PAGE13/NUMPAGES13煤礦井下救生艙的設(shè)計(jì)思路1概述依照世界各國(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)瞬間受到損害死亡的礦工只占事故傷亡人數(shù)的一部分，有相當(dāng)一部分礦工差不多上因?yàn)樵诘V井透水或火災(zāi)、爆炸后不能及時(shí)升井或逃離高溫有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致溺水、窒息或中毒死亡的。因此，各國(guó)都在大力建設(shè)礦井避難硐室和研制礦用救生艙，以便為礦井發(fā)生事故后無(wú)法及時(shí)撤離的礦工提供一個(gè)安全的密閉空間，對(duì)外能夠抵御爆炸沖擊、高溫?zé)煔?，隔絕有毒有害氣體，對(duì)內(nèi)能為被困礦工提供氧氣、食物和水，去除有毒有害氣體，贏得較長(zhǎng)的生存時(shí)刻。同時(shí)，被困人員還能通過(guò)艙內(nèi)通訊監(jiān)測(cè)設(shè)備，引導(dǎo)外界救援。目前，礦用救生艙可分為固定式和移動(dòng)式兩類。由于移動(dòng)式救生艙能夠隨著作業(yè)場(chǎng)所變遷而移動(dòng)，可依照需要改變架設(shè)位置，具有方便靈活的特點(diǎn)，因此應(yīng)用日趨廣泛。2國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀加拿大、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的礦山安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)推廣、使用礦用救生艙有著硬性的規(guī)定。在相關(guān)政策法規(guī)的支持下，歐美各國(guó)十分重視礦山應(yīng)急救援工作及相關(guān)研究，投入了大量的資金，使得一些具有較強(qiáng)科研實(shí)力的企業(yè)單位參與其中，如澳大利亞的MineARC系統(tǒng)公司(MineARCSystems)、Shairzal安全工程公司(ShairzalSfaetyEngineering)、Cowan制造有限責(zé)任公司；美國(guó)杰克·肯尼迪金屬制品公司(JackKennedyMetalProducts)、現(xiàn)代礦業(yè)安全支持有限公司(ModenrMineSafetySupply，LLC)、Strata公司(StrataProductsUSA)；德國(guó)德?tīng)柛癜踩O(shè)備有限責(zé)任公司(DraegerSafetyInc．)等。國(guó)外礦用救生艙已有許多成功應(yīng)用的案例。如2006年1月29日凌晨3時(shí)，加拿大薩斯喀徹溫省(Saskatchewan)一座鉀鹽礦井發(fā)生火災(zāi)事故，72名礦工被困井下，轉(zhuǎn)移至礦井救生艙(澳大利亞MineARC系統(tǒng)公司生產(chǎn))中，通過(guò)26小時(shí)全力營(yíng)救，72名礦工全部成功獲救，在世界范圍內(nèi)引起轟動(dòng)效應(yīng)。3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)礦用移動(dòng)式救生艙的研究起步較晚，其設(shè)計(jì)思路還不十分成熟，缺少必須的試驗(yàn)和檢驗(yàn)支持，更無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能夠依據(jù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國(guó)內(nèi)有十幾家企業(yè)、單位在進(jìn)行礦用救生艙的研制工作。其中，北京科技大學(xué)承擔(dān)的“十一五”國(guó)家科技支撐打算對(duì)救生艙的研究進(jìn)展較快，2008年7月，在山西潞安集團(tuán)模擬巷道內(nèi)完成了4人、96小時(shí)的安全驗(yàn)證試驗(yàn)。4救生艙設(shè)計(jì)中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題目前，國(guó)內(nèi)對(duì)礦用救生艙的研制工作盡管在緊鑼密鼓地進(jìn)行，但由于種種緣故，至今還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。一些廠家在研制過(guò)程中，由于對(duì)煤礦井下發(fā)生事故時(shí)專門(mén)的環(huán)境條件導(dǎo)致的專門(mén)要求了解不深，導(dǎo)致研究工作走彎路，或者研制的產(chǎn)品不能適應(yīng)實(shí)際需要。筆者認(rèn)為，在研制煤礦井下移動(dòng)救生艙時(shí)，必須注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。