地面鉆孔式避難硐室的研究與設計

摘要：通過地面鉆孔至避難硐室，為避難硐室提供可靠的供氧、動力、通訊、監控及養料補給，是現行緊急避險系統主要方式之一。文章通過對地面鉆孔式避難硐室與其他形式的緊急避險系統進行比較，以及對地面鉆孔式避難硐室的設計方案進行論述，為今后研究和建設地面鉆孔式的避難硐室提供參考和借鑒。

關鍵詞：地面鉆孔；避難硐室；緊急避險系統；煤礦救援

中圖分類號：X928 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0026-03

安全生產是煤礦永恒的主體。國家安全監管總局、國家煤礦安監局先后下發多個文件、采取多種措施，規范和有力推進“六大系統”建設。緊急避險系統是井下安全避險“六大系統”的核心內容，緊急避險系統的建設和管理是安全避險“六大系統”建設完善工作的重點和難點。合理設計、建設和管理緊急避險系統，對建設完善安全避險系統整體功能，保障遇險人員生命安全，減輕災害影響程度具有特別重要的意義，是煤礦安全生產的重要內容。

1 建設緊急避險系統的意義

根據國內外典型的事故進行分析發現，發生在工作面的爆炸事故，工作面區域人員絕大多數立即死亡；發生在工作面以外的爆炸事故，工作面區域的人員死亡絕大部分發生在逃生途中，死亡原因多為逃生或逃生受阻過程中窒息、中毒及火災等情況。而緊急避險系統正是為了在逃生路徑被阻和直接逃生不具備條件的情況下，為救援贏得了緩沖時間，為避險人員提供休息、更換自救器，處理傷口的安全空間。

緊急避險系統是一個安全的密閉空間，對外能抵御高溫煙氣，隔絕有害氣體；對內能為遇險人員提供氧氣、水、食物、藥品、自救裝置等；遇險人員可以在這里休息、處理傷口等待救援，也可以在這里更換自救器，在險情緩解后繼續逃生。建設完善緊急避險系統，要堅持與礦井安全實際需要相結合，從實際出發，堅持科學合理、安全可靠、因地制宜、簡單實用的原則。

2 國內外緊急避險系統發展背景

在國外避難硐室的建設已經有數十年的歷史，其中加拿大、南非、美國、澳大利等采煤大國法律強制礦井必須建設應急避險設施。國家安全監管總局、國家煤礦安全局先后出臺《煤礦井下應急避險系統建設管理暫行規定》、《煤礦井下安全避險“六大系統”建設完善基本規范（試行）》、《關于煤礦井下緊急避險系統建設管理有關事項的通知》，對應急避險系統建設、完善、驗收和維護管理均提出了具體要求，目前，全國各煤礦企業正在有序地開展應急避險系統的建設工作。

3 緊急避難設施的分類

井下緊急避險設施主要有避難硐室和可移動式救生艙。隨著緊急避險系統建設完善工作的不斷推進，將不斷涌現新類型、新型式的緊急避險設施。

永久避難硐室設置在礦井大巷或采區避災路線上，服務于整個礦井、水平或采區，服務年限一般不低于5年。避險人數在60～100之間。

臨時避難硐室設置在采掘區域或采區避災路線上，主要服務于采掘工作面及其附近區域，服務年限一般不大于5年。避險人數在15～40之間。

避難硐室依據供氧方式又可以分為地面鉆孔式、專用管路供氧方式和自備供氧方式三種。

可移動式救生艙是井下發生災變事故時，為遇險人員提供應急避險空間和生存條件，并通過牽引、吊裝等方式試驗移動，以適應礦井采掘作業要求的避險設施。根據外殼材質，救生艙又可以分為硬體式和軟體式。前者采用鋼鐵等硬質材料制作。后者采用阻燃、耐高溫帆布等軟質材料制作，依靠快速自動充氣膨脹架設。根據機械結構特點，又分為組合式和整體式兩種。現行緊急避險系統分類如圖1所示。

