煤矿避难硐室压风净化试验研究.pdf

第 4 1 卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t or na t i o n Vo l _ 4 1 NO ． 8 Au g ． 2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 6 8 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 7 何廷梅． 煤矿避难硐室压风净化试验研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 6 8 7 1 ． 煤矿避难硐室压风净化试验研究 何廷 梅 中煤 科工 集 团重庆 研究 院有 限公 司 ，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 给 出了避 难硐 室 内有 害气体 平均 浓度 与供 风 量 的 关 系计 算式 ， 通 过试 验 分析 了 5 0人 避 灾 时 不 同 供 风 量工 况 下的避 难硐 室 内 C O 浓度 分布 ， 以及 出风 口布局 对 避难硐 室 内 C O 浓度 分布 的影 响 。试 验 结果 表 明 人 均供风 量 为 8 4 L ／ mi n时 ， 可将 避难硐 室 内 C O。 体积 分数 控制 在 1 以下 ； 避 难硐 室 内仅设 置 1个 出 风 口时 ， C O 浓度 分布极 不 均 匀， 避 难硐 室 内出风 口应 均 匀布 置在 避 难硐 室长 通道 两侧 ， 且 出风 口越 多 C 0 浓度 分布越 均 匀 。 关 键词 避 难硐 室 ；有 害气体 ； 压 风 净化 ；供风 量 ；出风 口布局 中图分 类号 T D7 7 4 文献 标志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 3 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 5 ． 0 1 7 ． h t ml Ex p e r i me nt a l s t ud y o n pu r i f i c a t i o n by p r e s s ur e v e n t i l a t i o n o f c o a l mi ne r e f u ge c h a mb e r H E Ti ng m e i CCTEG Cho ng qi n g Re s e a r c h I n s t i t ut e ，Ch on gq i n g 4 00 0 39，Chi na Ab s t r a c t Re l a t i on s h i p f o r m u l a b e t we e n a v e r a g e c o nc e nt r a t i on o f ha r mf ul g a s a nd p r e s s ur e v e n t i l a t i o n s up pl y vo l ume i n r e f u ge c ha mbe r wa s gi v e n， CO2 c o n c e nt r a t i on d i s t r i but i o n i n r e f ug e c h a m b e r u nd e r c o nd i t i o ns o f d i f f e r e nt p r e s s u r e v e nt i l a t i o n s u pp l y v o l u m e a nd a i r o ut l e t l a yo ut we r e a n a l y z e d t hr o ug h r e f ug e e xp e r i me nt wi t h 5 O pe o p l e．The e xp e r i me n t a l r e s u l t s s ho w t ha t whe n a i r s u pp l y v ol u m e p e r pe r s o n i s 8 4 L／ mi n，CO2 v o l u me f r a c t i o n i n r e f u g e c h a mb e r c o u l d b e c o n t r o l l e d u n d e r 1 ；CO2 c o n c e n t r a t i o n d i s t r i bu t i o n i s u ne ve n wh e n o nl y