应急避难室救生舱的应用

应急避难室救生舱的应用

根据世界各国对井事故的研究，在火灾和爆炸等事故发生的事故中受伤的矿工数量很少，只有少数事故造成的事故数量。大多数矿工在火灾和爆炸后无法立即升井，逃到有害的高湿度气体现场，导致窒息和中毒。因此,如何为矿难后井下被困的幸存人员提供躲避有毒有毒害气体环境及其它伤害的密闭空间,为其提供必需的生存条件,延长其生存时间,直至救援人员到达,成为矿井应急救援的一个重要课题。这种保护被困矿工的密闭空间装备在国外被称为应急避难室,中国安全行业将其称为救生舱。一直以来,矿业发达国家对矿井事故的应急救援工作十分重视,将救生舱作为地下矿山应急救援工作的重要部分进行了大量的研究。其中,对于南非、加拿大、美国、澳大利亚等国,在地下矿山中设置和使用救生舱,已经是矿井应急救援中的一项成熟而有效的技术,并且已经有过营救的案例。2006年1月29日凌晨,加拿大萨斯喀彻温省一座钾盐矿发生火灾,72名矿工被困井下,只能进入设置在巷道中救生舱避难。经过26小时全力营救,72名矿工最终全部成功获救,救生舱的成功应用在世界范围内引起了极大反响。通过各种方式的调研,我们对世界各国已经应用的救生舱产品进行了比较深入的研究,为了从发达国家成熟的产品和技术中获得启发,本文对目前国外的救生舱产品进行一个系统的介绍和比较。1对密闭空间内环境的设定要求,主要包括水和食物矿井应急救生舱是设置在矿井下各危险工作区域的密闭空间,一般为钢制腔体,亦可依托巷道墙壁挖掘而成,整体设计上能够做到气密,并能抵御一定的外力冲击,内部通常有氧气(O2)供给系统、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)净化系统、供电系统和通讯系统,以及相应的监视、防护措施,同时还有足够的水和食物。矿难发生后,无法直接转移到安全区域的人员可以进入救生舱空间,关闭舱门与外界有害环境隔绝,随后运行内部各救生系统,产生O2,处理CO、CO2等有害气体,检测密闭空间内各类环境参数,将空间内环境维持在人类生存的适宜条件。救生舱舱室内人类生存所需的各类环境参数在经过研究后都有严格的指标规定,所有环境参数都必须控制在标准范围内,否则会对密闭空间中人体生理心理造成负面的影响,关键的生存参数如O2、CO2浓度等不合要求甚至能造成人员的伤亡。表1为国外救生舱产品的主要技术指标。2空气调节设施救生舱要保证内部避难人员生存,就必须依靠舱内设备持续稳定地提供可呼吸的空气,同时对人呼出的气体及时进行处理,吸收CO2等废气,将舱室密闭空间内气体各组分含量控制在适宜范围内。同时,人体和仪表设备在正常情况下均会向空间辐射热量,灾变状态下舱外也可能处于持续的高温环境中,这些情况均会导致救生舱内温度上升,因此必须依靠空气调节设施对温度进行控制,否则会造成严重的后果。根据救生舱所需实现的功能,现将救生舱划分为整体结构、氧气供应、有害气体去除、空气调节、环境监测、动力供应及附属设备七个部分分别进行介绍。2.1救生舱结构形式单一国外应急救生舱一般为车体式结构,舱体由钢板组成,内部一般涂无毒的无机涂料,外部涂耐高温的瓷漆,具有观察窗和逃生窗。由于车体式救生舱一般是由钢板组成的整体结构,所以尺寸较大,例如德国德尔格安全设备公司某型容纳15人的救生舱规格为8mL×2.4mW×2.5mH,显然无法直接进入中国大部分煤矿巷道。因此救生舱规格应根据现场条件和要求容纳人数改变,如澳大利亚MineArc公司救生舱拥有可容纳4人、8人、12人、15人、20人、30人多种规格。2.2o2供应装置人的生存时刻需要O2维持,但适宜人呼吸的O2浓度在18.5%～22.5%之间。因此,密闭空间中的O2供应装置应满足三个条件:a.尽量供应组分接近空气组分的气体,纯O2应先经过混气再进入救生舱供呼吸;b.能够持续不间断地供应O2,一般通过两套以上独立的供气系统来实现;c.能够调节O2释放速率与救生舱中人员消耗速率达到一致,以稳定O2的浓度。目前,国外矿用救生舱的氧气供应有以下方式:(1)呼吸对o2的影响高压O2一般储存在高压钢瓶中。