井下人員緊急避險系統(tǒng)

The Maintenance of a Safe and Breathable Atmosphere in Permanent Refuge Bays and Portable Rescue Chambers!Have become an integral part of the escape and rescue strategies in underground mines.The primary function of refuge bays is to sustain life in the event of underground incidents, e.g. rock falls, fires, water，explosion etc. by preventing the ingress of noxious gases and providing a source of respirable air.為永久性和便攜式安全救生艙提供一個安全的和可以呼吸的環(huán)境！安全救生艙的基本功能是一旦井下發(fā)生巖崩、火災、透水、爆炸等事件時，能夠防止有毒氣體的進入，并提供呼吸空氣的來源，以保持生命。已經(jīng)成為井工礦逃生和救援策略的一個必要的部分。

《煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設管理暫行規(guī)定》

4.煤礦井下緊急避險系統(tǒng)是指在煤礦井下發(fā)生緊急情況下，為遇險人員安全避險提供生命保障的設施、設備、措施組成的有機整體。緊急避險系統(tǒng)建設的內(nèi)容包括為入井人員提供自救器、建設井下緊急避險設施、合理設置避災路線、科學制定應急預案等。

5.井下緊急避險設施是指在井下發(fā)生災害事故時，為無法及時撤離的遇險人員提供生命保障的密閉空間。該設施對外能夠抵御高溫煙氣，隔絕有毒有害氣體，對內(nèi)提供氧氣、食物、水，去除有毒有害氣體，創(chuàng)造生存基本條件，為應急救援創(chuàng)造條件、贏得時間。緊急避險設施主要包括永久避難硐室、臨時避難硐室、可移動式救生艙。

永久避難硐室是指設置在井底車場、水平大巷、采區(qū)（盤區(qū)）避災路線上，具有緊急避險功能的井下專用巷道硐室，服務于整個礦井、水平或采區(qū)，服務年限一般不低于5年。

 臨時避難硐室是指設置在采掘區(qū)域或采區(qū)避災路線上，具有緊急避險功能的井下專用巷道硐室，主要服務于采掘工作面及其附近區(qū)域，服務年限一般不大于5年。

可移動式救生艙是指可通過牽引、吊裝等方式實現(xiàn)移動，適應井下采掘作業(yè)地點變化要求的避險設施。

1、礦山井下避難所的定義與基本功能

瓦斯爆炸過程后，礦井中氧氣濃度下降，燃燒生成大量的CO2和H2O，不完全反應產(chǎn)生的CO濃度一般也達到1000ppm以上，成為井下人員傷亡的主要因素之一。

災后缺氧環(huán)境（ < 16%）、有毒有害氣體環(huán)境（CO、HCN、HF、H2S、HCl、NH3、SO2、Cl2、COCl2、NO2 ）、高溫煙氣（火焰鋒面溫度可達到2150~2650℃）、二次爆炸沖擊（可達2MPa以上）等危害是造成人員傷亡的主要原因。

2、國內(nèi)外礦山井下避難所建設情況

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，南非、加拿大、美國、澳大利亞等采礦業(yè)發(fā)達國家，對礦井事故的應急救援工作十分重視，將應急避難所和救生艙作為地下礦山應急救援工作的重要部分進行了大量的研究，并有了多次成功營救的經(jīng)驗。

例如，2006年12月美國西弗吉尼亞發(fā)生礦難后（12人被困，11人死亡），各州政府即制定了相關(guān)標準與法規(guī)，要求井下必須裝置救生艙或避難所，2008年12月31日美國聯(lián)邦政府在“地下煤礦強制安全標準（修訂版） ”中 專門制定了礦用救生艙的標準。

（1）國外救生艙特點

機械結(jié)構(gòu)：國外應急救生艙多數(shù)為整體式結(jié)構(gòu)，艙體體積較大，歐洲某種型號可容納15人的應急救生艙規(guī)格達到8m（L）×2.4m（W）×2.5m（H）；澳大利亞某公司的產(chǎn)品擁有可容納4人、8人、12人、15人、20人、30人的6種規(guī)格。

防護設計：國外應急救生艙多數(shù)只為隔絕有毒有害氣體，艙體防護僅采用單層鋼結(jié)構(gòu)，隔溫與防爆能力有限（如，美國救生艙承受的爆炸波壓力為0.6MPa）。

使用材料：國外大部分硬體救生艙的制造采用了鋼質(zhì)材料；軟體艙多采用乙烯基等聚合材料或橡膠材料，在礦井災變高溫環(huán)境下，這些材料有可能分解生成某些有毒有害氣體在救生艙內(nèi)部擴散。

    國外救生艙開發(fā)情況

南非：        Survivair-RRC，硬體式

美國：        STRATA：硬體艙、軟體艙、中繼站

                    ChemBio：主要為軟體艙

澳大利亞：MineARC：硬體艙

加拿大：    RANA：硬體艙、空氣供給與廢氣處理設備

德國：        DREGER：硬體艙、快速充氣站

英國：        Molecular：有害氣體處理設備

 2.4 國外對井下避難所的基本要求

（1）南非

避難所的設置。南非《礦山健康與安全規(guī)程》規(guī)定：長壁開采的工作面，距離工作面不超過750m的地點必須建立避難所；采用房柱式開采時，每1000m應設置避難所

