應(yīng)急避難室救生艙的應(yīng)用

應(yīng)急避難室救生艙的應(yīng)用

根據(jù)世界各國對(duì)井事故的研究，在火災(zāi)和爆炸等事故發(fā)生的事故中受傷的礦工數(shù)量很少，只有少數(shù)事故造成的事故數(shù)量。大多數(shù)礦工在火災(zāi)和爆炸后無法立即升井，逃到有害的高濕度氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致窒息和中毒。因此,如何為礦難后井下被困的幸存人員提供躲避有毒有毒害氣體環(huán)境及其它傷害的密閉空間,為其提供必需的生存條件,延長(zhǎng)其生存時(shí)間,直至救援人員到達(dá),成為礦井應(yīng)急救援的一個(gè)重要課題。這種保護(hù)被困礦工的密閉空間裝備在國外被稱為應(yīng)急避難室,中國安全行業(yè)將其稱為救生艙。一直以來,礦業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)礦井事故的應(yīng)急救援工作十分重視,將救生艙作為地下礦山應(yīng)急救援工作的重要部分進(jìn)行了大量的研究。其中,對(duì)于南非、加拿大、美國、澳大利亞等國,在地下礦山中設(shè)置和使用救生艙,已經(jīng)是礦井應(yīng)急救援中的一項(xiàng)成熟而有效的技術(shù),并且已經(jīng)有過營救的案例。2006年1月29日凌晨,加拿大薩斯喀徹溫省一座鉀鹽礦發(fā)生火災(zāi),72名礦工被困井下,只能進(jìn)入設(shè)置在巷道中救生艙避難。經(jīng)過26小時(shí)全力營救,72名礦工最終全部成功獲救,救生艙的成功應(yīng)用在世界范圍內(nèi)引起了極大反響。通過各種方式的調(diào)研,我們對(duì)世界各國已經(jīng)應(yīng)用的救生艙產(chǎn)品進(jìn)行了比較深入的研究,為了從發(fā)達(dá)國家成熟的產(chǎn)品和技術(shù)中獲得啟發(fā),本文對(duì)目前國外的救生艙產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的介紹和比較。1對(duì)密閉空間內(nèi)環(huán)境的設(shè)定要求,主要包括水和食物礦井應(yīng)急救生艙是設(shè)置在礦井下各危險(xiǎn)工作區(qū)域的密閉空間,一般為鋼制腔體,亦可依托巷道墻壁挖掘而成,整體設(shè)計(jì)上能夠做到氣密,并能抵御一定的外力沖擊,內(nèi)部通常有氧氣(O2)供給系統(tǒng)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)凈化系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng),以及相應(yīng)的監(jiān)視、防護(hù)措施,同時(shí)還有足夠的水和食物。礦難發(fā)生后,無法直接轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域的人員可以進(jìn)入救生艙空間,關(guān)閉艙門與外界有害環(huán)境隔絕,隨后運(yùn)行內(nèi)部各救生系統(tǒng),產(chǎn)生O2,處理CO、CO2等有害氣體,檢測(cè)密閉空間內(nèi)各類環(huán)境參數(shù),將空間內(nèi)環(huán)境維持在人類生存的適宜條件。救生艙艙室內(nèi)人類生存所需的各類環(huán)境參數(shù)在經(jīng)過研究后都有嚴(yán)格的指標(biāo)規(guī)定,所有環(huán)境參數(shù)都必須控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),否則會(huì)對(duì)密閉空間中人體生理心理造成負(fù)面的影響,關(guān)鍵的生存參數(shù)如O2、CO2濃度等不合要求甚至能造成人員的傷亡。表1為國外救生艙產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)。2空氣調(diào)節(jié)設(shè)施救生艙要保證內(nèi)部避難人員生存,就必須依靠艙內(nèi)設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定地提供可呼吸的空氣,同時(shí)對(duì)人呼出的氣體及時(shí)進(jìn)行處理,吸收CO2等廢氣,將艙室密閉空間內(nèi)氣體各組分含量控制在適宜范圍內(nèi)。