与空气相比,压缩O2钢瓶体积小、含氧量大,且O2能够在人的呼吸作用后转化为约同等体积的CO2,被处理后不影响舱内空气各组分浓度以及压力,一般作为救生舱中的主要O2供应源。但需要注意的是,高浓度的O2不适宜直接呼吸,一般需要经过与救生舱内气体或压缩空气混合后使用。同时,高压O2在矿井中属于危险源,安装、使用及维护均需要严格管理。(2)影响救生舱的空气组分压缩空气可以通过矿井压风管路和钢瓶储存来提供。使用压缩空气可以直接满足救生舱内人员的呼吸,但矿井压风管路在发生事故时可能受到破坏,导致管路中断或者破裂而将有毒气体引入救生舱。使用压缩空气钢瓶时需要大量的钢瓶,不利于在矿井或救生舱内大量布置;其中含有的大量N2等不可呼吸气体也会影响救生舱空气的各组分含量,增加泄压次数。矿井压风管路对于救生舱属于外界输入,可作为一级供氧措施,而压缩空气瓶一般用作救生舱的备用气源,在正常O2供应中断时备用或同时与高压O2混合使用,也用于救生舱入口处的换气室的加压排气。(3)氧蜡和氧基本材料在救援状态下,救生舱内的O2供应可能因意外中断。因此,必须在舱内设置应急氧源。国外救生舱中使用的应急氧源一般为氧烛。氧烛是采用氯酸盐、催化剂、粘结剂压制成形的固体制氧材料,其单位体积含氧量远高于氧气钢瓶。氧烛运行后不受外界温度和压力的干扰,能够在短时间内释放大量O2,例如,英国某公司生产的氧烛能在25min时间内释放总量为720L的O2,这足以使体积为24m3的空间内O2的浓度从18%上升至21%,同时是舱内压力升高约3000Pa,让人感觉不适。因此在救生舱的小空间内使用氧烛可能造成舱内O2浓度和压力过高的问题。此外,氧烛在启动和反应过程中可能产生微量的CO和Cl2,增加舱内的有毒有害气体处理负荷,使用时必须非常注意。2.3有害气体处理(1)空气分离器中的co吸收剂CO2是人体呼吸代谢产生量最大的有害气体,如果CO2得不到有效处理而不断积累,浓度达到3%以上时,就可能对人的生命产生威胁,因此舱内空气净化设备的主要任务是去除CO2。目前,国外救生舱的标准一般要求将CO2的浓度不允许超过1%。北美某安全设备公司生产的空气净化器是目前国际上较先进的空气处理装置,它按照使用的吸收CO2剂的药板数量分为单床和双床两种,呼吸过的气体进入处理器后,CO2以及其他的有毒气体被吸收,同时净化器连接的O2钢瓶经调节装置控制向空气中加入与CO2体积相等的O2,使净化后的气体达到可呼吸的标准。单床空气净化器能够47h使容纳10人的救生舱保持CO2浓度低于0.18%。CO2为酸性气体,能够与多种碱性物质反应,因此,具体选择空气净化器中的CO2吸收剂时,应综合救生舱空间大小、反应效率、药剂储存时间等各方面因素综合考虑。目前,国外救生舱中一般选用碱石灰(NaOH与CaO组成的混合物)作为CO2的吸收剂,主要是因其价格低廉、性能可靠,保质期长。为了降低处理CO2时的能耗,某些救生舱中还引进了CO2静态吸附技术,采用氢氧化锂为主要原料制成吸收帘,悬挂在舱内自然吸收去除CO2等有毒有害气体,不需要消耗电力等能源。但使用时需要占用大量的空间。(2)co的来源及危害CO是无色、无臭、无味的剧毒气体,它与血红蛋白结合能力比氧气强20倍,因此阻碍体内正常供氧,对人体的生命安全及健康有严重危害。表2为空气中不同浓度CO时容许的暴露时间及危害。救生舱中CO的来源主要有两部分:避难人员进舱时引入的巷道灾变环境气体;人体在密闭舱室内生存时产生的微量CO。由于CO的毒性巨大,救生舱对CO的处理应具有相当的速率,根据美国相关标准规定:救生舱内CO处理设备必须能够在20min内将CO浓度从400×10-6降低到24×10-6。2.4救生舱空调压缩机的使用与选型矿井应急救生舱为了最大限度的延长被困人员的生存时间,要求对矿井内的恶劣环境如爆炸、冲击、火灾等具有相当的防护能力,因此,救生舱的外壳必须有一定的隔热性能。而在救生舱内,被困人员自身代谢会不断产生热量。因此,如何解决隔热的密闭空间中的热量积累问题是救生舱研究中最困难的部分。国外的救生舱绝大多数使用空调来控制温度。