煤矿井下移动救生舱研究

煤矿井下移动救生舱研究

1国内外煤矿救援舱的发展1.1美国规范管理救生舱产品标准国外的采矿救援服务公司主要集中在美国、澳大利亚、南非等少数采矿发达国家，但主要用于金属矿山和隧道。只有澳大利亚、美国和其他国家开发了采矿救援产品。美国联邦矿山安全健康局(MSHA)出台了美国救生舱行业标准和管理规定,对救生舱生产企业和部署救生舱的煤矿企业的要求非常具体。美国煤矿以可移动式救生舱为主,加拿大煤矿井下避难硐室与可移动式救生舱配备比例约为1∶5,以硬体可移动式救生舱为主。澳大利亚使用“空气呼吸器+加气站”的避险设施。南非对煤矿以避难硐室为主,较少使用可移动式救生舱,并研发了便捷充气式救生气囊,便于井下发生事故时矿工携带。1.2研发实验阶段我国煤矿井下移动救生舱研究起步晚,设计思路不成熟,缺少充分试验和检验支持,无标准可以依据,更缺乏井下现场实践经验,处于研发及产品实验阶段。国内20余家单位根据国家不同部门现有的一些不成熟规定,以各自的标准和能力进行研发,然后进行各种实验,找资深专家论证,由专家出具意见,向认证部门进行推荐。煤科总院(上海鹏燕)、北京科技大学(陕西重生科技)、煤科总院沈阳院(澳大利亚MineARC合作)研制的救生舱产品已通过专家鉴定,其中后2家研发救生舱已取得“煤安”标志。2事故救生舱范围井下环境复杂,事故类型多样,现阶段的技术水平和制造成本,不可能造出一种能应对所有矿井事故的救生舱。根据防灾功能可分为防水灾救生舱、防爆救生舱和全功能防灾救生舱;井下巷道规格、布局方式及巷道维护难易程度不同,按救生舱宽度大小,可分为窄体式(内设单排座)和宽体式(内设双排座);按外形可分为U型方体式和圆柱式(U型方体式防爆性能好,加工困难)。3救生舱指标调整需根据需求进行优化目前,救生舱技术不成熟,没有公认的标准,设计指标不统一,尚处于组装、仿造、借鉴阶段,大部分救生舱产品需通过实用不断优化调整。根据我国煤矿井下生产特点,对救生舱指标分2类进行研究。3.1救生舱设计原则井下作业空间小,环境复杂,救生舱的外观设计显得尤为重要。外观设计主要取决于其功能及服务的工作场所特征。移动救生舱一般放置于井下主要巷道里,采煤工艺、巷道规格、通风、设备运输、行人及救生舱容量等因素限制了救生舱的尺寸大小及形状。国内救生舱在尺寸设计上与我国煤矿生产条件要求不符,实用性较差。结合我国煤矿井下巷道尺寸及功能布局情况,适合我国井下使用的救生舱尺寸可参考表1中建议值。随着容纳救生人员数量的不同,救生舱产品的设计长度也不一样,救生舱容量主要受生命保障系统、空气净化系统及供氧系统等能力的约束。《规定》要求避难所要容纳井下全部员工。我国煤矿井下员工多,客观上要求救生舱大容量。市场上产品规格多在6~30人之间。若容纳人员太多,生产、设计、安装、维护难度大,技术不成熟,可按10,15,20人3种规格进行设计;当工作场所生产人员多于20人时,可放置2个救生舱。从人机工程学角度分析,每个座位的宽度不能少于0.7m,容纳10人的救生舱长度大于7m(单排设计),加上过渡舱和设备舱部分整体长度约10m.考虑到救生舱对井下巷道通风、运输的影响及防爆要求,救生舱断面尺寸越小越好。救生舱可设计成单排座和双排座,在满足容量的要求下尽可能设计成单排座。一方面减少对巷道断面的占用,二有利于舱体从人机工程学角度进行设计,三避免避险人员面对面直接吸入对方呼出不清洁空气。