淮南地区煤矿气象灾害风险评估应用研究

2017-07-19王中洋颜俊

现代农业科技 2016年16期

王中洋++颜俊

摘要为了准确把握煤矿建设项目所处地域的气候背景及气象灾害发生规律，避免或减轻项目规划、建设及运营期因气象灾害造成的损失，该文主要针对大风、暴雨、雷电气象灾害因子，对其发生频率、影响程度进行分析，详实地评估煤矿可能遭受气象灾害的危险性，提出有针对性的对策及建议，为项目建设及投产后安全生产提供了科学的决策依据。

关键词气象灾害；煤矿；风险评估；安徽淮南

中图分类号 P49 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）16-0169-05

Abstract In order to accurately grasp the occurrence regularity of regional climate background and meteorological disasters of coal mine construction project，avoid or reduce the losses caused by meteorological disasters project planning，construction and operation period，this paper mainly analyzed occurrence frequency and impact of winds，heavy rain，thunder and lightning meteorological disaster factors，detailed evaluation the risk of meteorological disasters，put forward the countermeasures and suggestions，in order to provide a scientific basis for decision making of project construction and production safety.

Key words meteorological disaster；coal mine；risk assessment；Huainan Anhui

安徽是全国气象灾害较为严重的省份之一，气象灾害事件种类多，主要气象灾害事件有雷电、大风、强降水、暴雨、洪涝、高温、干旱、冰雪冻害、浓雾等，在全球气候变暖大背景影响下，各种极端灾害性天气频发，全省因气象灾害及其次生、衍生灾害造成的损失占全部自然灾害造成的损失比重呈上升趋势[1-2]。因此，加强对气象灾害风险因素的研究对制定防灾减灾对策，合理控制建设成本以及提供风险管理决策依据有着重要的现实意义。

1 项目概括

1.1 地理位置及建设内容

朱集西矿井及选煤厂项目，井田位于安徽省淮南市，跨越一区一县，东部属潘集区，西部属凤台县。勘查区中心东南距淮南市舜耕山为38 km，地理坐标：东经116°38′12″～116°45′43″，北纬32°52′25″～32°55′45″。施工区域内场地平整，周围道路通畅。通过对本井田资源条件和市場条件的分析、研究和论证，推荐矿井设计生产能力为400万t/年。矿井设计服务年限为77.1年。

项目建设内容主要包括了办公楼、综合楼、消防救护楼、设备维修中心、食堂、医院、1#～7#宿舍楼、设备库、钢材库、供应库、机厂库、110 kV变电所、矸石井架、主井架、副井架、主井栈桥、动筛车间、锅炉房烟囱、主选车间、原煤仓、压滤车间、降温机房、通风机房、产品仓等单体。

1.2 地理环境

项目所在地位于淮河中游，属淮河冲积平原，区内地形平坦，地面标高一般在+22.4～23.4 m，东北部有明龙山低矮山丘，最高点标高126 m。淮河为邻近本区主要河流，流经淮南时，一般水位标高为+15 m。历史最高水位标高为+25.63 m（1954年7月29日）。河床宽30～40 m，两岸地势低洼，雨季淮河水位上涨易成内涝。北部茨淮新河为人工开挖水利工程，宽约200 m，向东连接淮河。区内黑河宽2～10 m，系人工挖掘，为农灌之季节性水渠。

2 气候背景分析

安徽省地处中纬度地区，南北跨5个纬度，属暖温带向亚热带的过渡地带，是季风气候最为明显的区域之一。长江、淮河横贯省内，形成淮北、江淮之间和江南三大自然气候区。淮南属于淮河以南地区，是暖温带和亚热带的过渡地带，冷暖气团易在此交汇造成恶劣天气，而城市化进程的加快，势必造成区域气候的变化，在全球气候变暖大背景影响下，各种极端灾害性天气频繁袭击淮南，雷电、大风、暴雨、大雾、冰雪冻害、高温、台风和暴雪等天气成了危害淮南的主要气象灾害。

