矿用可移动式救生舱关键技术研究

矿用可移动式救生舱关键技术研究

2010年3月10日，在北京大学综合研讨会的主席职位陆建章教授和非煤矿山组负责人王旭光教授进行了讨论后，他们共同发表了结论。“利用煤矿移动救生室的关键研究成果，为当地环境提供安全保障，提供援助和安全保护，为矿工救援活动的时间创造条件，并经评估。”。由此,这项耗时4年、历经上百次试验的矿用可移动式救生舱诞生了。合作研发矿山的可实现途径说起矿用可移动式救生舱的研发,得益于两个关键性的人物,一个是北京科技大学土木与环境工程学院党委书记、副院长金龙哲,另一个是潞安集团副总经理刘仁生。两人多年前曾经联合研发了高炉喷吹贫煤技术,并由此荣获了2003年国家科技进步二等奖、中国煤炭工业科学技术特等奖、全国煤炭系统十佳科技成果奖。2010年3月23日,在北京科技大学土木楼办公室里,金龙哲向记者介绍了合作研发矿用可移动式救生舱的相关情况。4年前,金龙哲和刘仁生两人联合研发的高炉喷吹贫煤技术行将告成,在等专家组鉴定意见的时候,两人凑到一起聊上了。话题自然就扯到了当时频发的矿难上,从河南大平“10·20”事故,到陕西陈家山“11·28”矿难,再到辽宁孙家湾“2·14”矿难,两人越聊越沉重,越聊越觉得责任重。有着合作基础且尝到了研发甜头的刘仁生想起下一步的科研,于是就提出能不能研发一种能保护事故后井下被困矿工的设备。电光石火间的一个闪念,两人一拍即合。“当时,刘仁生很爽快地答应我,‘我出资金,您来研发’”,金龙哲告诉记者。随后,在国家安监总局规划科技司的牵头组织下,2006年,科技部正式批准国家“十一五”科技支撑计划专题“遇险人员快速救护关键技术与装备的研究”,明确子专题“可移动式救生舱研究”项目由北京科技大学和潞安矿业集团公司共同承担,主要开展为遇险人员提供安全防护避险空间,保障作业人员生命安全的矿用应急技术与装备的研究。金龙哲:从密闭空间到真实生存试验2006年,国内救生舱研究工作尚处于空白状态。井下所谓的避难峒室,就是在巷道旁边的墙壁上掏一个槽,用于事故后藏身和躲避来往矿车,而但凡发生事故特别是瓦斯爆炸事故,造成矿工群死群伤的往往是事故发生后井下形成的高温、高压冲击波,以及有毒有害气体和缺氧的环境。如何在事故后为无法及时撤离的矿工提供一个生存空间,使他们能够躲避爆炸冲击,不受高温烟气、有毒有害气体伤害呢?“我们当时最初的想法就是给事故后的井下工人一个生存空间”,金龙哲告诉记者。这个生存空间必须能够为被困矿工提供氧气、同时处理二氧化碳等有毒有害气体。为了赢得较长的生存时间,这个生存空间还必须能够为被困矿工提供充足的食物和水。这个生存空间还必须具备通讯、照明、监测等功能,以引导外界救援。事后证实,这一思路是正确的。随后,金龙哲就带领自己的学生,开始搜集资料,调研南非、美国、加拿大等国的矿山安全设备,救生舱课题组开始了起步。为了得到人体对密闭空间各类气体成分、温度、湿度等相关参数的影响及其边界条件,为矿用救生舱的设计提供依据,在北京科技大学土木与环境工程学院办公楼的地下室里,金龙哲带领课题组多方筹措资金,搭建了第一台实验模拟舱,并配备了较齐全的环境监测监控设备。就是在这个狭小的小舱室里面,课题组的同学们开始了自己真刀真枪的生存模拟试验。从最初的2h、4h、8h,一直到后来的12h、24h,“我们反反复复进行的舱内真人生存试验都不下四五十次了”,金龙哲告诉记者。真正投入试验后,各种意想不到的情况出现了。“试验过程中,我们发现舱内温湿度上升的非常快,关在里面的人很快就汗流浃背了。”“如果不是同学们亲身经历,这种情况可能就会忽略掉!”金龙哲告诉记者,“试验中,我们还发现了人体自身代谢过程中会产生多种微量有毒有害气体,4人在密闭空间内不到一天,一些有毒有害气体浓度就超标了。”为此,救生舱的设计在控温除湿、循环净化等方面投入了大量的精力。金龙哲:“可可以救生舱”是抗爆冲击因此,为了检验救生舱的外部防护水平,研究救生舱的设计标准,就必须按照上述指标对救生舱测试。但隔热效果测试要求将救生舱置于持续260℃的大空间内,“试验了好几次,都没有合适的热源。”试验遇到了第一只拦路虎。经过一番苦思冥想,金龙哲突然想起了自己在邯峰热电厂当工程师的博士生,能不能请他帮帮忙?