避难硐室冷媒制冷技术方案(1)

1、山西吕梁中阳梗阳煤业有限公司永久避难硐室技术方案中煤机械集团有限公司2012/2/29技术方案由山西吕梁中阳梗阳煤业有限公司矿井设计：永久避难硐室平面图、断面图，图号：S1903-175-01、S1903-175-01；永久避难硐室通道台阶扶手平面图、断面、剖面图，图号S1903-117-00为依据，现拟定设计避难硐室额定避难人数为100人。一、方案制定的依据1、国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发【2010】23号文）；2、关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知 （安监总煤装2010146号）；3、关于印发煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定的通知 （安监总煤装20111

2、5号文）；4、关于印发煤矿井下安全避险六大系统建设完善基本规范（试行）的通知（安监总煤装201133号文）；5、山西文龙煤矿工程设计有限公司永久避难硐室设计图(S1903-175-01/02)。二、避难硐室的基本要求根据国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发201023号）的要求，煤矿开展紧急避险设施、矿井安全监测、人员定位、压风自救、通信联络等六大系统的建设，形成井下整体性的安全避险系统。紧急避险设施，煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定的通知（安监总煤装201115号）提出了具体的要求，紧急避险系统建设包括为入井人员提供自救器、建设井下紧急避险设施、科学设置避灾路线和制定应急预案

3、等。紧急避险设施是在井下发生火灾、爆炸、突出等突发紧急情况时，为无法及时撤离的避险人员提供一个安全的密闭空间，对外能够抵御高温烟气，隔绝有毒有害气体，对内提供氧气、食物、水，去除有毒有害气体，创造生存基本条件，并为应急救援创造条件、赢得时间。井下紧急避险设施主要包括永久避难硐室、临时避难硐室、可移动式避难硐室。永久避难硐室一般设置在井底车场、水平大巷、采区（盘区）避灾路线上，服务于整个矿井、水平或采区，服务年限一般不低于5年。临时避难硐室一般设置在采掘区域或采区避灾路线上，主要服务于采掘工作面及其附近区域，服务年限一般不大于5年。避难硐室的要求，与可移动式救生舱一样，都应具备安全防护、氧气供给

4、保障、空气净化与温湿度调节、环境监测、通讯、照明、动力供应、人员生存保障等基本功能，并满足以下基本要求：（一）在无任何外部支持的情况下维持额定避险人员生存96h以上。在整个额定防护时间内，内部环境中O2在18.5%23.0%之间，CO21.0%，CH41.0%，CO24×10-6，温度35，湿度85%。（二）能够接入矿井压风管路，设有减压装置、消音装置、过滤装置和控制阀，压风出口压力0.10.3MPa，供风量不低于0.3m3/分钟人，连续噪声不大于70dB。（三）布置直达地表的大直径钻孔的永久避难硐室、无钻孔永久避难硐室及临时避难硐室，均应配备自备氧供气系统和有害气体处理设施。在额定

5、防护时间内提供避险人员人均供氧量不低于0.5L/min，CO2处理能力不低于每人0.5L/min，CO处理能力应不低于20min内将400ppm降到24ppm。并保证避险设施内始终处于不低于100Pa的正压状态，防止有毒有害气体渗入。配备的高压气瓶供气系统应有减压措施以保证安全使用。（四）配备接入矿井供水管路接口，设置供水阀。（五）配备独立的内外环境参数检测或监测仪器，在突发紧急情况下人员避险时，能对避险设施过渡室内的O2、CO ，生存室内O2、CH4、CO2、CO、温度、湿度和避险设施外的O2、CH4、CO2、CO进行检测或监测。（六）配备额定防护时间内额定人员生存所需要的食品和饮用水，食品

6、不少于5000kJ/人·天，食用水不少于1.5l/人·天。（七）配备自救器、急救箱、照明、工具箱、灭火器、人体排泄物收集处理装置等辅助设施。自救器应为隔离式，使用时间不低于45min，数量不低于额定避险人数的1.1倍。（八）紧急避险设施的总容量，应满足突发紧急情况下所服务区域全部人员紧急避险的需要，包括生产人员、管理人员及可能出现的其他临时人员。备用系数，永久避难硐室备用系数不低于1.2，临时避难硐室备用系数不低于1.1。（九）硐室采用锚喷、砌碹等方式支护，支护材料应阻燃、抗静电、耐腐蚀，顶板和墙壁的颜色为浅色。硐室地面高于巷道底板不小于0.2m。（十）有条件的矿井为永久硐

