小型矿用可移动式救生舱整体结构设计.docx

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小型矿用可移动式救生舱整体结构设计

摘要

救生舱，是在矿井出现瓦斯爆炸、顶板塌方、透水和火灾等灾害时专门用于避难的场所，矿工在救生舱内避难直到可以安全撤离或等到救援人员。

目前，世界各国都在大力建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱，以便在矿井发生事故后为无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间。

矿用可移动式救生舱采用先进的制造技术，用于灾变发生后的紧急避险，对外能够抵抗爆炸冲击、抵御高温烟气、隔绝有毒有害气体，对内提供氧气、食物、水，去除有毒有害气体，创造生存基本条件，并为应急救援创造条件、赢取时间。

本文首先从矿用救生舱的用途、分类及国内外矿用救生舱的特点着手，在分析了矿用可移动式救生舱在未来煤矿安全领域的市场的同时，总结了现阶段国内外常见的矿用可移动式救生舱的理论方法及设计产品，提出了小型矿用可移动式救生舱的设计方案。

本方案拟定了矿用救生舱设计计算的基本参数，结合不同厂家的设计方案进行性能对比，综合方案的安全性、可靠性、操作性等考虑确定设计方案。

然后选择性能良好、经济实用的相关配套设施，本文着重对救生舱具体系统部分的设计计算做出了详细的论述。

关键词：

矿用救生舱可移动式救生舱密闭空间系统性能对比

Abstract

Therescuecapsule,intheminegasexplosioninspecializedplacesforrefugewhentheroofcollapse,floodsandfiresandotherdisasters,minersinthelife-savingcabinrefugeuntilyoucansafelyevacuateorwaitforrescuepersonnel.Atpresent,countriesintheworldineffortstobuildtheminerefugechamberandthedevelopmentofmininglife-savingcabin,inordertoprovideforthetimelyevacuationoftheminersafteranaccidentinthemineasafeconfinedspace.

Miningtheuseofadvancedmanufacturingtechnologytothemobilelife-savingcompartmentfortheemergencyafterthedisasteroccurred,abletoresistexternblastshocktowithstandthehightemperaturefluegas,isolatedfromthetoxicandharmfulgases,internalsupplyoxygen,food,water,removalofpoisonousgases,andtocreatelivingconditionsandtocreateconditionsfortheemergencyrescuetowintime.

Firstly,fromtheminewiththeuseandclassificationoflife-savingtank,domesticandinternationalminethecharacteristicsoflife-savingtankstarttheanalysisofminingthemovablerefugechambermarketinthefieldofcoalminesafety,whilealsosummarizesthestageofdomesticandforeignpopularmineusingthemovablerefugechambertheoreticalmethodsanddesignproducts.

Theprogramtodeterminethebasicparametersinvolvedinminerescuecapsuledesigncalculations,thenacombinationofdifferentmanufacturerstothesuperiorityofcontrast,thecomprehensivecostconsiderations,chooseagoodperformance,economicalandpracticalsupportingrelatedproducts.

Andfocusonkeypartsofthesystemoflife-savingtankdesigncalculationsmadeindetail.

Keywords:

minerefugechambermobilerefugechamberConfinedSpacesSystemsuperioritycontrast

前言

随着现代工业的不断发展，世界各国专家纷纷预测，在21世纪前50年内，世界能源的发展趋势仍将以化石燃料为主。

随着石油、天然气资源的日渐短缺和洁净煤技术的进一步发展，煤炭的重要性和地位还会逐渐提升。

根据我国资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的能源结构在相当长一段时间内不会改变。

我国能源资源的基本特点（富煤、贫油、少气）决定了煤炭在一次能源中的重要地位。

我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为1万亿吨，占世界总量的11%（石油占2.4%，天然气占1.2%）。

煤炭是我国最安全、最经济、最可靠的能源。

我国煤炭资源总量远远超过石油和天然气资源。

目前，世界石油价格居高不下，煤炭的成本优势更加明显。

欧佩克要把石油价格稳定在每桶25美元到30美元之间，而煤炭通过直接液化制成的成品油成本是每桶15美元左右。

1999年我国石油净进口量为4000万吨，去年进口7000万吨（花费200亿美元以上）。

据预测，到2020年我国石油供需缺口将更大，全靠进口不仅动用大笔外汇，而且受制于人，加大了能源安全供应的隐患。

因此，以煤炭液化生产的液体燃料和用水煤浆替代石油将是必然的趋势。

从这个意义上讲，煤炭在未来我国国民经济中的地位将更为重要。

作为世界上最大的煤炭生产国，矿难一直是我国矿山安全生产挥之不去的阴影。

每年我国矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的80%。

世界每发生20起煤矿灾难中，就有8起发生在中国。

井下发生瓦斯煤尘事故时，人员伤亡的75％是由于有毒有害气体造成的；而当事故发生后，由于缺乏专业救助设备（主要是自救器和救护队救援）不能使矿工得到及时、有效救助，从而造成我国煤矿矿难事故频发。