据凤台县气象局观测资料：年平均气温15.1 ℃，极端最高气温41.1 ℃（1959年8月24日），极端最低气温-21.7 ℃（1969年1月31日）。年平均降雨量975.38 mm（近5年），最大1 723.5 mm（1954年），最小471.9 mm（1966年），日最大降雨量320.44 mm，小时最大降雨量75.3 mm，降雨多集中在6—8月，约占全年的40%。最长连续降雨天数为12 d，最长连续无雨天数为68 d。年平均蒸发量1 610.15 mm（水面），最大2 008.1 mm（1959年），最小1 261.2 mm（1980年）。蒸发量大于降雨量，潮湿系数近似0.5。相对湿度最大为78%，最小为10.14%，平均为74%。初雪一般在11月上旬，终雪在次年3月中旬，雪期72～127 d，最长138 d，最短26 d，最长连续降雪6 d，日最大降雪量16 cm。冻结及解冻无定期，一般夜冻日解，冻结深度4～12 cm，最大冻结深度30 cm。

3 项目高影响度气象灾害选取

基于自然灾害风险形成理论，气象灾害风险是由危险性（致灾因子）、敏感性（孕灾环境）、易损性（承灾体）和抗灾能力四部分共同形成的。危险性表示引起灾害的致灾因子强度及概率特征，是灾害产生的先决条件；在气候条件相同的情况下，某个孕灾环境的地理地貌条件与致灾因子配合，在很大程度上能加剧或减弱气象灾害及次生灾害；易损性表示承灾体整个社会经济系统（包括人口、农业、经济等）易于遭受灾害威胁和损失的性质和状态；抗灾能力指承灾体抵御灾害的能力。对项目高影响度气象灾害选取时，主要从项目承灾体易损性，气象灾害致灾因子危险性和项目所在地孕灾环境敏感新这几个方面综合分析，最终确定灾害评估因子的选取。项目所在地属于典型的农村下垫面环境，结合煤矿安全生产的实际情况，通过对所在地孕灾环境敏感性分析，本文主要针对大风、暴雨、雷电灾害进行风险评估分析。

4 资料与评估方法

4.1 参证站的确定

根据可靠性、代表性、一致性的原则，考察地理位置距离项目邻近的4个气象站作为参证气象站，包括淮南、凤台、蒙城和怀远气象站（表1）。

4.2 资料介绍

淮南、凤台、蒙城、怀远和寿县国家气象站1981—2010年的地面气象观测站的观测资料，包括气温、降水、降雪、风速风向、雷暴、电线积冰等；安徽省2010年3月至2013年12月ADTD型闪电定位系统监测到的全省闪电资料；朱集西煤矿40个单体全套设计图（建筑、结构、电气）；项目所在地东、南、西、北4个方向的土壤电阻率勘测数据[1-3]。

4.3 大風灾害风险评估

4.3.1 建设区风及大风气候资料统计分析。项目区内大风一年四季均有发生，春、夏、秋季有强对流性的雷雨大风，夏、秋季节有台风，秋、冬、春季有冷空气大风等，均可能对项目区造成一定的破坏影响，其中破坏性最大的属强对流性的短时雷雨大风和台风。

根据30年（1981—2010年）气象整编资料统计结果，项目所在地全年主导风向为E风，出现频率占12%；其次为 ENE风，出现频率占10%；全年静风频率为9%。

参考项目周边的淮南市、凤台县、蒙城县和怀远县4个气象站，1981—2009年累年平均风速在2.4～3.0 m/s之间，且近10年逐年呈下降小幅趋势，波动较为平稳（图1）；从季节来看，春季风速最大，达到3.6 m/s，出现在3月，冬季和夏季相当，秋季最小，为2.0 m/s，出现在10月（图2）。