7、室布置由地表直达硐室的钻孔，钻孔直径不小于200mm。三、避难硐室的各系统的方案设计：避难硐室内部设置，具备安全防护功能、氧气供给保障、有害气体去除、环境监测、通讯、照明、动力供应、人员生存保障等基本功能，在无任何外界支持的条件下额定防护时间不低于96小时。为达到上述功能，需要采用相应的技术方案。1安全防护系统1.1基本要求避难硐室的防护，包括防爆门和密闭门、洗气系统。防爆门要求是能抗0.3Mpa的冲击压力，并有气密性。生存室内布置1趟单向排水管和2趟单向排气管。排水管和排气管加装手动阀门。过渡室内设压缩空气幕和压气喷淋装置。1.2防爆门防爆门是硐室的第一道防护，安监总煤装201115号文要求

8、抗冲击压力不低于0.3MPa,选我公司自主研发的防爆门，抗冲击压力1.5MPa。1.3洗气系统洗气系统包括气幕和喷淋装置，气源一般采用压风。为保证洗气的可靠性，增加二组瓶装压缩空气用于洗气，每组放置6瓶压缩空气，二个过渡室各放置一组。2供氧系统的方案在避难硐室内，避难人员保障生命的第一要素是氧气。在低氧或缺氧的矿井下，氧气是维持生命必不可缺的元素。在矿难发生后，向避难硐室内提供足够的氧气是保障舱内人员生命安全的关键环节。同时，控制氧气浓度也是非常重要。缺氧，可导致舱内人员无法进行正常的生理活动；多氧，又能造成“氧中毒”。所以，合理控制避难硐室内的氧气浓度是供氧系统的一个重要的要求。2.1供氧方

9、法简述氧气的来源主要有空气中自然存在的氧、浓缩的纯氧、化学氧供氧。空气中自然存在的氧，可以采用矿井井下压风管道提供的压缩空气，作为氧气的来源。具有持续供应、供应量大等优点，但易受矿井事故影响，供应不能保证。可作为第一级供氧源。在压风供氧中断的情况下，需要有稳定的氧源向避难硐室内供氧，一般采用的方法是压缩氧、化学氧。压缩氧是利用氧气可压缩、低温可变为液体和固体的特性，进行储存。常温高压气态储存氧气广泛应用于医学、航空航天、消防、煤矿等领域，是最为成熟的气体储存技术。而低温超临界液态储存和低温亚临界储存的系统复杂，需要很好的绝热措施，因此不考虑此方法。化学氧供氧是经化学反应，使富氧化物分解供人们应

10、用的一种氧气来源。此方法简单、使用方便，但存在供氧不稳定、放热等缺点。2.2系统设计及方案确定本供氧系统采用二级供氧方式，第一级为压风供氧、第二级是医用压缩氧气瓶供氧。同时配备呼吸自救器，来保障避难硐室内人身呼吸的氧气。2.3压风供氧系统压风管道供氧，是利用矿井井下压风管路或由地面直达的压风管提供的压缩空气，利用接口联接，将压缩空气接入避难硐室进行供氧。压风管道供氧，具有供风量大的优点，救援时间长，避难硐室内的生存环境与地面接近。并能带走生存室内的热量，不需要制冷。压风管道供氧系统在确定压风管道没有被破坏后，首先开启总阀门，压缩空气从接口处进入供氧系统。2.3.1基本要求根据矿井压风自救装置技

11、术条件MT390-1995中的规定，装置应具有减压、节流、消噪声、过滤和开关等功能，装置操作应简单、快捷、可靠，其装置适用的压风管道供气压力为0.30.7MPa，供氧速率不低于每人0.3 m3/min(标准状态下)，保障人员96h的氧气供应量，连续工作时的噪声应小于70dB（A），出口压力为0.10.3MPa。在压风管道供氧系统连续供氧（或压缩氧气钢瓶供氧）的同时，需要对避难硐室进行泄压。泄气管路安装2道，泄压管路包括截止阀、泄压阀等组成。2.3.2过滤器的选择压缩空气，是利用井下工业用气，压缩空气中含有油、水、颗粒杂质，不能用于人体的呼吸之用，需要进行过滤并达到呼吸的要求。过滤选用进口过滤器

12、，采用三级过滤，分离油水并过滤掉颗粒型杂质，过滤后的空气中油含量不超过0.003ppm、颗粒在0.01mincrom以下。供气量计算：选用A126型过滤器，最大流量为530m3/h，即9 m3/min。选用4组过滤器，则总供风量为4*936 m3/min，大于要求100人硐室的需风量为100*0.330 m3/min，供风量满足要求。4组过滤器均匀布置在生存内。A126型过滤器技术数据:过滤器型号：A126(X25)；管道尺寸：1.25寸；流量：540Nm3/h，即9 m3/min；重量：大约3.5千克；滤芯型号：E821(X25)最大粒度等级达到：ISO 8573-1:2001(4)；最大含

