，在設計過程中采用先進技術，完善了避難硐室的9大系統(tǒng)，以保證避難硐室內(nèi)人員的生存和設備的正常運行，充分體現(xiàn)了地面鉆孔式永久避難硐室的“可靠性、完善性、先進性”等技術特點。

4) 烏蘭煤礦地面鉆孔式永久避難硐室的設計與建設，可為災后井下無法撤離的遇險人員提供一個安全的密閉空間，創(chuàng)造基本的生存條件，使災后應急救援模式由原來的被動待援改變?yōu)橹鲃幼跃扰c外部救援相結(jié)合，對于實現(xiàn)科學、有序、有效救援起到至關重要的作用。

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