从月份分布上来看，所有月份均出现过大风天气，其中6月发生大风的频率最高。历史上的10 min平均最大风速的极大值出现在4月，达到20.0 m/s；3 s平均极大风速则出现在6月，达到27.0 m/s（表2）。

4.3.2 建设区项目各风向方位不同重现期最大风速。根据建筑物的结构特性，不同风向角度上的最大风速标准不同。因此，需要对凤台站10 min平均最大风速样本以16个不同风向方位进行分类，利用凤台站30年气象整编资料，分别计算出各自风向方位不同重现期的最大风速（表3、图3），结果显示：30年、50年和100年一遇最大风速均以东北偏东（ENE）为最大，分别为16.9、18.3、20.0 m/s；均以东南（SE）为最小，分别为9.5、10.0、10.8 m/s。

4.3.3 统计计算方法。利用经过均一性检验和订正的10 min平均年最大风速资料，采用极值I型（耿贝尔）的概率分布进行重现期计算。对于高层建筑和高耸结构建（构）筑物，重现期取50年，因此选取计算50年一遇的最大风速进行分析。

4.3.4 大风灾害易损性分析。项目所在气候区域50年一遇的最大风速极值为23.7 m/s，50年一遇的基本风压为0.350 kN/m2。建筑设计基本风压应大于项目所在区域的基本风压。

该项目最高建筑高度为75.0 m，井架上部受大风影响较大，在强风影响损坏情况下，有潜在的导致周围人员伤亡的危险。强烈的垂直风切变的存在会对建筑物造成强烈的破坏作用，给人类生产生活造成严重影响。根据风切变指数推算，得到该项目主井架、副井架和主选车间的顶层50年一遇大风极值分别为43.4、40.2、39.2 m/s。项目建设设计阶段应考虑风切变对项目可能造成的影响。

4.4 暴雨灾害风险评估

4.4.1 建设区降水及暴雨气候资料统计分析。参考项目周边凤台、淮南、蒙城和怀远4个气象站1981—2010年历年平均暴雨日数分别为3.5、3.3、3.1、2.9 d。从年变化来看，4站变化基本趋势一致，其中蒙城是2003年暴雨日数最多，达10 d；凤台和怀远则是1991年暴雨日数最多，分别达7、8 d；淮南1991年和2006年均为6 d。淮南和怀远2001年未出现暴雨，蒙城1992年未出现暴雨，凤台1986年和2004年未出现暴雨。总体来说，近20年暴雨日数集中出现在1991年、1995年、2003年、2005年和2010年（图4）。

从月（季）分布来看（图5），4个站夏季（6月、7月、8月）的暴雨日数多，其中7月最多。由表4可知，累年最大日降水量达167.4～265.3 mm，出现在6月、7月，4个站最大日降水量均超过100 mm；累年最长连续降水量均集中在6月、7月，达324.0～515.7 mm；4个站的累年最长连续降水日数在7月均达到或超过10 d，另外淮南在1月、3月、8月和10月也达到或超过10 d，蒙城和怀远在8月也达到或超过10 d。

4.4.2 统计计算方法。采用皮尔逊-Ⅲ分布。皮尔逊-Ⅲ分布具有广泛的概括和模拟能力，在气象上常用来拟合年、月的最大风速和最大日降水量等极值分布。

4.4.3 建设区项目不同重现期日降雨量极值。对凤台、淮南、蒙城和怀远四站最大日降水量资料进行统计计算，结果见表5。

4.4.4 建设区项目不同重现期最长连阴雨日数极值。对凤台、淮南、蒙城和怀远四站最长连阴雨日数资料进行统计计算，结果见表6。

4.4.5 暴雨灾害及连阴雨灾害易损性分析。本区域年平均暴雨日为2.9～3.5 d，夏季为暴雨日数集中时段，暴雨日峰值出现在7月。区域累年最大日降水量达265.3 mm，累年最长连续降水日数达16 d，最长连续降水量最大达到515.7 mm。

