地下礦山避難硐室的建設現(xiàn)狀及問題研究

柯麗華，陳 杰

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081)

礦山企業(yè)是為國民經濟增長、人民生活改善和社會文明發(fā)展提供原材料的支柱產業(yè)。改革開放以來，國民經濟的快速發(fā)展拉動了礦山資源需求的迅猛增長，經過長期大規(guī)模的開發(fā)，埋藏于地表和淺地層的高品位礦產資源大部分已消耗殆盡，礦產資源開發(fā)正朝著千米以下深部資源過渡[1]。隨著地下礦山生產機械化和集中化程度不斷提高，特大型現(xiàn)代化礦井不斷涌現(xiàn)。由于作業(yè)環(huán)境特殊和地質情況復雜，且地下礦山避難硐室的建設數(shù)量、規(guī)模及其位置分布缺乏系統(tǒng)性，容易形成諸如工作面連續(xù)推進距離長、事故擴散速度快、災害危險區(qū)域大、逃生路線長等局面，不利于井下作業(yè)人員安全快速地逃離危險區(qū)域。因此，為了提高地下礦山企業(yè)安全保障能力，減少礦山井下安全事故和財產損失，保障井下人員的生命安全，降低井下災變事故的傷亡率[2]，從多原則、多角度全面系統(tǒng)的建設符合我國地下礦山特點的安全避難硐室迫在眉睫。

1 地下礦山避難硐室研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外關于緊急避險的研究最初是針對金屬礦井展開的。由于采礦業(yè)發(fā)達國家對井下避難硐室的研究開始較早，故其體系較為完善，基本上都頒布了嚴格的法律、法規(guī)和標準，并擁有了井下避難設施、應急逃生和個人防護等相對成熟實用的技術裝備。

世界上最早的避難硐室要追溯到20世紀20年代。在加拿大，Hollinger礦發(fā)生火災造成39人死亡之后，就出現(xiàn)了由密閉的廢棄巷道改造的初級避難所。直到1980年以后，地下金屬礦山才將避難硐室推廣應用。在2006年某鉀鹽礦和2008年西部某金屬礦的火災中，避難硐室成為安全救援井下作業(yè)人員的重要設施，為地下礦山成功救援提供了保障。目前，加拿大已有法律強制規(guī)定各礦山建設避災系統(tǒng)，必須考慮避難硐室的設置位置、容量、安全防護時間、CO和CO2濃度控制指標四大因素[3]，主要結合工作地點的特征、遇險人員抵達的難易程度和所需時間等因素，合理地確定避難硐室的位置。

南非于1970年就出現(xiàn)了避難所。某金礦嘗試將壓風管導入盲井構建起了首個簡易的避難所，雖然為保證井下作業(yè)人員的生命安全提供了一定的保障，但其應用并不廣泛。自從1986年Kinross金礦礦難之后，國家法律條文強制規(guī)定礦山企業(yè)必須設立避難所，并要求地下礦山將安全避難所的建設納入到應急救援體系中。由于南非大多非煤地下礦山的開采深度較淺，且多采用房柱法開采，故南非的一些地下礦山通常將永久性固定避難硐室布置在主巷或逃生巷道的兩側，或在地層中直接挖掘形成避難硐室，或利用已有巷道構建而成。同時，礦山將地下永久性固定硐室和地表連通，從而實現(xiàn)了從地面向避難硐室輸送新鮮的空氣、充足食物和水，能以通訊方式進行信息交換。另外，地下礦山將臨時性固定避難硐室布置在工作區(qū)域的巷道兩側，直接挖掘或利用已有巷道構建形成避難硐室，這些臨時固定避難硐室隨著該區(qū)域開采工作的結束而被廢棄，相關設施設備可轉移到新的避難硐室中。其中，永久性固定避難硐室的選址主要考慮了作業(yè)地點、逃生時間和進、回風巷道的位置的影響。同時，為了幫助遇險人員順利進入避難硐室，在避難硐室入口處設立了警報器或報警燈。如今，井下避難硐室已經成為南非地下礦山應急救援中的一項成熟有效的安全設施，并在地下礦山企業(yè)中得到廣泛推廣使用[4]。