同時(shí),人體和儀表設(shè)備在正常情況下均會(huì)向空間輻射熱量,災(zāi)變狀態(tài)下艙外也可能處于持續(xù)的高溫環(huán)境中,這些情況均會(huì)導(dǎo)致救生艙內(nèi)溫度上升,因此必須依靠空氣調(diào)節(jié)設(shè)施對(duì)溫度進(jìn)行控制,否則會(huì)造成嚴(yán)重的后果。根據(jù)救生艙所需實(shí)現(xiàn)的功能,現(xiàn)將救生艙劃分為整體結(jié)構(gòu)、氧氣供應(yīng)、有害氣體去除、空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)力供應(yīng)及附屬設(shè)備七個(gè)部分分別進(jìn)行介紹。2.1救生艙結(jié)構(gòu)形式單一國外應(yīng)急救生艙一般為車體式結(jié)構(gòu),艙體由鋼板組成,內(nèi)部一般涂無毒的無機(jī)涂料,外部涂耐高溫的瓷漆,具有觀察窗和逃生窗。由于車體式救生艙一般是由鋼板組成的整體結(jié)構(gòu),所以尺寸較大,例如德國德爾格安全設(shè)備公司某型容納15人的救生艙規(guī)格為8mL×2.4mW×2.5mH,顯然無法直接進(jìn)入中國大部分煤礦巷道。因此救生艙規(guī)格應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和要求容納人數(shù)改變,如澳大利亞MineArc公司救生艙擁有可容納4人、8人、12人、15人、20人、30人多種規(guī)格。2.2o2供應(yīng)裝置人的生存時(shí)刻需要O2維持,但適宜人呼吸的O2濃度在18.5%～22.5%之間。因此,密閉空間中的O2供應(yīng)裝置應(yīng)滿足三個(gè)條件:a.盡量供應(yīng)組分接近空氣組分的氣體,純O2應(yīng)先經(jīng)過混氣再進(jìn)入救生艙供呼吸;b.能夠持續(xù)不間斷地供應(yīng)O2,一般通過兩套以上獨(dú)立的供氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn);c.能夠調(diào)節(jié)O2釋放速率與救生艙中人員消耗速率達(dá)到一致,以穩(wěn)定O2的濃度。目前,國外礦用救生艙的氧氣供應(yīng)有以下方式:(1)呼吸對(duì)o2的影響高壓O2一般儲(chǔ)存在高壓鋼瓶中。與空氣相比,壓縮O2鋼瓶體積小、含氧量大,且O2能夠在人的呼吸作用后轉(zhuǎn)化為約同等體積的CO2,被處理后不影響艙內(nèi)空氣各組分濃度以及壓力,一般作為救生艙中的主要O2供應(yīng)源。但需要注意的是,高濃度的O2不適宜直接呼吸,一般需要經(jīng)過與救生艙內(nèi)氣體或壓縮空氣混合后使用。同時(shí),高壓O2在礦井中屬于危險(xiǎn)源,安裝、使用及維護(hù)均需要嚴(yán)格管理。(2)影響救生艙的空氣組分壓縮空氣可以通過礦井壓風(fēng)管路和鋼瓶?jī)?chǔ)存來提供。使用壓縮空氣可以直接滿足救生艙內(nèi)人員的呼吸,但礦井壓風(fēng)管路在發(fā)生事故時(shí)可能受到破壞,導(dǎo)致管路中斷或者破裂而將有毒氣體引入救生艙。使用壓縮空氣鋼瓶時(shí)需要大量的鋼瓶,不利于在礦井或救生艙內(nèi)大量布置;其中含有的大量N2等不可呼吸氣體也會(huì)影響救生艙空氣的各組分含量,增加泄壓次數(shù)。礦井壓風(fēng)管路對(duì)于救生艙屬于外界輸入,可作為一級(jí)供氧措施,而壓縮空氣瓶一般用作救生艙的備用氣源,在正常O2供應(yīng)中斷時(shí)備用或同時(shí)與高壓O2混合使用,也用于救生艙入口處的換氣室的加壓排氣。(3)氧蠟和氧基本材料在救援狀態(tài)下,救生艙內(nèi)的O2供應(yīng)可能因意外中斷。因此,必須在艙內(nèi)設(shè)置應(yīng)急氧源。國外救生艙中使用的應(yīng)急氧源一般為氧燭。氧燭是采用氯酸鹽、催化劑、粘結(jié)劑壓制成形的固體制氧材料,其單位體積含氧量遠(yuǎn)高于氧氣鋼瓶。氧燭運(yùn)行后不受外界溫度和壓力的干擾,能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放大量O2,例如,英國某公司生產(chǎn)的氧燭能在25min時(shí)間內(nèi)釋放總量為720L的O2,這足以使體積為24m3的空間內(nèi)O2的濃度從18%上升至21%,同時(shí)是艙內(nèi)壓力升高約3000Pa,讓人感覺不適。因此在救生艙的小空間內(nèi)使用氧燭可能造成艙內(nèi)O2濃度和壓力過高的問題。此外,氧燭在啟動(dòng)和反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生微量的CO和Cl2,增加艙內(nèi)的有毒有害氣體處理負(fù)荷,使用時(shí)必須非常注意。