礦山井下避難場(chǎng)所設(shè)置優(yōu)化研究

陳昕楠+李丹天

摘 要 以某地下礦山井下實(shí)際數(shù)據(jù)為背景，建立等比例全尺寸數(shù)值計(jì)算模型，模擬當(dāng)發(fā)生突發(fā)災(zāi)害時(shí)井下人員可以逃往專(zhuān)門(mén)設(shè)置的避難場(chǎng)所躲避災(zāi)害的過(guò)程。分別模擬了無(wú)避難場(chǎng)所和含有4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)避難場(chǎng)所五種工礦并對(duì)有4個(gè)避難場(chǎng)所進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算得到，當(dāng)不設(shè)置避難場(chǎng)所時(shí)人員逃生總時(shí)間為1199 s，設(shè)置4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)避難場(chǎng)所時(shí)最短時(shí)間分別為456 s、414 s、346 s、308 s，通過(guò)對(duì)有4個(gè)避難場(chǎng)所的工礦劃分區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，得到最短時(shí)間為379 s。

關(guān)鍵詞 避難場(chǎng)所；人員疏散；礦山；路線優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：X928 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0033-03

根據(jù)世界各國(guó)對(duì)礦井事故的調(diào)查，在火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)受到傷害死亡的礦工只占事故傷亡總?cè)藬?shù)的很少一部分，絕大多數(shù)礦工都是因?yàn)樵诨馂?zāi)、爆炸后不能及時(shí)升井或逃離高濃度有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致窒息或中毒死亡的。因此，如何為礦難后井下被困的幸存員提供躲避有毒有毒害氣體環(huán)境及其它傷害的密閉空間，為其提供必需的生存條件，延長(zhǎng)其生存時(shí)間，直至救援人員到達(dá)，成為礦井應(yīng)急救援的一個(gè)重要課題。論文以某礦井為背景，以其實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到了礦井工作人員在發(fā)生礦難時(shí)的疏散狀態(tài)，并根據(jù)疏散過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)疏散路徑和緊急避險(xiǎn)設(shè)施（救生艙及避難硐室）的優(yōu)化布局進(jìn)行研究。

1 避難場(chǎng)所

井下避難場(chǎng)所是當(dāng)井下突發(fā)災(zāi)害事故時(shí)，為井下工作人員提供暫時(shí)避難的空間，它包括：避難硐室和應(yīng)急救生倉(cāng)。

礦井應(yīng)急救生艙是設(shè)置在礦井下各危險(xiǎn)工作區(qū)域的密閉空間，一般為鋼制腔體，亦可依托巷道墻壁挖掘而成，整體設(shè)計(jì)上能夠做到氣密，并能抵御一定的外力沖擊，內(nèi)部通常有氧氣（02）供給系統(tǒng)、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）凈化系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)，以及相應(yīng)的監(jiān)視、防護(hù)措施，同時(shí)還有足夠的水和食物。

移動(dòng)救生艙一般用高強(qiáng)度鋼材做成，一般可以容納8～20人不等，避災(zāi)硐室最大的容納人數(shù)可以達(dá)到100人，單機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)96 h。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，礦工距離避災(zāi)硐室的最大距離不能超過(guò)750 m，這個(gè)距離是自救器正常使用時(shí)間的50%時(shí)間段內(nèi)，人員正常行走的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，獨(dú)頭巷道掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)每掘進(jìn)500 m設(shè)置一個(gè)避災(zāi)硐室或救生艙；加拿大政府規(guī)定，井下避災(zāi)硐室至少距離火藥庫(kù)、柴油存貯設(shè)施和燃料站或電池充電站100 m。

2 數(shù)值計(jì)算軟件

Pathfinder是由美國(guó)Thunderhead engineering公司開(kāi)發(fā)的一種基于人員進(jìn)出和運(yùn)動(dòng)的模擬器。Pathfinder可以通過(guò)3D results viewer三維動(dòng)畫(huà)視覺(jué)效果展現(xiàn)災(zāi)難發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景，可以直接描繪疏散開(kāi)始后各個(gè)時(shí)刻各個(gè)場(chǎng)所的人員分布，也可以分解構(gòu)筑物區(qū)域，展示各個(gè)區(qū)域的人員逃生路徑，可以計(jì)算每個(gè)成員獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，并賦予一套獨(dú)立的參數(shù)（最高速度，出口的選擇等等）。它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的最佳逃生路徑和逃生時(shí)間，可以為緊急情況下人員疏散和建筑設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3 模型建立

