乌兰煤矿地面钻孔式避难硐室的设计研究

黄 明,谢正连

(中煤科工集团重庆设计研究院，重庆 400016)

煤炭工业作为我国的基础产业，对于国民经济的发展具有重要的影响，在我国能源生产与消费中的主体地位短期内不会改变[1]。近些年，我国已在开采技术、作业环境、劳动防护、安全管理等方面取得了显著的成就，但由于种种原因，各类矿难事故仍时有发生。据统计，煤矿瓦斯事故中死亡人员的75％是由于有毒、有害气体(主要是一氧化碳)中毒死亡，而事故发生后第一时间所处的位置、所选择的路线对灾后救援是至关重要的[2]。国有大型矿井具有井筒深和运输距离长的特点，对灾后人员撤离工作带来一定的困难，而避难硐室对灾后人员逃生起着重要的作用。避难硐室根据所用时间长短，分为永久避难硐室和临时避难硐室；根据供氧方式不同，分为地面钻孔供氧式避难硐室和自供氧式避难硐室。本文结合乌兰煤矿实际情况，开展1150水平地面钻孔供氧式避难硐室的设计工作，以期改善乌兰煤矿安全防护水平，提高其矿井抗灾变能力，并为其他矿井避难硐室的设计建设提供工程范例。

1 矿井概况

乌兰煤矿位于贺兰山北段煤田呼鲁斯太矿区的北端，是神华宁夏煤业集团有限责任公司生产主焦煤的骨干矿井之一，属生产多年的老矿井。矿井于1966年7月开工建设，1975年6月30日正式建成投产，原设计生产能力0.9Mt/a。1996年进行技术改造及开拓延深，技术改造后矿井设计生产能力提升至1.5Mt/a；2004年再次进行技术改造，计划将矿井设计生产能力提升为2.4Mt/a。

按照《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》(国发〔2010〕23号)文件要求，神华宁煤集团要求乌兰煤矿在2012年6月底前，完成紧急避险系统的建设完善工作，根据矿井实际情况决定在+1150m水平布置地面钻孔供氧式避难硐室。

2 避难硐室的功能及布置原则

地面钻孔供氧式避难硐室建立的目的是当发生煤与瓦斯突出、瓦斯、煤尘爆炸、火灾、冒顶片帮和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及时的、保证生存的、安全可靠的避难空间。因此，要求避难硐室具备以下功能：①防火防爆、抗高温和冲击波破坏的功能；②隔绝有毒有害气体的功能；③氧气供给和空气净化功能；④信息通讯和信号传输功能；⑤能量供给和维持生存基本需求功能；⑥地面压风供氧、流食供给和通讯传输功能。

3 避难硐室的选址

根据乌兰煤矿实际情况并结合避难硐室的布置原则，确定将1150非常材料库改装成地面钻孔供氧避难硐室，为南北翼采区的作业人员及其他作业人员提供避难场所。

4 避难硐室的构建

4.1 规模尺寸

1) 规模：根据1150水平避难硐室的位置，并结合周围有效区域内人员分布情况，确定避难硐室最多容纳100人。

2) 尺寸：根据1150水平非常材料库的水文地质、矿压分布情况，结合设计规模，保证人均面积不小于0.75m2,将该处地面钻孔供氧式避难硐室设计为缓冲区及避难区，北侧缓冲区长11.0m，南侧缓冲区长为17.0m，避难区长24.4m；硐室整体截面为净宽4.6m，净高4.4m，具体尺寸及内部布置情况如图1所示。

图1 避难硐室尺寸及内部布置图

4.2 支护方式

根据选址处岩体的硬度及矿压情况，整个避难硐室截面形状初步设计成直墙半圆拱形，根据截面形状和以往支护经验，避难硐室由岩体向避难硐室内部支护方式分别为锚杆、锚网和锚索联合支护层；混凝土层，混凝土强度为C30。

5 避难硐室系统组成

5.1 地面钻孔系统

钻孔内部布置。根据避难硐室中间硐室密闭性要求，地面钻孔位置设计在缓冲硐室的小硐室内。钻孔内包括压风管路、动力电缆套管、通信监测套管以及流食管。

地面钻孔布置。乌兰煤矿钻孔孔深为450m，0～100m 孔径为310mm，安装DN275mm壁厚10mm的无缝钢管，100～450m孔径为255mm，安装DN225mm壁厚10mm的无缝钢管，在钻孔与管壁周围压入水泥浆并凝固72h。

吊装工艺。①DN225无缝钢管采用焊接的方式固定于地面槽钢上，槽钢下使用工字钢作为支撑。②大套管内部压风管等使用吊车进行分段式吊装。露出地面套管焊接与法兰盘上，并采用上下托盘锁紧的形式。③动力、通讯等电缆在钻孔口使用卡套将电缆与钢丝绳卡牢，钢丝绳捆绑在工字钢上，用钢丝拧紧。

