1、井下12人移动救生舱设计机械CAD图纸摘 要多数矿难表明，矿井事故发生后形成的高温，有毒有害气体环境是造成矿工伤亡的主要原因。为井下矿工提供安全可靠的救生舱、避难硐室是降低伤亡的主要手段，是目前国际矿山应急救援的发展趋势和方向，煤矿井下移动式救生舱的设计可以为外部救援争取救援时间，保障矿工朋友们的安全。本文通过对救生舱的研究，完成了一整套救生设备的结构设计，首先主要介绍国家的相关规定。接着依据国家规定，确定设计目标。之后计算出救生舱的容量要求，进而确定的救生舱的整体结构。除此之外，本文还通过了一些技术参数验证，对井下救生舱内部环境做了更好的安全措施，确保矿工能够有足够的时间等待救援。本文还介绍
2、了有关救生舱的维护及保养内容。在最后说明了以后需要改进的方向。关键词： 救生舱 避难硐室 结构设计AbstractMost ore difficult to show that mine after the accident of the formation of the high temperature, toxic or harmful gases environment is the main reason for the casualties caused miners. To provide the safety of the miners escape capsule, shelt
3、er cavern is the main means to reduce casualties, is the present international mine rescue development tendency and the direction, the design of the underground coal mine escape capsule mobile for external aid for relief time, ensure the safety of the miners friends.This article through to escape ca
4、psule research, completed a set of survival equipment structure design, first mainly introduces the relevant provisions of the state. Then according to state regulations, to determine the design goal. After escape capsule capacity requirements calculated, and determine the overall structure of the e
5、scape capsule. In addition, this paper also through some technical parameter validation, underground escape capsule internal environment to do better safety measures, to ensure that miners can have enough time to wait for rescue. This paper also introduces the escape capsule maintenance and maintena
