矿井避难硐室防护系统研究.pdf

第7卷第 1 1 期 2 0 1 1年 l 1 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V0 1 ． 7 No ． 1 1 NO V ． 2 01 1 文章编号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 1 1 一I t 一 0 1 6 9 0 5 矿井避难硐室防护系统研究 高 娜 ， 金龙哲 ， 樊晶光 2 ， 赵 岩 ， 黄志凌 ， 张晓晨 1 ． 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 2 ． 中国化学品安全协会， 北京1 0 0 7 1 3 摘要 根据避难硐室的防护功能， 确定防护系统由防火防爆 、 密闭、 供氧、 制冷除湿、 监测监控、 动 力、 通讯、 定位 、 照明、 医疗、 食品、 水、 卫生几大系统组成； 通过理论分析， 确定防火防爆密闭系统抗 爆压力影响因素为反射压力、 入射压力、 静压载荷、 门体材料及安全系数； 通过计算 ， 可得 1 0 0 人避 难硐室压风供氧系统总供风量不得低于 3 6 m ／ mi n ， 其他供氧方式的最小供氧量不得低于 6 0 L ／ ra i n 。为避难硐室防护系统研究提供了科学依据及可靠数据， 为矿井紧急避险系统的研究奠定了 基础 。 关键词 避难硐室； 防火防爆密闭系统； 抗爆压力； 供氧系统； 供氧量 中图分类号 T D 7 7 4 文献标识码 A Re s e a r c h o n t h e p r o t e c t i o n s y s t e m o f r e f ug e h a v e n o f un de r g r o u nd mi n e GAO N a ，J I N L o n g - z h e ，F AN J i n g ． g u a n g ，Z H AO Ya n ，HU ANG Z h i ． 1 i n g ，Z HANG Xi a o ． c h e n 1 ． S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 2 ． C h i n a C h e m i c al S e ty A s s o c i a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 7 1 3 Abs t r a c t Th e r e s e a r c h d e t e r mi n e s t h a t t h e wh o l e p r o t e c t i o n s y s t e m i s c o mp o s e d b y fir e p r o o f a n t i e x p l o s i o n a i r t i g ht s y s t e m，o x y g e n s u p p l y i n g s y s t e m，d e s i c c a n t c o o l i n g s y s t e m，mo n i t o rin g a n d s u p e r v i s i o n s y s t e m，p o we r s y s t e m， c o mmu n i c a t i o n s y s t e m，p o s i t i o n s y s t e m， l i g h t i n g s y s t e m，me d i c a l s y s t e m， f o o d， wa t e r ， h e alt h s y s t e m，a c c o r d i n g t o t h e p r o t e c t i o n f u n c t i o n s o f r e f u g e h a v e n ．