1、煤礦用可移動式救生艙中的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵詞：救生艙，六大系統(tǒng),緊急避險系統(tǒng)1引言根據(jù)世界各國對礦井事故的調(diào)查，相當(dāng)一大部分礦難傷亡都是因為在礦井透水、火災(zāi)和爆炸后，不能及時升 井或逃離高溫、有毒有害氣體現(xiàn)場，導(dǎo)致溺水、窒息或中毒死亡。因此，各國都在致力建設(shè)礦井避難硐室和礦用 救生艙，以便在礦井發(fā)生事故后能夠為無法及時撤離的礦工提供一個穩(wěn)定可靠、保障齊全的維生空間，把災(zāi)害的 損失降到最低。2010年7月，我國國務(wù)院下發(fā)通知要求，煤礦和非煤礦山要在3年之內(nèi)完成礦山安全避險六大系統(tǒng)的安裝 工作，包括：檢測監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、井下緊急避險系統(tǒng)、礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和 礦井通信聯(lián)絡(luò)

2、系統(tǒng)。可移動式救生艙是井下緊急避險系統(tǒng)中的重要技術(shù)裝備。隨后，國家安監(jiān)總局也下發(fā)通知， 要求必須在距離工作面500米范圍內(nèi)建設(shè)避難硐室或設(shè)置救生艙”。并表示，救生艙的建設(shè)將是我國礦山企業(yè)安 全生產(chǎn)保障設(shè)施的重中之重。2國外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用加拿大、美國、澳大利亞等發(fā)達國家在救生艙的設(shè)計與研究方面積累了多年的經(jīng)驗，他們的礦山法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn) 對推廣、使用礦用有著硬性的規(guī)定，一些具有較強科研實力的企業(yè)單位投入了大量的資金參與其中。圖1是國外廠商設(shè)計的幾款救生艙，包括固定式救生 艙、移動式救生艙和快速充氣式救生艙。圖1不同類型的救生艙下面詳細介紹幾家國外研發(fā)煤礦用可移動式救生艙的公司及其產(chǎn)品特點。2.1Min

3、eARC的避難艙澳大利亞的MineARC公司在避難艙的開發(fā)方面處于領(lǐng)軍地位。該公司從1995年就開始涉足煤礦避難艙的 研究。目前，該公司在全球27個國家和地區(qū)的礦山配備超過1000臺的救生艙。MineARC公司研發(fā)的救生艙主要分為煤礦型（每套系統(tǒng)可供1至20名避難人員使用）和非煤礦型（每套系統(tǒng) 可供1至25名避難人員使用）。其中，CoalSAFF煤礦安全型應(yīng)急救生艙采用了世界上獨一無二的新型專利技術(shù)，即在無電力支持條件下，集一氧化碳、二氧化碳處理和空調(diào)降溫于一體的本質(zhì)安全型集成控制系統(tǒng)一MRCisTM。 MineARC可根據(jù)用戶的要求定制不同需求的救生艙，主要有厚煤層用、薄煤層用煤礦安全型應(yīng)急

4、救生艙。其產(chǎn)品在澳大利亞的成功使用案例主要有：StLeves（2006年4月），BarrickKanownaBelle（2007年 10 月），BHPBillitionLeinster（2009 年 6 月）。2.2StrataProductsWorldwide 的避難產(chǎn)品StrataProductsWorldwide （斯特塔安全設(shè)備公司）共有2種類型避難艙產(chǎn)品：固定式避難室（含屏障式 空氣托撬）和可移動式救生艙，其中可移動式救生艙又分為鋼制步入式救生艙（煤礦用）和可充氣式救生艙。一、鋼制步入式救生艙特點：艙體結(jié)構(gòu)堅固，可抗15Psi（0.1033Mpa ）的超壓；可以容納6-40人；為困在

