煤礦緊急避險系統(tǒng)救生補給站關(guān)鍵技術(shù)研究

賀 超

(天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013)

1緊急避險系統(tǒng)現(xiàn)狀及配置救生補給站必要性

《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國發(fā)[2010]23號)明確要求煤礦應(yīng)在2013年6月底前建設(shè)完善井下緊急避險系統(tǒng)，各地、各煤礦井下緊急避險系統(tǒng)的建設(shè)正在緊鑼密鼓地進(jìn)行[1]。目前各重要的國有煤礦都建設(shè)了以永久避難硐室為主、結(jié)合可移動式救生艙或者臨時避難硐室的緊急避險模式。緊急避險設(shè)施內(nèi)的制冷降溫、除濕凈化等技術(shù)都得到了快速的發(fā)展，為井下避險人員提供了可靠的生存保障。

按照國家現(xiàn)有規(guī)定，采區(qū)避難硐室或者救生艙布置在離采掘工作面1000m的范圍內(nèi)(煤與瓦斯突出礦井應(yīng)設(shè)置在距采掘工作面500m的范圍內(nèi))，對國家未有規(guī)定的其他地點，目前還沒有明確緊急避險設(shè)施的具體布局要求。緊急避險設(shè)施是在突發(fā)緊急情況下遇險人員無法逃脫時的最后保護方式，井下安全避險的基本理念應(yīng)該是先撤離、后避險[2]。只有在撤離路徑被阻或撤退不能的情況下，遇險人員才進(jìn)入緊急避險設(shè)施避險待救。因此，需要研制一種能為井下遇險人員提供自救器等必要補給，同時也能滿足少量遇險人員應(yīng)急避險的救生補給站，從而提高避險人員依靠自救器續(xù)航逃生的能力，并為避險人員提供更換自救器的密閉空間。

2 救生補給站的系統(tǒng)組成與設(shè)計原則

救生補給站作為井下緊急避險設(shè)施的補充，應(yīng)能夠提供一定的安全避險空間，使得逃生人員能在安全可靠的空間內(nèi)進(jìn)行自救器的更換，同時該空間內(nèi)應(yīng)具備氣密性和正壓維持能力，保證救生補給站內(nèi)處于正壓狀態(tài)，有效地阻隔有毒有害氣體進(jìn)入救生補給站內(nèi)，并能提供一定時間的供氧能力，滿足避險人員的應(yīng)急避險需要。根據(jù)作用和功能，救生補給站應(yīng)具備以下系統(tǒng)：

(1)安全防護系統(tǒng) 為避險人員提供安全密閉空間，并具有一定的防護能力，對外能夠抵御0.1MPa的抗爆沖擊。

(2)供氧系統(tǒng) 具備自供氧和礦井壓風(fēng)供氧2種供氧方式，額定防護時間和額定防護人數(shù)下平均供氧能力不低于每人0.5L/min；礦井壓風(fēng)供氧具備減壓、過濾等功能，供風(fēng)能力不低于每人0.1m3/min。

(3)補給系統(tǒng) 配置一定數(shù)量的ZYX120壓縮氧自救器和自救器存放裝置，滿足避險人員逃生時的配備需要。

(4)正壓維持系統(tǒng) 配備自動泄壓和手動快速泄壓裝置，使救生補給站保持100～ 500Pa的壓力。

(5)通訊系統(tǒng) 站內(nèi)配置一部直通調(diào)度室的有線電話，在通訊不被中斷的情況下，可及時匯報站內(nèi)的避險狀況。

(6)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng) 選擇配置便攜式多氣體參數(shù)檢測儀，可對環(huán)境中的CO2，CH4，O2，CO進(jìn)行檢測。

(7)接口系統(tǒng) 預(yù)留礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控接入口。

結(jié)合我國緊急避險系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀，救生補給站應(yīng)遵循以救生補給為主、避險為輔的設(shè)計原則，在滿足基本功能的前提下，簡化配置，降低成本。同時我國煤礦條件復(fù)雜，救生補給站的設(shè)計應(yīng)能便于在煤礦井下的布置、運輸、裝卸、安裝以及井下移動，結(jié)構(gòu)上便于分體組合、占用空間小，便于人員快速出入。