4．1功能定位移動(dòng)救生艙一般為車體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)救生艙艙體由耐高溫、抗沖擊的材料構(gòu)成，設(shè)有觀看窗和逃生窗。國(guó)外礦用救生艙高度、寬度普遍在2m左右，長(zhǎng)度則依據(jù)要求容納的人數(shù)改變，但總空間體積必須達(dá)到1．5m／人以上，以保證密閉空間中人員的生命安全。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，事故多樣。瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災(zāi)、冒頂、透水，每一類災(zāi)難帶來(lái)的損害都不盡相同。關(guān)于爆炸，要求救生艙能夠抗高和氣沖擊；關(guān)于火災(zāi)，救生艙必須抗高溫；關(guān)于水災(zāi)，救生艙需要防水，甚至要求在數(shù)百米靜水壓力下仍有良好的密封性。考慮到我國(guó)現(xiàn)時(shí)期的技術(shù)水平和制造成本，幾乎不可能造出一種能應(yīng)對(duì)所有礦井災(zāi)難的救生艙。因此應(yīng)首先確定救生艙要緊防哪一種災(zāi)難，依照災(zāi)難特點(diǎn)有針對(duì)性、有重點(diǎn)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。4．2艙內(nèi)設(shè)施礦用救生艙一旦開(kāi)始運(yùn)行，被困人員要在那個(gè)密閉空間中可能生存長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的時(shí)刻，為了保證人員的生命安全，救生艙內(nèi)所有生命維持設(shè)備必須持續(xù)正常運(yùn)行，將室內(nèi)的氧氣、CO等各類氣體的濃度、環(huán)境溫度、濕度等生存參數(shù)都穩(wěn)定操縱一個(gè)適宜人類生存的范圍。救生艙整體結(jié)構(gòu)與有關(guān)設(shè)施設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。4．2．1供氧系統(tǒng)救生艙內(nèi)正常氧氣供應(yīng)要緊有礦用壓縮空氣、儲(chǔ)備壓縮氧以及化學(xué)反應(yīng)生成氧氣三種方式，氧氣供應(yīng)裝置應(yīng)滿足三個(gè)條件：①盡量供應(yīng)組分接近空氣組分的氣體，純氧氣應(yīng)先通過(guò)混氣再進(jìn)入救生艙供呼吸；②能夠持續(xù)不間斷地供應(yīng)氧氣：，一般通過(guò)兩套以上獨(dú)立的供氣系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；③能夠調(diào)節(jié)氧氣釋放速率與救生艙中人員消耗速率達(dá)到一致，以穩(wěn)定氧氣的濃度。4．2．2排泄物的收集與處理為了幸免人體排泄物污染艙內(nèi)環(huán)境，阻礙被困人員健康，艙內(nèi)的廁所必須科學(xué)設(shè)計(jì)，妥善收集處理排泄物。4．2．3空調(diào)系統(tǒng)礦用救生艙為了最大限度的延長(zhǎng)被困人員的生存時(shí)刻，要求對(duì)礦井內(nèi)的惡劣環(huán)境如爆炸、沖擊、火災(zāi)等具有相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)能力，因此，救生艙的外殼必定有一定的隔熱性能。而在救生艙內(nèi)部，被困人員自身會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射。美國(guó)《肯塔基州礦井安全建議》中提到，在救生艙空間中，正常成年人每天能夠釋放10133．76kJ的熱量。同時(shí)，由于處理CO等有害氣體的化學(xué)反應(yīng)多數(shù)也要釋放熱量，如此多的熱量聚攏在救生艙中無(wú)法排出會(huì)導(dǎo)致溫度升高以及一些嚴(yán)峻的后果。因此，如何解決隔熱的密閉空間中的熱量累積問(wèn)題是救生艙研究中特不困難的一個(gè)部分。為了操縱救生艙內(nèi)溫度不至于過(guò)高，必須使用空調(diào)來(lái)操縱溫度?？照{(diào)主機(jī)可置于救生艙內(nèi)部，而壓縮機(jī)必須外置，這就不可幸免地帶來(lái)了空調(diào)壓縮機(jī)的防爆問(wèn)題。此外，在20多立方米的空間中要保持讓人舒適的溫度，需要有足夠的電力運(yùn)行空調(diào)，而礦難時(shí)外部電力往往中斷，只能靠電池維持。因此，救生艙維持生存時(shí)刻的長(zhǎng)短專門(mén)大程度上要決定于空調(diào)和備用電池的功率之間的相互協(xié)調(diào)。4．2．