Th e a n t i e x p l o s i o n i n flu e n c e f a c t o r s o f fir e p r o o f a n t i e x p l o s i o n a i rti g h t s y s t e m a r e r e fl e c t e d p r e s s u r e， i n c i d e n t ， p r e s s u r e ，s t a t i c l o a d i n g ，ma t e ri a l s a n d s a f e t y f a c t o r a c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c al a n aly s i s ．T h e mi n i mu m a i r q u a n t i t y o f a i r s u p p l y i n g s y s t e m i s 3 6 m ／ mi n o f t h e r e f u g e h a v e n wh i c h c a n a c c o mmo d a t e 1 0 0 p e o p l e a n d t h e mi n i mu m o x y g e n q u a n t i t y o f o t h e r a i r s u p p l y i n g mo d e s i s 6 0 L ／mi n a c c o r d i n g t o c a l c u l a t i o n．Th e r e s e a r c h s u p p l i e s s c i e n t i fic b a s i s a nd a u t h e n t i c d a t a f o r t h e s t u d y o f r e f u g e h a v e n p r o t e c t i o n s y s t e m ， es t a b l i s h e s t he f o u n d a t i o n for t h e s t u d y o f e me r g e n c y r e s c u e s y s t e m． Ke y wo r d s r e f u g e h a v e n； ， fi r e p r o o f a n t i - e x p l o s i o n a i r t i g h t s y s t e m；a n t i e x p l o s i o n p r e s s u r e ；o x y g e n s u p p l y i n g s y s t e rn ； o x y g e n s u p p l y i n g q u an ． 我国 是矿产资源丰富的国 家， 矿山 勘探和开 采 技术的提谚 沏Ⅱ 快了矿山企业的 发展和人民 生活水平 的提高， 但是由于井下作业环境的特殊性， 矿山事故 收稿 日期 2 0 1 1 ． 1 0 ． 1 0 时有发生。数据调查显示， 8 0 ％以上的井下人员伤 亡是由于得不到及时的氧气供给和防护， 造成窒息、 中毒和高温而导致的。为此， 国家大力推广井下 “ 六大系统” 的构建工作， 其中紧急避险系统中的避 难硐室可为避险人员提供有效的防护空间， 硐室中 防护系统的研究具有重要意义⋯。 1 7 0 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第7卷 1 国外避难硐室防护系统研究现状 国外采矿业较发达的国家， 如加拿大、 美国、 澳 大利亚、 南非等国家对于井下应急救援系统研究已 形成了一套较完善的体系， 并取得了多次成功营救 的经验 J 。以南非政府为代表， 通过相关法律法规 对硐室的构建及系统参数提出要求， 例如 要求井下 避难硐室人均面积不得低于 0 ． 6 m ， 人均用水至少 2 L ／ d ， 并提出 硐室内应配备供氧系统、 通讯系统、 监控系统、 医疗急救物品、 独立电力供应系统、 硐室 内应保持正压等 。 2 国内避难硐室防护系统研究现状 我 国矿井避难硐 室防护系统研究 处于起步阶 段， 在借鉴国外发达国家成功经验基础上， 结合我国 矿山开采特点， 已初步形成一套防护体系。