高放地下實驗室緊急避險系統設計研究

段曉恒,孫永強,王合祥

(中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021)

安全性問題是高放廢物處置的根本問題,國際上公認的高放廢物處置方案是地下工程處置[1]。目前國外相繼建設了20多座地下實驗室,并在地下實驗室內開展了相關的研究和開發工作,這些實驗室的建設極大地推動了高放廢物地質處置技術研究,為高放廢物地質處置積累了豐富的經驗。中國高放廢物地質處置始于20世紀80年代,經過30多年的研究,目前第一座高放廢物地下實驗室已經開始建設。

地下實驗室承擔著場址特征表征、地質環境工程屏障分析、處置工藝研究等功能[2-4],其安全運行的意義重大。由于各國地下實驗室的地質條件、主體結構形式、功能需求千差萬別,審管機構對地下實驗室的管理要求也各不相同,因此國外地下實驗室的緊急避險系統只能作為參考,不能盲目套用。

基于地下實驗室主體結構設計研究的成果,高放地下實驗室建設地下兩層試驗平臺。由于地下工程具有可變因素多、不確定性風險大、隨機事故概率高的特點,為了應對地下實驗室存在的安全風險,筆者開展了高放地下實驗室緊急避險系統設計研究,確定了地下實驗室的緊急避險設施、緊急避險逃生線路以及應急救援方案,旨在為地下實驗室的安全運行提供可靠保障[5]。

1 高放地下實驗室建設概況

1.1 高放地下實驗室空間架構

北山地下實驗室(URL)為“特定場區地下實驗室”,基于國外地下實驗室科研項目研發規劃和在現場試驗方面所積累的相關成果及經驗,以“安全驅動”為理念,緊密結合高放廢物地下實驗室的功能和定位,建立完整的處置庫工業化建設理論和技術體系[6-7]。

地下實驗室采用“螺旋斜坡道+三豎井+兩層平巷”的主體架構建設方案,最大埋深560 m。主體工程包含1條螺旋斜坡道、1條人員豎井、2條通風井、-560 m主試驗水平、-280 m輔助試驗水平(圖1),以及試驗硐室、輔助硐室等配套設施[8]。人員豎井作為地下實驗室主出入通道,在-280 m,-560 m試驗水平通過聯絡巷與斜坡道相連,在運輸能力和功能上與斜坡道實現互補。

圖1 地下實驗室主體結構Fig. 1 The main structure of URL

1.2 高放地下實驗室主要試驗內容

科研工作貫穿地下實驗室建設過程,利用地下實驗室主體工程開展地質調查、巖石力學,以及地球化學試驗等現場試驗。

1.2.1 斜坡道主要試驗內容

斜坡道作為主要的地質調查場所,可以在較大空間范圍內進行地質編錄,揭露巖體地質條件、工程地質條件、地球化學和水文地質條件。斜坡道從地表直至地下-560 m主試驗水平,期間設置了坑內鉆孔勘查試驗、地球物理探測、含水構造水文地質現場試驗、超前探測試驗、圍巖微震動態監測,以及其他試驗。在斜坡道開挖過程中,可根據地質等條件變化情況,隨時在不同地點靈活布置所需的試驗工程,完成不同的試驗內容,實現試驗目的。

1.2.2 人員豎井主要試驗內容

豎井也是主要的地質調查場所,可以完成不同深度的地質編錄,用以揭露同一地點在不同深度上的巖體地質條件、工程地質條件和水文地質條件的變化情況,揭示地質變化規律,并用以驗證地質鉆探成果的可靠性。

1.2.3 試驗水平主要試驗內容

主試驗水平設在-560 m處的地質還原環境中,主要開展處置庫深部地質環境調查,并開展巖石力學、地球物理探測、地球化學試驗、EDZ專項試驗、施工技術研究、核素遷移試驗、示范處置工藝等研究。

輔助試驗水平主要開展中等深度條件下的地質環境調查,提前開展緩沖材料原位試驗安裝技術研究,處置坑開挖試驗和損傷區測試以及其他有關的巖石力學、地球化學試驗等研究。

1.3 高放地下實驗室工程特點

地下實驗室施工具有工作環境復雜、安全風險多、工程難度大等特點,還具有運行周期長、邊試驗邊施工、管理復雜的特殊性。因此,為避免安全事故而采取工業安全監測技術尤為重要[9-10]。

1.4 高放地下實驗室定員及人員分布

地下實驗室正常運行時,實驗人員主要在現場開展地質調查、巖石力學,以及地球化學試驗等相關研究[11]。地下實驗室實驗人員作業地點主要有-560 m主試驗水平、-280 m輔助試驗水平和斜坡道。