6、nce content. In the final shows the need to improve after the direction.Key words: escape capsule shelter cavern structure design前 言根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故发生现场瞬间受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡人数的一部分，有相当一部分矿工都是因为在矿井透水或火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高温、有毒有害气体现场，导致溺水、窒息或中毒死亡的。因此，各国都在大力建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱。矿用救生舱可以为发生事故后无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭
7、空间，对外能够抵御爆炸冲击、高温烟气，隔绝有毒有害气体，对内能为被困矿工提供氧气、食物和水，去除有毒有害气体，赢得较长的生存时间。同时，被困人员还能通过舱内通讯监测设备，引导外界救援。每年世界上矿难频发，如何预防事故发生和减少人员伤亡一直是世界矿产安全工作的重点，救生舱的研制使煤矿救援进入了一个崭新的阶段，一出现便成为了研究热点。目前，最大限度预防矿山事故，减少人员伤亡依然为一项世界性难题。为此，在继续深入研究事故防范措施的同时，国家投入大量人力财力到矿山重大灾害应急救援技术方面。1 绪论1.1 研究意义 我国作为能源消费大国，煤炭在我国能源生产的大格局中占有绝对的比重，达到近70%。我国的煤
8、炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3，但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5。世界每发生20起导致死亡人数最多的煤矿灾难中，就有8起发生在中国，频繁的矿难不仅造成了许多家庭的破裂，同时也严重影响了中国的国际形象。国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发【2010】23号）明确要求“煤矿和非煤矿山要制定和实施生产技术装备校准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备，并于3年之内完成”，即监测监控系统，实现对煤矿井下CO浓度、瓦斯、风速、温度的动态监测；人员定位系统，掌握各个区域的作业人员分布情况；压风自救系统，确保发生
9、灾害时现场工作人员有充分的氧气供应；避难硐室、可移动式救生舱等紧急避险系统，实现井下灾害突发时的安全避险；通信联络系统，实现矿井井上下和各个作业地点通信畅通；供水施救系统，在灾害突发后为井下作业人员提供清洁水源或必要的营养液。其中监测监控、人员定位、压风自救、供水施救和通讯联络在煤矿日常建设中已经基本完善，只有紧急避险系统没有完善的理论及实践研究，事故发生的瞬间，因坍塌、爆炸、冲击波等伤害而遇难的人员，仅占事故伤亡总人数的10%左右；而90%的煤矿工作人员遇难。是由于事故发生后附近区域氧气耗尽，同时含有高浓度的有毒有害气体，而逃生路线被阻断，无法及时撤离到安全区域所造成的，因此，建设一个使现场
10、人员能够及时避开危险的安全场所，是减少人员伤亡的最可靠的措施。为进一步提高煤矿安全防护和应急救援水平，保障矿工生命安全，促使煤矿安全生产，借鉴美国、澳大利亚、南非等国家成功经验和做法，国家把建设煤矿井下避难所（就生硐室）应用试点已列入2010年煤矿安全改造项目的重点支持方向。煤矿井下紧急避险系统是在井下发生紧急情况时，为遇险人员安全避险提供生命生命保障的设施、设备、措施组成的有机整体，紧急避险系统建设包括为井下人员提供自救器建设井下紧急避险设施，合理设置避灾路线，科学制定应急预案及进行自救培训等，紧急避险系统是煤矿井下安全避险六大系统的核心部分。2010年五月19日，国家安监总局在山西潞安矿业