我国目 前颁布了 煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规 定 ， 根据规定要求， 应在采区 盘区 避灾路线上构 建服务年限不少于 5年的永久避难硐室 ， 且永久避 难硐室人均面积不得低于 1 ． O m ； 应在采 区区域附 近构建服务年限不大于 5年 的临时避难硐室 ， 且人 均面积不得低于 0 ． 9 m 。避难硐室内应该具备“ 安 全防护、 氧气供给保障、 有害气体去除、 环境监测、 通 讯、 照明、 人员生存保障等基本功能” ， 同时还对硐 室内气体含量、 防护压力等技术参数做出规定。 3 避难硐室防护系统组成 避难硐室设置目的是当井下发生常见事故 冒 顶片帮、 火灾、 爆炸、 煤与瓦斯突出时， 能够抵抗高 温、 爆炸冲击波的破坏， 同时能够防止有毒有害气体 渗入， 为不能及时升井的人员提供一个安全的、 可靠 的、 可满足基本生存需求的避险空间， 因此避难硐室 防护系统的设置应充分实现其防护功能 J 。经研 究分析确定， 避难硐室防护系统包括 防火防爆密闭 系统、 供氧系统、 制冷除湿系统、 监测监控系统、 动力 系统和其他系统 J 。 3 ． 1 防火防爆密闭系统 为了防止矿井火灾、 爆炸、 突出等常见事故对避 难硐室结构的破坏 ， 避难硐室必须设 置防火防爆密 闭系统。该系统应能抵抗至少 1 0 0 0 ℃的高温及 0 ． 3 M P a冲击波的破坏， 同时具有良好的密闭性。防 火防爆密闭系统包括防火防爆密闭门、 墙 、 防火防爆 密闭管路 。 1 防火防爆密闭门、 墙 作为避难硐室的第一道防护， 防火防爆密闭门、 墙不仅能够阻挡火灾的高温、 爆炸冲击波， 还可以防 止有毒有害气体从外面渗入到硐室内部污染空气。 通过研究确定， 矿井避难硐室的防火防爆密闭门、 墙 的抗爆压力由以下几个因素确定 P F A P ， △ P r ， 口 d ， ， K 1 式中， P为抗爆压力， △ P 为门墙的入射压力， △ P ， 为门墙的反射压力 ， g 为 门墙 的静压荷载 ， 为 门 体所选用的材料， 为安全系数， 在充分考虑以上因 素基础上， 确定抗爆强度 J 。 门、 墙结构可采用多层复合结构分散受力， 从而 达到减小门体所收冲击的目的， 如图 1 所示。门及 墙体材料应选择耐高温、 抗腐蚀材料， 同时保证门体 与墙体结构整体性， 所有连接处密封性。另外， 制造 完成的门体应经过抗爆试验以验证其抗爆性能。 l 一防爆层2 一隔温层3 一支撑密闭层 图1 门体复合结构受力分散示意图 2 防火防爆密闭管路 对于布置在硐室外部的管路要防止爆炸和火灾 的破坏， 可做预埋处理， 同时管路表面应选择耐高 温、 防腐蚀表层材料， 管路连接处应保证良好密封 性， 防止毒害气体通过管路进入到硐室中。 3 ． 2 供氧系统 避险人员在避难硐室生存的关键之一是足够氧 气的供给， 为了保证硐室内部在各种灾害情况时都 能提供可呼吸的氧气， 提出“ 多级供氧” 的概念， 即 第 1 1 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 7 l 在硐室设置两种以上的供氧方式， 包括 地面钻孔供 氧、 井下压风供氧和生氧净化器供氧 J 。 1 地面钻孔供氧 相对其他供氧方式， 地面钻孔供氧安全性和可 靠性较高， 其原理如图2 所示， 通过贯通地面到硐室 的钻孔 ， 将地面压风管路 、 水 管、 通讯及监测监控管 路引入， 并将地面压风管路与硐室内散气系统相连 接， 满足硐室内供气需求。 图2 地面钻孔供氧系统示意图 2 井下压风供氧 该供氧方式是将井下现有压风管路与硐室内布 气系统相连接， 通过对压风进行降压、 降噪、 油水分 离处理之后再将空气均匀的释放到硐室中， 为硐室 内供氧， 其原理如图3所示。 井下 图3 井下压风供氧系统示意图 地面压风管路和井下压风管路， 均需保证供风 量不低于 0 ． 3 m ／ m i n 人， 因此压风供氧系统总供 风量为 Q q x， l K 0 ． 31 0 01 ． 