3 救生補給站的關(guān)鍵技術(shù)研究

目前國外市場上的應(yīng)急救生補給站種類不多，主要有美國斯特塔公司生產(chǎn)的應(yīng)急過渡站,主要應(yīng)用于金屬礦山，其結(jié)構(gòu)為整體式鋼結(jié)構(gòu)，體積較大，配置復(fù)雜。國內(nèi)沈陽研究院研制的救生過渡站，其結(jié)構(gòu)是在硬體救生補給站基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，補給人數(shù)少[3]。天地科技股份有限公司建井研究院研制的KBJ-50/6型救生補給站突出救生補給功能，兼顧短時間的避險需要，主要技術(shù)指標(biāo)：外形尺寸(長×寬×高)2.94m×1.32m×1.79m；額定補給人數(shù)50 人；額定避險人數(shù)6人；應(yīng)急避險時間礦井壓風(fēng)供氧為長期；站內(nèi)獨立供氧≥4h；抗爆沖擊壓力≥0.1MPa；補給站內(nèi)外壓差100～500Pa。

救生補給站無論在系統(tǒng)配置上還是結(jié)構(gòu)功能上，都要低于礦用可移動式救生艙，抗爆沖擊能力降低后的救生補給站的結(jié)構(gòu)設(shè)計是保障其強度防護性能的關(guān)鍵，是保證其在井下應(yīng)用的前提條件。在簡化掉溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)之后，救生補給站的傳熱能力是決定救生補給站應(yīng)急避險時間長短的重要因素，影響著救生補給站在不同礦井溫度下的應(yīng)用。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

救生補給站采用分體組合式硬頂結(jié)構(gòu)，由前艙、中艙和后艙3個艙體組成，艙體采用變截面法蘭、弧形拱頂、內(nèi)部螺栓連接、底部滑撬結(jié)構(gòu)，每個艙體兩側(cè)設(shè)有吊裝孔，如圖1所示。為使得井下人員快速進(jìn)出救生補給站、而且更有效地利用補給站站內(nèi)空間，防護密閉門采用L型貫通式雙門通道結(jié)構(gòu)，采用此種結(jié)構(gòu)便于救生補給站在井下的布置，使得礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)更加容易接入救生補給站內(nèi)。

圖1 KBJ-50/6型救生補給站結(jié)構(gòu)

KBJ-50/6型救生補給站采用變截面法蘭結(jié)構(gòu)以增加艙體連接部位及整體的承載能力，端部及側(cè)面設(shè)計布置有加強筋從而保證迎爆面的抗暴沖擊能力，整體抗暴沖擊能力達(dá)到0.1MPa。

艙體設(shè)計采用法蘭對接，法蘭面為銑削加工，法蘭密封面采用特制專用密封材料密封，該材料具有環(huán)保、高黏、耐油、耐濕、耐壓、耐高溫等特性。進(jìn)出站內(nèi)的管路、通道均采取密封處理，達(dá)到整體氣密性。

3.2 傳熱計算

人體發(fā)熱經(jīng)過渡站的傳熱過程串聯(lián)著3個環(huán)節(jié)：救生補給站內(nèi)高溫空氣到過渡站內(nèi)壁的自然對流傳熱、過渡站內(nèi)壁到外壁的固態(tài)導(dǎo)熱、救生補給站外壁到站外低溫空氣的自然對流傳熱。根據(jù)可移動式救生艙真人載荷試驗數(shù)據(jù)取自然對流傳熱系數(shù)h1，h2為12W/(m2·K)，低碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)λ為43W/(m·K)，鋼板厚度δ為6mm，則傳熱系數(shù)k為：

式中，λ為人均發(fā)熱量，取為108W(包括顯熱43W與潛熱65W)，則人體散熱全熱負(fù)荷Q為：

Q=108×6=648(W)

救生補給站外形尺寸2.94m×1.32m×1.79m，表面積A為23.012m2，則根據(jù)傳熱方程可知，站內(nèi)外溫差為：

4 救生補給站的強度分析與避險試驗研究

如圖2所示，KBJ-50/6型救生補給站內(nèi)配置4個60L的壓縮空氣瓶、1套壓風(fēng)過濾裝置、2套壓風(fēng)自救裝置、2套自救器存放架(存放50臺ZYX120壓風(fēng)自救器)、1部與礦井調(diào)度室直通的通訊電話、接口裝置、自動排氣裝置等。

1—壓風(fēng)接口及開關(guān)；2—通訊電話；3—壓風(fēng)過濾控制裝置；4—壓縮空氣瓶；5—前防護密閉門；6—壓風(fēng)自救裝置；7—自救器存放裝置；8—自動排氣裝置；9—后防護密閉門圖2 救生補給站內(nèi)設(shè)施布局

4.1 救生補給站有限元強度分析

依據(jù)KBJ-50/6型救生補給站實際結(jié)構(gòu)尺寸建立了有限元分析模型，利用三角波荷載(作用到站體前)條件下，站體迎爆面(所受最大沖擊波超壓為0.2MPa)、各艙段兩側(cè)面、頂面及后端面不同位置施加最大壓力載荷(所受最大沖擊波超壓為0.1MPa)，以此載荷作用到站體有限元分析模型，作用時間為300ms，利用LS-DYNA模擬KBJ-50/6型礦用救生補給站站體動態(tài)響應(yīng)過程。