2.3有害氣體處理(1)空氣分離器中的co吸收劑CO2是人體呼吸代謝產(chǎn)生量最大的有害氣體,如果CO2得不到有效處理而不斷積累,濃度達(dá)到3%以上時(shí),就可能對(duì)人的生命產(chǎn)生威脅,因此艙內(nèi)空氣凈化設(shè)備的主要任務(wù)是去除CO2。目前,國外救生艙的標(biāo)準(zhǔn)一般要求將CO2的濃度不允許超過1%。北美某安全設(shè)備公司生產(chǎn)的空氣凈化器是目前國際上較先進(jìn)的空氣處理裝置,它按照使用的吸收CO2劑的藥板數(shù)量分為單床和雙床兩種,呼吸過的氣體進(jìn)入處理器后,CO2以及其他的有毒氣體被吸收,同時(shí)凈化器連接的O2鋼瓶經(jīng)調(diào)節(jié)裝置控制向空氣中加入與CO2體積相等的O2,使凈化后的氣體達(dá)到可呼吸的標(biāo)準(zhǔn)。單床空氣凈化器能夠47h使容納10人的救生艙保持CO2濃度低于0.18%。CO2為酸性氣體,能夠與多種堿性物質(zhì)反應(yīng),因此,具體選擇空氣凈化器中的CO2吸收劑時(shí),應(yīng)綜合救生艙空間大小、反應(yīng)效率、藥劑儲(chǔ)存時(shí)間等各方面因素綜合考慮。目前,國外救生艙中一般選用堿石灰(NaOH與CaO組成的混合物)作為CO2的吸收劑,主要是因其價(jià)格低廉、性能可靠,保質(zhì)期長(zhǎng)。為了降低處理CO2時(shí)的能耗,某些救生艙中還引進(jìn)了CO2靜態(tài)吸附技術(shù),采用氫氧化鋰為主要原料制成吸收簾,懸掛在艙內(nèi)自然吸收去除CO2等有毒有害氣體,不需要消耗電力等能源。但使用時(shí)需要占用大量的空間。(2)co的來源及危害CO是無色、無臭、無味的劇毒氣體,它與血紅蛋白結(jié)合能力比氧氣強(qiáng)20倍,因此阻礙體內(nèi)正常供氧,對(duì)人體的生命安全及健康有嚴(yán)重危害。表2為空氣中不同濃度CO時(shí)容許的暴露時(shí)間及危害。救生艙中CO的來源主要有兩部分:避難人員進(jìn)艙時(shí)引入的巷道災(zāi)變環(huán)境氣體;人體在密閉艙室內(nèi)生存時(shí)產(chǎn)生的微量CO。由于CO的毒性巨大,救生艙對(duì)CO的處理應(yīng)具有相當(dāng)?shù)乃俾?根據(jù)美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:救生艙內(nèi)CO處理設(shè)備必須能夠在20min內(nèi)將CO濃度從400×10-6降低到24×10-6。2.4救生艙空調(diào)壓縮機(jī)的使用與選型礦井應(yīng)急救生艙為了最大限度的延長(zhǎng)被困人員的生存時(shí)間,要求對(duì)礦井內(nèi)的惡劣環(huán)境如爆炸、沖擊、火災(zāi)等具有相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)能力,因此,救生艙的外殼必須有一定的隔熱性能。而在救生艙內(nèi),被困人員自身代謝會(huì)不斷產(chǎn)生熱量。因此,如何解決隔熱的密閉空間中的熱量積累問題是救生艙研究中最困難的部分。國外的救生艙絕大多數(shù)使用空調(diào)來控制溫度。空調(diào)主機(jī)可置于救生艙內(nèi)部,而壓縮機(jī)必須外置,因此,在爆炸事故頻發(fā)的煤礦中,救生艙外置空調(diào)壓縮機(jī)的防爆問題至關(guān)重要。此外,在20m3的空間中要保持讓人舒適的溫度,需要有足夠的電力維持空調(diào)運(yùn)行,而礦難時(shí)外部電力極有可能中斷,因此,救生艙生命維持時(shí)間很大程度上要取決于空調(diào)和儲(chǔ)備電力容量之間的相互協(xié)調(diào)。2.5救生艙監(jiān)測(cè)儀器的組成在救生艙中生存時(shí),被困人員必須時(shí)刻掌握所處密閉空間內(nèi)外的各類參數(shù),根據(jù)情況的變化采取相應(yīng)措施維持生存條件。多數(shù)有毒氣體濃度的變化不可能通過人體器官及時(shí)感知就足以致命,因此,救生艙內(nèi)應(yīng)安裝各類監(jiān)測(cè)儀器即時(shí)監(jiān)控所有主要的生存環(huán)境參數(shù),要求操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、性能可靠。救生艙中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象一般包括O2、CO2、CO、H2S、CH4、壓力、溫度、濕度以及各種設(shè)備的運(yùn)行狀況。監(jiān)測(cè)儀器在救生艙內(nèi)分為固定式和便攜式兩種。