救生舱整体形状目前主要有2种,一种外壳采用了方型钢结构,国内外多数产品以此外形为主;另一种借鉴了潜艇外壳技术,前端尽可能设置成球形,整体成圆柱体结构,防爆性能好,承压大,对巷道通风影响相对较小,适合设置一排座位。国内产品舱体多采用轻钢框架结构,内外双层钢板密闭,内衬高效保温隔热材料。舱体厚度一般20~30mm,按照单位人均面积不低于1m3(《规定》不低于0.8m3)要求,舱体内净宽约1m,则净高约1.4~1.5m,舱体整体高度约1.8~2.0m.救生舱尺寸见表1.救生舱的移动方式主要有全橡胶轮胎移动和轮式轨道移动2种,其中全橡胶轮胎移动比较适合我国煤矿井下巷道,布局比较简单,可用绞车牵引。舱体外壳颜色要醒目,便于井下工人应急时刻辨认,市场产品主要有乳白色与黄色2种,均有黄色荧光反射警示色带(或强光反射带),建议采用黄色或(橙)红色。救生舱模块运到井下安装好后,要采取安全措施固定牢固,前面一定距离构筑可移动式防火防爆设施,避免发生爆炸事故被冲击波冲垮。3.2基地的主要指挥基地救生舱技术目标是“四防一隔”“四基地”。“四防一隔”主要是指“防毒、防火、防水、防震、隔爆”,四基地是“被困人员的生存基地、救援人员补给基地、井下施救的指挥基地、通讯联络的中继基地”。整个救生舱主要包括八大系统。3.2.1矿井特性与抗高温3.安全防护系统技术上的难题主要是气密性、强度、隔热性等方面。救生舱一般井下组装,接缝处的气密性难以保障,舱门打开以后气密性也难以保证,需要有足够的技术支持。国内产品很多采用自研发专利技术的气密门,密封性良好,可有效防止有毒有害气体的侵入。研究数据表明,瓦斯在有障碍物存在的条件下爆炸峰值压力小于1.5MPa,煤尘爆炸理论平均压力0.736MPa,障碍物存在条件下连续爆炸理论压力可达5MPa。国内已有几家单位产品能抵抗正面2.0MPa,侧面1.5MPa的爆炸冲击,具有抵御200~300m防透水的能力(采用潜艇技术),性能优于国外产品,在以后的产品研发中要继续提高防爆性能。救生舱须在一定时间内与外界隔热并实现对内部环境温度的有效控制。煤矿井下的灾变环境温度可长时间处于50℃,故在外界环境温度持续保持在55℃的条件下,救生舱必须依靠自身结构和设备将舱内温度控制在35℃以下。若救生舱温度超过35℃,人全身会产生不适和加速疲劳,危及生命。国内井下防爆性能要求高,在救生舱内安装普通空调不可靠。高温防护技术主要有抗高温氧化、耐高温材料、防护涂层等途径。多家单位研发出能抵抗外界瞬时1200℃高温的舱体,在舱体外环境温度持续高于55℃时,室内温度可维持在32℃左右。井下瓦斯、煤尘爆炸火焰温度约为1600~2600℃,故要研究抗高温性能更好的舱体材料。在舱体内部降温性能方面,有的产品能达到长时间维持在29℃左右,如河南中平能化集团机械制造有限公司研发成功无风机驱动的降温除湿系统,在实验过程中救生舱内的温度控制在25~28℃之间,湿度控制在55%~65%之间。矿难发生后,爆炸、塌方等各种原因都有可能导致救生舱入口被堵住或损坏而无法开启舱门,因此救生舱需要有应急逃生的窗口,在需要紧急出舱时,被困人员能够打开逃生窗离开救生舱。过渡舱内要备齐足够的干净衣服、舒适布鞋和毛巾,遇险人员一进入救生舱要及时更换并把脏衣服、靴子密封或者扔出舱体,减少有害气体在救生舱的扩散及提供舒适的衣着,减缓疲劳。3.2.2压风管道设计氧气的来源有直接获取和制取2种。