煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究.doc

第36卷第5期煤炭学报 Vol．36No．52011年 5月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY May 2011 文章编号0253－9993201105－0713－05 煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究 孙继平 中国矿业大学北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083 摘 要提出煤矿井下避难硐室和救生舱建设原则无大功率和大容量电源、无安全隐患、不影响矿 井通风和安全生产、便于快速紧急避险、免维护或易维护、经济实用等。提出严禁将救生舱的生存舱与设备舱分离;救生舱不宜设置在巷道中;在一定的区域内宜分布设置多个中小型避难硐室或救生舱。提出煤矿井下避难硐室和救生舱宜采用高压气体膨胀制冷;风机宜采用气动风机;宜利用制冷系统的热交换器表面凝水除湿;宜采用压缩氧供氧;不宜采用蓄电池或外接电源供电照明;宜配 备便携式O 2、CO 、CO 2、CH 4、温度、湿度等检测仪;传感器及分站、人员位置监测分站、调度电话等,应选用用户已有系统的配套设备;救生舱的排气孔、连接压风自救、供水施救、安全监控、人员位置 监测和通信等系统的管线,宜分两侧布置。提出软体救生舱不宜在煤矿井下使用;除掘进工作面和临时作业场所外,煤矿井下其他巷道和作业地点均应有不少于2条步行安全撤至地面的通道。关键词煤矿井下;避难硐室;救生舱;安全避险;紧急避险;自救器中图分类号TD792 文献标志码A 收稿日期2011－04－10责任编辑许书阁 基金项目国家自然科学基金资助项目51074169;教育部博士点基金资助项目200802900008, 20090023110008作者简介孙继平1958,男,山西翼城人,教授,博士生导师,博士。Tel 010－62331929, E －mail The key technologies of the refuge chamber and rescue capsule in the underground coal mine SUN Ji-ping State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ,China University of Mining and Technology Beijing ,Beijing 100083,China Abstract The construction principles of the refuge chamber and rescue capsule underground the coal mine were pres-ented．It includes no excessive output and excessive capacity power supply ,no issues in safety ,no influence with mine ventilation and safety production ,responding the emergency quickly ,maintenance-free or easily do it ,economical and practical ,etc．The survival section and device section in rescue capsule should not be separated ,and the rescue cap-sule should not be built in tunnel．Several small or medium size refuge chambers and rescue capsules should be dis-tributed within the specific region．The refuge chamber and rescue capsule should adopt high pressure gas expansion refrigeration ;the air blower should adopt air power fan ;it should use water of condensation to remove damp at the heat exchanger ’s surface of refrigeration system ;it should use compressed oxygen to supply oxygen ;it should not adopt stor-age battery or external power to supply illumination system．