权威资料显示，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿事故人数总和，2003年我国煤矿灾难死亡人数超过6000人，百万吨死亡率约为4.00。

2004年上半年，全国煤炭共发生伤亡事故1736起，死亡2537人，百万吨死亡率为2.96。

而美国在1998年百万吨死亡率仅为0.03左右。

有人统计，我国煤矿事故死亡率是美国的145倍，是印度的13倍。

为了从根本上解决矿井发生重大事故后，相关救援技术装备不能满足需要的问题，2006年科技部批准立项了国家“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”项目，这一项目为矿山救援设备的发展提供了契机。

2010年智利矿难33名矿工的成功获救不仅震撼了世界，也加快了我国矿井安全技术的研发，通过对美国、加拿大、澳大利亚等地矿井安全生产的调研，国家安监总局推出了以建设矿用安全救生舱为代表的安全避险系统。

因此，研制矿用安全救生舱应运而生，不但市场前景广阔，而且能够产生很大的社会效益和经济效益。

矿用安全救生舱是在矿井出现瓦斯爆炸、顶板塌方、透水和火灾等灾害时专门用于避难的场所，矿工在救生舱内避难直到可以安全撤离或等到救援人员。

在煤矿井下设置和使用应急安全救生舱，能够在事故发生后为矿井幸存者提供一个安全密闭的空间，对内能为被困矿工提供食物、H2O、O2，并去除有害有毒气体，赢得较长的生存时间，对外能够抵御事故发生后的高温烟气，隔绝有害有毒气体。

同时，被困人员还能通过救生舱内的通讯监测设备，引导外界救援，为救援工作赢得宝贵的时间，减少矿难事故中的伤亡人数。

1设计任务及要求

1.1设计任务

煤矿、金属及非金属矿山等井下作业区域，具有发生火灾、煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸危险性矿井矿难的可能性。

在恶劣的井下环境中，为被困人员提供一个隔绝的安全场所，配备各种必需装备，在一定时间内维持被困人员的生命，就大大增加被困人员逃生和成功救援的几率。

因此，灾变发生后的紧急避险，救生舱对外能够抵抗爆炸冲击、抵御高温烟气、隔绝有毒有害气体，对内提供氧气、食物、水，去除有毒有害气体，创造生存基本条件，从而为应急救援创造条件、赢取时间。

1.2设计要求

选用的救生舱的适用范围和适用条件，应符合所服务区域的特点和可能发生的灾害类型。

数量应满足所服务区域人员紧急避险的需要。

（1）救生舱应具备过渡舱结构。

过渡舱的净容积应不小于1.2m3，内设压缩空气幕和压气喷淋装置。

生存舱提供的生存空间应不小于每人0.8m3，且总有效容积不小于5m3。

（2）救生舱应具有足够的强度和气密性。

硬体式救生舱在+500±20Pa压力下，泄压速率应不大于300±20Pa/h；软体救生舱在+500±20Pa压力下，泄压速率应不大于350Pa/h；舱内气压应始终保持高于外界气压100～500Pa，且能根据实际情况进行调节。

（3）救生舱应选用抗高温老化、无腐蚀性、无公害的环保材料。

救生舱外体颜色在煤矿井下照明条件下应醒目，宜采用黄色或红色。

（4）选用的救生舱应具备矿井压风、供水、通讯接口。

应设压风减压、消音、过滤装置和带有阀门控制的呼吸嘴,压风出口压力在0.1-0.3MPa之间，连续噪声不大于70dB，过滤装置具备油水分离功能。

（5）救生舱应配备内外环境参数检测或监测仪器，能对救生舱内的O2、CH4、CO2、CO、温度、湿度和救生舱外的O2、CH4、CO2、CO进行检测或监测。

（6）救生舱应按设计的额定避险人数配备供氧和有害气体去除设施、食品和饮用水以及自救器、急救箱、照明、工具箱、灭火器、人体排泄物收集处理装置等辅助设施，备用系数不小于5%的。