KBJ-50/6型救生補給站的應(yīng)力應(yīng)變云圖見圖3，圖4，站體最大沖擊變形發(fā)生在第二節(jié)蒙板中心部位，變形值為19mm。加強筋最大變形發(fā)生在中部豎筋中心部位，變形值為14mm，沖擊過程中站體所受最大應(yīng)力值為377MPa，小于材料的極限強度470MPa，正門觀察窗防爆玻璃所受最大應(yīng)力為4.9MPa，側(cè)門觀察窗防爆玻璃所受最大應(yīng)力為3.6MPa，小于防爆玻璃的極限強度70MPa，由此，防爆玻璃處不會出現(xiàn)破壞部位；站體前防爆門、側(cè)門所受最大應(yīng)力分別為312MPa 和333MPa，均小于所用材料的屈服強度345MPa，前艙門、逃生門不會發(fā)生塑性變形；前艙門、逃生門及法蘭處，兩密封部件相對位移分別為0.5mm，1.4mm和0.03mm，均小于2mm，滿足規(guī)范要求[4]。

圖3 不同時刻KBJ-50/6型救生補給站抗暴沖擊應(yīng)力云圖

數(shù)值分析結(jié)果表明：考慮到2倍安全系數(shù)，KBJ-50/6型救生補給站在沖擊波作用下，救生補給站站體迎爆面(端面)所受最大沖擊波超壓為0.1MPa、作用時間300ms時，可滿足剛度和強度要求，站體能夠保持完整，結(jié)構(gòu)安全。

圖4 不同時刻KBJ-50/6型救生補給站抗暴沖擊應(yīng)變云圖

4.2 救生補給站載人試驗研究

對救生補給站進(jìn)行6人4h的真人載荷試驗，試驗隔絕外部動力，采用站內(nèi)壓縮空氣、壓風(fēng)自救裝置進(jìn)行4h的氧氣供給，配置的ZYX120壓縮氧自救器作為備用，配備多氣體參數(shù)檢測儀和溫濕度計檢測站內(nèi)的環(huán)境中的CO2，CH4，O2，CO，溫度及濕度。

試驗前檢測了救生過渡站的正壓維持性能，泄壓速率為260Pa/h，試驗期間開啟自動泄壓裝置。整個實驗期間救生補給站內(nèi)始終處于正壓維持狀態(tài)，從圖5～圖7可以看出，站內(nèi)溫度從實驗開始時的12℃升高至試驗結(jié)束時的17.1℃，并從試驗開始后的1.5h救生補給站內(nèi)外溫差保持5℃上下；站內(nèi)氧氣含量維持在19.8%～21.5%；CO2含量維持在0.5%～0.85%， 試驗人員整個過程感覺無異常，身體狀況良好。救生補給站內(nèi)的壓風(fēng)自救裝置佩帶方便，可同時滿足12人佩戴呼吸面罩更換自救器；自救器存取方便，10人配帶自救器通過救生補給站的平均時間僅為38.5s，方便遇險人員迅速拿取自救器快速沿逃生路線撤離危險區(qū)域。

試驗期間救生補給站內(nèi)外溫度曲線結(jié)果與傳熱計算結(jié)果基本一致，表明了在額定防護人數(shù)下，KBJ-50/6型救生補給站應(yīng)急避險時站內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度5℃，可用于指導(dǎo)救生補給站在礦井溫度下的應(yīng)用。

圖5 試驗期間救生補給站內(nèi)外溫度曲線

圖6 試驗期間救生補給站內(nèi)O2含量曲線

圖7 試驗期間救生補給站內(nèi)CO2含量曲線

5 結(jié)束語

有限元強度分析和真人載荷試驗驗證了KBJ-50/6型救生補給站具備在無外界支持條件下實施救援補給和臨時避險的能力，有效解決了避難硐室、救生艙服務(wù)區(qū)域之外的逃生避險需要，提高了遇險人員通過快速撤離逃生的概率，增加了遇險人員逃生避險的選擇，將會對煤礦安全生產(chǎn)、安全裝備的逐步完善、以及緊急避險設(shè)施的合理布局起到積極的促進(jìn)作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊大明.關(guān)于井下緊急避險系統(tǒng)設(shè)計的探討[J].煤礦安全，2011，43(1)：118-121.

[2]楊大明.煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設(shè)中[J].中國煤炭，2011，37(11)：79-82.

[3]宮 成.煤礦可移動式救生過渡站的配置及其供氧系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2013(2)：90-91.

[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦可移動式硬體救生艙通用技術(shù)條件[S].2011.