美國對礦山避險系統(tǒng)的研究最早涉及到井下避難硐室的建立。長期以來，該國各礦山利用水泥砌塊建造井下隔離墻或在頂板和兩幫掛隔離屏障，以形成獨立的隔離空間，為井下作業(yè)人員等待救援提供避險場所。直到2006年，西弗吉尼亞州發(fā)生礦難之后，礦業(yè)界發(fā)現(xiàn)原有避災理論和設施存在諸多不足，推行聯(lián)合使用避難硐室和救生艙等設施。隨后，州政府和勞工部MSHA(礦山安全與健康管理監(jiān)察局)出臺了新的礦山安全管理規(guī)定：要求將避難硐室布置在距最近工作面不超過300m的地方，且兩個避難硐室間隔的距離不超過礦工1h正常行進距離，即作業(yè)人員距最近一個避難硐室或安全出口的行進時間不超過30min。國會通過了“2006年礦工法”，并要求礦山企業(yè)將井下避難所納入“應急反應方案”中[5]。

作為礦產資源生產和出口大國，澳大利亞安全生產管理工作較為系統(tǒng)，各類安全設施較齊全，其井下避難硐室的應用情況處于世界領先水平[6]。在2006年的一次礦難中，兩名礦工被困井下13天后成功獲救，就是得益于避難硐室的設置和應用。目前，該國法律法規(guī)對地下礦山避難硐室的設置提出了基本要求：將避難硐室建在遠離潛在巖崩、淹井、火災、爆炸等危險區(qū)域，且要巖層穩(wěn)定、支護良好的區(qū)域，并要求礦山企業(yè)對其進行定期檢查和維護。根據(jù)法規(guī)，各類地下礦山的具體措施包括：在采掘區(qū)開辟救生巷道，并配備防毒面罩和氧氣瓶等救生設備，與避難硐室相結合使用；在采掘區(qū)入口外立號牌存放欄，以明確救生巷道內剩余救生設備的數(shù)量；設置了安全站，并在逃生巷道一側安裝繩索，可以在險情發(fā)生時引導井下逃生人員進入安全站，補給充足的氧氣。

世界相關發(fā)達國家在井下避難硐室的建設上積累了一定的經驗做法，關于避難硐室建設的情況及要求如表1所示。

綜上所述，國外采礦業(yè)發(fā)達國家對礦山井下避難硐室的設置和維護方面的技術比較成熟，其針對性較強，相關法律法規(guī)也較為完善，多數(shù)國家都將避險設施的設置納入應急救援預案，并且能夠與其他系統(tǒng)相結合運用到避險過程中，有許多解救井下作業(yè)人員的成功案例。然而，這些國家在地下礦山避難硐室的建設實踐中，也存在避難硐室建設缺乏系統(tǒng)性和逃生路線的識別及選擇尚不夠明確等問題，致使礦山的避災系統(tǒng)的功能難以充分發(fā)揮。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

“六大系統(tǒng)”中緊急避險系統(tǒng)建設難度大且耗資巨大，而緊急避難硐室作為避險系統(tǒng)的核心，是緊急情況下避險成功的保證，建設起來將消耗很多的人力和物力。避難硐室建設在我國煤礦行業(yè)已經得到了普遍的實施，但在地下金屬礦山領域中的建設相對滯后。針對我國礦山的安全形勢，國務院于2010年7月19日下發(fā)了《關于進一步加強企業(yè)安全生產工作的通知》(國發(fā)〔2010〕23號)，要求國內礦山在3年內完成六大系統(tǒng)建設，且避難硐室的建設是重中之重。之后，出臺了相關建設規(guī)范，但因避難硐室的設計和建設標準高、建設周期長、所需的人力物力較多等因素，許多企業(yè)不能有效執(zhí)行相關規(guī)定。隨后，國務院辦公廳2012年11月4日下發(fā)《關于依法做好金屬非金屬礦山整頓工作意見的通知》，將非煤礦山緊急避險系統(tǒng)的建設期限改為2015年底，決定于2012～2015年組織開展礦山整頓攻堅戰(zhàn)，從根本上改善礦山安全生產條件。

表1 相關國家避難硐室建設的情況及要求

我國避難硐室的研究始于2008年，避難硐室的應用還處于初級階段。北京科技大學課題組通過借鑒國外在避難硐室建設方面的經驗，同時在山西省潞安集團的大力支持下，于2009年在潞安常村礦建成了可容納80～100人的礦井永久避難硐室，并于2011年4月10日在常村礦N3采區(qū)進行首次現(xiàn)場驗證試驗，由80人組成的試驗人員在模擬災變環(huán)境下安全度過了48h。這標志著我國井下避難硐室可以正式進入實用階段[7]。