4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及清除有毒有害氣體在救生艙中生存時(shí)，隨著被困人員在救生艙內(nèi)的時(shí)刻增長(zhǎng)，艙內(nèi)將會(huì)有CO、CO、HS、CH等多種有毒有害氣體的積聚，被困人員必須時(shí)刻掌握所處密閉空問(wèn)內(nèi)外的各類參數(shù)，依照情況的變化采取相應(yīng)措施維持生存條件。多數(shù)有毒氣體濃度的變化不可能通過(guò)人體器官及時(shí)感知就足以致命了，因此，救生艙內(nèi)應(yīng)安裝各類監(jiān)測(cè)儀器即時(shí)監(jiān)控所有要緊的生存環(huán)境參數(shù)，并配備汲取或清除上述氣體的裝置。要求操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、性能可靠。救生艙中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要緊監(jiān)測(cè)的對(duì)象一般包括氧氣、CO2、CO、H2S、CH4、壓力、溫度、濕度以及各種設(shè)備的運(yùn)行狀況。氣體濃度的監(jiān)測(cè)按照氣體對(duì)人體的阻礙設(shè)定儀器的監(jiān)測(cè)范圍及報(bào)警數(shù)值。4．2．5通信系統(tǒng)在事故發(fā)生時(shí)，遇險(xiǎn)礦工進(jìn)入救生艙只是第一步，利用救生艙里的通信系統(tǒng)，及時(shí)與外界取得聯(lián)系，引導(dǎo)救援人員前來(lái)救援才是最重要的。當(dāng)前，國(guó)外救生艙也專門(mén)少安裝有效的通信系統(tǒng)，而救生艙中如能配備先進(jìn)可靠的可與地面聯(lián)絡(luò)的通信系統(tǒng)，無(wú)疑對(duì)救援工作的順利開(kāi)展有著極其重要的意義。4．2．6能量與動(dòng)力系統(tǒng)救生艙中的空調(diào)、照明、通信、電子操縱設(shè)備等都要依靠電力來(lái)維持，尤其是大功率的空調(diào)壓縮機(jī)，要消耗大量的電力資源。能否為救生艙耗電設(shè)備提供電力，維持其長(zhǎng)時(shí)刻穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)延長(zhǎng)救生時(shí)問(wèn)有著極大的阻礙。事故發(fā)生時(shí)，外部供電中斷，救生艙只能依靠自身的蓄電池供電。礦井用蓄電池要求本質(zhì)安全，同時(shí)需要能夠長(zhǎng)時(shí)刻維持空調(diào)等各類設(shè)備運(yùn)行。4．3檢測(cè)檢驗(yàn)依照國(guó)家有關(guān)規(guī)定，礦用救生艙必須取得安標(biāo)之后，才同意在煤礦井下使用。目前，國(guó)內(nèi)礦用救生艙還沒(méi)有取得安標(biāo)的先例，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)如何取得安標(biāo)、如何確定防水、防爆、防火、抗沖擊等各類檢測(cè)指標(biāo)，差不多上迫切需要解決的問(wèn)題，亟待有關(guān)方面盡快研究解決。4．4使用與維護(hù)為了使礦用移動(dòng)救生艙能適應(yīng)中國(guó)煤礦礦井條件、工藝和治理水平，還必須考慮到救生艙尺寸大小；下井方式；放置地點(diǎn)的確定；維護(hù)保養(yǎng)方式，包括食品、藥品及其他物資設(shè)備的更新等問(wèn)題。5自主開(kāi)發(fā)井下救生艙的技術(shù)方案和技術(shù)路線5.1艙本體依照中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)--礦用可移動(dòng)式救生艙通用技術(shù)條件提出的結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)的相關(guān)要求：“人均有效容積不小于1立方米，總有效容積大于8立方米”，以及“強(qiáng)度安全性能：硬體救生艙體應(yīng)具有足夠應(yīng)承受不低于0.5MPa的沖擊壓力?！薄翱贡_擊性能，救生艙應(yīng)具備可承受最大爆炸沖擊壓力不低于1.0MPa”。并參照澳大利亞miniarc公司產(chǎn)品，救生艙本體采納3層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其形式如圖1所示。其外層為6毫米厚鋼板，通過(guò)60*40槽鋼加固。外形尺寸：長(zhǎng)8.9米，寬2.7米，高1.9米。有效體積36平米。中間夾層為隔熱層，其備選材料如下表所示：艙體內(nèi)部用木制板進(jìn)行內(nèi)襯，通過(guò)拉鉚釘?shù)姆绞竭M(jìn)行連接。關(guān)鍵部位通過(guò)焊接在外殼上面的加強(qiáng)螺栓進(jìn)行緊固處理。地面鋪設(shè)空心防滑墊。材料為無(wú)毒化處理的耐高溫聚氨酯。