13、油量等级达到：ISO 8573-1:2001；20（60°F）下的最高含有成分：10/m³、8.2PPM；最高温度：120、248°F；压力损失-清洁干燥：30mbar、0.4psi；压力损失-油饱和：50mbar、0.7psi；压力损失-滤芯更换：400mbar、6psi；最高工作压力：16barg、232psig;滤芯端盖颜色：黑色2.4压缩氧气钢瓶供氧系统压缩氧气钢瓶供氧系统是供氧系统中第二级，也是最重要的保障措施。氧气瓶采用医用高压氧气钢瓶，钢瓶中氧气浓度不低于99.5%，在额定保护时间内提供供氧量不低于0.5L/min每人，氧气浓度在18.5%22%之间

14、。当压风管道系统在矿难中发生破坏不能正常使用时，压缩氧气供氧系统开始工作，提供所需的氧气。系统采用多个高压氧气钢瓶，通过带单向阀的金属软管，经过膜片阀、带压力表和安全阀的减压阀、可调式玻璃转子流量计、消音器，向避难硐室内供氧。供氧量计算：一般人在轻微体力劳动时每人最低耗氧量，耗氧量约为0.4L/min，静止状态时，耗氧量约为0.250.35L/min。人在避难时，大部分时间是静止状态，氧气量按轻微体力劳动时最低耗氧量计算，还需要考虑一定的富余量。按要求，供氧量不低于0.5L/min·人。因此，计算依据：人均耗氧量为Q1=0.5L/min。规定要求，如避难硐室设有地表直达硐室的钻孔，供

15、氧时间不少于24h。根据山西吕梁中阳梗阳煤业有限公司矿井设计永久避难硐室无钻孔的条件，供氧时间取96小时。每人96h耗氧总量为：V1= Q1×T=0.5×96×60=2880L选用V2=80L氧气瓶，每支气瓶可用氧气体积为：V3=P·V2=140×80=11200L共需要氧气瓶数为： Z1=100（ V1/ V3）=100（2880/11200）=25.7(支) 永久硐室20%的安全系数，Z= Z1·（1+20%）=30.8(支) 压缩氧气的数量取32瓶。2.5自救器供氧为使避难所防护失效后避难人员能够逃生，根据煤矿井下避难所试点建设

16、基本要求（试行）的要求，自救器使用时间不少于45min，配备数量不低于额定人数的1.2倍。自救器选用现有成熟、已取得煤安标志的产品。2.6供氧的控制避难硐室启用时，打开机械式阀门，供氧系统开始工作。避难硐室停止使用时，关闭机械阀。避难硐室启用时，两套供氧系统的启动顺序是：先启动压风系统供氧，如压风管道供氧不正常；则立即启动压缩氧气钢瓶供氧系统。系统由人工控制。3 避难硐室有毒有害气体处理系统避难硐室内部密闭空间能与外界矿井的大气环境隔离，形成独立的空气系统。在避难硐室启用后，避难硐室由于人员的活动，会产生一定量的有毒有害气体，致使避难硐室内密闭环境空气受到污染，对避难硐室内人员的生命安全产生极

17、大的威胁。因此，在96h内，必须采取有效措施将避难硐室内有毒有害气体的含量控制在人体健康、规范允许的范围内。室内空气处理主要是处理CO2和CO。3.1 CO2的吸收3.1.1概述舱内要求CO2的浓度不大于1.0%，对CO2的吸收能力不低于每人0.5L/min。在密闭空间里CO2的吸收技术，许多国家已进行了长期的研究，目前提出的方法有二十多种。结合避难硐室避难人员多、短时间使用、简单可靠等要求，用二氧化碳吸收剂的处理方法较合理。3.1.2空气处理装置紧急避难设施，一般采用防爆直流风机型空气处理装置或风动马达驱动型空气处理装置。避难硐室设计避难人员为100人，利用液态CO2制冷时带动风动马达驱动空

