美國(guó)救生艙設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)借鑒

王 巖，韓海榮

（1.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京100053；2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京100011）

作為能源消費(fèi)大國(guó)，煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)的大格局中占有絕對(duì)的比重（達(dá)到近70%）。我國(guó)的煤炭產(chǎn)量雖然只占世界煤炭產(chǎn)量的1/3，但煤礦礦難死亡人數(shù)占世界煤礦事故死亡人數(shù)的4/5，其中絕大多數(shù)都是由于災(zāi)難所形成的有毒煙氣隨風(fēng)流蔓延，導(dǎo)致井下人員中毒、室息而死亡[1-3]。應(yīng)對(duì)的方法之一就是在礦工避災(zāi)路線上每隔一定距離設(shè)置一些救生艙。救生艙是一種自身能夠抵御來(lái)自礦井常見(jiàn)災(zāi)害沖擊的獨(dú)立空間，空間內(nèi)部有足以維持?jǐn)?shù)日的生活必需品和其他輔助設(shè)施，災(zāi)害發(fā)生后井下被困人員可以在空間內(nèi)進(jìn)行避難，以待救援。

目前，南非、加拿大、美國(guó)、澳大利亞等采礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，結(jié)合多次井下礦難成功營(yíng)救的經(jīng)驗(yàn)，在礦難應(yīng)急救援工作中對(duì)救生艙的使用進(jìn)行了大量的研究，并制定了完善的救生艙標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）[4-6]。在我國(guó)，救生艙的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)家相關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)的高度關(guān)注和大力支持，所以有必要了解和學(xué)習(xí)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的救生艙研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)煤礦的特點(diǎn)，改善我國(guó)煤礦安全在救援方面的技術(shù)不足，全面提升我國(guó)煤礦應(yīng)急救援系統(tǒng)的技術(shù)水平，這對(duì)于減少我國(guó)礦難損失有十分重要的意義。

1 國(guó)外救生艙發(fā)展現(xiàn)狀

在一些礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)制訂出較為完善的救生艙標(biāo)準(zhǔn)。以美國(guó)為例，美國(guó)礦山安全與健康管理局（MSHA）和國(guó)際職業(yè)安全及健康學(xué)會(huì)（NIOSH）聯(lián)合制訂了美國(guó)救生艙標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)），對(duì)救生艙艙體材料、抗震強(qiáng)度、艙內(nèi)噪聲等級(jí)、溫度、空氣質(zhì)量及各個(gè)組件的功能等做了詳細(xì)的規(guī)定，使設(shè)計(jì)出的救生艙已能夠?qū)崿F(xiàn)在美國(guó)煤礦事故中避難。但標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一些要求應(yīng)用在我國(guó)中、小型煤礦，且易于發(fā)生瓦斯爆炸的事故的煤礦中有些缺陷還有待完善，具體表現(xiàn)在：

（1）據(jù)美國(guó)1995～2000年煤礦死亡性事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)煤礦事故類型主要以動(dòng)力運(yùn)輸事故、冒頂片幫事故和機(jī)械事故為主，其標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)艙體的抗沖擊強(qiáng)度要求較低。我國(guó)煤礦事故主要以瓦斯爆炸為主，對(duì)救生艙艙體的強(qiáng)度要求較高，必須保證能夠抵御瓦斯（瓦斯與煤塵混合物）爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓。

（2）國(guó)外的救生艙多數(shù)是整體式鋼結(jié)構(gòu)，體積較大，這是根據(jù)國(guó)外的煤礦特點(diǎn)和礦工人員體積特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，該結(jié)構(gòu)的救生艙只能依靠車輛、軌道等在井下拖曳行進(jìn)以改變架設(shè)位置。針對(duì)我國(guó)中、小型煤礦多的特點(diǎn)，我國(guó)的救生艙艙體設(shè)計(jì)應(yīng)以分體式為主，這樣可以提高艙體的靈活性，便于救生艙下井和安裝。

（3）艙內(nèi)采用普通空調(diào)來(lái)控制溫濕度，暴露在外的空氣壓縮機(jī)的防爆問(wèn)題很難解決，當(dāng)災(zāi)變發(fā)生后，若外部供電系統(tǒng)被破壞，則只能靠艙內(nèi)有限的蓄電池來(lái)供電維持系統(tǒng)的運(yùn)行，從而需要儲(chǔ)備大量的電能，那么蓄電池體積過(guò)大，從而將產(chǎn)生成本、維護(hù)費(fèi)用、安全隱患等一系列問(wèn)題。