井下避難場(chǎng)所設(shè)置優(yōu)化主要考慮井下突發(fā)災(zāi)害事故時(shí)，能確保井下所有工作人員能盡快通過(guò)逃生通道、避難場(chǎng)所進(jìn)行避難或逃生，縮短逃生時(shí)間是關(guān)鍵，本文根據(jù)某非煤礦采掘平面，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算軟件按照等比例建立井下模型，優(yōu)化逃生路線、不同數(shù)量和位置的避難場(chǎng)所設(shè)置確保井下人員縮短逃生時(shí)間。軟件系統(tǒng)設(shè)置人員移動(dòng)速度為1.19 m/s，肩寬為0.456 m。

根據(jù)井下資料，井下有80個(gè)工作人員需要避難逃生，每個(gè)工況80人所在位置固定且相同，由模擬計(jì)算軟件隨機(jī)產(chǎn)生。由于礦井地形條件和通風(fēng)的限制，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，只能按照固定的方向逃生，所在礦井并不能像平地一樣，可以選擇任意逃生方向。并且逃生時(shí)幸存人員經(jīng)過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)必須繞道而行，這樣便會(huì)延長(zhǎng)逃生時(shí)間，減少幸存人員被救的可能。建立避難硐室可以為發(fā)生礦難后井下被困的幸存人員提供躲避有毒有害氣體環(huán)境及其它傷害的密閉空間，為其提供必需的生存條件，延長(zhǎng)其生存時(shí)間，直至救援人員到達(dá)。避難場(chǎng)所必須建立在遠(yuǎn)離采取變電所、坑內(nèi)爆破器材庫(kù)等危險(xiǎn)場(chǎng)所100 m。避難場(chǎng)所是可以容納20人以?xún)?nèi)的避難硐室或逃生艙。

4 數(shù)值計(jì)算工況

數(shù)值計(jì)算目的主要有兩個(gè)：1）分析井下發(fā)生礦難事故時(shí)救生艙對(duì)人員疏散所用時(shí)間的影響；2）針對(duì)發(fā)生礦難事故時(shí)井下工作人員在有救生艙情況下的緊急逃生，提出合理疏散路線進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬得出優(yōu)化以后的人員疏散相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)礦井自生結(jié)構(gòu)，共分六種數(shù)值計(jì)算工況見(jiàn)表1，每種工況均是在相同條件下改變避難場(chǎng)所的位置進(jìn)行多次模擬選出在發(fā)生礦難后人員逃生所需時(shí)間最短的方案。

各工礦中井下人數(shù)80人，人員位置隨機(jī)均勻分布，建立的是可以容納20人以?xún)?nèi)的避難場(chǎng)所，所以建立4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)避難場(chǎng)所。工況一中沒(méi)有建立避難場(chǎng)所，在發(fā)生礦難事故時(shí)只能通過(guò)主井電梯和副井電梯進(jìn)行逃生。工況二至五模擬計(jì)算當(dāng)發(fā)生突發(fā)事故后幸存人員通過(guò)主井電梯、副井出口和避難場(chǎng)所逃往安全位置，避難場(chǎng)所數(shù)目從四個(gè)依次增加至七個(gè)，位置按表1在圖1中查找。工況六對(duì)工況二進(jìn)行優(yōu)化，避難場(chǎng)所位置與數(shù)目不改變，將礦井劃分為五個(gè)區(qū)域，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事故后人員按照固定逃生路線逃往所指定的安全場(chǎng)所。

表1 數(shù)值計(jì)算工況

計(jì)算工況 救生艙（個(gè)） 救生艙位置

（見(jiàn)圖1） 主井電梯疏散口 副井疏散通道口

一 0 0 均有 均有

二 4 1#、2#、8#、10#

三 5 1#、2#、4#、6#、11#

四 6 1#、2#、3#、5#、9#、12#endprint

五 7 1#、2#、3#、7#、5#、9#、12#

六 4 1#、2#、8#、10#

圖1 數(shù)值計(jì)算工況模型

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.1 常規(guī)方案人員疏散路線分析

工況一中，只有主井電梯和副井出口逃生。礦井橫向長(zhǎng)度約為2100 m，縱向長(zhǎng)度約為800 m。發(fā)生突發(fā)事故時(shí)礦井工作人員只能從所在位置逃往主井電梯和副井出口逃生，由于礦井跨度較大，幸存人員在逃生時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間。人員全部到達(dá)安全位置所用時(shí)間為1199 s。主井電梯疏散68人所用時(shí)間為1199 s，副井出口疏散12人所用時(shí)間為935 s。由結(jié)果可知，由于逃生路線單一，可有效利用的逃生出口較少，副井出口在幸存人員逃生時(shí)作用相對(duì)較小，85%人員均從主井電梯逃往安全場(chǎng)所，所用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20分鐘，在疏散過(guò)程中使用率較低。說(shuō)明在礦井中逃生路線受到限制，沒(méi)有高效的逃生路線。