11、集团常村煤矿召开全国井下救生舱等避险设施建设现场会，该矿当时已建成1个永久避难硐室和2个救生舱，据常村煤矿估算，采用永久避难硐室+救生舱模式，全矿井约需费用一亿元。紧急避险系统能够在保障矿工生命中发挥重要作用。美国矿山安全健康监察局（MSHA）分析了19002006年的煤矿井下事故，发现264名矿工在事故发生后依然幸存，但最终只逃生和等待救援中丧生。针对类似情况下的矿工安全，MSHA认为，通过实施新的标准可挽救其中43名矿工的生命，余下的221名可通过建立紧急避险系统为其提供生命保障，MSHA估计，如果使用救生舱等避险设施，可使井下发生事故后矿工生命挽救率提高25%75%。有关专家对国外36起
12、典型事故进行分析，发现发生在工作面区域的人员死亡大部分发生在逃生途中；火灾和窒息事故的人员死亡主要发生在人员逃生或逃生受阻的过程中。因此，建立井下紧急避险系统对提高遇险人员的生存概率十分重要。1.2 相关领域国内外技术研究现状1.2.1 国外紧急避险系统现状一直以来，欧美各发达国家对矿井事故的应急救援工作十分重视，将应急避难空间作为地下矿山应急救援工作的重要部分进行了大量的研究。其中，对于加拿大、美国、澳大利亚采矿业发达等国家，在地下矿山中设置和使用矿井应急避难室，已经是矿井应急救援中的一项成熟而有效的技术，并且已经有了多次成功营救的经验。目前，国外矿井中使用的应急避难室主要有以下三种类型：（
13、1）永久性固定避难室（Permanent Chamber）。在矿井巷道两侧地层中直接挖掘而成，主要布置在主巷或逃生路线上。利用贯穿岩层到达地面的管道为避难室内持续地输送氧气、实现通讯。（2）临时性固定避难室（Temporary Chamber）。在矿井工作区域附近的巷道岩层中挖掘而成，依靠氧气瓶等设备为避难室提供一定时间的氧气。当此处采掘工作完成后，临时性避难室即被废弃，室内密封门、氧气瓶、通讯、监测仪器等重复性使用设备将拆除并转移到新建设的临时避难室中。（3）便携式避难室（Portable Chamber）。多数为车体式结构，具有行进装置或者吊装、拖曳部件，能在巷道中移动，随工程进度不断改变
14、架设位置。氧气瓶、通讯、监测仪器等设备均安装在车体中。南非自20世纪70年代就出现避难所。1986年Kinross金矿矿难（死亡177人）后，法律强制井工矿必须设立避难所。澳大利亚金矿自2000年一直使用可移动式救生舱，目前已是法律的基本要求。美国煤矿井下避险设施的应用起源于2006年，西弗吉尼亚州萨戈煤矿发生的爆炸事故（死亡12人），引起社会的高度重视，美国国会通过了2006年矿工法。其后，MSHA和有关政府出台了新的矿山安全管理规定，规定井下必须设置气密性避难所。印度、英国、德国、法国等也在研究和应用避难所。从使用情况来看，早期主要用于金属矿山，煤矿应用研究较少，认为煤矿在灾变时期容易发生
15、火灾或爆炸等次生灾害，突发紧急情况下人员尽可能撤离。目前，越来越多的国家规定煤矿井下必须设立避难所。国外煤矿井下紧急避险系统的建设和使用，有以下几个方面好的经验：（1）世界各主要采煤国对井下紧急避险系统的建设和使用维护管理均有明确的法律法规，美国、南非等还建立了救生舱标准，使煤矿安全保障能力具备必要的法制基础。（2）有紧急避险系统的整体设计，并于其他安全保障系统有机结合，美国职业安全健康研究院在有关报告中指出：避难所挽救生命的可能性只有在煤矿经营者结合救生舱制定全面的逃生救援计划的情况下才会实现。（3）井下紧急避险设施应实现对矿井的全覆盖，所有井下人员，包括生产人员、管理人员及可能临时出现的人
16、员应有避难空间，澳大利亚西澳矿山安全检查规章推荐避难所容量应为服务区作业人员数量的2倍以上。（4）避难所的设置应考虑多方面因素：所服务区域的特点（空间结构、危险源分布、作业类型等）；灾变时期人员抵达难易程度、所需时间；随身佩戴自救器的防护时间；岩体稳定性和支护有效性。（5）避难所类型的选择应考虑所服务区域的特点及可能发生的灾害类型。一般规定，避难所的类型由煤矿根据自身的特点自主选择，以满足矿工避险需要的原则。目前，南非煤矿以避难硐室为主；美国煤矿井下配备避难所1193台，其中软体式救生舱1000台、硬体式救生舱123台，避难硐室70个；加拿大煤矿采用避难硐室与救生舱相结合方式，二者的数量比约为