（4）國(guó)外的救生艙艙體多數(shù)采用具有較好傳熱性能的材料，將艙內(nèi)人員和設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳到艙外，以緩解密閉空間內(nèi)溫度過(guò)高給人體帶來(lái)的不適。而我國(guó)救生艙必須使用保溫隔熱材料，以抵御火災(zāi)爆炸事故產(chǎn)生的高溫，避免艙外的高溫傳到艙內(nèi)將對(duì)艙內(nèi)避難人員造成威脅。

我國(guó)目前沒(méi)有制定有關(guān)救生艙設(shè)計(jì)和使用的標(biāo)準(zhǔn)，但頻發(fā)的煤礦事故迫使我們盡快完善我國(guó)的煤礦應(yīng)急救援體系，因而必須借鑒和參考國(guó)外已有的標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際特點(diǎn)和開采方式來(lái)制定適合我國(guó)煤礦使用的救生艙標(biāo)準(zhǔn)。

2 救生艙艙體結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7-8]，救生艙要為每個(gè)人提供至少1.4 m2面積和1.7 m3空間（根據(jù)采礦工作面高度的不同，空間體積要求不同，見(jiàn)表1）。艙內(nèi)要保證正壓，以防止艙外有毒有害氣體進(jìn)入艙內(nèi)，同時(shí)要防止過(guò)壓的產(chǎn)生，可以通過(guò)穩(wěn)壓器等裝置調(diào)節(jié)控制壓力，安全泄壓閥應(yīng)設(shè)置在1.24 kPa，以避免過(guò)壓對(duì)設(shè)備和人員造成傷害。救生艙內(nèi)要能夠放置一定數(shù)量的擔(dān)架。

表1 不同采礦高度下每人所占空間體積

要對(duì)整艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸測(cè)試，保證救生艙能夠抵御初次爆炸，即能承受103.35 kPa 的壓力0.2 s，149 ℃的瞬間高溫3 s，在爆炸后要保證艙體的密閉性良好，沒(méi)有有毒有害氣體進(jìn)入，各個(gè)組件能夠正常工作，同時(shí)能夠受二次爆炸的沖擊。救生艙應(yīng)進(jìn)行防撕裂、防穿透試驗(yàn)，保證艙體能夠抵御來(lái)自水平方向和垂直方向的沖擊波。充氣式救生艙，有被劃破和漏氣的可能，一旦有這種情況發(fā)生，要保證在10 min內(nèi)修復(fù)。救生艙組件應(yīng)采用阻燃材料，該材料能夠抵御火災(zāi)侵襲。適時(shí)對(duì)艙外瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，以供艙內(nèi)人員決定是否采取逃離行動(dòng)。

要對(duì)礦工進(jìn)行培訓(xùn)，確保礦難發(fā)生時(shí)能夠通過(guò)呼吸自救器維持礦工60 min的呼吸，其中前30 min內(nèi)試圖撤離危險(xiǎn)區(qū)域，如果無(wú)法逃離，再考慮進(jìn)入救生艙。如果順利進(jìn)入救生艙，保證在10 min內(nèi)通過(guò)艙內(nèi)外壓力差建立起一個(gè)安全的密閉空間，并在接下來(lái)的20 min內(nèi)凈化艙內(nèi)的空氣，建立起一個(gè)能夠?yàn)楸茈y人員提供生存環(huán)境的密閉空間。

定期對(duì)艙內(nèi)的藥品進(jìn)行更換和對(duì)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)，為了防止隨意更換和偷竊行為的發(fā)生，要對(duì)每次進(jìn)入艙內(nèi)的情況進(jìn)行監(jiān)控。

3 救生艙組件的通用要求

救生艙及其組件必須達(dá)到MSHA 中規(guī)定的要求：

（1）救生艙內(nèi)電器設(shè)備防爆類型為本質(zhì)安全型，以保證能夠承受二次爆炸的沖擊。

（2）救生艙及其組件所產(chǎn)生的連續(xù)噪音要小于85 dB，避免對(duì)通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾及對(duì)避難人員聽力造成傷害。

（3）救生艙及其組件自身不能釋放有毒有害氣體，可移動(dòng)艙體能夠承受運(yùn)輸和移動(dòng)過(guò)程中造成的損壞，內(nèi)部組件要經(jīng)過(guò)防震測(cè)試。