5.2 救生艙的分析

工況二在礦井結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，建立4個(gè)避難硐室，按照礦井模型進(jìn)行疏散模擬。幸存人員逃生所需時(shí)間為456 s，結(jié)論見(jiàn)表2。有16人由主井電梯到達(dá)安全場(chǎng)所，所用時(shí)間為415 s，副井出口有3人共用282 s逃出，61人進(jìn)入避難場(chǎng)所躲避災(zāi)害。其中2#救生艙有24人在等待救援，超過(guò)了救生艙的容納范圍，8#救生艙作用時(shí)間最長(zhǎng)為456 s，有12人等待救援，人均耗時(shí)38 s，10#救生艙只有5人等待救援，并且5人逃往10#救生艙共用167 s，人均耗時(shí)33.4 s，8#、10#救生艙的使用效果并不顯著。與工況一相比逃生時(shí)間減少了743 s，到達(dá)安全位置人數(shù)最多的不再是通過(guò)主井電梯而是救生艙。由此可見(jiàn)，當(dāng)?shù)V井下發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，利用救生艙可以縮減幸存人員的逃生時(shí)間，為礦工提供更多的生存機(jī)會(huì)，降低人員傷亡率，當(dāng)多數(shù)礦工選擇避難硐室作為安全場(chǎng)所等待救援時(shí)，礦工逃往避難硐室所用時(shí)間隨之增加，使用主井電梯逃往安全場(chǎng)所人數(shù)下降，使主井電梯使用效率大大減少。

工況三在礦井中建立5個(gè)避難場(chǎng)所，幸存人員逃生所需時(shí)間為414 s，與工況二相比時(shí)間減少了42 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)論見(jiàn)表2。共有63人逃往避難硐室，占總?cè)藬?shù)的78%，每個(gè)避難場(chǎng)所等待救援的幸存人員均控制在20人以?xún)?nèi)，作用時(shí)間均在300 s以上，但6#、11#救生艙人均耗時(shí)均在50 s以上。在礦難發(fā)生后幸存人員有效的利用了避難場(chǎng)所等待救援人員營(yíng)救但6#、11#救生艙利用率相對(duì)較低。

工況四在礦井中建立6個(gè)避難場(chǎng)所，意外事故發(fā)生后，幸存人員需要346 s逃往安全場(chǎng)所，與工況三相比逃生所需時(shí)間減少了68 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。每個(gè)避難場(chǎng)所在人員逃生時(shí)作用時(shí)間均在240 s以上，但5#救生艙與12#救生艙中分別只有2人、4人在等待救援，人均耗時(shí)分別為62.25 s、139.5 s，使救生艙不能充分利用，利用率嚴(yán)重降低。

圖2 各個(gè)工況疏散時(shí)間曲線圖

工況五在礦井中建立7個(gè)避難場(chǎng)所，所有幸存者在事故發(fā)生后逃往安全位置共用308 s，與工況四相比所需時(shí)間減少了32 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出5#救生艙、7#救生艙、12#救生艙在發(fā)生事故后使用人數(shù)分別為4人、2人、2人，人均耗時(shí)分別為62.25 s、40.5 s、139.5 s。隨著救生艙數(shù)量的增加，幸存人員所需逃生時(shí)間確有減少，但時(shí)間減少并不顯著，然而，避難硐室利用率降低這一現(xiàn)象愈來(lái)愈嚴(yán)重，使避難艙不能充分利用。

5.3 疏散路線優(yōu)化分析

由上述各工況可知，在礦井中隨著避難場(chǎng)所數(shù)量的增加，意外事故發(fā)生后幸存人員逃生所需時(shí)間逐漸減少，為幸存人員贏得了更多的生存機(jī)會(huì)。但是，隨著避難場(chǎng)所數(shù)目的增加，利用率較低的避難場(chǎng)所數(shù)目也在相應(yīng)增加。因此合理的設(shè)計(jì)避難場(chǎng)所不僅可以給幸存人員提供等待救援的安全空間還可以有效地降低建造避難場(chǎng)所所需成本。