18、气处理装置。处理时，风动马达驱动空气处理装置，带动空气流过二氧化碳吸收剂，达到吸收CO2的要求。100人永久硐室配备4套3.1.3 CO2吸收剂计算计算依据：人均呼出Q1 =0.5L/（min人）避险时间T=96h每个人呼出的CO2总量：W1= Q1·T·N·=0.5×96×60×1.977/1000=5.7kg100人呼出的CO2重量为570kg。吸收剂用量计算：吸收CO2的吸收剂，选用化学药剂。选用的优质吸收剂，经试验，吸收率一般在3040%之间。为安全起见，计算的吸收率为35%。安全系数取20%。100人需要的吸收剂用量：W=

19、W1·（1+A）/=570×（1+20%）/35%=1954kg 式中：- CO2气态密度；A安全系数，取A=20%（永久避难硐室）；吸收剂吸收率，=35%。吸收剂的配备数量取2000kg。3.2 CO的吸收 CO是无色、无臭、无味的剧毒气体。在避难硐室内，要求CO的浓度不大于24ppm，CO吸收能力应保证在20分钟内将CO浓度从400ppm降到24ppm以下。采用常温下活性高、耐湿性好、稳定性好的催化剂吸收CO。4 温、湿度控制系统的方案在避难硐室启用后，要产生一定量的热能和湿气。热能的来源主要是：人体新陈代谢、气体净化（CO2的净化等）、外部传热、电器发热等原因。避难硐

20、室的湿度来源是：人体的排汗、氧化净化产生的水、饮用水和食物含水的蒸发等。硐室避险人员众多，人体散热是最主要的热量的来源，如果没有降温措施，硐室内温度会越来越高，降温措施是否合理，是决定了避难硐室的是否成功主要措施。高热、高湿对人体有很大的影响，需采取有效的制冷降温、除湿技术。4.1制冷降温4.1.1制冷降温技术概述制冷技术采用的有：制冷机、吸收式制冷、热电制冷、蓄冷空调制冷、固体升华制冷和其它制冷技术。制冷技术除了固体升华制冷是利用冷媒制冷的非机械式制冷，其它制冷技术都需要电力来驱动。避难硐室在紧急情况下很难能得到电力支持，制冷方案可采用的方案是冷媒（干冰、液体二氧化碳或液氮）制冷、贮冰、化学

21、制冷等方式。冷媒（干冰、液体二氧化碳或液氮）制冷、贮冰、化学制冷等方式以上制冷方式，各有优缺点。冷媒（干冰、液体二氧化碳或液氮）制冷，干冰和液氮储存较困难；液体二氧化碳的储泠量与使用环境有关，为100人的硐室制冷时，需要的二氧化碳量较大。但优点是不需要电力，平时不消耗能源，几乎不需维修，使用方便。贮冰制冷，优点是冰的贮冷量是一定的，且贮冷量较大，100人的硐室所需的冰较少；缺点是平时需耗电来保持冰的低温状态。化学制冷，利用化学材料的化学反应产生冷量，不需设备，使用时只需混合就行；但化学制冷的材料有不确定性，有点还有一定的危险性，并且只能保存二年。结合硐室主要是人体发热、外界传热较少的特点，计划

22、采用液态CO2的方式，一旦发生矿难需要降温时，开启气瓶总控制阀门，降低硐室内的因人多而升高的温度。4.1.2制冷量计算（1）制冷量及CO2钢瓶数量的计算钢瓶数量是根据平衡100人产生的热量所需要的制冷剂（液态CO2）确定的。人在轻微活动的条件下，每小时的发热量为60w/h，硐室设置有钻孔条件时，制冷时间24小时，通风供氧时不需要制冷，无钻孔条件时，制冷时间取96h：计算100人96小时总发热量为：60w/h×100人×96h =576kw而一公斤液态CO2蒸发汽化过程可以吸收90w的热量。选择容积为80L的气瓶，一瓶液态CO2蒸发汽化过程可以吸收的热量为：80L×

23、0.8kg/L×90w = 5.76kw避难所围岩温度按28左右考虑，在计算时可以不考虑围岩温度对避难所的影响。100人永久避难硐室，经计算确定CO2气瓶数量为：576kw/5.76kw =100瓶 （取100瓶）4.2除湿技术人所在的生存空间，如果湿度大的话，感觉非常不舒服，100人的硐室必须考虑除湿，将硐室内空气湿度保持在85%以下。除湿技术常用的方法有热泵除湿技术、制冷式除湿技术、干燥剂除湿技术。在所有除湿技术中，制冷式除湿技术是开发最早、技术最成熟的。因硐室内需要降温，除湿结合制冷，可除去一部分湿气，同时再配备一定量的除湿剂。4.2.1硐室内湿负荷计算。1） 人体散湿硐室内外

