礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 凱 張曉升 李玉貴 曾慶華 咸士玉

(長(zhǎng)治清華機(jī)械廠技術(shù)中心，山西省長(zhǎng)治市，046012)

礦用避難硐室主要用于礦工受困于井下發(fā)生瓦斯 (煤塵)爆炸、冒頂塌方、火災(zāi)阻隔、沖擊地壓等災(zāi)害事故時(shí)的緊急避險(xiǎn)。其對(duì)外能夠抵抗爆炸沖擊，抵御高溫?zé)煔?，隔絕有毒有害氣體；對(duì)內(nèi)能夠提供氧氣、食品、飲用水，去除有毒有害氣體、降溫除濕，為避險(xiǎn)人員提供基本生存條件，并為災(zāi)變后的救援創(chuàng)造條件、贏得時(shí)間。

壓縮空氣供給系統(tǒng)是避難硐室的重要組成部分，可在礦井壓風(fēng)損壞時(shí)為氣幕噴淋系統(tǒng)提供氣源，同時(shí)為無源蓄冰空調(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力氣源，保障避難硐室各職能模塊的正常工作。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)已成熟的部分避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)進(jìn)行研究分析可知，目前礦用避難硐室中各職能模塊所需壓縮空氣瓶基本為分散布置，且均為低壓匯流供氣方式，其原理如圖1所示，壓縮空氣經(jīng)空氣減壓器減壓后匯流，通過不銹鋼供氣管路輸送至避難硐室各職能模塊。但目前應(yīng)用的避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)由于低壓匯流方式所用減壓器數(shù)量較多，成本較高，降低了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；壓縮空氣瓶分散布置降低了硐室空間利用率，且避險(xiǎn)人員進(jìn)入硐室后操作較為繁瑣；若有壓縮空氣瓶發(fā)生意外泄漏，則該空氣瓶組所有氣瓶都無法繼續(xù)使用，導(dǎo)致硐室內(nèi)資源的浪費(fèi)。因此本文針對(duì)目前避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)的弊端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 壓縮空氣低壓匯流原理圖

1 避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的新型避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)如圖2所示，該壓縮空氣供給系統(tǒng)采用空氣高壓匯流方式替代現(xiàn)有的低壓匯流供氣方式，將避難硐室中所有壓縮空氣瓶集中布置，壓縮空氣高壓匯流至氣站末端，經(jīng)減壓器減壓后由壓縮空氣站兩端分別輸送至氣幕噴淋系統(tǒng)和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)際使用過程中將減壓器出口壓力調(diào)節(jié)至1.2MPa，由于氣幕噴淋系統(tǒng)工作壓力約為0.4MPa，因此需要增加一個(gè)二級(jí)減壓器，而蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可直接使用氣站輸出氣體作為動(dòng)力氣源。

圖2 壓縮空氣供給系統(tǒng)原理圖

2 避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 壓縮空氣供給系統(tǒng)氣瓶數(shù)量計(jì)算

設(shè)計(jì)選用符合GB5099標(biāo)準(zhǔn)的壓力為15MPa、體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣，鋼瓶實(shí)際充裝壓力為12MPa，根據(jù)氣體能量守恒定律，則單個(gè)壓縮空氣瓶的釋放空氣量:

式中:P1——壓縮空氣充裝壓力，MPa；

V1——鋼瓶容積，L；

P2——大氣壓力，MPa；

V2——壓縮空氣釋放量，L。

依據(jù)式 (1)可得單個(gè)壓縮空氣瓶釋放空氣量V2＝9600L。

假設(shè)一避難硐室額定避險(xiǎn)人數(shù)為60人，避險(xiǎn)人員分為6組從避難硐室兩側(cè)進(jìn)入，每組10人。每組人員從開啟防護(hù)密閉門開始計(jì)算，直至10人全部進(jìn)入過渡室后關(guān)閉防護(hù)密閉門為止，此過程中氣幕開啟時(shí)間按1.5min計(jì)算，則6組人員全部進(jìn)入硐室后，氣幕工作總時(shí)間為9min。實(shí)測(cè)氣幕裝置在0.4MPa工作壓力下，9min內(nèi)的總耗氣量約為500L，則氣幕裝置需1瓶壓縮空氣為15MPa、80L的鋼瓶。

噴淋裝置單個(gè)噴頭實(shí)測(cè)耗氣量約為105L／min，噴淋裝置共24個(gè)噴頭，總耗氣量為2520L／min。每組避險(xiǎn)人員噴淋時(shí)間按2min計(jì)算，6組避險(xiǎn)人員噴淋總時(shí)間為12min，則噴淋裝置總耗氣量Q噴淋＝30240L。取避難硐室安全系數(shù)為1.2，則噴淋裝置共需壓縮空氣瓶數(shù)量為:

蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)的氣動(dòng)馬達(dá)在供氣壓力為1.2MPa時(shí)的實(shí)測(cè)耗氣量為25L／min，則額定避險(xiǎn)時(shí)間96h內(nèi)總耗氣量Q蓄冰＝144000L。

60人避難硐室實(shí)際配備2套蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，則共需壓縮空氣瓶數(shù)量為:

經(jīng)計(jì)算N噴淋＝4瓶，N蓄冰＝30瓶。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)共選取35瓶壓縮空氣為15MPa、80L鋼瓶，可滿足避難硐室壓縮空氣供給需求。

2.2 壓縮空氣供給系統(tǒng)主管路設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)的壓縮空氣供給系統(tǒng)采用無縫鋼管代替常規(guī)不銹鋼管作為供氣管路，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，氣體管路中的管道直徑與其通過的流量、工作壓力、管道長(zhǎng)度和壓力損失等因素有關(guān)，可根據(jù)以下公式計(jì)算管道內(nèi)徑:

式中:d——管道內(nèi)徑，m；

P1——工作壓力，Pa；

△p——壓力損失，一般不超過0.01Pa；

L——管道的名義長(zhǎng)度，m；

V——流量，m3／s。

由前述可知，壓縮空氣供給系統(tǒng)工作壓力P1＝1.2MPa，△p＝0.01MPa，該60人避難硐室壓縮空氣站與氣幕噴淋系統(tǒng)之間管路長(zhǎng)度L1＝8 m，氣幕噴淋系統(tǒng)總耗氣量V1＝2575L／min，即0.043m3／s。計(jì)算可得供氣主管路內(nèi)徑d1≈20 mm。

該60人避難硐室壓縮空氣站與蓄冰空調(diào)系統(tǒng)之間管路長(zhǎng)度L2＝12m，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)的實(shí)測(cè)耗氣量V2＝25L／min，即0.0004m3／s。計(jì)算可得供氣主管路內(nèi)徑d2≈4 mm。

上述計(jì)算結(jié)果中，兩種供氣管路直徑差別較大，由于蓄冰空調(diào)系統(tǒng)耗氣量為額定值，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，若氣源選擇較大管路內(nèi)徑，并不會(huì)增加蓄冰空調(diào)系統(tǒng)壓縮空氣耗氣量，且減小了壓縮空氣流動(dòng)阻力，易于保障蓄冰空調(diào)系統(tǒng)工作壓力。因此壓縮空氣管路設(shè)計(jì)選用?25mm×2.5mm (外徑×壁厚)無縫鋼管，內(nèi)徑為20mm，其截面積遠(yuǎn)大于2個(gè)內(nèi)徑為4mm管路的截面積，完全滿足2套蓄冰空調(diào)系統(tǒng)供氣需求。

由材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，管道承受均勻內(nèi)壓，其內(nèi)壁正應(yīng)力計(jì)算為:

式中:σ——管道內(nèi)應(yīng)力，MPa；

p——管道承壓，MPa；

D——管道外徑，mm；

d——管道內(nèi)徑，mm。

?25mm×2.5mm無縫鋼管承受1.2MPa壓力時(shí)，依據(jù)式 (5)得σ＝4.8MPa。

查詢相關(guān)資料可知，壁厚小于16mm的無縫鋼管屈服極限σs＝205MPa，因σ＜σs，選擇的無縫鋼管可滿足避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)壓力要求。

3 壓縮空氣供給系統(tǒng)功能試驗(yàn)

依據(jù)上述技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行避難硐室安裝，安裝完畢后進(jìn)行系統(tǒng)功能試驗(yàn)。

3.1 供氣管路氣密試驗(yàn)

(1)將供氣管路各接口處用記號(hào)筆分別編號(hào)(1?！?6＃)，打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，關(guān)閉氣幕噴淋裝置控制球閥和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)控制閥，將兩個(gè)減壓器輸出壓力均調(diào)節(jié)至1.8MPa，保壓30min。

(2)在各管路接口涂抹肥皂液進(jìn)行滲漏檢查，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，檢查13＃管路接口出現(xiàn)輕微泄漏，究其原因是由于安裝過程中接頭螺紋損壞，導(dǎo)致密封失效，而其余各管路連接處均無泄漏，產(chǎn)品合格率達(dá)93.8%，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)氣密性良好。

3.2 氣幕裝置功能試驗(yàn)