23 6 m ／ mi n 2 式中， Q为总供风量； q为人均最小供 风量， 取 0 ． 3 m 。 ／ m i n 人； 凡 为硐室容纳人数， 取 1 0 0人； 为 安全系数， 取 1 ． 2 ， 求得 1 0 0人硐室总供风量不得低 于 3 6 m。 ／ rai n 。 3 生氧净化器供氧 当硐室不具备地面钻孔条件， 且压风管路在巷 道中又被破坏时， 启动生氧净化器供氧系统。该系 统将压缩气瓶中的气体经过降压、 降噪处理后， 根据 硐室内避险人数调节输出供氧量， 再与经净化装置 去除空气中多余二氧化碳及其他有毒有害气体后的 空气进行混合， 实现供氧净化功能。此时， 需保证硐 室内人均供氧量不低于0 ． 5 L ／ ra i n 人， 因此总供氧 量为 Q q X K 0 ． 51 0 01 ． 2 6 0 L ／ mi n 3 式中， Q 为总供 氧量； q 为人均最小供氧量， 取 0 ． 5 1Mm in ． 人； n 为硐室容纳人数， 取 1 0 0 人； K为 安全系数， 取 1 ． 2 ， 求得 1 0 0 人硐室总供氧量不得低 于 6 0 L ／ mi n 。 除了以上几种供氧方式外， 还有化学供氧和无 动力供氧。其中化学供氧主要通过药剂的化学反应 实现供氧， 但其反应过程会释放热量， 因此其应用需 要重点考虑热量处理问题。无动力供氧根据流体力 学原理， 利用压缩气体所产生的动力转化为机械能， 从而实现氧气输送， 该技术已应用在可移动式救生 舱中。 以上几种供氧方式除了满足供氧量需求外， 还 需保证硐室 内的噪声不得超过 7 0 d B， 输 出气体压力 不得超过大气压力 0 ． 1 0 ． 2 M P a 。 3 ． 3 制冷除湿系统 通过研究及模拟实验发现， 硐室内的避险人员 和设备都会释放大量的湿和热， 从而导致温度和湿 度逐渐上升， 因此需要设置制冷除湿系统， 降低硐室 内的湿度和温度。目前常见的避难硐室制冷除湿技 术包括 蓄冰制冷除湿、 空调制冷除湿、 干冰制冷等。 研究发现， 蓄冰制冷除湿技术具有无污染、 能耗 低、 设备安全性高等特点， 现主要应用于避难硐室制 冷除湿系统； 空调制冷除湿效果明显， 但能耗大， 同 时要求空调设备必须具备煤安标志； 干冰制冷需要 考虑气化后二氧化碳排放问题 ， 以免增加硐室内二 氧化碳吸收负担。因此 ， 目前硐室内制冷除湿系统 主要采用蓄冰制冷除湿技术， 通过载人试验发现， 该 技术 可 保持 硐室 内温度 不高 于 3 5 C， 湿度 低 于 8 5 ％ 。 3 ． 4 监测监控系统 矿井避难硐室内部的空气质量直接影响避险人 员的生存状态， 因此需要实时监控硐室中各种关键 环境参数， 包括 0 2 、 C O 2 、 C O 、 H S 、 C H 、 温度和湿 度。目前井下常用气体探测器只能一机监测一气， 本次研究提出“ 多功能气体探测仪” 概念， 即 1台探 1 7 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 测器可同时监测以上7种环境参数， 并具备数据显 示和超限报警功能。该技术及设备研究既可以减少 监测设备数量， 又能减少接口， 更容易实现避难硐室 内与地面指挥中心的信息传递。系统所监测硐室内 气体的安全范围如表 1 所示 表 1 避难硐室气体标准含量 气体名称 标准气体含量 0． C0 C0 CH4 温度 T 湿度 3 ． 5 动力系统 避难硐室通过引入井下电缆， 经综保及控制系 统转换后， 将电力输送给用电设备。但当硐室外的 电缆被事故破坏时， 硐室内用电设备不能正常运作， 因此一定要配备备用电源， 以满足硐室内部供氧、 降 温除湿等用电设备需求。对于动力系统的研究， 应 该保证系统 的输 出 电压 为安全 电压 ， 一 般不超 过 2 4 V， 同时具备外 部电源输入 、 安全 电压输 出、 漏 电 保护、 过流保护等功能， 并配有独立的电池控制系统 和自检系统。对于电源 电量 ， 应保有安全系数不小 于 1 ． 2的电池组容量 J 。 3 ． 6 其他系统 除了以上提到的核心系统 ， 为了维持硐室内避 险人员的基本生存， 还应配备以下系统 1 通讯系统 该系统可实现硐室内人员与地面指挥 中心的通 话联络 ， 随时汇报硐室 内情况 ， 要求硐室内应配置至 少两种以上通讯方式， 以应对可能发生的系统故障。 