4 地面鉆孔式的避難硐室

地面鉆孔式避難硐室采取鉆孔方式使避難硐室與地面聯通，在鉆孔內鋪設壓風管路、供給管路、動力電纜、通訊信號電纜，通過鉆孔為避難硐室提供可靠安全的壓風、動力電、生命補給及通訊等。由于鉆孔施工時間長、造價高、施工困難等原因，鉆孔方式多用于永久避難硐室。鉆孔式避難硐室一般采取管路供氧和自備氧作為輔助供氧形式，不僅提高了供氧的可靠性，同時也為開啟地面壓風設備及供電設備提供時間。

5 地面鉆孔式避難硐室優缺點分析

地面鉆孔式的避難硐室的氧氣、水、電供應沒有時間限制，而自備氧供氧方式的緊急避險系統，不管是壓縮氧氣供氧，還是化學制氧方式供氧，氣瓶、藥劑、水和電都是有限的，一般供應量為額定人數96小時的消耗量。從避險時的氧氣、水和電的供應時限上，地面鉆孔式的避難硐室比自備氧方式的緊急避險系統更加安全有效。地面鉆孔式的避難硐室的供給管路不受瓦斯爆炸或冒頂定等災害的影響，同時維護容易，不存在中斷和泄露的問題。而專用管路供氧方式的緊急避險系統，在發生災害時，管路容易受到破壞，或維護過程出現疏忽，存在管路中斷或者泄露的隱患。所以地面鉆孔式避難硐室的供給方式比專用管路形式的緊急避險系統供給方式更加安全可靠。地面鉆孔式避難硐室缺點在于工期長，初期投資大，地質條件影響大。

6 設計示例

以開灤集團單侯礦井底車場永久避難硐室為例，對鉆孔式避難硐室設計方案進行說明。

6.1 概況

該避難硐室設置在井底車場附近的井下避災路線上，主要服務南翼生產區域、井底車場、大巷區域、北翼生產區域、首采區域等，在這些區域內可以在30min內步行到達避難硐室的人員總數為90人左右，該避難硐室設計額定人數為100人。一個生存室，兩個過渡室，硐室出口共2處，每個出口設置防爆密閉門和密閉門。井底車場

永久避難硐室過渡室凈面積23m2，生存室面積為120m2。

6.2 鉆孔設計

從地面鉆孔至避難硐室，下直徑273mm鉆孔套管（1），套管內布置直徑159mm的壓風管（2）、通訊光纜（3）、動力電纜（4）、直徑59mm供水管（5）。如圖2所示。

6.3 硐室內各系統

本硐室主要包括：密閉防護系統、氣幕噴吹系統、壓風供氧系統、生活保障系統、動力保障系統、壓縮氧供氧系統、環境監控系統、通訊保障系統、供水施救系統、照明系統及人員定位系統等11個系統。主要布置如圖3所示，包括硐室外環境監測（1）、照明（2）、防護密閉門（3）、過渡室環境監測（4）、監控基站（5）、流量計（6）、過濾器（7）、減壓閥（8）、總閥門（9）、鉆孔供給管（10）、自動打包坐便器（11）、垃圾箱（12）、照明綜保（13）、電磁開關（14）、饋電開關（15）、人員定位讀卡器（16）、充電器（17）、蓄電池（18）、電話（19）、語音廣播終端（20）、靜壓水（21）、供氧箱（22）、生存室環境監測（23）、消音器（24）、儲物座椅（25）、生活保障用品（26）、紅外攝像頭（27）、防護門（28）、壓縮氧氣（29）、氣幕噴吹系統（30）。

圖3

6.3.1 密閉防護系統。避難硐室采用向外開啟的兩道門結構。外側第一道門采用能抵擋0.3MPa的沖擊波，抵抗瞬時1200℃高溫的防護密閉門，該門具有足夠的氣密性，阻擋室外有毒有害氣體進入、開閉靈活，門上有觀察孔。第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門。