17、1:5，救生舱以硬体式为主。（6）避难所的有效防护时间主要根据灾变时期应急救援时间确定，南非规定避难所的有效防护时间为824h，澳大利亚规定至少36 h，美国规定不低于96h。（7）避难所采用两道门结构，以便形成风障，防止有毒有害气体侵入，必须有供氧、有毒有害气体处理、温湿度控制、通信、指示等设施及自救器、饮水机、急救设备等。（8）建立规章专人管理，确保始终完好，时刻能用。南非矿产法规定：避难所和其他安全设施需要定期检查，检查的时间间隔由矿主咨询矿井督察后决定，或由矿主制定专人调查后上交的报告决定。澳大利亚规定：避难所在井下首次安装时应进行试验测试，包括真空测试，电源支持测试等，以后一个合理周
18、期（6或12个月）也应检测，应按照制造商的要求对避难所进行经常性的检查和维护，并作为日常工作的重点。（9）将安全使用避险设施作为员工培训和应急演练的重要内容，确保人皆会用。1.2.2 国内紧急避险系统现状2007年10月，澳大利亚巴瑞克矿区的一座金矿发生井下车辆火灾，54人被困，躲入救生舱后全部成功获救。2006年1月29日凌晨3时，加拿大萨斯喀彻温省（Saskatchewan）一座钾盐矿井发生火灾事故，72名矿工被困井下，转移至矿井应急避难室（澳大利亚Minearc Systems公司生产）中，经过26h全力营救，72名矿工全部成功获救。2003年和2004年，南非的两个特大先后发生停，电和
19、火灾事故，其中一个矿井下有3400多人，结果只死亡9人，有280人是救护队在井下各个避难所里就出来的；另一个矿在2600人返回地面后，发现有52人失踪，2天后在井下的避难所和救生舱里找到，全部被救。2008年8月1日，河南平禹煤电公司发生突出事故，2名矿工及时躲进220米外的硐室避难成功获救。因此，可以看出紧急避难系统的建立，对提高煤矿井下紧急避险能力，减少事故伤亡，促进煤矿安全生产具有十分重要的意义。目前我国井工煤矿井下工作人员避难步骤一般为：灾害发生后，在灾区范围内的井下工人应马上佩戴自救器，选择不需穿越火区且距新鲜风流最近最安全的避灾路线迅速进进入安全区域，并尽快升井避灾。着不仅需要井下
20、逃生人员清楚灾害位置，熟悉通风系统、避灾方法和逃生路线，还需要有能够提供足够氧气的自救器来保证工人安全升井。因此有很大的局限性主要表现在：（1）在发生灾害后，由于工人在井下分布较为分散，所以不能够及时了解灾害位置和洞察发展趋势如火灾发生时，井下逃生人员无法获悉地面应急抢险指挥部是否实施了反风风流短路等控风避灾措施，因此无法了解实施控风避灾措施后的避灾路线，尤其在灾害产生风压和主风机风压综合作用引起的巷道风流漩涡或紊乱情况下，致使灾变期间风流情况千变万化。（2）灾害发生时井下工人一般会产生极大的心理压力，不能选择正确的避灾路线，因而产生流动混乱，并且地面应急抢险指挥部因井下逃生人员流动混乱无法确
21、定逃生人员位置，特别是无法通过一些必要的控风措施来控制灾害扩展和蔓延。（3）避灾时流动混乱，使得已经佩戴了过滤式自救器的井下工人，可能会误入烟雾浓度较高区域，破坏过滤式自救器过滤一氧化碳等有害气体的作用，造成逃生人员中毒或窒息死亡。目前我国井工煤矿工人所使用的隔离式自救器最大供氧时间约为45min，而在45min之内，无论在大型煤矿还是小煤矿，要在事故发生后逃离危险区域都是非常困难的。（4）狭小的井下空间，关系复杂的矿井通风及巷道联通，以及巷道类型和逆流风速等环境因素灾后都会限制人员逃生。基于上述，2008年2月被科技部批准立项的国家“十一五”科技支撑计划“矿井重大灾害应急救援关键技术研究”项
22、目（编号：2006BAK25B00）的专题“遇险人员快速救护关键技术与装备的研究”（编号：2006BAK25B00-4）中，提出了“可移动式救生舱”子专题（由北京科技大学和潞安矿业集团公司承担），研制出的救生舱应具有能抵御矿井内瓦斯煤尘爆炸、火灾、水灾等灾害，并能够在压风、电力等线路中断的条件下8人存活4天以上的特点，该救生舱具有密闭舱体、密闭空间气体与人体参数监控系统、空调系统、供电系统、通讯系统等，可以达到国际先进水平。1.2.3 国外可移动式救生舱的基本情况及特点目前可移动式救生舱按其材质可以分为钢制救生舱（硬体式救生舱）和可充气式救生舱（软体式救生舱）。钢制救生舱：外壳是钢制的，能承受