It should equip with the portable detectors which detect O 2,CO ,CO 2,CH 4,temperature ,humidity ;the sensor and its substation ,staff location monitoring substation and dis-patcher telephone should use matching equipment of existing system ;the air vent holes of rescue capsule and the pipe-lines connecting with compressed air self rescue ,supply water rescue ,safety monitoring ,staff location monitoring and communication system should be placed on both sides of lane．The soft rescue capsule should not be applied to the coal mine ;lanes and workplaces should have no less than 2safety walk paths to surface safely ,excepting heading faces and temporary workplaces． Key words underground coal mine ;refuge chamber ;rescue capsule ;safe self-rescue ;emergency refuge ;self rescuer 煤炭学报2011年第36卷 煤矿井下紧急避险系统包括自救器、避难硐室或 救生舱、避灾路线及指示、应急预案等。其中,自救器 是最重要、最有效、最经济的紧急避险装备。当煤矿 井下发生灾变时,遇险人员应使用自救器或自救器接 力尽快安全撤至地面,因为地面最安全。当巷道被顶 板冒落物等堵塞,遇险人员无法安全撤至地面时,应 进入避难硐室或救生舱躲避,等待救援[1]。 1避难硐室和救生舱建设原则 自救器的装备,避难硐室和救生舱的建设,应急 预案和避灾路线的制定,均应将遇险人员使用自救器 或自救器接力尽快安全撤至地面作为首选。 避难硐室和救生舱,是为无法安全撤至地面的遇 险人员提供基本生存条件的紧急避险设施。因此,避 难硐室和救生舱,首先要防止外部CO等有毒有害气 体进入室内或舱内,造成室内或舱内避险人员 伤亡;为途经这里需要更换自救器的逃生人员提供足 够数量的压缩氧自救器;为避险人员提供氧气或新 鲜空气、水、食物、通信、照明等;具有温度、湿度调 节功能,为避险人员提供适宜避险的温度和湿度环 境;具有空气净化功能,及时处理室内或舱内CO、 CO 2、H 2 S、CH 4 等有毒有害气体等[2－3]。 用于煤矿井下紧急避险的避难硐室和救生舱,应 满足无大功率和大容量电源、无安全隐患、不影响矿井通风和安全生产、便于快速紧急避险、免维护或易维护、经济实用等要求。 1.1无大功率和大容量电源 当瓦斯浓度超过规定的断电浓度时,煤矿井下非本质安全型电气设备必须断电,防止电火花和危险温度以及机械摩擦撞击火花和危险温度等引起瓦斯爆炸[4－5]。本质安全型防爆电路和电气设备是通过限制功率和能量,使其在正常工作和规定的故障状态下,所产生的电火花能量和温度足够的低,不足以点燃周围环境中的可燃性气体。因此,大功率电气设备及电源无法做成本质安全型防爆电气设备。这就要求,避难硐室和救生舱的制冷和空气净化等系统及装备不能使用大功率和大容量电源,这包括使用煤矿井下电网电源和大容量蓄电池。 避难硐室和救生舱若使用煤矿井下电网电源,当瓦斯浓度超过断电浓度时,将会停止供电。 避难硐室和救生舱若使用大容量蓄电池,由于其不能做成本质安全型防爆电气设备,当瓦斯浓度超过断电浓度时,也必须停止供电和工作。 避难硐室和救生舱若使用蓄电池,也难以保证96h紧急避险期间电源的供给,这是由蓄电池充放电要求和蓄电池本身特点所决定。蓄电池若采用“充电－放电使用或维护－充电”工作方式,当事故发生在放电即将完成、充电还未开始,或充电刚开始时,由于蓄电池储存的电能较少,则难以保证长时间供电的要求。蓄电池若采用浮充方式,蓄电池容量下降很快,长期使用,不能保证长时间供电的要求。