5、井下的工人可提供高達96小時可供呼吸的空氣；能自動報告CO、CO2、O2含量和溫度；提供必要的食物和飲用水。二、可充氣式救生艙特點：每套設(shè)備最大可容納50名礦工；可提供96小時維持生命所需的空氣；只需取下安全銷并按一下按鈕。就會在3分鐘內(nèi)自動展開；申請專利的空氣處理系統(tǒng)維持空氣中的氧氣水平，從空氣中去除二氧化碳，維持可呼吸的空氣供給；可折疊放在能夠承受15Psi（0.1033Mpa）超壓的鋼制容器內(nèi)。2.3ChemBio的避難艙位于西弗吉尼亞州的ChemBio公司是國際上首家研發(fā)出軟件救生艙、擁有專利產(chǎn)品權(quán)的專業(yè)公司。在美國 煤礦井下配備避難所1193臺，其中，軟件救生艙1000臺（占80%以

6、上），硬件救生艙123臺，避難硐室 70個。ChemBio公司軟件救生艙的特點如下:艙體材料采用符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的材料。這種材料阻燃，并極為堅固，具有很強的抗撕扯、防破裂、抗刺透能力。放置體積小，展開艙容積大，最大救生人數(shù)35人，可救生時間超過96小時。艙內(nèi)CO2清洗采用無源被動式設(shè)計，即利用懸掛在艙內(nèi)含有堿石灰等化學(xué)成分的若干幕簾來完成。3國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用與國外相比，國內(nèi)礦用可移動式救生艙的研究相對比較晚，設(shè)計技術(shù)還不成熟，其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還在制定中。 目前，國內(nèi)超過二十家企業(yè)、單位從事相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)。通過專家鑒定的有3家：北京科技大學(xué)（陜西重生礦業(yè)科 技有限公司）、煤科學(xué)研究總院安全技術(shù)分院（上海

7、鵬燕礦業(yè)安全設(shè)備制造公司）、煤炭科學(xué)研究總院沈陽研 究院（MineArc）。取得安全標(biāo)志（新產(chǎn)品）只有1家：北京科技大學(xué)（陜西重生礦業(yè)科技有限公司）。下面介紹幾家國內(nèi)研發(fā)煤礦用可移動式救生艙的公司及其產(chǎn)品特點。3.1陜西重生礦業(yè)科技有限公司陜西重生礦業(yè)科技有限公司研制救生艙已完成多項關(guān)鍵試驗：1、2008年7月在山西潞安集團模擬巷道內(nèi)完成了完全模擬礦井災(zāi)變環(huán)境下的4人96小時的現(xiàn)場生存試 驗，試驗取得圓滿成功。2、2008年10月，完成持續(xù)承受不低于260C高溫環(huán)境試驗，整個試驗過程艙內(nèi)溫度被控制在安全范圍。3、2009年3月，在重慶完成承受瓦斯、煤塵爆炸試驗，獲得成功。同時，救生艙的設(shè)計充分

8、考慮了使用現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性。艙體采用了堅固的鋼制外殼和分體式組裝 結(jié)構(gòu)，可拆卸后進入礦井，在井下根據(jù)需要進行組裝。該救生艙對外能夠抵御爆炸沖擊、高溫?zé)煔猓艚^有毒有 害氣體；對內(nèi)能及時處理艙內(nèi)的有毒有害氣體，并通過多極供氧系統(tǒng)為被困礦工提供氧氣，食物、水的存儲和糞 便的處理都有專門的系統(tǒng)，為被困人員可以贏得較長的生存時間。同時，被困人員能夠通過艙內(nèi)通訊監(jiān)測設(shè)備， 引導(dǎo)外界救援。3.2河南中平能化集團機械制造有限公司2006年6月，由河南中平能化集團機械制造有限公司自行研究設(shè)計制造的礦用可移動式救生艙首個樣艙 制造完成。這座礦用可移動式救生艙主要用于發(fā)生礦難時遇險人員緊急避難。其密封艙體