（4）救生艙各組件應(yīng)是防水、防塵、防腐蝕，并且不需使用任何工具就可開啟和關(guān)閉。

（5）救生艙及其組件或設(shè)備上應(yīng)貼有相應(yīng)的使用指南，并防止其損壞或脫落。同時(shí)，救生艙顯要位置處應(yīng)貼有故障維護(hù)和修理說(shuō)明，并標(biāo)明該艙同一時(shí)間內(nèi)可容納最多人數(shù)。

4 救生艙內(nèi)部系統(tǒng)

救生艙內(nèi)部生存系統(tǒng)主要包括供氧系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和附屬設(shè)備等。

4.1 供氧系統(tǒng)

救生艙采取壓縮空氣、壓縮氧氣、壓風(fēng)管道三級(jí)供氧系統(tǒng)，保證災(zāi)變后供氧系統(tǒng)仍能夠提供連續(xù)96 h 供應(yīng)。艙內(nèi)O2濃度應(yīng)維持在18.5～23%之間，供氧系統(tǒng)確保為避難人員提供最低流速為0.623 L/(min·人)的氧氣，或最低流率為353.75 L/(min·人)的凈化空氣，氧氣流速不能過(guò)大，防止氧氣濃度過(guò)高發(fā)生氧氣中毒。

4.2 空氣凈化系統(tǒng)

救生艙空氣凈化系統(tǒng)主要包括對(duì)CO、CO2等有毒有害氣體的凈化。

4.2.1 CO凈化

救生艙中的門艙作為艙內(nèi)外的緩沖空間，應(yīng)具有去除有毒有害氣體的能力，或在門艙內(nèi)配置一種設(shè)備來(lái)隔絕有害氣體，應(yīng)控制CO 濃度在0.002 5%以下。

4.2.2 CO2凈化

艙中應(yīng)采用方法控制CO2平均濃度不超過(guò)1.0%，且變化幅度不超過(guò)2.5%。CO2凈化系統(tǒng)可以是被動(dòng)吸收，也可以主動(dòng)吸收。被動(dòng)吸收CO2系統(tǒng)主要依靠自然風(fēng)流的作用使CO2與吸收劑（LiOH、堿石灰或其他藥劑）發(fā)生反應(yīng)，通常采取掛簾方式，見(jiàn)圖1。主動(dòng)吸收系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇、壓風(fēng)機(jī)等產(chǎn)生風(fēng)流使空氣流過(guò)化學(xué)吸收床，主動(dòng)吸收的效率通常比被動(dòng)吸收的效率高。CO2凈化系統(tǒng)要與壓縮空氣瓶、氧氣瓶配合使用，見(jiàn)圖2。CO2吸收率要保持在0.5 L/(min·人)。

圖1 CO2吸收簾

圖2 凈化系統(tǒng)與氧氣瓶

4.2.3 凈化藥劑

有害氣體的去除劑不能是可懸浮顆粒或者能夠引起呼吸急促、急性不良反應(yīng)的藥劑。對(duì)具有腐蝕性或可導(dǎo)致灼傷的藥劑，要進(jìn)行包裝。

4.3 空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

救生艙空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)艙內(nèi)O2、CO2、CO、CH4等氣體的濃度。氣體濃度超標(biāo)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括艙內(nèi)氣體濃度和艙外氣體濃度。

（1）艙內(nèi)氣體濃度監(jiān)測(cè)：避難人員通過(guò)空氣監(jiān)測(cè)組件的數(shù)據(jù)判定艙內(nèi)環(huán)境是否適宜避難人員生存。

（2）艙外氣體濃度監(jiān)測(cè)：除了能夠監(jiān)測(cè)O2、CO2、CO、CH4，還應(yīng)監(jiān)測(cè)礦井中常年積累的有毒有害氣體，如H2S、SO2或揮發(fā)性碳?xì)浠衔锏葰怏w。對(duì)艙外的氣體依實(shí)際情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，而不需要持續(xù)監(jiān)測(cè)。艙外氣體濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，作為選擇逃生路線的參考信息，同時(shí)將必要的信息傳遞給地面救援人員，使其做出正確的應(yīng)急救援決定。

4.4 溫濕度控制系統(tǒng)

艙內(nèi)的熱量來(lái)源主要是CO2吸收產(chǎn)生的反應(yīng)熱和人體代謝熱，可通過(guò)空調(diào)來(lái)控制艙內(nèi)溫度，確保救生艙內(nèi)部溫度小于35 ℃。