避難所的選址。必須考慮：從工作地點到避難所行走難易程度，如巷道高度、傾角、設備設施布置、人員方向迷失的可能性等；逃入避難所所需時間；隨身佩戴自救器維持時間

（1）南非

避難所容積。應能夠容納該服務區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)的所有人員，且每人占有容積不小于0.6m3（《強制執(zhí)行的職業(yè)守則》規(guī)定為1.0~1.5 m2 ）。

避難所結(jié)構(gòu)。兩道風門結(jié)構(gòu)，以便形成風障，防止有毒有害氣體侵入。

避難所設施。必須有供氧、通訊、報警設備及自救器、飲用水等，有效防護時間8～24h。

  （2）美國

2006年，西弗吉尼亞州政府率先對避難所做出規(guī)定，并對救生艙產(chǎn)品實施州政府批準，規(guī)定防護時間不得少于48h

2008年12月，MSHA發(fā)布救生艙條例，規(guī)定2009年12月前所有美國煤礦井下必須配備避難所，保證所有入井人員都有災變時期的避險位置，防護時間提高到96h。條例中對救生艙等避難所的設置提出了具體要求

避難所設置要求：

　1）礦工在30min或更短時間內(nèi)能夠到達地面的礦山不需要布置

　2）足以容納所有工作人員，包括經(jīng)理、供應商、檢測員及聯(lián)邦監(jiān)察員

　3）必須能夠容納鄰近區(qū)域工作的最大礦工人數(shù)，包括輪班替換人員

　4）設置位置距離最近工作面不超過300m

　5）在距離工作面較遠區(qū)域，兩個避難所間隔不超過礦工1h的行進距     離，即礦工距離任一避難所或安全出口的行進時間不超過30min

 （2）美國

救生艙的功能要求

1）至少為每人提供15ft2（約1.4m2）的地面空間和30~60ft3（約0.85~1.70m3）的立體空間。如果廢物在救生艙外處理，則氣密室的空間與容積可計入在內(nèi)

2）可吸入氣體應由壓縮空氣瓶、壓縮氧氣瓶、或地面安裝了排風扇或空壓機的礦井提供，并保證氣體未被污染

3）為每人提供的可吸入氣體可維持96h，O2在18.5~23%之間，CO2平均濃度不高于1%且最大濃度不高于2.5%

4）在使用期間，應對救生艙內(nèi)的大氣進行監(jiān)測

5）具有有害氣體清除措施，有效清除CO、CO2、CH4等有毒有害氣體

6）當用戶依照生產(chǎn)商的操作說明及定義的極限使用時，救生艙在全部滿員情況下的體感溫度不得超過95℉（35℃）

7）應配備一套雙向通信設施、照明、人體排泄物處理方法、急救物品、維修工具、符合要求的滅火器

8）存儲組件或給養(yǎng)的容器應密封、防水及防啃，醒目標注到期日期及使用說明

（3）加拿大　

加拿大采礦安全規(guī)程、其它安全規(guī)程或指南規(guī)定，每個礦井必須設置固定式避難硐室或者移動式救生艙，并且必須考慮以下4方面因素：避難所的設置位置、容量、安全防護時間，O2和CO2的控制指標

避難所的設置位置應考慮以下因素：

   1）工作地點的特征。下列地點必須考慮設置避難所：礦難發(fā)生時遇險人員難于按正常避災路線逃出的地方；采掘工作面離安全出口較遠的地方；新開拓水平；新建礦井或者老礦重新開采

   2） 遇險人員抵達的難易程度。 必須設置在正常避災路線上；必須遠離可能存在危險的地點并保證有足夠的安全距離，如距離火藥庫至少60m，離5kV變電站至少15m，遠離修理庫或者燃料庫， 遠離爆破作業(yè)區(qū)以及其它危險場地；必須是救護隊員容易到達的地點；設置地點巖體安全，支護良好

   3）遇險人員到達避難所的時間。避難所盡可能靠近采掘工作區(qū)域；遇險人員步行到達避難所的時間不超過15~30min

 （4)澳大利亞

2005年西澳州礦山安全和檢查規(guī)章4.36 1995 規(guī)定：地下礦井中必須有明確的緊急情況預防措施，為遇險人員提避難室和新鮮空氣

避難所距離工作地點最大距離確定原則：人以合適身體狀態(tài)、使用50%自救器防護時間、中等行進速度可以走出的最遠距離

避難所覆蓋所有工作人員，包括管理人員，推薦避難所容量應該是本地作業(yè)人員數(shù)量的2倍以上

避難所建設位置，應遠離潛在巖崩、淹井、火災、爆炸等危險的區(qū)域（如變電站、炸藥庫、燃料存貯設施或停車場等），巖層穩(wěn)定、支護良好

避難所存在三種工作方式：備用方式、外部支持和獨立方式。獨立方式應維持36h

具備通訊、內(nèi)部裝備，并應考慮避險人員心理問題（照明）

避難所在井下首次安裝時應進行實驗測試，包括真空測試 、電源支持測試，以后一個合理周期（6或12月）也應檢測

按照制造商要求對避難所進行檢查和維護，并作為日常工作的重點

3.1 密閉空間人體生存參數(shù)研究

為了得到人體對密閉空間各類氣體成分、溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)的影響及其邊界條件，為礦用救生艙的設計提供依據(jù)，課題組在北科大建造了實驗模擬艙。