o ne a i r ou t l e t i s s e t i n r e f ug e c ha mbe r， a i r o ut l e t s s ho ul d be e v e nl y a r r a n ge d i n bo t h s i de s o f l o ng p a s s a g e o f r e f u ge c ha mbe r，a nd CO2 c o nc e nt r a t i o n d i s t r i b ut i on i s m o r e e v e n wi t h m o r e a i r ou t l e t s ． Ke y wo r d s r e f ug e c h a m b e r ；h a r m f ul ga s；pu r i f i c a t i on by p r e s s ur e ve nt i l a t i o n；a i r s up pl y v ol u m e；a i r o ut l e t l a yo u t 0 引言 煤 矿避 难硐 室 是能在 煤矿 发生 灾 害事故 时为 被 困遇 险人员 提供 9 6 h以上 安 全 生存 保 障 条件 的煤 矿 井下 专用 巷道 硐室 I 1 ] 。由于避 难硐 室具 有一 定 的 密闭性 ， 避灾时人员代谢产生 的 c O ， C O等气体可 能引起 硐 室 内空 气质 量变 化 ， 威 胁人 员安 全 。因此 ， 需采取 措 施 使各 种气 体 成分 维 持合 理 的浓度 范 围 ] 。 煤矿 井下 紧急 避 险系统建 设管 理暂 行规 定 以下 简称 暂行 规定 要 求 ， 紧 急避 险 设 施 内部环 境 中 C O 体 积 分 数 不 大 于 1 ． 0 ， C O 体 积 分 数 不 大 于 0 ． 0 0 2 4 。 煤矿避难硐室空气净化方式主要有固体吸收净 化和压风稀释净化。针对 固体吸收净化方式 ， 近年 来国内开展了许多研究 ， 研究内容涉及吸收剂类型 、 吸 收剂形 状 、 净 化装 置结 构参 数及 动力 方式 、 净 化装 置布局等方面， 已研制出以电动、 气动 、 手摇 、 脚踏等 方式 为 动力 ， 适 用 于避 难 硐 室 的多 种类 型 的 空气 净 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 9 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 6 2 5 ； 责任编辑 盛男。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划 资助项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 9 。 作者简介 何廷梅 1 9 6 4 一 ， 女 ， 重庆人 ， 高级工程师 ， 主要从事个体防护装备 、 矿山应急救援技 术方面的研究 工作 ， Ema i l c q me i a 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 5年 第 8期 何 延梅 煤矿 避 难硐 室压 风净化 试验 研 究 6 9 化装 置 ， 形 成 了合 理 的避 难 硐 室 空 气净 化 装 置 布 局 方式 】 。压风稀 释 净 化 利用 煤 矿 井 下 压 风 管 路 或 地 面钻孔 供 风管路 为 避 难 硐 室提 供 压 风 ， 稀 释 室 内 有害气体浓度 以达到净化 目的。 暂行规定 要求 ， 接 入煤 矿紧 急避 险设施 内的矿井 压风 管路 的压 风 出 口 压 力 在 0 ． 1 ～ 0 ． 3 MP a之 间 ， 供 风 量 不 低 于 0 ． 3 m。 ／ mi n 人 ， 连续 噪 声 不 大 于 7 0 d B。对 此 规定， 业界普遍认为 0 ． 3 m。 ／ mi n 人 的供风量要 求 过大 ， 对 于人员 较 多的避难 硐 室 ， 矿 井原 有压 风供 气 系统 难 以实现 ， 且 噪声控 制 困难 。文 献 [ 7 8 ] 通过 理 论计 算及 试验 认为 人均供 风 量为 1 0 0 L ／ mi n满足 硐 室 空气净 化要 求 ， 并 通 过 载人 试 验 确 定供 风量 为 2 5 0 r n 。 ／ h可满 足 容 纳 1 0 0人 的避 难 硐 室 内空 气 净 化 要求 ， 但 对 出风 口的 布局 缺 乏 深 入研 究 。本 文通 过试 验研究 确定 满足 避难 硐室 空气净 化要 求 的最小 供 风 量及 出风 口的合 理 布 局 方 式 ， 为 暂 行 规 定 的 完善 及避难 硐 室建设 标准 制定 提供 参考 。 