(1)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開氣幕球閥，將管路內(nèi)殘留氣體釋放；打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為0.4MPa。

(2)開啟防護(hù)密閉門，空氣幕隨之產(chǎn)生，氣流可覆蓋整個(gè)防護(hù)密閉門，關(guān)閉防護(hù)密閉門，空氣幕隨之消失，試驗(yàn)記錄見表1。

表1 氣幕裝置測(cè)試記錄

(3)由表1可知，試驗(yàn)過程中氣幕與防護(hù)密閉門聯(lián)動(dòng)正常，且氣幕管噴射出的氣流可覆蓋整個(gè)門框范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足氣幕裝置使用需求。

3.3 噴淋裝置功能試驗(yàn)

(1)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開噴淋球閥，將管路內(nèi)殘留氣體釋放，而后關(guān)閉噴淋球閥。

(2)打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為0.4MPa，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值；關(guān)閉防護(hù)密閉門，打開噴淋球閥，計(jì)時(shí)2min，而后關(guān)閉噴淋球閥，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值。噴淋裝置流量測(cè)試記錄見表2。

表2 噴淋裝置流量測(cè)試記錄

噴淋裝置耗氣量及流量分別按式 (6)和式

(7)式計(jì)算:

式中:Pm1——?dú)馄吭囼?yàn)前壓力，MPa；

Pm2——?dú)馄吭囼?yàn)后壓力，MPa；

Vm——?dú)馄咳莘e，L；

Q——耗氣量，L；

q——噴淋流量，L／min；

t——試驗(yàn)時(shí)間，min。

將表2中數(shù)值分別代入式 (6)和式 (7)，試驗(yàn)中采用符合GB5099的15MPa／80L鋼瓶貯存壓縮空氣，可得噴淋裝置耗氣量Q1＝2080L，Q2＝2320L；噴淋裝置流量q1＝1040L／min，q2＝1160 L／min。

(3)由上述計(jì)算結(jié)果可知，噴淋裝置流量q≥500L／min，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足噴淋裝置使用需求。

3.4 蓄冰空調(diào)系統(tǒng)功能試驗(yàn)

(1)首先將蓄冰柜連接空調(diào)系統(tǒng)，將蓄冰柜內(nèi)注水至觀察窗中間位置，連接線路進(jìn)行蓄冰。

(2)待蓄冰完成后，停止空調(diào)系統(tǒng)，將空氣凈化循環(huán)處理機(jī)與蓄冰柜連接，開啟一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為1.2MPa，緩慢開啟空氣凈化循環(huán)處理機(jī)控制閥，并將切換閥調(diào)至 “持續(xù)處理”檔位，在空氣凈化循環(huán)處理機(jī)下出風(fēng)口使用風(fēng)速風(fēng)溫儀進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)溫測(cè)試，選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，然后取其平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 出風(fēng)口風(fēng)速風(fēng)溫測(cè)試記錄

(3)將空氣凈化循環(huán)處理機(jī)切換閥調(diào)至 “快速處理”檔位，采用同樣方法測(cè)試出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

(4)由表3可知，空氣凈化循環(huán)處理機(jī)持續(xù)處理時(shí)平均風(fēng)速＞3.5m／s，快速處理時(shí)平均風(fēng)速＞11m／s，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足蓄冰空調(diào)系統(tǒng)使用需求。

4 結(jié)論

由避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)功能試驗(yàn)可知，對(duì)供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續(xù)30min耐壓試驗(yàn)，管路無泄漏；氣幕噴淋系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)入硐室的避險(xiǎn)人員進(jìn)行有毒有害氣體吹掃；蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可對(duì)硐室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)凈化處理，因此基本可以確定避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。該避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)中氣瓶集中布置有效提高了避難硐室空間利用率；若有氣瓶發(fā)生泄漏，則其余氣瓶仍可繼續(xù)使用，提高了避難硐室設(shè)備利用率；縮減了避險(xiǎn)人員進(jìn)入硐室后操作流程；60人避難硐室產(chǎn)品成本預(yù)算降低了約9%，見圖3所示。

圖3 60人避難硐室成本對(duì)比

[1]孟磊，趙毅鑫等.煤礦井下避難硐室系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].煤礦安全，2011 (11)

[2]汪金花，張亞靜等.基于GIS井下緊急避險(xiǎn)路線的數(shù)學(xué)建模與仿真[J].中國(guó)煤炭，2013(3)

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[4]歐貴寶，朱加銘.材料力學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003

[5]焦陽，池津維.王坡煤礦緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國(guó)煤炭，2014(2)