进而造成采用蓄电池供电的降温、除湿和空气净化等系统无法工作,避难硐室和救生舱内温度、湿度和有害气体浓度升高,无法满足紧急避险的要求。 1.2无安全隐患 避难硐室和救生舱是煤矿井下紧急避险设施,因此,无论是平时,还是紧急避险时,都必须做到无安全隐患①无引爆瓦斯和煤尘的火源和危险温度;②无危及避险人员和煤矿井下作业人员的有毒有害气体等物质。 避难硐室和救生舱除应无大功率和大容量电源外,还应无其他引爆瓦斯和煤尘的火源和危险温度。如严禁化学制氧药剂和装备自燃等。 用于制氧、吸收有毒有害气体和除湿的化学药剂和装备,应不产生对人体有毒有害的气体。用于降温的制冷剂,应不产生对人体有毒有害的气体。 个别企业为便于运输和安装等,将救生舱的生存舱与设备舱分离,采用软体连接。这种救生舱受到爆炸冲击波冲击时,连接管线很容易受到破坏,难以保证救生舱的正常使用。 1.3不影响矿井通风和安全生产、便于快速紧急避 险 避难硐室和救生舱的建设应不影响矿井通风和安全生产、便于快速紧急避险。因此,救生舱不宜设置在巷道中,以免增加通风阻力、影响矿井通风和安全生产。救生舱不设置在巷道中,也可减少爆炸冲击波对救生舱的破坏。 为便于避险人员快速进入避难硐室和救生舱,并相互备用,在一定的区域内分布设置多个中小型避难硐室或救生舱,要优于设置一个大型避难硐室和救生舱。 若在一定的区域内,只设置一个大型避难硐室或救生舱,由于出入通道的限制,遇险人员不能快速进入室内或舱内避险;当爆炸冲击波造成该避难硐室或救生舱损坏时,该区域的遇险人员将没有可用的紧急避险设施。 若在一定的区域内,分布设置多个中小型避难硐室或救生舱,除便于遇险人员快速进入室内或舱内紧急避险外,也具有相互备用的作用。分布设置多个中小型避难硐室或救生舱,当其中部分避难硐室 417 第5期孙继平煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究 或救生舱由于爆炸冲击波造成损坏时,避险人员可进入未被破坏的避难硐室或救生舱避险,虽然每个避难硐室或救生舱中避险人数可能会超过额定人数,但总比没有可用的避险设施要好。 避灾路线指示应采用无源反光材料,设置在巷道两侧,严禁吊挂在巷道中。若避灾路线指示吊挂在巷道中,会增加通风阻力,影响矿井通风;发生灾变时,会被爆炸冲击波破坏,并造成人员伤亡。 1.4免维护或易维护、经济实用 无论是避难硐室还是救生舱,都应免维护或易维护、平时待机消耗少、维护工作量少,经济实用。 免维护避难硐室和救生舱,不会因为维护工作不到位,而影响灾变时避难硐室和救生舱的使用。特别是,不会因维护避难硐室和救生舱,而增加井下作业人员。减少井下作业人员是避免或减少煤矿重特大事故发生的重要措施[6－7]。 免维护是建设避难硐室和救生舱的理想目标,但至少要做到易维护、维护工作量小、平时待机消耗少。 2降温与除湿 为防止外部CO等有毒有害气体进入避难硐室和救生舱内,避难硐室和救生舱通常采用气密和正压结构。当遇险人员进入气密的避难硐室和救生舱后,避难硐室和救生舱内的温度和湿度会逐渐上升。因此,必须对避难硐室和救生舱内进行降温和除湿,以满足温度不大于35ħ、湿度不大于85的要求。 常用的制冷方法有蓄冰制冷、电动制冷机制冷和高压气体膨胀制冷等。 蓄冰制冷首先要将水制成冰,平时要维持冰的结冰状态。因此,平时需要给电动制冷机供电,维护费用高,特别当瓦斯超过断电浓度时,必须切断制冷机的电源。不难看出,蓄冰制冷不符合无大功率电源、无安全隐患、免维护、经济实用等要求。因此,避难硐室和救生舱不宜采用蓄冰制冷方法。 电动制冷机制冷需要大容量蓄电池或外接大功率电源。当煤矿井下发生灾变时,外接大功率电源将会停电。非本质安全防爆的大容量蓄电池和制冷机电机,在瓦斯超限时不允许工作。不难看出,电动制冷机制冷不符合无大功率电源、无安全隐患等要求。因此,避难硐室和救生舱不宜采用电动制冷机制冷方法。 高压气体膨胀制冷是通过高压气体膨胀吸热制冷。高压气体膨胀制冷具有无电源、维护量小、维护费用低等优点。高压气体膨胀制冷常用的制冷剂有液氨、氟利昂、二氧化碳等。液氨具有储藏设备体积小、蓄冷量大等优点,但要求储用设备防腐蚀等,液氨 一旦泄漏将会对人体造成化学烧伤和中毒,氨气也会对人体造成伤害,废气需要处理,因此,液氨不宜用于避难硐室和救生舱。氟利昂具有不燃烧、不爆炸、几乎无毒、易储存等优点,但对臭氧层有破坏作用,储藏设备体积较大,遇明火和高温会分解出对人体有害气体等,因此,氟利昂不宜用于避难硐室和救生舱。二氧化碳具有安全稳定、无毒等优点,但储藏设备体积较大、储存温度低,当其储存温度大于31.1ħ时,液态CO 2 气化的制冷效果大大降低,因此,二氧化碳可用于避难硐室和救生舱。 