直接获取氧气通过矿井压风管道将地面上新鲜空气引入救生舱,另一种是采用常见的氧气钢瓶存储。发生事故后,首先考虑使用压风管道,若管道被破坏或堵塞,则启用救生舱内常温高压医用氧气钢瓶储存的压缩氧。制取氧气方法中,氧烛和过氧化物2种技术比较成熟。多数研发单位根据每人单位时间的耗氧量和产品的额定服务期限来确定救生舱的备氧量,很少考虑救生舱里空气的流动因素。按照人机工程学的观点,救生舱里面空气应该有一定的流速,这样容易置换空气,带走热量。最适合的流速是0.5m/s,这就需要考虑氧气的流失因素。3.2.3co吸附系统的研究。co与金融该系统用于救生舱内温湿调节和有害气体的清除,可清除人体夹带和人体代谢产生的CO2,CO,H2S,NH3,VOC及人体放屁气体等。国外救生舱空气净化技术较先进的有加拿大Rana-Medical公司生产的RefugeOne空气净化器、美国Strata公司研制的气动CO2净化器、澳大利亚MineARC公司研制的非电力驱动CO2滤清器,其中美国凯泰公司的CO2吸附技术是世界上最先进的环保高效吸附技术。密闭空间内将供给O2和去除CO2作为一体化的只有南非布鲁克鲁工业有限公司(BroKrewIndustrial,Ltd)生产的Survivair固体氧气发生器。现有的应用于密闭空间的CO2净化的技术还不完善,要结合密闭空间的特点,研究效率更高的吸收技术。国内产品多引进或仿制国外技术,有的借鉴潜艇技术采用氢氧化锂和超氧化钾CO2吸附系统;采用碱石灰技术成熟,但是吸附效果不够好。CO的去除方法有很多,如物理吸收、吸附,化学吸收、吸附,膜吸收法,空气分离法,深冷方法等。使用较广泛,最有效也最可行的技术就是通过金属催化剂去除CO,常用的方法主要是铜氨溶液吸收法和CO变化催化剂法。中国科技大学金龙哲课题组采用武汉某工厂生产的W905常温催化剂取得了良好的效果。其他气体含量少,去除方法较简单。避难人员每人能够释放约10134kJ/d的热量,加之气体调节化学产热、设备产热、隔热不彻底造成的外部传热等都会使舱内热量积聚。人体的新陈代谢和舱内化学反应产生的大量水分散失到舱内空气中,当这些热量和水分聚集在救生舱中无法及时排出,会导致温湿度升高,使得舱内气体环境高热高湿,加速受困人员的不舒适感,甚至危及生命。国外多采用普通空调降温除湿,对动力要求高,持续时间短。空调主机置于内部,压缩机须外置,不适合有爆炸危险的作业场所中。美国有些厂商探索取消空调系统,譬如有的采用化学反应方式进行降温;有的将救生舱尺寸设计变大,有利于舱体散热,平均温度升高慢;还有的设计成救生舱底面与井下底板直接接触实现散热,救生舱的表观温度可以被控制在MSHA制定的标准范围。国内产品主要采用干冰降温系统和蓄冰空调,效果并不好。液氮降温除湿系统,效率高,时间长,还可以作为救生舱动力源,但目前尝无相关研究报道。隔热“反向系统”,能破坏隔热系统。救生舱外部热环境稳定后,视情况启动救生舱的隔热“反向系统”,降低隔热效果,直至完全失去隔热功能,达到有效降低舱体内温度的功能。该系统可与隔热系统同时设置,把整个救生舱划分为若干个区域,每个区域设置一套“反向系统”,需要时可按区域逐步启动破坏程序,改善降温效果,提供最优的温度环境。救援结束后,更换隔热与隔热“反向系统”。可采用固体吸附式除湿,吸附剂有多孔硅胶、CaCl2等。可采用廉价的固体CaCl2,控制好其吸附过程中板结现象,可将舱内相对湿度控制在60%~70%,创造比较舒适的湿度环境。