由圖2各工況疏散時(shí)間曲線圖可以看出工況二所需疏散時(shí)間減少迅速，說(shuō)明避難場(chǎng)所可以減少礦井中發(fā)生突發(fā)事故后幸存人員所需的逃生時(shí)間，工況三、工況四、工況五疏散時(shí)間減少量開(kāi)始變得緩慢并趨于相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。其中工況二建立4個(gè)避難場(chǎng)所滿(mǎn)足理論要求，但工況二逃生所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并且避難場(chǎng)所的利用率不高，因此工況六通過(guò)優(yōu)化逃生路線改進(jìn)這一問(wèn)題。

工況六對(duì)工況二進(jìn)行優(yōu)化，在工況二的基礎(chǔ)上對(duì)礦井進(jìn)行分區(qū)，礦井中建立的四個(gè)避難場(chǎng)所位置不發(fā)生改變（如圖3）。工況六將礦井分為五個(gè)區(qū)域，1#區(qū)域含有1#救生艙躲避災(zāi)害，2#區(qū)域含有2#救生艙躲避災(zāi)害，3#區(qū)域含有8#救生艙躲避災(zāi)害，4#區(qū)域含有10#救生艙和副井出口躲避災(zāi)害，5#區(qū)域含有主井電梯躲避災(zāi)害。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事故時(shí)每個(gè)區(qū)域的工作人員按照指定的路線逃往安全場(chǎng)所，所得到疏散結(jié)果見(jiàn)表2。每個(gè)避難場(chǎng)所中等待救援的幸存人員都控制在20人以?xún)?nèi)，所有幸存者在事故發(fā)生后逃往安全位置所需時(shí)間為379 s，與工況二相比時(shí)間減少了77 s，與工況三相比時(shí)間減少了35 s，1#、2#、8#、10#救生艙人均耗時(shí)分別為17.16 s、18.8 s、37.9 s、24.66 s，結(jié)果證明，劃分路線可有效降低疏散時(shí)間，因此井下救生艙使用需要合理分區(qū)。

圖3 工況六模型

6 結(jié)論

通過(guò)以上各工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析，得出了各工況中礦井在發(fā)生意外事故后幸存人員疏散所用的時(shí)間。綜合上述各工況可知在沒(méi)有避難場(chǎng)所的情況下幸存人員逃往安全位置所需時(shí)間為1199 s，隨著避難場(chǎng)所數(shù)目的增加，當(dāng)?shù)V井在發(fā)生意外事故后幸存人員疏散所用的時(shí)間也在相應(yīng)的減少，但隨著避難場(chǎng)所數(shù)目的增加，導(dǎo)致避難場(chǎng)所利用率降低的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，建立避難場(chǎng)所的成本也在增加，因此避難場(chǎng)所的數(shù)目并不是越多越好。工況二是相對(duì)較優(yōu)的方案，但工況二每個(gè)避難場(chǎng)所在發(fā)生事故時(shí)，等待救援的礦工人數(shù)并沒(méi)有控制在20人以?xún)?nèi)，且救生艙的利用率不高，工況六就此問(wèn)題對(duì)工況二進(jìn)行優(yōu)化。工況六將礦井劃分為五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的人按照規(guī)定的路線逃往指定的安全場(chǎng)所，經(jīng)過(guò)優(yōu)化將人數(shù)控制在20人之內(nèi)，疏散時(shí)所用時(shí)間為379 s與工況二所用時(shí)間456 s相比減少了77 s。工況三中每個(gè)避難場(chǎng)所等待救援人員雖然控制在20人以?xún)?nèi)，但工況三中共建立了5個(gè)避難場(chǎng)所，疏散時(shí)間為414 s比工況六還增加了35 s，所以工礦六是相對(duì)較優(yōu)的方案，幸存人員逃生時(shí)不僅所用時(shí)間最少，建立避難場(chǎng)所所用成本也是最低的。結(jié)果證明，將礦井劃分區(qū)域可有效降低疏散時(shí)間，因此，井下救生艙的使用需要合理分區(qū)。

項(xiàng)目基金

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201210488017）。

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作者簡(jiǎn)介

陳昕楠（1991-），女，主要從事工業(yè)安全與環(huán)保方面的研究工作。

李丹天（1992-），男，漢族，主要從事礦井火災(zāi)及人員疏散數(shù)值模擬方面的研究工作。endprint