（7）自备氧供气系统供氧量应不低于0.3m3/min·人；采用高压气瓶供气系统时应有减压装置。

有害气体去除设施处理CO2的能力应不低于每人0.5L/min，处理CO的能力应能保证20分钟内将CO浓度由0.04%降到0.0024%。

应配备促进内部空气循环的设施，流量不低于20L/min。

配备的食品不少于2000Kj/人·天，饮用水不少于0.5L/人·天。

配备的自救器应为隔离式，连续使用时间不低于45min。

（8）救生舱的安装应有设计和作业规程，并严格按照产品说明书进行。

救生舱安装在20m范围内煤（岩）层稳定，采用不燃性材料支护，通风良好，无积水和杂物堆积，满足安全出口的要求安装不得影响矿井正常生产和通风的巷道中，宜在岩（煤）壁掏槽或扩帮放置。

（9）救生舱应接入矿井压风管路、供水管路，并在舱内设置直通矿调度室的固定电话。

安设救生舱处应设安全监控系统传感器和人员定位基站，对救生舱附近的O2、CH4、CO2、CO、温度、救生舱附近人员情况进行实时监测。

（10）救生舱安装完成后应进行系统性的功能测试和试运行，满足要求后方可投入使用。

（11）移动和运输救生舱时应有保护措施，编制作业规程，保证移动和运输中不损坏救生舱。

救生舱移动后应进行一次全方位检查和系统性的功能测试。

2矿用救生舱的概述

2.1矿用救生舱的用途及特点

根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故现场瞬间伤亡的矿工只占伤亡总数的一部分，有相当大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，以便在矿井发生事故后为无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间。

该舱能够抵御外部的高温烟气，隔绝有毒有害气体；能为舱内遇险人员提供氧气、食物和水,创造基本生存条件；并为应急救援创造条件，赢得时间。

优异的结构独特的加强筋设计，大大增加安全性；独特的弧形顶设计，抗压能力增强且便于排水；隔温夹层，强悍的防火耐高温性能；良好的气密性；舱体体积小，便于运输；多出口设计，除舱门外，另设两个逃生口；舱门打不开时可通过逃生口进出。

采用多种供氧手段。

矿内压缩空气管道，可无限供氧；舱内压缩氧气瓶供氧，稳定安全；化学制氧（氧烛或氧气再生药板），紧急情况下制氧。

正压设计。

正压设计阻止舱外有害气体进入生活舱；配有压缩空气瓶，提供足够的压缩空气，支持多次进出救生舱。

安全、舒适的舱内环境供氧时间长，可供10人使用超过120h；供氧方式多样，包括矿内压风管、压缩氧气瓶、氧烛（或氧气再生药板）；充足的有害气体吸附剂和除湿剂；配备空调，即使断电仍可将舱内温度维持在29ºC。

有效的舱内外环境监测手段。

多传感器，可监测舱内外温湿度、压力、气体（包括O2、CO、CO2、CH4、H2S的其它有害气体）浓度；监控分站收集传感器的监控数据，自动调节舱内气体环境；配有便携式多用途传感器，供被困人员出舱时使用；储备电力可供舱内传感器和监控分站使用超过10天。

2.2矿用救生舱的分类

目前，矿用救生舱可分为固定式和移动式两类。

由于移动式救生舱能够随着作业场所变迁移动，可根据需要改变架设位置，具有方便灵活的特点，所以应用日趋广泛。

可移动式救生舱按外壳材质可划分为硬体式和软体式。

按械结构特点可划分为组装式（救生舱舱体为组装式结构）、整体式（救生舱舱体为一整体机械结构）、其他。

硬体式救生舱一般用用钢材等硬质材料制成，具有一体式、分节组装式等类型，如图2-1所示。

软体式救生舱采用阻燃、抗静电、耐高温帆布等软质材料制造，在突发紧急情况下依靠快速（几十秒至几分钟）自动充气膨胀架设，如图2-2所示。

图2-1硬体式救生舱

图2-2软体式救生舱

不论是哪种救生舱，都具有以下特点：

可以提供至少48h，甚至96h的生命保护，包括氧气、食物、水和适当的降温装置。

可以有有源和无源两种模式。

这样就可以在井下灾害事故发生导致电力系统破坏的情况下，仍然可以保持保护状态。

配备先进的“透地通讯”（矿井透地通信信道存在着严重的干扰，只有根据矿井的大地地壳条件，综合考虑各种因素，选定一定的工作频率，信号才能穿透大地，完成无线电波透地通信），随时与地面施救人员联系。