艙體內(nèi)設(shè)座椅，鋼板鈑金結(jié)構(gòu)。噴消防漆。5.2供氧系統(tǒng)救生艙應(yīng)具備壓風(fēng)系統(tǒng)、自備氧及自救器三級(jí)供氧保障體系，保障救生艙內(nèi)人員呼吸氧氣。壓分系統(tǒng)注入的空氣通過(guò)減壓、節(jié)流、消噪聲和除水、除油、除塵三級(jí)過(guò)濾，通過(guò)1/8”銅管進(jìn)入艙體。保證壓風(fēng)供氧速率不低于每人2.5L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），連續(xù)噪聲不高于70dB（A），出口壓力不高于0.2MPa。末端的渦流管將產(chǎn)生的冷空氣注入艙內(nèi)，將熱空氣排出艙外，實(shí)現(xiàn)供氧和空調(diào)的雙重效果。氧氣瓶的醫(yī)用氧氣作為自備氧，通過(guò)減壓和流量調(diào)節(jié)裝置，直接注入救生艙主艙。操作簡(jiǎn)便、快捷；流量計(jì)方便讀數(shù)，具備明顯的調(diào)節(jié)指示；氧氣瓶應(yīng)符合GB5099和《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；顯示壓力表應(yīng)符合GB/T1226的有關(guān)規(guī)定；呼吸系統(tǒng)應(yīng)符合AQ1053、AQ1054、GA632、MT867的規(guī)定。自救器使用時(shí)刻不低于45min，配備量不低于額定人數(shù)的1.5倍。供氧系統(tǒng)同時(shí)作為艙體正壓的要緊貢獻(xiàn)單元，是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，管路的布置應(yīng)依照實(shí)際情況不斷調(diào)整。同時(shí)需要進(jìn)行鋼瓶固定器、風(fēng)笛設(shè)計(jì)等工作。5.3空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)救生艙應(yīng)具有有效的空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在額定防護(hù)時(shí)刻內(nèi)保障艙內(nèi)空氣及有害氣體濃度滿足表2的規(guī)定，并應(yīng)具備煙霧過(guò)濾功能。項(xiàng)目O2COCO2H2SCH4溫度濕度煙霧濃度指標(biāo)18.5%~23%≤24×10-6<1.0%≤6×10-6≤1.0%30℃±2℃≤85%22%ob/m救生艙的空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過(guò)著色化學(xué)反應(yīng)配合空調(diào)制冷風(fēng)機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)機(jī)流量進(jìn)風(fēng)口20L/min～50L/min范圍內(nèi)。氣動(dòng)馬達(dá)馬力0.26KW扭力3.4N.M速度2000~3000r.p.m。葉片直徑450毫米，同時(shí)在空調(diào)下方安置一個(gè)反向葉輪，使得空調(diào)內(nèi)部可不能產(chǎn)生渦流，并凈化后的氣體通過(guò)排風(fēng)孔排出。即使空調(diào)低速運(yùn)行，也能夠保證國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于進(jìn)風(fēng)口流量的要求。關(guān)于二氧化碳，采納著色LIOH和NaOH顆粒汲取。5.4空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)下圖為空調(diào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要原理圖：救生艙尾部的液態(tài)二氧化碳鋼瓶通過(guò)直插入鋼瓶?jī)?nèi)部的長(zhǎng)管，在鋼瓶?jī)?nèi)部16MPa氣壓的作用下，通過(guò)氣壓顯示和氣壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入避難艙內(nèi)部。當(dāng)主控閥開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，液態(tài)二氧化碳進(jìn)入空調(diào)。通過(guò)四組并聯(lián)的空調(diào)排管，液態(tài)二氧化碳與周圍空氣充分進(jìn)行熱量交換，二氧化碳?xì)饣橙〈罅繜崃?，氣化的二氧化碳?xì)怏w最后匯合推動(dòng)氣體馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣在馬達(dá)上的葉片的作用下形成氣流，將低溫排管上面的冷空氣吹出空調(diào)，達(dá)到制冷的目的。/