目前，針對我國地下礦山避難硐室的建設現(xiàn)狀，國內研究人員多從避難硐室的位置、結構和內部系統(tǒng)設計等方面開展研究。其中，結構和內部系統(tǒng)設計標準基本統(tǒng)一。關于避難硐室位置的選擇，研究者多從安全性角度并結合礦山具體情況確定，其做法多樣化且缺乏統(tǒng)一標準。就避難硐室位置的選擇而言，我國許多研究者往往側重從安全、經濟等原則考慮，主要考慮的因素包括地質情況、開拓系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、避災路線和人員的分布、災害防治能力等。以確保井下所有作業(yè)人員在突發(fā)災變事故中的安全為原則，凡口鉛鋅礦結合礦山復雜的水文地質條件，將避難硐室設置在-650m中段，井底車場附近[1]；基于地質條件對避難硐室建設的影響，中煤平朔集團有限公司井工三礦將其永久避難硐室建在39109工作面附近東翼輔運大巷和貯運大巷之間，其地勢位于9#煤底板標高最高處，進而避開了地質構造帶及危險區(qū)；以保持頂板及圍巖的穩(wěn)定為重點，有礦山將避難硐室布置在離工作面680m的位置，使避難硐室免受爆炸沖擊波的危害[8]；為避免井下積水對避難硐室的影響，有礦山以遠離積水潛在發(fā)生地點為原則，將避難硐室布置在遠離可能發(fā)生積水的地點[9]。基于這些原則建設的避難硐室，在一定程度上滿足了礦山對緊急避險的需求，也對我國避難硐室的研究與發(fā)展有一定的促進作用。但這些研究多從單一角度或側重某個方面、基于某個原則來確定避難硐室的位置，故建設的避難硐室功能難以有效發(fā)揮。另外，多數(shù)礦山僅在礦區(qū)的某個位置建立了單個避難硐室，致使其功能的輻射范圍有限，故不能滿足整個采場的避險需求。由此可見，避難硐室的構建缺乏系統(tǒng)性。

綜上所述，我國避難硐室的相關研究和建設起步較晚，雖然有效地汲取了國外避難硐室建設的經驗和教訓，但仍然存在相關法律法規(guī)不夠完善、設計標準需進一步檢驗、避難硐室的建設經驗不足等問題。目前，相關研究者大多關注避難硐室位置的合理確定，多側重某一個方面進行分析，往往都忽略了避難硐室的安全輻射范圍、高效運轉和經濟實用性的綜合效益。故實踐中，礦山建立的避難硐室未形成以確保所有井下作業(yè)人員安全的避難硐室系統(tǒng)，也缺乏對避難硐室的動態(tài)規(guī)劃。

2 地下礦山避難硐室建設中存在的問題

目前，為滿足經濟快速發(fā)展費礦山資源的需求，地下礦山生產日趨大型化，其工藝工程趨向于連續(xù)開采。因此，井下作業(yè)人員總數(shù)將不斷增多，同時，作業(yè)地點相對分散，容易形成了諸如工作面連續(xù)推進距離長、事故擴散速度快、災害危險區(qū)域大、逃生路線長等不利局面，帶來了避難硐室的建設規(guī)模和相對數(shù)量不足、安全功能的輻射范圍有限、逃生路線的可靠性較差等問題。

2.1 避難硐室的建設規(guī)模和相對數(shù)量不足

地下礦山趨于大型化、連續(xù)化開采，人力和物力的投入將日益增加，避難硐室的建設規(guī)模和數(shù)量也應隨之增加。《金屬非金屬地下礦山緊急避險系統(tǒng)建設規(guī)范》和《煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設管理暫行規(guī)定》對于避難硐室的建設給出了最低要求，包括：避災硐室的長度、深度應根據(jù)同時避災的最多人數(shù)以及避災硐室內配置的各種裝備來確定，每人應有不低于1.0m2的有效使用面積；緊急避險設施的設置應滿足本中段最多同時作業(yè)人員避災需要，單個避災硐室的額定人數(shù)不大于100人。同時，為了安全起見，避難硐室的額定人數(shù)，應滿足服務區(qū)域同時工作的最多人員的緊急避險需要，并考慮不低于1.2的備用系數(shù)。

然而，各類礦山在安全生產管理中的做法不一。如沁新煤業(yè)將避難硐室容納規(guī)模定100～200人[7]，超出規(guī)范要求的單個避災硐室最多額定人數(shù)。南屯煤礦開采工作面最多有36人同時作業(yè)，但其避難硐室設計的額定避難人數(shù)為40人或2×20人，且其20人避難硐室長和寬分別為9.5m和2.4m，均未充分考慮1.2的備用系數(shù)，只能滿足一般情況下人員的避險需要，應變能力相對較差。山西晉中金恒煤礦，設計的永久避難硐室可容納96人，但生存室的有效使用面積為95m2[10]，當容納96人時，每人有效使用面積不足1m2。阜新市清河門區(qū)河西鎮(zhèn)君穎煤礦，IV3采區(qū)0點、8點、4點的出勤人數(shù)合計分別為52人、55人、52人，但其設計的避難硐室容納人數(shù)為50人[11]，既不滿足全部作業(yè)人員安全避險的需要，也未考慮備用系數(shù)。