l 理论分 析 对 于避 难 硐 室生 存 室 内 的某 类 有 害气 体成 分 ， 若无净化措施 ， 则根据物质守恒定律， 该气体的浓度 c r 随避 灾 时间 r的变化 表达式 为 一 C o 1 式 中 c 。 为 有 害 气 体 初 始 浓 度 ； 为 生 存 室 避 灾 人 数 ； 为人 均有 害气体 产生 速 率 ， L ／ s ； V 为 生存 室 内 体 积 ， m。 。 若存 在净 化措施 ， 则 根据 物质 守恒 定律 ， 该气 体 的浓度 随时 间变化 表达 式为 VE c A t 一c r ] 一 n v A r q A r E c p r 一C r ] 2 式 中 q为硐 室 内净 化风 量 ， m。 ／ s r 为排 风 口有 害气体浓度 r 为送风 口有害气体浓度 。 排 风 口气 流 来 源于 硐 室 内 ， 因此 可 近 似认 为 排 风 口有 害气 体浓度 与硐 室生存 室 内有 害气体 平均 浓 度 相 同 ， 即 c 。 r 一c r 。通 过求解 微 分方程 可得 c r 一 c 。 r 一 [ r 一 c 。 ] e x p 一 V r q L q J ＼ ／ 3 文献E 3 3 通过分析避灾过程人体代谢产生 的有 害气体类型及释放速率 ， 计算得 出在无净化措施情 况 下 ， 遇险人 员在 避难 硐室 生存 室 9 6 h避 灾 过程 中 人 体代 谢 产 生 的 C O， NH。 ， H S， CH 等 有 害 气 体 浓 度不 会超 过人 体 耐受 的 临界 浓度 范 围 ， 可不 必 采 取净化措施 ， 避难硐室生存室 内需要净化 的人体代 谢 产生 的有 害气体 成分 主要 为 C O 。采用 管路 压风 稀 释 净 化 避 难 硐 室 生 存 室 内 的 C O 时 ， 压 风 中 的 C O 浓度 与新 鲜空 气 中 的 C O。 浓度 相 同 ， 可 近 似认 为压 风 中 C O 体 积 分 数 为 0 ． 0 3 。 因 此 ， 可 将 式 3 简化 为 c r 一 0 ． 0 0 0 3 一f 0 ． 0 0 0 3 一C o 1 4 2试 验环 境及 过程 2 ． 1 试 验 环 境 试验 在 避 难 硐 室 生 存 室 进 行 。生 存 室 尺 寸 为 2 0 m4 m3 m 长 宽 高 ， 生 存室 长 通道 两侧 各有 3个 出风 口， 相 邻 出风 口间距 4 ． 8 m， 每个 出风 口前 均有 阀 门控制 ， 由安 装在 总管 路上 的 阀门 、 压 力 表、 涡街流量计控制供风量 。采用高压 C O。 气瓶及 分布在两侧的弥散供气管路模拟人体释放 C O ， 通 过 电加热 型 C O 减 压 阀控制 流量 。 2 ． 2 传 感 器布 置及数 据保存 通过 7台红外 C O 传感 器监测生存室 内 C O。 浓度， C O 传感器安装高度见表 1 。监测数据通过 软件 平 台每 隔 1 mi n记 录保 存 1次 。传感 器及 供 气 管路布局如 图 1所示 ， 其 中①一⑦为 1 7号传感 器 ， C 1 C 6为 出风 口。 表 1 CO 传 感 器 安 装 高 度 c m 传感器 1号 2号 3 号 4号 5号 6号 7 号 高度 8 6 7 5 4 8 6 2 8 2 7 3 6 4 传 感 器 阀 门供 气 管供 气 霄 图 1 传感器及供气管路布局 2 ． 3 试 验 工 况 暂行规定 中要求 ， 避险设施 内处理 C O 的能 力 不低 于 0 ． 5 L ／ mi n 人 。基 于硐 室 生存 室 尺寸 条件 ， 结合 7种试验工况 表 2 ， 模拟容纳 5 O人 的 避 难硐 室 内压风 净化 情 况 ， 验 证 式 4 的适 用 性 ， 并 得 出满 足避 难硐 室空 气净 化 的最小供 风量 及 出风 口 布局方 式 。 7 O 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 表 2试验工况及主要参数 为缩减 试验 时 间 ， 通 过 弥散 供 气 管 路及 风 扇 搅 拌将室 内 C O 体积分数上升到 1 左右后 ， 开启压 风 ， 并将 C O 总流 量 调 节 为 2 5 L ／ mi n ， 观察 不 同工 况 下室 内 C O 浓 度变化 情况 。 2 ． 4试 验 过 程 ① 人 员进 入 生存 室 ， 关 闭硐 室 密 闭门 ； ② 打 开 传感器电源 ， 确保传感 器读数稳定上传至监控系统 平台； ③ 将加热型 C O 减压 阀接上电源 ， 打开所有 C O 气瓶 与弥散供 气管 路连接 ， 将流量 调 到最 大 ， 使硐室内 C O 浓度升高 ； ④ 打开生存室 内两端 风扇， 搅拌空气 ； ⑤ 生存室 内 c o。 