6.3.2 氣幕噴吹系統。氣幕噴吹系統的功能是將壓縮空氣通過氣幕管形成氣幕，在硐室門處形成一個幕障，避險人員進入時，阻擋室外有毒有害氣體進入室內，盡量減少對避險人員生存環境的污染。噴淋設備用強大的氣流再將人身上的附著的有害氣體及污物清洗掉，同時置換有害氣體。如圖3所示，包括：限位開關（1）；氣幕開關（2）；氣囊（3）；空氣總閥門（4）；匯流排（5）；壓力表（6）；氣瓶減壓閥（7）；氣瓶開關閥（8）；空氣瓶（9）；壓縮空氣閥（10）；壓縮空氣閥（11）；噴吹噴頭（12）；氣幕（13）。

圖4

6.3.3 壓風供氧系統。壓風供氧系統是將地面壓風通過壓風管路接入硐室，再經過三級過濾器、減壓閥和消音器等裝置對其進行處理后，為硐室提供清潔的空氣。如圖5所示，包括：消音器（1）；總閥門（2）；三級過濾器（3）；減壓閥（4）；壓風供氧閥門（5）；壓風流量計（6）。

圖5

6.3.4 生活保障系統。避難硐室配備壓縮食品、飲用水、儲物座椅、自動打包坐便器、自救器、蘇醒器、急救箱、工具箱、醫療箱、滅火器、擔架等生活必須品和救護用品。

6.3.5 動力保障系統。本硐室采用雙路660V供電電纜接入永久避難硐室，一路引自井下中央變電所，另一路引自地面變電站。兩路電源通過礦用隔爆饋電開關切換，為避難硐室內照明、監控分站等供電。

6.3.6 壓縮氧供氧系統。壓縮氧供氧系統是使用壓縮氧氣瓶對硐室進行供氧。避險時，如果壓風管路中斷，使用該系統對硐室進行供氧，硐室氧氣濃度應控制在18.5%～23%之間。如圖6所示，包括：硐室內減壓閥（1）；硐室內流量閥（2）；供氧箱出口壓力表（3）；供氧箱進口壓力表（4）；總閥門（5）；匯流閥門（6）；減壓閥（7）；壓縮氧氣瓶（8）。

圖6

6.3.7 環境監控系統。環境監測系統包括硐室外環境監測、過渡室環境監控、生存室環境監測。硐室外環境監測共監測4個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度；過渡室環境監控共監測2個環境參數，包括：O2濃度、CO濃度；生存室環境監測共監測7個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度、溫度、濕度、壓差。所有環境參數都實時傳送并顯示到地面調度室和生存室的監測分站上，并在以上環境參數超限時發出警報，提醒硐室內人員采取相應的措施保護環境的穩定。

6.3.8 其他設施。通訊保障系統的電話、攝像頭、語音廣播和人員定位系統的讀卡器等設備通過鉆孔光纜與地面聯通，在避險時，地面救援指揮人員可以通過這些設備了解硐室內的各種情況，制定有效的救援方案。供水施救系統和照明系統也與地面相應系統相連，保證避險時，硐室內的水、電供應。

7 結語

建設緊急避險系統是煤礦安全生產的有效保證，其中地面鉆孔式避難硐室具有安全性高，避險時間無限制等優點，是其他形式的避難硐室無法比擬的，如果能對其進行進一步研究，降低其制造成本和難度，其必將成為煤礦安全設施的主要組成部分和發展方向。

參考文獻

[1] 趙利安，王鐵力.國外井工礦避災硐室的應用及啟示[J].煤礦安全，2008，（2）.

[2] 陳文學.煤礦重大事故風險監控與應急救援方法體系研究[D].山東科技大學，2005.