由此可見，一些礦山通常只考慮生產人員總數(shù)和規(guī)范的最低要求，避難硐室建設規(guī)模和相對數(shù)量不足，對避難硐室安全儲備能力的考慮尚少，影響避難硐室安全避險能力。

2.2 避難硐室功能輻射范圍有限

大型地下礦山作業(yè)環(huán)境較為特殊。不同的礦山，其災變事故的主要特征也千差萬別。災變事故的發(fā)生具有突然性、擴散性和蔓延性等特點，其發(fā)生的地點不易預測，其危害程度和影響范圍具有較大的可變性。為此，相關規(guī)定要求：煤與瓦斯突出礦井應建設采區(qū)避難硐室，突出煤層的掘進巷道長度及采煤工作面推進長度超過500m時，應在距離工作面500m范圍內建設臨時避難硐室或設置可移動式救生艙。其他礦井應在距離采掘工作面1000m范圍內建設避難硐室或設置可移動式救生艙。

實踐中，相關礦山針對具體情況擴大了避難硐室的輻射范圍。如告成煤礦在21采區(qū)中部設置的永久避難硐室距離21采區(qū)下部最遠采掘工作面約1950m；23采區(qū)最遠的掘進工作面距副井底約2090m；25采區(qū)最遠的25091掘進工作面距副井底約5258m；13采區(qū)最遠的13201采煤工作面距離副井底約3530m[12]。再如，陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦為平硐開拓，在距離平硐4000m附近的斜井井底附近設置了第一座避難硐室，之后每間隔3000m布置了第二座和第三座避難硐室[13]。

由此可見，礦山生產實踐中，部分礦山建設的避難硐室與最遠工作面的距離遠遠大于500m，且避難硐室之間的距離也嚴重超出了規(guī)定的范圍，使得避難硐室的安全輻射能力受限。災變發(fā)生后，最遠采掘工作面的作業(yè)人員很難在呼吸器有效時間內升井或進入避難硐室避險，人身安全很難得到保障，也從側面反映了避難硐室建設數(shù)量不足。

2.3 逃生路線的可靠性較差

作為避難硐室系統(tǒng)的一部分，逃生路線有較高的可靠性是保障井下作業(yè)人員生命安全的必要條件。逃生路線的可靠性主要指逃生路線可選性，即具有多條通往避難硐室的逃生路線。

國內外學者在避險路線的選擇方面做了大量研究工作[14]，理論研究取得了一定的成果。目前，規(guī)范中沒有明確規(guī)定逃生路線的數(shù)量。但在礦山實踐中，由于資金的有限性、避難硐室構建的系統(tǒng)復雜性和災變事件的隨機不確定性等因素，大多數(shù)礦山設置通往避難硐室的逃生路線數(shù)量有限且其安全可靠性較差。個別礦山根據(jù)具體情況設置了多條逃生路線，如兗州礦區(qū)在各采煤工作面和掘進工作面都設計了兩條逃生路線[15]，或有個別礦山繪制了災變事故發(fā)生時的首選避災路線和第二避災路線簡圖[16]。由于大型礦井系統(tǒng)結構復雜多變、安全出口有限、災變事故對礦井系統(tǒng)的影響具有不確定性，若設置單一避災線路，逃生路線就會因災變及其生成物所阻斷，因而增加逃生路線的數(shù)量有其必要性。

3 結論

1)本文系統(tǒng)地總結了國內外避難硐室的建設與研究現(xiàn)狀，分析了國內外避難硐室建設實踐的成功案例、國內外關于避難硐室的理論研究和建設實踐中的成果和不足。

2)基于對避難硐室建設規(guī)范要求和具體礦山安全管理實踐做法的分析，總結了避難硐室建設中存在的問題：建設規(guī)模和相對數(shù)量不足、安全功能的輻射范圍有限和逃生路線的可靠性較差。

3)應針對礦床賦存條件、生產工藝、生產計劃和高峰期井下作業(yè)人數(shù)等因素，建立避難硐室系統(tǒng)，即合理地確定避難硐室的總規(guī)模、數(shù)量及其位置分布，并設置多條通往避難硐室的逃生路線，提高避難硐室系統(tǒng)的安全輻射能力，改善井下作業(yè)環(huán)境的安全性。

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