23、一定强度的压力，一般入口处占有近1m的空间用以设置双层门或其他阻止外界气体进入生存舱室的装置。中段大部分空间为有双排座椅的人员生存室，有少部分仪器设备在此处。避难室另一端为主要设备隔间，动力系统等大部分设备均在此处。如图1-1、1-2。图11 Draeger Safety DSSI RS24-15型避难室布局示意图图1-2 硬体式救生舱可充气式救生舱：救生舱采用阻燃、耐高温帆布等软质材料制造而成。工作时张开一个气囊，矿工将在张开的气囊中得到庇护。未工作时，气囊和氧气瓶、空气瓶、二氧化碳洗涤装备、降温设备、食物、水、急救用品等存在一个防爆的拖撬之中。如图1-3。图1-3 可充气式软体救生舱救生舱
24、具备基本功能包括气密性、隔热性、供氧、空气调节、动力系统、CO2处理、气体监测、通讯指标、附属设施，但具体指标不同。（1）气密性：目前气密性问题主要是靠双层门、空气帘配合以正压空气得以解决的。一般情况下，避难室双层门结构是在进门端设置两道气密门，而且两道门通过连锁装置控制，不能同时处于开启状态，以免外界气体直接进入主舱。单层门则会设置厚重的塑料空气帘（如图1-4）阻挡空气。 图1 4 Shairzal避难室空气帘 图15 MineArc避难室正压空气装置以上单纯使用气密门的设计并非阻止空气进入的可靠方式，MineArc、Systems等公司在双层门之间使用的正压空气阻隔系统（图1-5）能够利用
25、增加舱室内部气压很好的阻止有害气体进入。当人员开启第一道气密门时，内部第二道门处于关闭状态。此时排气系统通过外接矿用正压空气管道或者高压空气瓶中的空气释放，使避难室入口处空气压力高于外界气压，向外排气防止有害气体涌入，随后关闭第一道气密门，再进入生存舱。（2）隔热性：国外一般采用在舱体内壁涂抹隔热材料，厚度一般为20mm左右,实际使用中填充隔热材料形成隔热层,能够有效的减少舱内外热量的传递。（3）供氧装置：目前，国外矿用应急避难室的正常氧气供应主要靠矿用压缩空气和压缩O2两种方式。压缩O2一般储存在高压钢瓶中而压缩空气可以通过矿用压缩空气管道和钢瓶储存来提供。通常在应急救援中意外时常会发生，避
26、难室的正常O2供应也可能在救援过程中出现短时间中断的情况，因此，避难室中还应设置应急用的方便O2发生源。国外避难室中配备的应急氧源一般为自含氧发生器（Self-Contained Oxygen Generator），又称为氧烛。（4）空气调节装置：国外的避难室绝大多数使用空调来控制温度。空调主机可置于避难室内部，而压缩机必须外置，因此，在爆炸事故频发的煤矿中，避难室空调压缩机的防爆是不得不面对的问题。此外，在20多m3的空间中要保持让人舒适的温度，需要有足够的电力运行空调，而矿难时外部电力切断，只能靠电池维持。所以，避难室生存时间的长短很大程度上要决定于空调和备用电池的功率之间的相互协调。（5
27、）动力系统：避难室中的空调、照明、电子控制设备等都要依靠电力来维持，尤其是大功率的空调压缩机，要消耗大量的电力资源。目前，国外矿用避难室的动力供应系统一般分为两部分：矿山电源和UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源）。避难室在正常情况下接入矿山用电源，经变压转换设备、调整电压电流适应舱内设备的规格。而在矿难发生时，会出现矿山用电源可能由于线路遭到破坏，或者因救援工作需要人为切断的情况，此时，就需要自动切换到避难室内部备用的UPS、来维持相应设备运行。一般情况下，UPS主要由蓄电池供电。矿井用蓄电池要求本质安全，并且由于要长时间维持大功率的空调设备运行，需要