该项目区域因特定的地貌，雨季容易出现内涝。如果出现暴雨，特别是出现50年一遇或百年一遇的特大暴雨时，除本地积水造成内涝外，地势较高处的水流汇流如此，可能带来洪水泛滥，危及场区安全。因此，规划建设时除要适当抬高基础地面高度外，排水措施也要优化设计、可靠运行。

据岩土工程勘察报告，项目建设场地范围内岩土层分布总体较均匀，未发现有影响场地稳定性的工程活动性断裂构造及其他不良工程地质现象存在，为稳定的建筑场地，建设场地周边无滑坡泥石流等隐患存在。总体看，建设项目地质灾害隐患一般，因暴雨及连续降雨会引起地质灾害，此项目建成后，工作人员对降雨造成的灾害比较敏感。

4.5 雷电灾害风险评估

4.5.1 项目所在地雷电特征分析。根据安徽省的闪电定位资料进行统计分析，得到项目所在地闪电年分布曲线如图6 所示，总闪、负闪、正闪呈现出总体单峰的特征，闪电的高发期主要是集中在6—9月，总数达到全年的90%以上，这4个月的月均闪电频数在8万次以上，其中8月闪电最多，其他几个月的闪电频数较少。负闪和正闪的年分布特征与总闪类似，负闪数占总闪的比例约为96%。正闪只占4%左右，正闪3月、4月、5月闪电频数略大，其他月份正闪数极小。

选取项目周围5 km×5 km内样本闪电制成闪电密度以及闪电强度的等值线，结果如图7、8所示。朱集西矿井及选煤厂（5 km半径）区域范围内雷电流特征：平均雷电流幅值为42.86 kA；1%的雷電流幅值大于224.81 kA；10.1～15.8 kA的雷电流占0.81%；15.8～50.8 kA的雷电流占79.88%；50.8～100 kA的雷电流占15.65%；100 kA以上的雷电流占3.66%。

4.5.2 易损性分析及风险。项目所在地地势平坦，地理环境为雷电灾害的孕育和发生提供了良好的自然环境，发生雷击的概率比较大。但由于其结构体系为框架结构，土壤电阻率约为91.3455 Ω·m，因而整体上对雷电流的泄放较为有利，可为雷电流的泄放提供良好的通道。如果防护不当，容易遭受雷击而造成人员伤亡及室内电子设备的损害。因此，结合朱集西矿井及选煤厂项目的结构特性和周边环境，重点考虑人员生命损失风险和经济损失风险[4-6]。

5 防护指导建议

5.1 大风灾害防护的指导建议

项目所在气候区域30年、50年一遇的最大风速极值为22.2、23.7 m/s，50年一遇的基本风压为0.350 kN/m2 。项目建成后主井架、副井架和主选车间的顶层50年一遇大风极值分别为43.4、40.2、39.2 m/s。因此在项目建设设计阶段应考虑风切变对项目可能造成的影响。

（1）对于重要的部位在抗风向设计上应避开主导风向E风。应严格按照要求算出风荷载进行组合[《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》]。

（2）抗风速设计以10 min平均最大风速值20.0 m/s、3 s平均极大风速达27.0 m/s作为参考依据，并结合凤台站50 年一遇最大风速23.7 m/s作为综合考虑因子，特别是井架、屋面信号发射装备、标牌、广告牌等对风速有较高敏感度，因此项目的高层室外设备部分应考虑抗风强度应达到的要求。

（3）强烈的垂直风切变的存在会对建筑物造成强烈的破坏作用，该项目主井架、副井架和主选车间是需要重点考虑的对象，因此在设计阶段应考虑风切变对项目可能造成的影响，在出现大风时，应停止室外工作，疏散室外逗留的人群。