[3] 韓海榮，金龍哲.常村礦避難硐室地面鉆孔生命保障系統研究[J].金屬礦山，2011，（5）.

[4] 孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究

[J].煤炭學報，2011，（5）.

[5] 張大明，馬云東.礦井避難硐室研究與設計[J].中國安全生產科學技術，2009，（5）.

作者簡介：孫洪軍（1979-），男，供職于唐山開灤廣匯設備制造有限公司，研究方向：機械設計及其自動化 。

本硐室主要包括：密閉防護系統、氣幕噴吹系統、壓風供氧系統、生活保障系統、動力保障系統、壓縮氧供氧系統、環境監控系統、通訊保障系統、供水施救系統、照明系統及人員定位系統等11個系統。主要布置如圖3所示，包括硐室外環境監測（1）、照明（2）、防護密閉門（3）、過渡室環境監測（4）、監控基站（5）、流量計（6）、過濾器（7）、減壓閥（8）、總閥門（9）、鉆孔供給管（10）、自動打包坐便器（11）、垃圾箱（12）、照明綜保（13）、電磁開關（14）、饋電開關（15）、人員定位讀卡器（16）、充電器（17）、蓄電池（18）、電話（19）、語音廣播終端（20）、靜壓水（21）、供氧箱（22）、生存室環境監測（23）、消音器（24）、儲物座椅（25）、生活保障用品（26）、紅外攝像頭（27）、防護門（28）、壓縮氧氣（29）、氣幕噴吹系統（30）。

圖3

6.3.1 密閉防護系統。避難硐室采用向外開啟的兩道門結構。外側第一道門采用能抵擋0.3MPa的沖擊波，抵抗瞬時1200℃高溫的防護密閉門，該門具有足夠的氣密性，阻擋室外有毒有害氣體進入、開閉靈活，門上有觀察孔。第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門。

6.3.2 氣幕噴吹系統。氣幕噴吹系統的功能是將壓縮空氣通過氣幕管形成氣幕，在硐室門處形成一個幕障，避險人員進入時，阻擋室外有毒有害氣體進入室內，盡量減少對避險人員生存環境的污染。噴淋設備用強大的氣流再將人身上的附著的有害氣體及污物清洗掉，同時置換有害氣體。如圖3所示，包括：限位開關（1）；氣幕開關（2）；氣囊（3）；空氣總閥門（4）；匯流排（5）；壓力表（6）；氣瓶減壓閥（7）；氣瓶開關閥（8）；空氣瓶（9）；壓縮空氣閥（10）；壓縮空氣閥（11）；噴吹噴頭（12）；氣幕（13）。

圖4

6.3.3 壓風供氧系統。壓風供氧系統是將地面壓風通過壓風管路接入硐室，再經過三級過濾器、減壓閥和消音器等裝置對其進行處理后，為硐室提供清潔的空氣。如圖5所示，包括：消音器（1）；總閥門（2）；三級過濾器（3）；減壓閥（4）；壓風供氧閥門（5）；壓風流量計（6）。

圖5

6.3.4 生活保障系統。避難硐室配備壓縮食品、飲用水、儲物座椅、自動打包坐便器、自救器、蘇醒器、急救箱、工具箱、醫療箱、滅火器、擔架等生活必須品和救護用品。

6.3.5 動力保障系統。本硐室采用雙路660V供電電纜接入永久避難硐室，一路引自井下中央變電所，另一路引自地面變電站。兩路電源通過礦用隔爆饋電開關切換，為避難硐室內照明、監控分站等供電。

6.3.6 壓縮氧供氧系統。壓縮氧供氧系統是使用壓縮氧氣瓶對硐室進行供氧。避險時，如果壓風管路中斷，使用該系統對硐室進行供氧，硐室氧氣濃度應控制在18.5%～23%之間。如圖6所示，包括：硐室內減壓閥（1）；硐室內流量閥（2）；供氧箱出口壓力表（3）；供氧箱進口壓力表（4）；總閥門（5）；匯流閥門（6）；減壓閥（7）；壓縮氧氣瓶（8）。