28、大量的串、并连蓄电池以提高电池电压及容量，根据上述特性、国外多数避难室选用的应该为铅酸蓄电池。（6）CO2处理：目前，国外避难室的标准要求将CO2的浓度控制在0.5%以下，一般不允许超过0.8%。北美RANA-Medical公司生产的Refuge One空气净化器是目前国际上较先进的空气处理装置，它按照使用的吸收CO2剂的药板数量分为单床和双床两种，呼吸过的气体进入处理器后，CO2以及其他的有毒气体被吸收，同时净化器连接的O2钢瓶经调节装置控制向空气中加如与CO2体积相等的O2，使净化后的气体达到可呼吸的标准。单床Refuge One空气净化器能够47h使容纳10人的避难室保持CO2浓度低于0
29、.18%。国外避难室中一般选用碱石灰（NaOH与CaO组成的混合物）作为CO2的吸收剂，主要是因其价格低廉、性能可靠，保质期长。（7）气体监测：避难室中的监测系统主要监测的对象一般包括O2、CO2、CO、H2S、CH4、压力、温度、湿度以及各种设备的运行状况。监测仪器在避难室内分为固定式和便携式两种。固定式的仪器一般主要用于避难室生存空间内的各种环境参数以及各类电子设备、动力的监测。此外，避难室内还配备有一部分便携式气体检测设备，由被困人员中有经验的矿工操作，每隔一段时间对密闭空间内气体循环较差的角落进行检测，防止有毒有害气体局部积累。（8）通讯系统：国外一般采用有线通讯、无线通讯、应急通讯及
30、各通讯方式失效情况下的信息交流方法，形成多级通讯保障体系。各通讯设备应技术先进、安全可靠。救生舱的设计制造应为在各通讯方式失效情况下的信息交流创造条件，具体方法应在救生舱内明确告知。（9）附属系统：应急避难室中除了主要的设备仪器外，还有设计有一系列附属设施以满足被困矿工的生存需要、协助完成救援工作。化学厕所：国外避难室中设置的厕所一般采用化学方法对排泄物进行消毒和处理，同时，厕所的设置位置会与人的生存舱隔离开，多数在避难室入口处的排气间，能够将臭味随气体排到外界空间。照明装置：由于应急救援中电力资源宝贵，避难室中的照明装置除了要求本质安全外，还要尽可能的节省电力。因此，避难室中一般使用能耗低、
31、维持时间长、维护简便的LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)灯。自救器：避难室中必须配备有一定数量的隔绝式O2自救器，以便于避难室内人员短时间外出进行检测、营救或自行撤离。逃生窗：矿难发生后，矿井内部情况复杂，爆炸、塌方等各种原因都有可能导致避难室入口被堵住或损坏而无法开启舱门，因此，避难室需要有应急逃生的窗口，在需要紧急出舱时，被困人员能够从内部不太费力地徒手（也可借助避难室内部工具包）打开逃生窗离开避难室。逃生窗内外两侧结构不同，外侧在正常情况下能够达到气密性，同时具有与外壁其他部分相同的防爆能力；内侧紧固件拆卸后逃生窗就能整体向外推出露出逃生孔。逃生窗主要材料为防
32、爆玻璃，所以平时也可作为观察窗观察外界状况。急救包：国外避难室中通常还配备有急救包，里面有一般情况所需要的急救药物、器材等，能够用于对受伤的矿工及时进行简单的包扎、消毒、治疗，防止受伤部位伤情恶化。工具包：等待救援期间，避难室的各种设备可能会出现运行上的小问题，需要及时排除。所以避难室里还应配备一个工具包，里面包括检查、维修室内各种设备的工具、说明书、维修材料以及供被困人员撤离用的逃生手册、逃生路线图等。外部标识：矿难发生时，由于烟雾、粉尘弥漫等各种原因，矿井中的能见度可能大大降低，为了引导无法撤离的矿工及时确定最近的避难室的位置，避难室舱体外壁以及周边的一定范围内都应设置有声、光提示的标识。这些标识包括巷道墙壁上的反射带方向标志、避难室上安装的警示灯和外壁上粉刷的荧光带等。（10）硬体舱和软体藏均采用过度藏结构。过渡舱设气幕和压气喷淋装置，以阻断和冲洗人员进舱时可能带入的有毒有害气体。1.2.4 国内可移动式救生舱的基本情况及特点国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局将救生舱技术列入“十一五国家科技”支撑计划，并取得了开创性成果。2009年12月，国家煤矿安全监察局发布了煤矿井下避难所试点建设基本要求（试