2.3国外矿用救生舱的发展

2.3.1国外救生舱的发展概况

国外生产救生舱产品大大早于国内，技术成熟程度高于我国，国内已经有厂家与外国合作开发生产救生舱，国际市场可以说技术成熟，但是产品价格过高，国产产品有价格优势。

不排除将来出口开拓国际市场，国内的市场从国内现状看，时间紧任务重很难保证市场的需求。

国外产品会乘虚涌入国内，打时间差的空子。

美国：

目前煤矿井下配备避难所1193台（个）。

其中：

软体式救生舱1000台（占80%以上）；硬体式救生舱123台；避难硐室70个。

加拿大：

自1928年的Hollinger矿火灾（39人死亡）后，就出现初期避难所，利用压缩空气通过面罩提供O2；后来出现了有害气体处理系统，处理空气中的CO和CO2；自1980年后，在金属矿山得到广泛应用，现被法律强制建立。

南非：

自1970年就出现避难所；1986年Kinross金矿矿难（死亡177人）后，法律强制井工矿山必须设立避难所。

南非煤矿开采深度浅，一般采用硐室＋大直径钻孔方式。

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。

国外救生舱开发情况如表2-1所示。

表2-1国外救生舱开发情况

国家

研发公司

研发方向

加拿大

RANA

硬体舱、空气供给与废气处理设备

英国

Molecular

有害气体处理设备

德国

DREGER

硬体舱、快速充气站

澳大利亚

MineARC

硬体舱

美国

STRATA

硬体舱、软体舱、中继站

南非

Survivair-RRC

硬体式

2.3.2国外救生舱的基本特点

具备基本功能，包括气密、隔热、防护、供氧、有害气体去除、环境监测、通讯指示等，但具体指标不同。

（1）防护时间：

24-48h，MASH规定96h，但认证尚在进行；

（2）舱体强度：

未见抗爆、抗冲击具体指标（MASH规定15psi）；

（3）电源：

美国、澳洲倾向无源（非煤有源）；南非用铅酸蓄电池；

（4）供氧：

南非多用化学氧；美国、澳洲、加拿大多用压缩氧；

（5）空调：

早期无，随着防护时间和环境适应性要求的提高，降温系统可能成为必要组件。

主要4种方式：

电力空调、蓄冰降温、液态CO2汽化、通风降温

（6）舱内空气流动：

具备促进舱内空气流动的相关措施；

（7）过渡仓结构：

必要要求。

2.3.3国外救生舱的技术发展趋势

美国、澳大利亚等国家的矿山安全法规和标准对推广、使用矿用救生舱有着硬性的规定,一些具有较强科研实力的企业单位投入了大量的资金参与其中，如Strata公司（StrataProductsUSA）、ChemBio公司；澳大利亚的MineARC系统公司（MineARCSystems）、Shairzal安全工程公司（ShairzalSafetyEngineering）；德国德尔格安全设备有限责任公司（DraegerSafetyInc.）；加拿大的RANA公司等。

以下介绍了几家主要的井下煤矿避难舱制造厂商及其产品特点。

MineArc公司避难舱开发处于前列

MineArc公司1995年开始涉足煤矿避难舱的研究与开发活动，该公司利用丰富的实践经验和避难舱开发过程中积累的大量技术数据建立了公司内部的相关技术规范。

2005年，MineArc公司参与了澳大利亚政府主管部门和矿业部门发起的一项合作活动，研究制定澳大利亚金属矿山避难舱的政策性文件，促成了该公司在煤矿避难舱研发活动中的领先地位。

该公司还代表美国国家矿业安全与健康监察局起草内部生命支持的检测方案。

2009年MineArc公司完成对Shairzal安全工程公司的收购工作。

目前，该公司在全球27个国家和地区的矿山配备超过1000台的救生舱，订单至2012年5月。

该公司开发研制的矿用避难舱分为两种：

非煤矿型和煤矿型。

非煤矿型救生舱的特点：

（1）空调降温采用36h+UPS备用电池；

（2）三重供气系统：

压缩空气过滤、医用氧气钢瓶、氧烛；

（3）CO、CO2洗涤、净化系统。

煤矿型救生舱的特点：

针对不同类型的煤矿，采用组合型-避难硐室专用和分体式-分节组合等不同形式；96h～300h安全运行时间；本安型-无任何电器配;CO、CO2清洗及降温除湿集成系统采用气动马达，以液态二氧化碳作为动力源；压缩空气、液态二氧化碳、氧气均与人员隔离，仅需10min即可移换钢瓶架。