圖6

6.3.7 環境監控系統。環境監測系統包括硐室外環境監測、過渡室環境監控、生存室環境監測。硐室外環境監測共監測4個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度；過渡室環境監控共監測2個環境參數，包括：O2濃度、CO濃度；生存室環境監測共監測7個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度、溫度、濕度、壓差。所有環境參數都實時傳送并顯示到地面調度室和生存室的監測分站上，并在以上環境參數超限時發出警報，提醒硐室內人員采取相應的措施保護環境的穩定。

6.3.8 其他設施。通訊保障系統的電話、攝像頭、語音廣播和人員定位系統的讀卡器等設備通過鉆孔光纜與地面聯通，在避險時，地面救援指揮人員可以通過這些設備了解硐室內的各種情況，制定有效的救援方案。供水施救系統和照明系統也與地面相應系統相連，保證避險時，硐室內的水、電供應。

7 結語

建設緊急避險系統是煤礦安全生產的有效保證，其中地面鉆孔式避難硐室具有安全性高，避險時間無限制等優點，是其他形式的避難硐室無法比擬的，如果能對其進行進一步研究，降低其制造成本和難度，其必將成為煤礦安全設施的主要組成部分和發展方向。

參考文獻

[1] 趙利安，王鐵力.國外井工礦避災硐室的應用及啟示[J].煤礦安全，2008，（2）.

[2] 陳文學.煤礦重大事故風險監控與應急救援方法體系研究[D].山東科技大學，2005.

[3] 韓海榮，金龍哲.常村礦避難硐室地面鉆孔生命保障系統研究[J].金屬礦山，2011，（5）.

[4] 孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究

[J].煤炭學報，2011，（5）.

[5] 張大明，馬云東.礦井避難硐室研究與設計[J].中國安全生產科學技術，2009，（5）.

作者簡介：孫洪軍（1979-），男，供職于唐山開灤廣匯設備制造有限公司，研究方向：機械設計及其自動化 。

本硐室主要包括：密閉防護系統、氣幕噴吹系統、壓風供氧系統、生活保障系統、動力保障系統、壓縮氧供氧系統、環境監控系統、通訊保障系統、供水施救系統、照明系統及人員定位系統等11個系統。主要布置如圖3所示，包括硐室外環境監測（1）、照明（2）、防護密閉門（3）、過渡室環境監測（4）、監控基站（5）、流量計（6）、過濾器（7）、減壓閥（8）、總閥門（9）、鉆孔供給管（10）、自動打包坐便器（11）、垃圾箱（12）、照明綜保（13）、電磁開關（14）、饋電開關（15）、人員定位讀卡器（16）、充電器（17）、蓄電池（18）、電話（19）、語音廣播終端（20）、靜壓水（21）、供氧箱（22）、生存室環境監測（23）、消音器（24）、儲物座椅（25）、生活保障用品（26）、紅外攝像頭（27）、防護門（28）、壓縮氧氣（29）、氣幕噴吹系統（30）。

圖3

6.3.1 密閉防護系統。避難硐室采用向外開啟的兩道門結構。外側第一道門采用能抵擋0.3MPa的沖擊波，抵抗瞬時1200℃高溫的防護密閉門，該門具有足夠的氣密性，阻擋室外有毒有害氣體進入、開閉靈活，門上有觀察孔。第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門。