5.2 暴雨灾害防护的指导建议

经过分析项目周围地理环境岩土层分布总体较均匀，未发现有影响场地稳定性的工程活动性断裂构造及其他不良工程地质现象存在，为稳定的建筑场地，建设场地周边无滑坡泥石流等隐患存在。总体看，因暴雨及连续降雨会引起地质灾害，此项目建成后，对降雨造成的灾害比较敏感。

（1）经分析参考项目周边凤台、淮南、蒙城和怀远4个气象站30年暴雨分布，总体趋势无太明显变化，但区域地形、江河等外来洪涝对项目建设有一定影响，较易受连续暴雨引起的内涝灾害影响应充分满足防内涝、及时排水、防潮和通风要求。

（2）4个参证站累年最长连续降水日数均达到或超过10 d的较多，因此项目建设地点因暴雨或连续降雨引起的地质灾害风险较高，项目建设应充分考虑建筑结构稳定性。

（3）本项目建筑排水与建筑雨水系统设计需安全合理，需要注意的是，由于受到快速发展的城市化进程和气候变化的影响，淮南市暴雨强度呈上升趋势，单次暴雨降雨量呈增加趋势。原有的暴雨强度公式已无法满足城市排水系统建设及建筑给排水设计，设计部门应采用最新的暴雨强度公式（利用新的20年或30年暴雨资料，使用年最大值法）开展排水系统管网设计及重现期确定[7]。

（4）应设计适当的防潮层，油毡防潮层效果较好，抗震设防区应选取混凝土防潮层。

（5）应关注气象部门的暴雨预报预警信息及强对流天气的发展趋势与动态，防范暴雨天气可能带来的内涝及对办公、生活造成的不利影响。

5.3 雷电灾害防护的指导建议

在现有雷电防护系统的设计下，其人员生命损失风险值可以达规范要求。由于所选的单体具有一定的代表性，在通过计算后又得知该单体在现有防雷设计下雷电风险值均符合规范要求。其中，人员生命损失风险值R1未超出规范规定的容许值。在该项目建设过程中，有条件的情况下，可以采取措施减小R1风险值，而针对R1风险的防范而言，则需重点考虑建筑物内因危险火花放电触发火灾或爆炸造成物理损害的风险以及雷击通信线路造成的物理损害风险。

（1）项目所在地的雷电活动在一年中的6—9月为一高发时段，一天中的14：00—20：00为一高发时段，因此，施工单位应根据雷暴季节变化和日变化规律，及时关注天气变化情况，合理安排工程施工进程，将潜在雷击风险降低。

（2）建立健全施工现场的雷电应急措施，施工单位密切关注气象台发布的雷电预警信号，及时做好预防措施。

（3）在各项工程的施工过程中，需严格按照有关规定做好防雷装置施工所使用的材料、设备或产品的质量把关和测试工作。

6 结语

气象灾害风险评估是工程规划中重要的一个环节，通过对项目的风险评估工作能使建设项目的设计立于坚实的科学基础之上，做到安全可靠、技术先进和经济合理，克服盲目性和大量器材的无谓浪费。

本次评估工作是根据朱集西矿井及选煤厂项目项目前期设计以及施工图图纸设计方案，辨识主要的气象灾害种类和来源，推算了项目所在地气象灾害风险的易损性和风险值，为科学而经济地实施气象灾害防护提供了科学依据，有针对性地提出了有助于降低气象灾害损坏风险的设计指导意见，以避免或最大限度地减少气象灾害造成的损失。

7 参考文献

[1] 中国气象局.地面气候资料30年整编常规项目及其统计方法：QX/T 22-2004[S].北京：气象出版社，2005.

[2] 中国住房和城乡建设部.筑节能气象参数标准：JGJ/T346-2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 国家统计局.中国统计年鉴（2010）[M].北京：中国统计出版社，2010.

[4] 杨仲江.雷电灾害风行评估与管理基础[M].北京：气象出版社，2010.

[5] 章国材.气象灾害风险评估与区划方法[M].北京：气象出版社，2010.