9、可容納10人，艙體 內(nèi)設(shè)有座椅、照明、通訊、供氧、急救箱、必需的食品飲用水、有毒有害氣體處理裝置，并可以調(diào)節(jié)艙內(nèi)的氣溫 和濕度。艙內(nèi)至少可提供96小時的生存保障。2011年4月9日，黑龍江研制出井下可移動式救生艙已通過抗爆試驗。繼在環(huán)境溫度55攝氏度、120小 時高溫真人試驗獲得成功后，由黑龍江龍煤機械裝備公司自主研制的JYC-120/12型井下可移動式救生艙，近 日再次通過國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測檢驗中心的連續(xù)4次井下抗爆試驗。鑒定結(jié)果顯示，該艙體抗爆能力 為2兆帕，達到了井下可移動式救生艙抗爆能力的最高標(biāo)準(zhǔn)，表明此型號救生艙可以投入高瓦斯礦井，為井下遇 險礦工提供臨時的避險場所。3.4

10、山東華盾科技股份有限公司山東華盾科技股份有限公司研發(fā)的礦用可移動式救生艙被譽為礦井諾亞方舟”，以10項（兩項發(fā)明、7項 實用新型、一項外觀）專利，填補了國內(nèi)空白，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。該礦用可移動式救生艙可以實現(xiàn)實時和 長遠全時空故障和運行狀態(tài)的監(jiān)控檢測和緊急避險狀態(tài)下全時空的通信視頻聯(lián)絡(luò)，并能提供在緊急避險與外界隔 絕狀態(tài)下每一個艙體12個人連續(xù)生存10天的空間，結(jié)束了此前每個艙體只能容納5人、生存僅3天的尷尬困 局。4救生艙設(shè)計的關(guān)鍵之環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)礦用可移動式救生艙整個研究包括應(yīng)急救援密閉艙、艙內(nèi)的環(huán)控生保系統(tǒng)、實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。 作為關(guān)鍵技術(shù)之一，環(huán)境監(jiān)測在礦用可移動式救生艙中非

11、常重要。4.1環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)簡介救生艙的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是避難人員在密閉空間內(nèi)生存依靠的重要保障，對現(xiàn)有艙內(nèi)的壓力、溫、濕度等環(huán)境 參數(shù)提供實時監(jiān)測。由于被困人員在救生艙中生存通常從幾小時到幾天都有可能，隨著時間的推移，艙內(nèi)氧氣不 斷減少，同時將產(chǎn)生CO、CO2、H2S、CH4等有毒有害氣體，這都影響著人的生命安全，因此，艙內(nèi)應(yīng)對這些 各種氣體參數(shù)即時監(jiān)控，并根據(jù)氣體對人體影響設(shè)定儀器監(jiān)測范圍和報警參數(shù)，同時對供氧速度、有毒有害氣體 凈化、溫、濕度調(diào)控、供電、通訊等實現(xiàn)控制，保證在與外界隔絕的情況下，實施艙內(nèi)一定時間內(nèi)人員生存的重 要條件。救生艙還應(yīng)具備監(jiān)測艙外氣體環(huán)境的設(shè)備，及時觀察艙內(nèi)外的環(huán)境情

12、況，判斷是否處于危險狀態(tài)。MineARC公司的各類型救生艙配置的是電子氣體監(jiān)測儀，對艙內(nèi)02、CO2、CO等氣體含量進行實時監(jiān)控， 氣體監(jiān)測儀有預(yù)置警報系統(tǒng)，一旦氣體濃度達到某個值點，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報，避險人員根據(jù)警報判斷是否 需要更換化學(xué)吸附劑。電子氣體監(jiān)測儀機身輕巧，攜帶方便，操作簡單，安全可靠。我國可移動式救生艙內(nèi)主要設(shè)置有環(huán)境監(jiān)測儀，該儀表主要采用帶有煤安標(biāo)志的本安防爆型氣體傳感器， 一方面監(jiān)測艙內(nèi)數(shù)據(jù)，提醒艙內(nèi)人員根據(jù)不同情況做出相應(yīng)決策，保障生命安全。同時，在艙外一定區(qū)域設(shè)置監(jiān) 測儀表，以便艙內(nèi)人員了解外部環(huán)境，在外部安全的環(huán)境下，通過通訊系統(tǒng)與井下聯(lián)系，實施自救配合他救。4.