6.3.2 氣幕噴吹系統。氣幕噴吹系統的功能是將壓縮空氣通過氣幕管形成氣幕，在硐室門處形成一個幕障，避險人員進入時，阻擋室外有毒有害氣體進入室內，盡量減少對避險人員生存環境的污染。噴淋設備用強大的氣流再將人身上的附著的有害氣體及污物清洗掉，同時置換有害氣體。如圖3所示，包括：限位開關（1）；氣幕開關（2）；氣囊（3）；空氣總閥門（4）；匯流排（5）；壓力表（6）；氣瓶減壓閥（7）；氣瓶開關閥（8）；空氣瓶（9）；壓縮空氣閥（10）；壓縮空氣閥（11）；噴吹噴頭（12）；氣幕（13）。

圖4

6.3.3 壓風供氧系統。壓風供氧系統是將地面壓風通過壓風管路接入硐室，再經過三級過濾器、減壓閥和消音器等裝置對其進行處理后，為硐室提供清潔的空氣。如圖5所示，包括：消音器（1）；總閥門（2）；三級過濾器（3）；減壓閥（4）；壓風供氧閥門（5）；壓風流量計（6）。

圖5

6.3.4 生活保障系統。避難硐室配備壓縮食品、飲用水、儲物座椅、自動打包坐便器、自救器、蘇醒器、急救箱、工具箱、醫療箱、滅火器、擔架等生活必須品和救護用品。

6.3.5 動力保障系統。本硐室采用雙路660V供電電纜接入永久避難硐室，一路引自井下中央變電所，另一路引自地面變電站。兩路電源通過礦用隔爆饋電開關切換，為避難硐室內照明、監控分站等供電。

6.3.6 壓縮氧供氧系統。壓縮氧供氧系統是使用壓縮氧氣瓶對硐室進行供氧。避險時，如果壓風管路中斷，使用該系統對硐室進行供氧，硐室氧氣濃度應控制在18.5%～23%之間。如圖6所示，包括：硐室內減壓閥（1）；硐室內流量閥（2）；供氧箱出口壓力表（3）；供氧箱進口壓力表（4）；總閥門（5）；匯流閥門（6）；減壓閥（7）；壓縮氧氣瓶（8）。

圖6

6.3.7 環境監控系統。環境監測系統包括硐室外環境監測、過渡室環境監控、生存室環境監測。硐室外環境監測共監測4個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度；過渡室環境監控共監測2個環境參數，包括：O2濃度、CO濃度；生存室環境監測共監測7個環境參數，包括：CO2濃度、CO濃度、O2濃度、CH4濃度、溫度、濕度、壓差。所有環境參數都實時傳送并顯示到地面調度室和生存室的監測分站上，并在以上環境參數超限時發出警報，提醒硐室內人員采取相應的措施保護環境的穩定。

6.3.8 其他設施。通訊保障系統的電話、攝像頭、語音廣播和人員定位系統的讀卡器等設備通過鉆孔光纜與地面聯通，在避險時，地面救援指揮人員可以通過這些設備了解硐室內的各種情況，制定有效的救援方案。供水施救系統和照明系統也與地面相應系統相連，保證避險時，硐室內的水、電供應。

7 結語

建設緊急避險系統是煤礦安全生產的有效保證，其中地面鉆孔式避難硐室具有安全性高，避險時間無限制等優點，是其他形式的避難硐室無法比擬的，如果能對其進行進一步研究，降低其制造成本和難度，其必將成為煤礦安全設施的主要組成部分和發展方向。

參考文獻

[1] 趙利安，王鐵力.國外井工礦避災硐室的應用及啟示[J].煤礦安全，2008，（2）.

[2] 陳文學.煤礦重大事故風險監控與應急救援方法體系研究[D].山東科技大學，2005.

[3] 韓海榮，金龍哲.常村礦避難硐室地面鉆孔生命保障系統研究[J].金屬礦山，2011，（5）.

[4] 孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究

[J].煤炭學報，2011，（5）.

[5] 張大明，馬云東.礦井避難硐室研究與設計[J].中國安全生產科學技術，2009，（5）.

作者簡介：孫洪軍（1979-），男，供職于唐山開灤廣匯設備制造有限公司，研究方向：機械設計及其自動化 。