通过上面的分析,不难看出,煤矿井下避难硐室和救生舱不宜采用蓄冰制冷和电动制冷机制冷;可采用高压气体膨胀制冷,制冷剂宜采用二氧化碳,不宜采用液氨和氟利昂。 除湿的方法较多,利用制冷系统的热交换器表面凝水除湿,是一种简单有效的方法。 3供氧与有害气体去除 3.1供氧 煤矿井下避难硐室和救生舱除要与压风自救系统连接外,还应具备自备供氧系统。自备供氧方法主要有压缩氧供氧、过氧化物供氧、氧烛供氧、碱性电解液电解水供氧等。 压缩氧供氧具有安全可靠、操作简单、使用方便、易维护、费用低等优点,但设备体积较大。煤矿井下避难硐室和救生舱可采用压缩氧供氧方法。 过氧化钠等过氧化物供氧具有体积小、在制氧的同时可消耗空气中的二氧化碳等优点,但在制氧的化学反应过程中会产生大量的热量。据文献[8]介绍,化学氧自救器发生过多起自燃事故。因此,煤矿井下避难硐室和救生舱若采用过氧化物供氧,要解决自燃问题。 氧烛供氧具有体积小、使用方便等优点,但氧烛点燃后反应速度难以控制,难以实现连续稳定供氧, 氧烛燃烧除产生氧气外,还有Cl 2 、CO、CO 2 等有毒有害气体。因此,煤矿井下避难硐室和救生舱不宜采用氧烛供氧。 碱性电解液电解水供氧,在制备氧气的同时也有氢气产生,还需要用于电解的电源,不符合无大功率电源、无安全隐患的要求。因此,煤矿井下避难硐室和救生舱不宜采用碱性电解液电解水供氧。 3.2有害气体去除 为去除避险人员代谢产生的CO、CO 2 、H 2 S等有毒有害气体,以及避险人员进入避难硐室和救生舱时 517 煤炭学报2011年第36卷 从外部带入的CO、CH 4 等有毒有害气体,避难硐室和 救生舱应具有有毒有害气体去除设施。去除有害气 体的方法较多,但应满足无大功率电源、无安全隐患、 免维护或易维护、经济实用等要求。 4风机、照明、安全监控、人员位置监测与通 信 去除有毒有害气体等,需要风机,加强空气流动。 风机不宜采用电动风机,而应采用气动风机,以满足 无大功率电源、无安全隐患等要求。 避难硐室和救生舱内的照明宜配置一定数量的 矿灯,不宜使用蓄电池或外接电源供电照明,以满足 无大功率电源、无安全隐患等要求。 避难硐室和救生舱内宜配备便携式O 2 、CO、 CO 2、CH 4 、温度、湿度等检测仪。为便于本质安全防 爆,并接入用户已有系统,避难硐室和救生舱内设置 的O 2、CO、CO 2 、CH 4 、压差、温度、湿度等传感器及其 分站、人员位置监测分站、调度电话等,应选用用户已有系统的配套设备。避难硐室和救生舱内留出上述设备设置位置,由用户安装。 5其他关键技术 避难硐室和救生舱除应设置上述设施和系统外,还应配备饮用水、食品、人体排泄物收集处理装置、急救箱、工具箱、灭火器等。这些设施也应满足无大功率电源、无安全隐患、免维护或易维护、经济实用等要求。 避难硐室和救生舱应与压风自救、供水施救、安全监控、人员位置监测、通信等其他安全避险系统相连[9－15]。 为便于钻孔救援,相关矿图及应急救援预案应准确标注避难硐室的三维坐标。设置在离地表较浅适宜地面钻孔的避难硐室,应有直通地面的钻孔和直通地面的压风、供水供养、通信等系统,提高抗灾变能力。 救生舱的排气孔、连接压风自救、供水施救、安全监控、人员位置监测和通信等系统的管线,应分两侧布置,以便置入扩帮空间,而不影响与上述系统的连接。 救生舱分为硬体救生舱和软体救生舱。软体救生舱具有成本低、平时占用空间小等优点,但当井下发生灾变时,遇险人员不能快速进入舱内避险。因此,不宜在煤矿井下使用。本文所述救生舱是指硬体救生舱。 为防止顶板冒落堵塞巷道,使遇险人员无法安全撤至地面,除掘进工作面和临时作业场所外,煤矿井下其他巷道和作业地点均应有不少于2条步行安全撤至地面的通道;每个生产矿井必须有不少于2个步行通往地面的安全出口,各个出口间的距离不得小于30m;井下每一水平到上一水平和各个采区都必须有不少于2条步行安全通道,并与通往地面的步行安全出口相连。 6结论 当煤矿井下发生灾变时,遇险人员应使用自救器或自救器接力尽快安全撤至地面,因为地面最安全。为防止顶板冒落堵塞巷道,使遇险人员无法安全撤至地面,除掘进工作面和临时作业场所外,煤矿井下其他巷道和作业地点均应有不少于2条步行安全撤至地面的通道。当巷道被顶板冒落物等堵塞,遇险人员无法安全撤至地面时,应进入避难硐室或救生舱躲避,等待救援。为便于避险人员快速进入避难硐室和救生舱,并相互备用,在一定的区域内宜分布设置多个中小型避难硐室或救生舱。用于煤矿井下紧急避险的避难硐室和救生舱,应满足无大功率和大容量电源、无安全隐患、不影响矿井通风和安全生产、便于快速紧急避险、免维护或易维护、经济实用等要求。 参考文献 [1]孙继平．煤矿井下紧急避险系统研究[J]．煤炭科学技术,2011, 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