其避难舱产品均获得了美国国家矿业安全与健康监察局和欧盟安全认证,在井下事故环境中的实际使用证实，各项系统正常。

产品使用案例：

StLves金矿（2006年4月），BarrickKanownaBelle（2007年10月），BHPBillitionLeinster（2009年6月）。

2009年6月初，澳大利亚必和必拓公司在澳西部的帕赛佛伦斯镍矿发生的一次岩石垮落事故中，MineArc硬岩避难舱一展其避险功能，使受困于地下千米的矿工在作业点附近的避难舱中避险达16h，并成功获救。

斯特塔安全设备公司（StrataSafetyProducts）的避难舱产品

该公司共有3种类型避难舱产品，它们是井下煤矿避难舱、充气型避难舱和应用于隔离峒室中的滑撬式避难舱。

其中井下煤矿避难舱获得了美国第一产煤大州西弗吉尼亚州矿工健康、安全与培训办公室的认证。

截至2008年3月末，该公司已经向美国西部的煤矿提供了30多个井下煤矿避难舱，向全美各地提供的充气型避难舱超过了50个。

斯特塔公司井下煤矿避难舱最典型的产品为钢制避难舱，是一种无动力整装式井下救生系统。

由于不与井下的供电系统相接，因此免除了电火花可能引发的次生爆炸灾害。

该设备设有过渡气密舱，从而最大限度地抑制了舱外环境中有毒、有害气体和烟气的侵入。

避难舱配备的氧气瓶和压缩空气瓶可以向舱内的避险人员供应长达96h的医疗级氧气，舱内还备有饮用水、食品、急救用品。

由压缩空气驱动的CO2清洗装置对避难舱内密闭空间的空气进行净化，脱除空气中的CO2，该清洗装置获得了专利。

该避难舱还可安设化学降温系统。

ChemBio公司的避难舱产品

ChemBio公司是国际上首家研发出软体救生舱、拥有专利产品权的专业公司，制造工厂位于西弗吉尼亚州。

美国煤矿井下配备避难所1193台，其中，软体救生舱1000台（占80%以上），硬体救生舱123台，避难硐室70个。

ChemBio公司软体救生舱的特点如下：

舱体材料是符合军用标准的材料。

这种材料阻燃,并极为坚固,具有很强的抗撕扯、防破裂、抗刺透能力；放置体积小，展开舱容积大，最大救生人数35人，可救生时间超过96h；舱内CO2清洗采用无源被动式设计，即利用悬挂在舱内含有碱石灰等化学成分的若干个幕帘来完成；由于刚性避难舱与井下底板是点式接触，而充气型避难舱底部与底板实现了面与面的直接接触，避难舱释放的热量可由避难舱底面与井下底板的直接接触实现散热。

2010年8月29日，在中国国家安全生产监督管理总局、中国国家煤矿安监局以及中国职业安全健康协会的指导，ChemBio公司的软体救生舱开始在塔山煤矿使用。

2.4国内救生舱的发展

2.4.1国内救生舱的发展概况

目前，国内煤炭安全服务行业尚处于不完全竞争时期，涉及该领域的并能够自主研制矿用紧急避险设施的公司更是凤毛麟角。

国内井下救生舱开发情况：

国家安全监管总局、国家煤矿安监局将救生舱研究列入国家“十一五”科技支撑计划，目前超过20家单位从事相关产品研发。

通过专家评审有3家：

北科大（重生科技）、煤科总院安全分院（上海鹏燕）、煤科总院沈阳院（MineARC）；

取得安全标志（新产品）有1家：

北科大（重生科技）；

软体式救生舱主要研发单位（3家）：

煤科总院（上海鹏燕）、中煤机械集团、西安新竹防灾救生设备有限公司。

国内井下救生舱开发情况硬体式救生舱主要研发单位（15家）：

北科大（重生科技）、中煤机械集团、北京北分瑞利集团公司（BFRL）、中煤电气集团（STRATA）、无锡信诺视听设备有限公司、天津鸿绪工贸有限公司、西安东风仪表厂、武昌船舶重工有限公司、煤科总院沈阳院（MineARC）、中国矿大（无锡永神利）、煤科总院重庆院、济宁恒泰矿业科技有限公司、青岛华盾生命保障设备公司、西安新竹防灾救生设备公司、中平能化机械制造有限公司；

避难硐室用设备主要研发单位（4家）：

北京众生洲矿业科技中心、煤科总院沈阳院、煤科总院重庆院、北京凌天世纪自动化有限公司。

2.4.2国内救生舱的基本特点

国内井下救生舱研发基本特点是起点高。

在充分借鉴国外成功经验的基础上，将潜艇、船舶、高楼逃生等领域