电话沟通后,得知可以利用热电厂的热风来营造高温试验环境,课题组立即安排把救生舱拉到了河北省邯峰热电厂,热源问题迎刃而解。试验中,“制冷系统不行——替换,隔热材料不行——替换,这样的试验反反复复就做了近半年”,金龙哲告诉记者,直到最终符合隔热要求。救生舱的另一项关键性技术指标是抗爆炸冲击。为此,金龙哲又不远千里,将“可移动式救生舱”拖到了重庆。煤炭科学研究总院重庆研究院有一个专门的实验场所——清水溪瓦斯煤尘爆炸试验基地。实验基地坐落在一座山脚下,实验巷道就建在山里,有800多m长,全部是钢筋混凝土浇灌而成,巷道设有液压防爆门以控制出入,能承载巨大的瓦斯、煤尘爆炸压力。在清水溪,爆炸试验先后进行了5次,试验采用了200m3瓦斯+煤尘爆炸,救生舱就安装在爆源点外120m。为了检验舱体抗爆的性能,课题组在救生舱内放置了小兔子,爆炸试验后舱内的小兔子安然无恙,救生舱顺利通过了防爆系数检测。科技部“十一五”科技支撑计划对“可移动式救生舱”提出的两项关键性的技术指标,就是持续耐高温和抗爆炸冲击。其中,高温环境的测试指标要求达到260℃,抗爆炸冲击力应达到5MPa。苦模拟巷道内注入的有害气体经过一系列的真人生存模拟试验,课题组准确得出了人体在救生舱内各种不同强度的活动状态下氧气的消耗量、二氧化碳的呼出量以及各种微量有毒有害气体的产量等一系列重要指标。救生舱样舱加工完成后,为了测试救生舱的环境控制及生命保障能力,考察救生舱内外仪器设备的性能、指标,2008年6月,金龙哲又带领学生在山西潞安集团模拟巷道中进行了救生舱内4人96h的连续试验。试验中为了模拟灾变实况,课题组甚至在试验控制室内向模拟巷道内注入了一定浓度的有毒有害气体。按照预定方案,金龙哲的博士生汪声和潞安集团的一名工作人员,带着两名救护队员进入救生舱,连续生存96h。试验中,4人轮流值班,汪声主要负责记录救生舱里的仪表仪器运行状况,执行外部监控室发出的指令,以及观察救生舱里面人员的身体状况。“大大小小的实验,我几乎都参加过,但像这样综合进行的还是头一次。”汪声告诉记者。“要连续4天96h完全在救生舱里生存,心里觉得还是个很大的挑战。”“在里面时间一长,人的生理机能就会下降,因为里面的空气质量无法与外界大气环境相比,狭小密闭空间也给人以压迫感,在里面做同样的工作,到第三天第四天的时候,就觉得有些累。”全程参与试验的汪声博士告诉记者,“我们都有些紧张”“出来后,每个人的体重都减了,两个6斤,两个8斤。”这次试验中,参与试验的人员还经历了有惊无险的一幕。汪声告诉记者,“做完试验出来后我才知道,实验中巷道里注入一氧化碳时,部分气体渗透到了紧挨着的监测监控室,导致监测监控室人员紧急疏散。当时张志钰总工程师说,自己承诺过要一直监控舱内人员的安全状况,所以坚决不肯撤离,而在救生舱里面,我们对外面发生的一切浑然不觉。”救生舱在设计、工艺上的特殊性课题组经历了许多难以想象的困难,终于取得了成功。在矿用可移动式救生舱验收暨技术研讨会上,国家安监总局副局长杨元元指出:“矿用可移动式救生舱的研发成功,增加了煤矿事故发生后矿工生还和成功救援的概率,对煤矿安全生产有着重要的作用”。可移动式矿用救生舱主要适用于煤矿或非煤矿山井下发生的各类爆炸,煤与瓦斯突出、冒顶、外因火灾等事故现场的人员避难,也可作为日常的矿井气体监控设施、矿难时井下临时指挥与调度场所使用。救生舱在设计上充分考虑了使用现场环境的复杂性和恶劣性。舱体采用了坚固的钢制外壳和分体式组装结构,可拆卸后进入矿井,在井下根据需要进行组装,外部钢结构可抵御爆炸冲击波等灾害,内部防火、防锈、防腐特殊设计能有效阻隔舱外热量传递以及有毒有害气体侵入。舱内配备有巷道内气体、温度、压力等参数的检测系统,以及可独立工作的动力系统、环境控制系统和必要的保护结构。以供氧系统来说,舱内可通过多种方式供氧,实现了生命保障多级防护,确保某个系统故障时有备用措施。舱体有独立的生命维持系统,在没有外界动力支持条件下,仍然可提供8人4天的生存保障。在设计上,研发人员还强化了救生舱与矿井各种网络的对接功能,支持目前煤矿中的通讯、电力等系统接入。在救生舱内还针对特殊情况设计了观察窗和紧急逃生装置。这些细微设计,获得了评审专家的一致好评。目前,国家煤矿安全监察局已将建设煤矿井下避难所(救生舱)应用试点工作,列为2010年煤矿安全改造项目的