13、2救生艙環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案對于救生艙監(jiān)測系統(tǒng)，要求災(zāi)變情況下能夠長時間獨立監(jiān)測、傳輸、人機界面友好、安裝便利、維護方便、 操作簡單、可擴充性好、易于實現(xiàn)產(chǎn)品工業(yè)化。救生艙應(yīng)能對艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測、顯示，并超限報警，并應(yīng)有對艙外環(huán)境監(jiān)測功能。救生艙內(nèi)、外 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)宜獨立運行。救生艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)至少應(yīng)包括CO、CO2、02、CH4、H2S、溫度和濕度；艙外環(huán)境監(jiān)測參數(shù)至少 應(yīng)包括CO、C02、02、CH4、溫度。（3）救生艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)表1的規(guī)定設(shè)置超限報警點，環(huán)境參數(shù)超出表1的規(guī)定值時自動聲光報 警，聲級不宜大于50dB（A）。表1救生艙內(nèi)空氣質(zhì)量要求項目02COC02C

14、H4H)溫度濕度指標(biāo)18.5%-23.0% W1.0% 1.0%85%24ppm35 C6ppm（4）具有邊界參數(shù)開關(guān)量控制功能，以便在監(jiān)測到氣體參數(shù)不符合艙內(nèi)安全生命標(biāo)準(zhǔn)時啟動相關(guān)設(shè)備。4.2.2系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)4.2.2.1監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計1）救生艙監(jiān)測系統(tǒng)與巷道中監(jiān)控分站相連，組成全礦井監(jiān)測信息管理中心，并可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測信息適 時共享。2）監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺采用先進的組態(tài)軟件，具有人機界面友好、操作簡單方便、功能強大等優(yōu)點，具有容 錯糾錯功能，人為的誤操作不影響系統(tǒng)的正常運行。3）監(jiān)測系統(tǒng)對所監(jiān)測參數(shù)根據(jù)需要可隨時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖形、曲線和報警點及數(shù)值。圖形功能豐富直觀， 點開圖形即得所需

15、測點信息。4）具有自檢及自診斷功能，系統(tǒng)能自動切除故障區(qū)域，非故障區(qū)域仍能正常運行。（1）救生艙監(jiān)測系統(tǒng)在正常情況下，包括監(jiān)控主機、傳輸接口、監(jiān)測分站、電源箱、監(jiān)控軟件、顯示器、 傳感器及傳輸電纜。（2）在災(zāi)變后線路遭到破壞后，救生艙內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)包括艙內(nèi)電源、顯示器、傳感器及傳輸電纜。（3）建立救生艙監(jiān)測系統(tǒng)需要完成艙內(nèi)儀器儀表的選配，氣動開啟與電動開啟的轉(zhuǎn)換控制及連接，通訊信 號的統(tǒng)一處理，艙內(nèi)儀器儀表布局及位置確定，儀器操作控制柜設(shè)計，艙內(nèi)設(shè)備連接電纜橋架布置以及艙內(nèi)外電 纜密封接口設(shè)計。4.2.3監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸艙內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)對外提供所需傳感器的信號，同時接入到分站，實現(xiàn)遠距離傳輸，通過傳輸媒介接入到監(jiān)控主 機。其信號傳輸?shù)脑砜驁D2所示。圖2.信號傳輸框圖艙內(nèi)外配有多種傳感器，用來測定溫濕度、大氣壓力、氣體（CO、CO2、02、甲烷、H2S等有害氣體）的 濃度。艙內(nèi)同時具有顯示各種傳感器參數(shù)的儀表，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過傳輸電纜送到集中控制顯示器進行顯 示。同時，救生艙監(jiān)測系統(tǒng)與巷道中監(jiān)控分站相連，監(jiān)控分站收集傳感器的監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過傳輸媒介到達監(jiān)控主 站，實行所有儀表的遠程實時監(jiān)控，并自動調(diào)節(jié)艙內(nèi)氣體環(huán)境。監(jiān)測系統(tǒng)一方面作為平