2 定位系统 该系统能够通过定位接收器及时掌握避难硐室 中避险人员 的相关资料， 以便采取相应的救援 工作 。 3 照明系统 该系统为避险人员提供照明需求， 硐室内还可 配备一定量的充电矿灯， 以备断电所需。 4 医疗设备 该系统为硐室中受伤 的避险人员提供及时的医 疗救治， 包括抗菌、 消毒药剂及简单医疗器械 。 5 食 品及水 避难硐室的避险时间不得低于 9 6小时 ， 其 内部 水及食物的配置应保证饮水量不少于 1 ． 5 1M天 人， 食物热量不少于 5 0 0 0 k J ／ 天 人， 且配备不少于 1 ． 2倍安全系数的食品及水量。 6 卫生系统 硐 室内还应配备避险基本生存所需 的卫生系 统， 如马桶、 排泄物收纳袋等， 要求卫生设备使用方 便， 且能够防止异味的释放。 4小结 通过理论分析 、 计算和资料对 比的方法 ， 针对矿 井避难硐室防护系统研究可以得出以下结论。 1 避难硐 室 防护 系统分为 防火 防爆密 闭系 统 、 供氧系统 、 制冷除湿系统 、 动力系统及其他系统 。 2 避难硐室防火防爆密闭系统 的抗爆能力不 得低于 0 ． 3 M P a ， 瞬间抗高温能力不应低于 1 0 0 0 C， 同时保证良好气密性和抗腐蚀功能。 3 供氧方式应尽可能选用地面钻孔供 氧、 压 风供氧和生氧净化器供氧多级供氧方式 ， 且供风量 不得低于 0 ． 3 m ／ m i n 人， 供氧量不得低于 0 ． 5 1M mi n 人 。 4 制冷除湿系统应采用能耗小、 无污染、 效率 高、 安全性好的制冷除湿技术 ， 且保持硐室 内温度不 超过 3 5 c 【 ， 湿度不超过 8 5 ％ 。 5 硐 室 内监 测监控 系统应选用 多功 能监测 器， 各气体标准监测范围是 0 含量 l 8 ． 5 2 3 ％、 C O 浓度小于 1 ． 0 ％ 、 C O浓度低于2 4 p p m、 C H 浓度 低于 1 ． 0 ％。 6 硐室内的动力系统应具备输入、 输出、 控制 及自检功能， 同时保证输出电压为 2 4 V以下安全 电压 。 7 为了满足生存需求， 硐室内还应配备通讯 系统、 定位系统、 照明系统、 医疗系统、 食品、 水及 马桶 。 参考文献 [ 1 ] 孙继平． 煤矿井下安全避险“ 六大系统” 的作用和配置 蛳 桃 嘞 娼 8 第 1 1 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 7 3 全 国煤矿瓦斯防治现场会在合肥召开 全国煤矿瓦斯防治现场会 1 1日至 1 2日 在安徽合肥召开。中共中央政治局委员、 国务院副总理、 国务院 安全生产委员会主任张德江在现场会上强调， 要深入贯彻落实科学发展观， 牢固树立以人为本、 安全发展的 理念， 以确保职工生命安全为根本， 以瓦斯抽采达标和落实综合防治措施为重点， 进一步加大瓦斯防治工作 力度， 多措并举、 综合治理， 有效防范和坚决遏制煤矿重特大事故， 促进煤矿安全生产形势持续稳定好转。 国家安全监管总局局长骆琳作了题为 加强监管监察 狠抓工作落实 在防范遏制煤矿瓦斯事故上取得 更大成效 的发言。他指出 ， 煤矿安全是全国安全生产的重 中之重 ， 瓦斯 防治 又是煤矿安全生产 的关键和要 害。各地区、 各级安全监管监察部门和煤矿企业要坚决贯彻落实党中央、 国务院关于加强煤矿安全生产的重 大决策部署 ， 认真贯彻落实好张德江副总理在会议上的重要讲话精神， 进一步坚定信心、 加大力度， 严格执 法、 深化整治， 完善政策、 健全体系， 夯实工作基础、 提升保障能力， 把瓦斯防治和煤矿安全生产工作提高到一 个新的水平， 有效防范和坚决遏制重特大瓦斯事故， 推动全国煤矿安全状况持续稳定好转。 国家能源局、 科技部、 国家安全生产监督管理总局和安徽省委领导， 煤矿瓦斯防治部际协调领导小组成 员及联络员， 各产煤省 区、 市 政府负责同志及发展改革、 煤矿安全监管监察、 煤炭行业管理部门负责同志， 部分煤炭企业、 煤炭科研机构负责人参加会议。