固定式的儀器一般主要用于救生艙生存空間內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)以及各類電子設(shè)備、動(dòng)力的監(jiān)測(cè),如O2濃度、各種有害氣體含量、供氧設(shè)備流量、溫度、電池剩余電量等。此外,救生艙內(nèi)還配備有一部分便攜式氣體檢測(cè)設(shè)備,由被困人員中有經(jīng)驗(yàn)的礦工操作,每隔一段時(shí)間對(duì)艙內(nèi)氣體循環(huán)較差的角落進(jìn)行檢測(cè),防止有毒有害氣體局部積累。在救生艙外部環(huán)境較穩(wěn)定的情況下,需要有被困人員佩帶氧氣呼吸器走出救生艙,使用便攜式氣體檢測(cè)器對(duì)救生艙周圍一定距離的范圍氣體條件進(jìn)行檢測(cè),以確定目前環(huán)境的安全狀況,準(zhǔn)備實(shí)施自救或者配合進(jìn)一步的救援工作。2.6救生艙用電的穩(wěn)定性救生艙中的空調(diào)、照明、電子控制設(shè)備等都要依靠電力來維持,尤其是大功率的空調(diào)壓縮機(jī),要消耗大量的電力資源。能否為救生艙耗電設(shè)備提供電力,維持其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的運(yùn)行,對(duì)延長(zhǎng)救生時(shí)間有著極大的影響。目前,國外礦用救生艙的動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)一般分為兩部分:礦山電源和UPS(不間斷電源)。救生艙在正常情況下接入礦山用電源,經(jīng)變壓轉(zhuǎn)換設(shè)備調(diào)整電壓電流適應(yīng)艙內(nèi)設(shè)備的規(guī)格。2.7相關(guān)設(shè)備應(yīng)急救生艙中除了主要的設(shè)備儀器外,還設(shè)計(jì)有一系列附屬設(shè)施以滿足被困礦工的生存需要、協(xié)助完成救援工作:(1)降低救生艙內(nèi)的3.密閉空間中,人的排泄物如果不能及時(shí)的收集、處理,可能由于臭味、病菌的傳播而大大降低救生艙內(nèi)的空氣質(zhì)量,影響被困人員的身心健康。國外救生艙中設(shè)置的廁所一般采用化學(xué)方法對(duì)排泄物進(jìn)行消毒和處理。(2)適當(dāng)降低開支電力救生艙中的照明裝置除了要求防爆性能外,還要盡可能的節(jié)省電力。因此,救生艙中一般使用能耗低、維持時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便的LED燈,某些救生艙中使用熒光棒作為照明裝置。(3)自助設(shè)備救生艙中必須配備有一定數(shù)量的隔絕式O2自救器,以便于救生艙內(nèi)人員短時(shí)間外出進(jìn)行檢測(cè)、營救或自行撤離。(4)急救系統(tǒng)的開啟礦難發(fā)生后,礦井內(nèi)部情況復(fù)雜,爆炸、塌方等各種原因都有可能導(dǎo)致救生艙入口被堵住或損壞而無法開啟艙門,因此,救生艙需要有應(yīng)急逃生的窗口,在需要緊急出艙時(shí),被困人員能夠打開逃生窗離開救生艙。(5)急救藥物、器材國外救生艙中通常還配備有急救包,里面有一般情況所需要的急救藥物、器材等,能夠用于對(duì)受傷的礦工及時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的包扎、消毒、治療,防止受傷部位傷情惡化。(6)火炬樹葉片損傷,缺乏及時(shí)排除的障等待救援期間,救生艙的各種設(shè)備運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)故障,需要及時(shí)排除。所以救生艙里還應(yīng)配備一個(gè)工具包,里面包括檢查、維修艙內(nèi)各種設(shè)備的工具、說明書、維修材料以及供被困人員撤離用的逃生手冊(cè)、逃生路線圖等。(7)救生艙氣象及周邊設(shè)備設(shè)置礦難發(fā)生時(shí),由于煙霧、粉塵彌漫等各種原因,礦井中的能見度可能大大降低,為了引導(dǎo)無法撤離的礦工及時(shí)確定最近的救生艙的位置,救生艙艙體外壁以及周邊的一定范圍內(nèi)都應(yīng)設(shè)置有聲、光提示的設(shè)備。這些標(biāo)識(shí)包括巷道墻壁上的反射帶方向標(biāo)志、救生艙上安裝的警示燈和外壁上的反光涂裝等。3救生艙技術(shù)研究的必要性(1)救生艙類產(chǎn)品在南非等國礦山中已有一定規(guī)模的應(yīng)用,并有成功救援的案例,證明應(yīng)急救生艙在礦井事故發(fā)生后對(duì)于保護(hù)被困礦工的生命安全、提高救援成功率確實(shí)有重要的作用。而我國在救生艙應(yīng)用領(lǐng)域尚屬空白,應(yīng)立即開展救生艙技