3.2.4救生舱监测系统一网五体的相关规定系统即时监控主要生存环境参数,要操作简便,性能可靠。救生舱要有防爆透明观测窗。被困人员根据舱内外的各类参数变化采取相应措施维持生存条件,并尽可能将数据传输到地面指挥中心,实现声音与图像同步。在救生舱外部环境较稳定的情况下,被困人员佩带氧气呼吸器走出救生舱,使用便携式气体检测器对救生舱周围一定范围内的气体进行检测,以确定环境的安全状况,准备实施自救或者配合进一步的救援工作。国内多数救生舱监控系统设计,简单地选取了现有煤矿监测仪表,没有能力设计适用于救生舱的监测系统,没有对救生舱救援中舱内环境监测的边界条件、灾害后矿井现有条件、被困人员的操作性、生理及心理要求做分析,其所采用的产品不能满足灾变后救生舱长时间发挥作用的要求,表现在监控参数混乱,无标准指导;监控边界未知;监控产品缺乏长时间独立维持能力及产品操作性差等方面。3.2.5与其他安全避险系统的配合移动救生舱应该是一种基于物联网的避险系统,但因技术难度大,国内外救生舱很少配备有效的通信系统。而救生舱中如能配备先进可靠的通信系统,对救援工作的顺利开展有着极其重要的意义。应与其他五大安全避险系统相连接,形成井下整体性的安全避险系统。要融合航空、航天、航海先进技术,通过对技术的消化吸收,再创新,研制符合国情、简便有效的高科技矿难逃生系统,力争达到即时和长远、全时空正常运行状态下的监控检测及紧急避险通信视频联络系统。3.2.6蓄电池放置位置事故发生后,若外部供电中断,救生舱只能依靠自身蓄电池供电。蓄电池要本质安全,能够设备安全运行96h以上。蓄电池存放位置需专门设计,若放置于舱内,工作时会释放大量热量;若放置于舱外,则尤其注意放置的位置,尽量避免受到爆炸、火灾等事故的影响。国内外很多产品采用无电源、无动力的CO2驱动,技术较成熟可靠。液氮系统也可以作为救生舱提供动力和降温的良好媒介,但是目前无相关研究成果。3.2.7救生舱非座椅式座生存舱里要配置足量压缩饼干、巧克力、矿泉水、增强体质的功能饮料等食品和医用绷带、止血带、夹板及治疗头痛、感冒发烧、肠胃不适,及治疗烧伤、割伤、气体中毒等的药品。从人机工程学的角度出发设计座位。健康成年男子很难在空气环境恶劣的狭小空间内,坐在普通座椅上持续96h等待救援。单个座位要按简易折叠躺椅或者可调整角度的座椅要求设计,宽度不小于0.7m.若设计成非座椅式座位,靠背上方可设计类似汽车保险带的装置,这样遇险人员在睡觉时就可以套上装置,较舒服地维持睡姿而减轻疲劳。考虑座椅要求和舱体宽度及巷道断面占用带来的影响,救生舱适合设计成窄体单排座。过渡舱设有卫生间,设计物理和化学2种排泄物处理方式,并有防爆密封性能良好的对外排放出口,卫生间门要密闭功能良好,防止异味进入生存舱。3.2.8救生舱的设备维护救生舱中的照明装置除了要求防爆性能外,还要尽可能的节省电力,一般使用能耗低、维持时间长、维护简便的LED灯。救生舱里面要有紧急维修设备、氧气呼吸器、灭火器材、杀菌剂(可与有害气体去除系统一体)、手电筒、简单清晰的维修使用说明书及供被困人员撤离用的逃生手册、逃生路线图等。还可以配备一些简易占用空间小的娱乐设施,如象棋、游戏机、图书等。4使用和维护1救生舱及病员煤矿井下每个员工都要会操作救生舱,特别是领导管理层。每个班组中至少有3个人会检修救生舱,至少有3名懂得包扎、注射等医护基本知识的