体积分数平均值 上升到 1 后 ， 调节 C O 减压 阀使两侧的 C O 流量 分 别为 1 2 ， 1 3 L ／ mi n ； ⑥ 关 闭两 端 风扇 ； ⑦ 打 开 压 风供气管路上涡街流量计的电源开关 ， 确保数值显 示正常 ； ⑧ 外部人员打开空压机， 并通知生存室 内 调试人员 ； ⑨ 关 闭出风 口控制阀门 ， 开启供气管路 上的总阀门， 调节调压 阀， 使 供风管 内静压值 调到 0 ． 3 MP a ； ⑩ 打 开 出风 口的控制 阀 门与供 气管 路 上 的 总 阀 门 ， 调 节 总 阀 门 开 启 位 置 使 供 气 流 量 在 2 0 0 m。 ／ h左 右 ， 记 录压 风净 化开 始 涡街 流量 计 上 的 流量读数 ； ⑩ 生存室 C O。 浓度相对稳定后 C O 体 积分数连续 1 h在 1 以上且无下降趋势 ， 结束试 验 ； ⑥ 重复 以上 步骤 ， 进行 所有 工况 的试验 。 3试验 数据 分析 3 ． 1 理 论分 析 与 实际风量 净化 效果 比较 为检 验式 4 的适用 性 ， 对 工 况 1 一 工况 3下 的 试 验 数 据 进 行 分 析 比较 ， 给 出 工 况 1 一 工 况 3下 C O 浓 度 随时 间变化 曲线分 别如 图 2 一 图 4 所 示 。 从 图 2 、 图 3可看 出， 在风扇搅拌作用下 ， 供风 量为 4 5 0 m。 ／ h时， 硐 室 内 C O 体积 分 数分 布 在 0 ． 3 5 ～O ． 4 0 ； 供 风 量 为 3 0 0 m。 ／ h 时 ， 硐 室 内 C O 体 积分 数 分 布 在 0 ． 4 5 ～0 ． 5 0 。这 2种 工 况下 ， 硐室 内 C O 浓 度与式 4 计算结果相符 。从 图3 、 图4 可看 出 ， 在供 风量均为3 0 0 m。 ／ h情 况下 ， 籁 0 U 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 O4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 O 8 5 时 间／ mi n 图 2 工况 1 下 C O。 浓度随时间变化曲线 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 04 5 5 O 5 5 6 O 6 5 7 O 7 5 8 O 8 5 时间／ mi n 图 3 工况 2下 C O 。浓度随时间变化曲线 l 号传感器 2 号传感器 3 号传感器 4 号传感器 5 号传感器 6 号传感器 7 号传感器 平均值 理论值 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 时间／ rai n 图 4工 况 3 F COz浓 度 随 时 间变 化 曲线 硐 室 内有 无 风 扇 搅 拌作 用 时 的 C O。浓度 存 在 较 大 差 异 ， 无 风扇 搅 拌 时 ， 硐 室 内 C O 。体 积 分 数 分 布 在 0 ． 4 ％～0 ． 8 ％， 不 同监测点 C 0 2 浓度 分 布差异 较 大 。 由此 可判断 ， 式 4 仅适用 于供 风量 与 C O2 平 均 浓度 之 间的关 系计算 ， 而不 能完全适用 于硐 室 内无 大功率 风扇搅 拌时 的 C O 2 浓度 与供风量关 系计算 。 3 ． 2 硐 室 内 C 0 净化 需风 量分析 为得出满足硐室空气净化要求 的人均供风量 ， 对 工况 4 一 工况 6下 的试 验数 据进 行分析 比较 ， 3种 工 况下 C O 浓 度 随时 间变 化 曲线分 别 如 图 5 一 图 7 所示 。 从 图 5可看 出 ， 供 风量 为 2 5 0 m。 ／ h时 ， 硐 室 内 各 监 测 点 C O 体 积 分 数 主 要 分 布 在 0 ． 7 5 ～ 1 ． 0 0 ， 可将 容 纳 5 O人 的 硐 室 内 各 监 测 点 的 C o。 体积分数控制在 1 以下 ； 从图 6 、 图 7可看出， 供风 量为 2 0 0 2 3 0 m。 ／ h时 ， 硐室内各监测点 C O 体积 分数主要分布在 0 ． 9 ～1 ． 3 ； 由图 4可知 ， 供风 量 为3 0 0 m。 ／ h时 ， 硐 室 内各监 测 点C O 体 积分 数 ●O 0 O 0 O O O ＼ 0u 1 1 1 1 O O O O 0 0 O 0 ＼ 簌 0 u