5.2 避难硐室供氧系统

避难硐室内采用地面钻孔供氧、井下压风供氧、生氧净化器供氧等多种供氧方式。

地面钻孔供氧。地面钻孔供氧是通过硐室内与地面贯通的钻孔为硐室内提供压缩空气。发生紧急情况时，地面的压缩机通过钻孔内压风管道为硐室内提供压缩空气。地面选用LGCY-16型空压机2台(1用1备)。

井下压风供氧。矿井压风供氧通过引入井下现有压风管路，与硐室内部的压风控制系统和布气系统相连接为避难硐室内供氧，满足避难硐室内人员的氧气需求，同时形成内外正压，防止毒害气体的渗入。

生氧净化器供氧。通过高压氧气等瓶生氧净化器设备，在释放氧气的同时去除空气中多余的CO2、水和有害气体，达到供氧、调节空间内湿度及除害的目的。

供氧方式的启动原则。优先选用地面钻孔向硐室供氧，其次采用井下压风系统供氧。若地面钻孔和井下压风系统均遭中断或破坏，则开启氧气瓶向硐室供氧。

5.3 供电系统

避难硐室内除了引进巷道内动力电缆外，还从地面单独供应了动力电缆，从而形成两个独立的供电系统。当灾害损坏了巷道内电缆时，启动地面救援机房中发电机组开始供电。

5.4 通讯、监测系统

设置两路固定电话，一路布置于避难室，信号直接通过地面钻孔通讯电缆与地面调度室相接；另一路布置于缓冲硐室内，与硐室外的井下通信系统相接。

硐室内外均布置七合一监测器，能够同时监测O2、CO2、CH4、温湿度等七种环境参数。监测器的信号通过地面钻孔中的通讯电缆实时传输到地面调度室。

5.5 人员定位、摄像系统

人员定位及摄像系统位于避难室两端。人员定位选用KJ139型分站及读卡器，通过井下MHYV1×4×7/0.52电缆及地面钻孔中MHYVP-2×20×0.43电缆地面调度室连接；摄像系统选用KBA113A摄像仪与KTG102-127A型四路光端机，通过井下与地面钻孔内的MGTSV-8B型光缆传输信号。

5.6 回风系统

避难硐室内采用井下压风或钻孔压风系统供风，稀释硐室内有毒有害气体并降低硐室温度，污风采用两种方式排出。一种是当硐室内气压超过硐室外300Pa时，硐室两端超压排气阀将自动打开。另一种通过地面钻孔向地面排出。

5.7 排水系统

硐室两端均设置排水系统，排水管路深埋至硐室外排水沟，排水坡度3‰，排水端口连接单向阀，防止水灾情况下巷道积水逆流进硐室。

5.8 医疗卫生系统

避难室内备有4个急救箱，备有止血剂、消毒液、绷带等药品，以便处理避险时的受伤人员。缓冲硐室内放置4个打包式马桶搜集粪便等生活垃圾。

5.9 生活系统

硐室内备有瓶装矿泉水、军用压缩饼干和营养液以保证100人96h所需，若避险时间较长，地面人员可通过钻孔流食管向硐室输送流食。

6 结论

1) 通过分析乌兰煤矿的生产现状，并根据避难硐室的布置原则，确定了地面钻孔式避难硐室的主要功能及避难硐室的合理位置。

2) 根据避难硐室各区域功能，确定了合理的硐室规模、尺寸以及硐室的支护方式，确保了避难硐室的安全性及稳定性。

3) 通过分析研究影响人类生存环境的因素，在设计过程中采用先进技术，完善了避难硐室的9大系统，以保证避难硐室内人员的生存和设备的正常运行，充分体现了地面钻孔式永久避难硐室的“可靠性、完善性、先进性”等技术特点。

4) 乌兰煤矿地面钻孔式永久避难硐室的设计与建设，可为灾后井下无法撤离的遇险人员提供一个安全的密闭空间，创造基本的生存条件，使灾后应急救援模式由原来的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。

[1]袁学良.煤炭行业循环经济发展理论及应用研究[D].济南：山东大学，2008.

[2]张大明，马云龙，丁延龙.矿井避难硐室研究与设计[J].中国安全生产科学技术，2009，5(3)：194-198.

[3]孟磊，赵毅鑫，姜耀东，等.煤矿井下避难硐室系统设计的探讨[J].煤矿安全，2011，42(11)：144-147.

[4]郝迎格，王旭，郭英，等.南屯煤矿采区避难硐室设计[J].煤矿安全，2011，42(8)：98-100.

[5]张为，赵宏伟，杨明，等.煤矿避难硐室设计研究[J].建井技术，2011，32(4)：26-29.

[6]中煤科工集团重庆设计研究院.神华宁煤集团乌兰煤矿二水平安全技术改造补套工程及三水平延深初步设计[Z].2010.