空调主机可置于救生舱内部,而压缩机必须外置,因此,在爆炸事故频发的煤矿中,救生舱外置空调压缩机的防爆问题至关重要。此外,在20m3的空间中要保持让人舒适的温度,需要有足够的电力维持空调运行,而矿难时外部电力极有可能中断,因此,救生舱生命维持时间很大程度上要取决于空调和储备电力容量之间的相互协调。2.5救生舱监测仪器的组成在救生舱中生存时,被困人员必须时刻掌握所处密闭空间内外的各类参数,根据情况的变化采取相应措施维持生存条件。多数有毒气体浓度的变化不可能通过人体器官及时感知就足以致命,因此,救生舱内应安装各类监测仪器即时监控所有主要的生存环境参数,要求操作简便、自动化程度高、性能可靠。救生舱中的监测系统主要监测的对象一般包括O2、CO2、CO、H2S、CH4、压力、温度、湿度以及各种设备的运行状况。监测仪器在救生舱内分为固定式和便携式两种。固定式的仪器一般主要用于救生舱生存空间内的各种环境参数以及各类电子设备、动力的监测,如O2浓度、各种有害气体含量、供氧设备流量、温度、电池剩余电量等。此外,救生舱内还配备有一部分便携式气体检测设备,由被困人员中有经验的矿工操作,每隔一段时间对舱内气体循环较差的角落进行检测,防止有毒有害气体局部积累。在救生舱外部环境较稳定的情况下,需要有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距离的范围气体条件进行检测,以确定目前环境的安全状况,准备实施自救或者配合进一步的救援工作。2.6救生舱用电的稳定性救生舱中的空调、照明、电子控制设备等都要依靠电力来维持,尤其是大功率的空调压缩机,要消耗大量的电力资源。能否为救生舱耗电设备提供电力,维持其长时间稳定的运行,对延长救生时间有着极大的影响。目前,国外矿用救生舱的动力供应系统一般分为两部分:矿山电源和UPS(不间断电源)。救生舱在正常情况下接入矿山用电源,经变压转换设备调整电压电流适应舱内设备的规格。2.7相关设备应急救生舱中除了主要的设备仪器外,还设计有一系列附属设施以满足被困矿工的生存需要、协助完成救援工作:(1)降低救生舱内的3.密闭空间中,人的排泄物如果不能及时的收集、处理,可能由于臭味、病菌的传播而大大降低救生舱内的空气质量,影响被困人员的身心健康。国外救生舱中设置的厕所一般采用化学方法对排泄物进行消毒和处理。(2)适当降低开支电力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。因此,救生舱中一般使用能耗低、维持时间长、维护简便的LED灯,某些救生舱中使用荧光棒作为照明装置。(3)自助设备救生舱中必须配备有一定数量的隔绝式O2自救器,以便于救生舱内人员短时间外出进行检测、营救或自行撤离。(4)急救系统的开启矿难发生后,矿井内部情况复杂,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。(5)急救药物、器材国外救生舱中通常还配备有急救包,里面有一般情况所需要的急救药物、器材等,能够用于对受伤的矿工及时进行简单的包扎、消毒、治疗,防止受伤部位伤情恶化。(6)火炬树叶片损伤,缺乏及时排除的障等待救援期间,救生舱的各种设备运行中可能会出现故障,需要及时排除。所以救生舱里还应配备一个工具包,里面包括检查、维修舱内各种设备的工具、说明书、维修材料以及供被困人员撤离用的逃生手册、逃生路线图等。(7)救生舱气象及周边设备设置矿难发生时,由于烟雾、粉尘弥漫等各种原因,矿井中的能见度可能大大降低,为了引导无法撤离的矿工及时确定最近的救生舱的位置,救生舱舱体外壁以及周边的一定范围内都应设置有声、光提示的设备。这些标识包括巷道墙壁上的反射带方向标志、救生舱上安装的警示灯和外壁上的反光涂装等。3救生舱技术研究的必要性(1)救生舱类产品在南非等国矿山中已有一定规模的应用,并有成功救援的案例,证明应急救生舱在矿井事故发生后对于保护被困矿工的生命安全、提高救援成功率确实有重要的作用。而我国在救生舱应用领域尚属空白,应立即开展救生舱技