4.5 附屬設(shè)施

救生艙內(nèi)應(yīng)具備一些輔助設(shè)施，如通訊、照明、公共衛(wèi)生、急救和維護(hù)設(shè)施等。救生艙內(nèi)部應(yīng)配有雙向通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨(dú)立于礦井通訊系統(tǒng)，保證事故發(fā)生后仍能實(shí)現(xiàn)井上、井下通信聯(lián)絡(luò)。照明裝置要保證艙內(nèi)人員能有足夠的亮度進(jìn)行必要的監(jiān)控調(diào)節(jié)等操作；公共衛(wèi)生設(shè)施能夠有效收集人體排泄物；急救藥品用于對(duì)受傷的礦工進(jìn)行簡(jiǎn)單急救。

5 救生艙的應(yīng)用

救生艙在井下的合理布置，以及災(zāi)變后人員如何迅速有效的使用是影響救生艙發(fā)揮其救援作用，減少救援過(guò)程中人員財(cái)產(chǎn)損失的重要環(huán)節(jié)。

5.1 救生艙的布置

救生艙的布置位置是否合理，對(duì)于避難人員能否在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)救生艙避難起到十分重要的作用。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定救生艙應(yīng)布置在距離工作面300 m范圍內(nèi)。被困人員在確認(rèn)自己無(wú)法及時(shí)升井后，借助逃生路線和呼吸自救器到達(dá)救生艙。當(dāng)救生艙隨著開采工作面移動(dòng)后，其具體位置必須在礦井地圖上明確標(biāo)出，以便于協(xié)助礦山救護(hù)隊(duì)決定避難礦工所處的具體位置。

5.2 救生艙的數(shù)量

救生艙的數(shù)量要根據(jù)不同的煤礦規(guī)模而定，但要保證其能夠容納位于工作面的每一個(gè)人，包括機(jī)車操縱人員、檢查人員、監(jiān)察人員、抽泵人員、維修人員、傳帶人員以及工作面區(qū)域外的其他人員等。

5.3 礦工培訓(xùn)和救援演練

定期對(duì)礦工進(jìn)行培訓(xùn)和救援演練，在演練中使礦工和救援隊(duì)伍熟悉救生艙在井下的部署位置，逃離、疏散方案以及成功逃離到救生艙內(nèi)的礦工如何對(duì)救生艙進(jìn)行使用等。

6 對(duì)我國(guó)救生艙研究的啟示

美國(guó)的救生艙研究起步較早，經(jīng)驗(yàn)比較豐富，但我國(guó)煤礦特點(diǎn)和煤礦事故類型與美國(guó)大不相同，我國(guó)煤礦以中、小型煤礦及小型采掘工作面占多數(shù)，且煤系底層構(gòu)造復(fù)雜，礦井中瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)現(xiàn)象普遍，尤其在煤層壓裂技術(shù)和煤層氣抽放技術(shù)方面存在不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦事故大多數(shù)是由于瓦斯爆炸所引起的，爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的瞬間高溫高壓是避難人員面臨的首要難題，也是考驗(yàn)救生艙隔溫性能和抗沖擊能力的一個(gè)關(guān)鍵。同時(shí)，爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高濃度有毒有害氣體是造成礦工死亡的主要原因，所以救生艙的密閉性能也是衡量其能否成為安全避難場(chǎng)所的一個(gè)重要指標(biāo)。

為研究適合我國(guó)煤礦使用的救生艙，除參考上述美國(guó)設(shè)計(jì)參數(shù)外，還應(yīng)在以下方面進(jìn)行深入研究。

（1）救生艙艙體采用分體式或多級(jí)抽拉式結(jié)構(gòu)，便于我國(guó)救生艙下井和安裝。

（2）救生艙體的抗沖擊強(qiáng)度要高于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的103.35 kPa，確保其能夠抵御我國(guó)煤礦中瓦斯（瓦斯與煤塵混合物）爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓。

（3）艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)應(yīng)采用無(wú)動(dòng)力形式，減少災(zāi)變后蓄電池的供電負(fù)擔(dān)。

（4）艙壁采用保溫隔熱材料，防止災(zāi)變后艙外的高溫傳進(jìn)艙內(nèi)。

總之，我們要不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際特點(diǎn)，加大研發(fā)力度，使我國(guó)的救生艙技術(shù)盡快完善，從而使我國(guó)整體煤礦應(yīng)急救援水平大大提高，最大限度地減少礦難帶來(lái)的人員和財(cái)產(chǎn)損失。