24、空气计算参数相对湿度室内平均温度（）夏季60%+26冬季50%+18人体散湿： W1=n×n×w 式中：n-室内人员总人数； n-群集系数，取=1； w=每个成年男子在某温度下的散湿量，g/h。成年男子散湿量夏季为45 g/h，冬季为23 g/h。则在冬夏季平均温度下，成年男子散湿量如下： W100x=100×1×45=4500g/h W100d=100×1×23=2300 g/h2）化学反应散湿根据试验，吸收剂吸收100人所产生的水量W2为500 g/h。3）饮水、食物的散湿饮水、食物的散湿按餐厅的食物的散湿量来考虑，W3=n

25、15;x。 式中：n-舱内人员总数；x -每人分摊的饮料与食物的散湿，取x =10 g/h。W3=100×10=1000 g/h。则生存室内总的湿负荷：夏季：W=6000 g/h，100人一天产生的水分约为145kg/天。冬季：W=3800 g/h，100人一天产生的水分约为92kg/天。(2) 除湿剂用量计算硐室采用压风通风时，可把湿气带走。压缩氧气的配备时间按96小时计算， 96小时产生的湿负荷总量为145kg/天*4天580kg；湿气，一部分是空调结凝，可去除一部分湿气；另一部分需要用除湿剂来除湿。但为了保证避难硐室的生存舒适度，除湿剂的用量计算，按除湿剂清除80%的湿气来考虑

26、。选用的除湿剂，每袋除湿剂可吸500ml水，100人永久避难硐室共需要0.8×580/0.5928袋除湿剂。100人永久避难硐室取950袋除湿剂。5 监测系统的设计避难硐室监测系统的目的是监测舱内、外环境参数，保证避难硐室在额定的防护时间内满足要求。5.1避难硐室内外监测的传感器配备避难硐室生存室的监测配备：O2、CO2、CO、CH4、温度传感器，配备指针式湿度表、机械式大气压力表。避难硐室过渡室的监测配备：O2、CO传感器。避难硐室外的监测配备：O2、CO2、CO、CH4传感器温。5.2避难硐室监测系统的选择一般监测仪器有便携式和固定式，避难硐室的空间较大，可以布置防爆兼本安型电源

27、，因此采用固定式监测系统。监测系统的传感器分别布置在硐室外面、生存室和过渡室里，进行自动监测，由数据采集器通过显示器进行实时监测，同时具有实时显示、声光报警功能。监测系统可与矿上原有的监测系统连网，信号传送至矿调度室。6照明、通讯系统 在有电力供应的条件下，采用127V荧光灯照明。一旦发生事故，井下电力供应中断的情况下，如钻孔的电源能提供电力时，则继续用127V荧光灯照明。如不能供电，则用备用电源进行供电，照明采用节能的LED灯，由专用的防爆兼本安型电源供电。通讯系统采用有线电话和无线电话相结合的方式，有线电话与矿现有的通讯系统相联接。有钻孔时，从地面直接引入另一路电话线，可安装可视电话。无线

28、电话，根据矿井的条件，采用矿井正在使用的无线电话系统，配备基站和无线电话各一个。7动力保障避难硐室，避难的人员较多，硐室内采用的电器有照明、监测仪器、空气过滤装置等，这些设备都需要电力。电池的容量、耐久性，对避难硐室的安全使用起到非常关键的作用。要求电池容量大、稳定性好、多次充放电后 减少，具有自动充放电功能、智能管理功能。现有煤矿井下能用的蓄电池，一般是铅酸电池，铅酸电池充放电时会产生有毒气体，对人体不利。新型锂离子电源，矿用隔爆（兼本安型）锂离子蓄电池电源安全技术要求已发布征求意见稿，相关厂家已开发出成品。本避难硐室的电源选用隔爆（兼本安型）锂离子蓄电池电源。电量计算：、基本要求 1） 备

29、用电源电池：锂离子蓄电池； 2） 气体检测传感器15只，工作参数：12V/0.2A； 3） 气体监测分站2台：24V/10W 4） 人员定位基站1套：24V/40W 5） 读卡器2个：24V/1.2W 6） LED照明设备6盏：12V/1.5W； 7） 空气处理装置2台：24V/60W； 8） 制冷风机2台：24V/30W； 9）备电工作时间：96小时，按96小时计算。小计：功率=107.4W、容量计算： 根据107.4W的功率需求，96个小时的供电时间，煤安标准要求的1.2倍的安全系数，我们得出总的安时需求=107.4*96*1.2=12372.5wh，而单组50AH电池单元所能提供的安时需求=24V*50=1200wh