實驗模擬艙外形尺寸：500×1300×1800mm；內(nèi)部結(jié)構(gòu)：設兩道門，分為門艙和乘員艙；空間總?cè)莘e為8.6m3；門艙尺寸：835×1180×1680mm，容積1.7m3；乘員艙尺寸：3470×1180×1680，容積為6.9m3（依據(jù)：人體生存所需最小空間為1 m3）。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)-硬件

空氣凈化系統(tǒng)

3.1 密閉空間人體生存參數(shù)研究

4人10h艙內(nèi)CO濃度隨時間的變化

3.4 救生艙樣艙現(xiàn)場試驗

實驗目的：模擬礦井災變環(huán)境，測試救生艙的綜合生存保障能力，考察救生艙內(nèi)外儀器設備的性能、指標，系統(tǒng)地掌握密閉空間人員長時間生存的試驗數(shù)據(jù)。

實驗條件：救生艙工業(yè)性試驗標準試驗大氣條件為溫度20～25℃，相對濕度60%～85%。試驗過程中在試驗控制室內(nèi)通過標準氣體鋼瓶向巷道空間內(nèi)注入一定濃度有毒有害氣體，改變救生艙外氣體成分，模擬礦井災變環(huán)境。本次試驗外部巷道實際氣體環(huán)境及濃度為：CO（1400×10-6）、CH4（2%）、CO2（3.7%）、N2（84%）。

實驗設計

3.5 樣艙模擬實驗主要結(jié)論

本次實驗的救生艙各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，具備了在礦井災變環(huán)境下，8人四天的生存條件；

所得每人耗氧量取平均值為0.31L/min，狀態(tài)為較安靜狀態(tài)；從實驗曲線直接觀察得，供氧量為（流量）60 L/min，O2濃度基本不變或者稍有上升，換算為每人耗氧量為：0.32L/min；

CO2濃度上升時間：人體呼出CO2，使?jié)舛葟?.3%-0.8%，上升0.5%，正常需要時間27～37min；處于休息狀態(tài)下，濃度上升需要40～55min；

空氣凈化系統(tǒng)吸收時間：空氣凈化系統(tǒng)（12w，0.4A）吸收CO2，使CO2濃度從0.8%下降至0.3%，需要時間20～35min，一組JS-1藥劑完全吸收平均吸收效率為1.56L/min，如果超過35min；

在密閉空間內(nèi)，人體排放的CO可以導致窒息事故發(fā)生，因此，必須加以嚴格的控制！

盡管各類氣體監(jiān)測、檢測儀表均進行了權(quán)威檢定，但存在一定的誤差：尤其是CO檢測儀表（便攜式與在線監(jiān)測儀表存在一定差異）。

3.6 救生艙外部防護檢驗 

科技部“十一五”科技支撐計劃在關(guān)于“可移動式救生艙關(guān)鍵技術(shù)”的技術(shù)指標中對救生艙艙體明確提出了隔熱和抗沖擊兩項技術(shù)指標：

隔熱性能：瞬時1200℃；260℃下持續(xù)12h，艙內(nèi)溫度30℃以下

抗沖擊力：＞5MPa

因此，為了檢驗救生艙的外部防護水平 ，研究救生艙的檢驗標準，有必要設計高溫及爆炸試驗，按照上述指標對救生艙測試。

3.6.1 救生艙隔溫檢驗

3.6.2 救生艙隔爆檢驗 

瓦斯煤塵爆炸試驗：

進行200m3瓦斯+煤塵爆炸試驗，救生艙安裝位置距爆源為120m。該位置進行了4次試驗。

瓦斯+煤塵爆炸試驗程序基本相同，只是在封閉瓦斯氣體以前，采用煤粉架，在平巷中距離爆源35～130m處吊掛和平鋪均勻布置180～220kg煤粉，煤粉粒度150～200目，煤揮發(fā)分為35%～40%，之后再用塑料薄膜封閉巷道，充入瓦斯。試驗中電火花引爆瓦斯與空氣的混合性爆炸氣體后，進而引起煤塵爆炸。

數(shù)據(jù)測試和試驗觀察：

進行抗爆試驗時，在救生艙正對爆源面布置一個壓力傳感器，測定救生艙受到的正面爆炸壓力情況；在救生艙前后巷道右側(cè)壁龕上布置兩個壓力傳感器，測定受到側(cè)面爆炸壓力的變化情況；在救生艙前后巷道右側(cè)壁龕上布置四個火焰?zhèn)鞲衅鳎脕頊y定救生艙附近火焰的傳播速度。