為了保障地下實驗室工作人員的安全,根據試驗內容和研究的需要,確定-560 m主試驗水平定員50人,-280 m輔助試驗水平定員10人,-280 m以上斜坡道定員10人,-280～-560 m斜坡道定員10人;同時在地下實驗室的總人數不超過50人。

2 高放地下實驗室緊急避險系統

井下緊急避險系統是指在地下實驗室發生緊急情況時,為遇險人員緊急避險提供生命保障的設施、設備、措施所組成的有機整體。緊急避險系統建設包括為地下實驗室人員提供自救器、合理設置避災路線、建設井下緊急避險設施、科學制定應急預案等內容[12]。

2.1 自救器

自救器是一種小型的供地下作業場所人員隨身攜帶的防毒呼吸器具,在地下實驗室發生有毒氣體污染及缺氧窒息性災害時,現場人員及時佩戴自救器,保證人員正常呼吸并逃離災區。為地下實驗室的所有人員配備自救器,防止有毒有害氣體中毒和窒息事故的發生。自救器的額定防護時間不小于30 min,以保證遇險人員從危險區域撤到安全地帶。

2.2 緊急避險設施

地下實驗室的避險設施是在發生災變情況下,為避災人員等待救援提供生命保障的密閉空間,主要包括救援硐室和救生艙。

地下實驗室在-560 m主試驗水平設置1個救援硐室,可容納50人;在-280 m輔助試驗水平設置1個移動式救生艙,可容納10人;在-560 m主試驗水平試驗區遠端分別設置3個移動式救生艙,單艙可容納10人;另在斜坡道內設2個移動式救生艙,單艙可容納10人。地下實驗室救援硐室和救生艙額定避災人員不小于每個試驗水平同時工作人員的總數。

2.2.1 安全出口

地下實驗室主體架構采用“螺旋斜坡道+三豎井+兩層平巷”方案,斜坡道和三豎井直通地表,其中斜坡道和人員豎井作為通地表的2個安全出口。

斜坡道為非行人斜坡道,施工和試驗期間會在個別區域有掘進作業和試驗施工人員。為了保證人員的安全,根據試驗人員出入頻繁程度,在斜坡道路徑上設置了2個移動式救生艙,施工期間救生艙位置可視工作面推進而調整。在斜坡道入口處設有人員出入口閘機,用于管理人流并規范行人出入。通過下井人員人臉信息和門禁卡雙重認證實現對下井人員的管理。

地下實驗室的人員豎井設在BS32號孔東北方向18 m處,人員豎井采用圓形斷面,凈直徑6.0 m,深度590 m(其中30 m為井底水窩)。人員豎井作為地下實驗室主出入通道和安全出口,聯通-280 m、-560 m試驗水平,并通過聯絡巷與斜坡道相連。人員豎井井筒內布置2套提升系統,裝有2部在動力上互不依賴的罐籠設備,2套提升系統互為備用。除提升人員及小型設備外,提升系統還負責井筒設施檢修的任務。

2.2.2 救援硐室

救援硐室既是地下實驗室日常工作的休息生活區域,同時也是地下實驗室發生緊急情況的救援室,以及無法疏散情況下的等待場所和地下主要運行系統的次級控制中心,設置了不同的功能區域,并采取一定措施保證緊急情況下救援硐室的運行[13]。

在-560 m主試驗水平人員提升豎井旁設置救援硐室,定員50人,防護時間48 h。救援硐室設2道防火墻和防火門,救援硐室緊鄰進風井,保證硐室正壓,以及管路安全;同時救援硐室按50人規模、防護時間48 h配置食品、飲用水(桶裝水)、備用電源、供氧以及必要藥品、急救包、礦用自救器、礦燈,以及氣體檢測儀等設備。在日常運行期間,救援硐室也作為工作人員休息間,衛生間設置洗漱臺、水盆、水龍頭、烘手機、免沖水機械打包座便器,茶水間配置飲水機、咖啡機、微波爐、面包機、冰箱。救援硐室設置礦用溫濕度計及空盒氣壓表,在休息區設置箱式座椅、舒適沙發椅、參訪講解用電視、電腦。

救援硐室斷面尺寸:6.0 m(寬)×3.0 m(墻高),總高5.0 m,凈斷面面積30.47 m2;救援硐室長41.0 m。救援硐室設置2個出口分別與人員豎井區和停車場區域連接,通道內設置2道防火門。救援硐室內引入雙路電源供電、內部備用電源和應急照明,通訊設備直接與地表運行控制中心連接。

2.2.3 移動式救生艙

地下實驗室共設置6個移動式救生艙,當地下實驗室發生火災、坍塌等事故導致巷道堵塞或動力電源斷電時,井下遇險人員不能立即升井逃生脫險,可就近快速進入救生艙內等待救援。

移動式救生艙可以在中段巷道中和各中段間靈活移動,可以根據地下實驗室的需要,將救生艙移動到需要的試驗場所,試驗完成后再運輸至下一個試驗場所。

地下實驗室分別在-560 m主試驗水平設3個、在-280 m輔助試驗水平設1個、在斜坡道內設2個移動式救生艙。移動式救生艙為密閉艙,救生艙內設有適宜人生存的空氣循環系統、供氧系統、環境監測系統(含艙內監測、艙外監測)、動力保障系統和生存設施等[14]。

2.3 緊急避險系統設計

緊急避險系統的設置應充分考慮礦井的實際情況,建立合理的緊急避險有機整體?？傮w上應執行“一人一位、就近避難、多點布置”原則,這就要求管理人員必須清楚礦井人員的分布情況[15]。

2.3.1 緊急避險逃生線路

緊急避險線路根據地下實驗室試驗方案以及試驗巷道延伸情況及時調整,確保避災路線適應避災需要,選擇最佳的避災路線是在充分考慮不同避險逃生線路的通行難易度情況下,求解安全最短撤退時間。在巷道交叉口及沿途應設置醒目的避災路線標識,并隨巷道延伸或封閉及時更新。逃生路線指示牌亮處吸光、暗處發光,具有良好的抗老化性、耐腐蝕性、耐熱性,具有一定的阻燃性及抗劃傷性。地下實驗室各個場所設置清晰、醒目的標識牌,明確標注救援硐室或救生艙的位置、距離等信息[16]。

地下實驗室緊急避險設施主要包括救援硐室和移動式救生艙。根據地下實驗室空間架構以及人員的分布情況,確定在-560 m主試驗水平人員提升豎井旁設置救援硐室,保證地下實驗室作業人員在危險情況下的生命安全;臨時避難硐室和移動式救生艙主要服務于現場試驗及附近區域,隨著現場試驗工作的移動而移動。根據地下實驗室人員分布情況,確定地下實驗室采用1個救援硐室+6臺移動式救生艙方案,緊急避險逃生線路見圖2。

圖2 地下實驗室緊急避險逃生線路Fig. 2 The emergency escape route for URL

2.3.2 應急救援

2.3.2.1 地下實驗室應急組織機構

地下試驗室項目管理部設立現場應急指揮領導小組和若干應急處置專業組。應急救援隊伍由項目部各部門指派的人員以及現場聘用人員組成,分為治安引導組、救援處置組、信息通信組、后期保障組等。

2.3.2.2 專項應急預案與現場處置方案

地下實驗室建立健全生產安全事故應急預案體系,包括專項應急預案和現場處置方案。地下實驗室每年組織1次專項應急預案演練和2次現場處置演練,每次演練要編制演練方案,內容包括時間、地點、參加人員、預定演練過程、預期目的等;采取現場模擬演練為主,針對可能存在的突發事件,通過演練使參加人員學會報警、人員急救、應急處理、現場恢復等。演練結束后,對演練組織情況和預案的合理性進行評價,對發現的問題制訂糾正措施予以完善。

2.3.2.3 應急響應

當地下實驗室出現災害情況時立即啟動應急響應,應急救援隊伍在指揮部的統一指揮下,開展相應應急救援工作。地下實驗室人員,先按避災線路及時撤離危險區域,而后可按照應急預案在人員定位系統、視頻監控系統以及緊急電話廣播系統引導下,首選通過人員豎井和斜坡道逃生至地表;在無法迅速升井時,就近進入救援硐室或移動式救生艙內避險。

3 結論

根據地下實驗室的空間架構和現場試驗情況,在分析地下實驗室的緊急避險需求的基礎上,采用救援硐室和移動救生艙相結合的避險設施,能夠滿足地下實驗室初期緊急避險的需求,可為地下實驗室人員提供了安全的避險場所。

通過建立健全地下實驗室生產安全事故應急預案體系,定期進行應急預案演練,提高地下實驗室的應急處置能力。在災變的情況下,首選通過人員豎井和斜坡道逃生至地表,在無法迅速升井時進入救援硐室或移動式救生艙內避險,降低了地下實驗室的運行風險。