礦用可移動(dòng)式救生艙關(guān)鍵技術(shù)研究

礦用可移動(dòng)式救生艙關(guān)鍵技術(shù)研究

2010年3月10日，在北京大學(xué)綜合研討會(huì)的主席職位陸建章教授和非煤礦山組負(fù)責(zé)人王旭光教授進(jìn)行了討論后，他們共同發(fā)表了結(jié)論。“利用煤礦移動(dòng)救生室的關(guān)鍵研究成果，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境提供安全保障，提供援助和安全保護(hù)，為礦工救援活動(dòng)的時(shí)間創(chuàng)造條件，并經(jīng)評(píng)估。”。由此,這項(xiàng)耗時(shí)4年、歷經(jīng)上百次試驗(yàn)的礦用可移動(dòng)式救生艙誕生了。合作研發(fā)礦山的可實(shí)現(xiàn)途徑說起礦用可移動(dòng)式救生艙的研發(fā),得益于兩個(gè)關(guān)鍵性的人物,一個(gè)是北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院黨委書記、副院長金龍哲,另一個(gè)是潞安集團(tuán)副總經(jīng)理劉仁生。兩人多年前曾經(jīng)聯(lián)合研發(fā)了高爐噴吹貧煤技術(shù),并由此榮獲了2003年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)、全國煤炭系統(tǒng)十佳科技成果獎(jiǎng)。2010年3月23日,在北京科技大學(xué)土木樓辦公室里,金龍哲向記者介紹了合作研發(fā)礦用可移動(dòng)式救生艙的相關(guān)情況。4年前,金龍哲和劉仁生兩人聯(lián)合研發(fā)的高爐噴吹貧煤技術(shù)行將告成,在等專家組鑒定意見的時(shí)候,兩人湊到一起聊上了。話題自然就扯到了當(dāng)時(shí)頻發(fā)的礦難上,從河南大平“10·20”事故,到陜西陳家山“11·28”礦難,再到遼寧孫家灣“2·14”礦難,兩人越聊越沉重,越聊越覺得責(zé)任重。有著合作基礎(chǔ)且嘗到了研發(fā)甜頭的劉仁生想起下一步的科研,于是就提出能不能研發(fā)一種能保護(hù)事故后井下被困礦工的設(shè)備。電光石火間的一個(gè)閃念,兩人一拍即合。“當(dāng)時(shí),劉仁生很爽快地答應(yīng)我,‘我出資金,您來研發(fā)’”,金龍哲告訴記者。隨后,在國家安監(jiān)總局規(guī)劃科技司的牽頭組織下,2006年,科技部正式批準(zhǔn)國家“十一五”科技支撐計(jì)劃專題“遇險(xiǎn)人員快速救護(hù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究”,明確子專題“可移動(dòng)式救生艙研究”項(xiàng)目由北京科技大學(xué)和潞安礦業(yè)集團(tuán)公司共同承擔(dān),主要開展為遇險(xiǎn)人員提供安全防護(hù)避險(xiǎn)空間,保障作業(yè)人員生命安全的礦用應(yīng)急技術(shù)與裝備的研究。金龍哲:從密閉空間到真實(shí)生存試驗(yàn)2006年,國內(nèi)救生艙研究工作尚處于空白狀態(tài)。井下所謂的避難峒室,就是在巷道旁邊的墻壁上掏一個(gè)槽,用于事故后藏身和躲避來往礦車,而但凡發(fā)生事故特別是瓦斯爆炸事故,造成礦工群死群傷的往往是事故發(fā)生后井下形成的高溫、高壓沖擊波,以及有毒有害氣體和缺氧的環(huán)境。如何在事故后為無法及時(shí)撤離的礦工提供一個(gè)生存空間,使他們能夠躲避爆炸沖擊,不受高溫?zé)煔?、有毒有害氣體傷害呢?“我們當(dāng)時(shí)最初的想法就是給事故后的井下工人一個(gè)生存空間”,金龍哲告訴記者。這個(gè)生存空間必須能夠?yàn)楸焕УV工提供氧氣、同時(shí)處理二氧化碳等有毒有害氣體。為了贏得較長的生存時(shí)間,這個(gè)生存空間還必須能夠?yàn)楸焕УV工提供充足的食物和水。這個(gè)生存空間還必須具備通訊、照明、監(jiān)測等功能,以引導(dǎo)外界救援。事后證實(shí),這一思路是正確的。隨后,金龍哲就帶領(lǐng)自己的學(xué)生,開始搜集資料,調(diào)研南非、美國、加拿大等國的礦山安全設(shè)備,救生艙課題組開始了起步。為了得到人體對(duì)密閉空間各類氣體成分、溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)的影響及其邊界條件,為礦用救生艙的設(shè)計(jì)提供依據(jù),在北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院辦公樓的地下室里,金龍哲帶領(lǐng)課題組多方籌措資金,搭建了第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)M艙,并配備了較齊全的環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備。就是在這個(gè)狹小的小艙室里面,課題組的同學(xué)們開始了自己真刀真槍的生存模擬試驗(yàn)。從最初的2h、4h、8h,一直到后來的12h、24h,“我們反反復(fù)復(fù)進(jìn)行的艙內(nèi)真人生存試驗(yàn)都不下四五十次了”,金龍哲告訴記者。真正投入試驗(yàn)后,各種意想不到的情況出現(xiàn)了?！霸囼?yàn)過程中,我們發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)溫濕度上升的非?？?關(guān)在里面的人很快就汗流浹背了?！薄叭绻皇峭瑢W(xué)們親身經(jīng)歷,這種情況可能就會(huì)忽略掉!”金龍哲告訴記者,“試驗(yàn)中,我們還發(fā)現(xiàn)了人體自身代謝過程中會(huì)產(chǎn)生多種微量有毒有害氣體,4人在密閉空間內(nèi)不到一天,一些有毒有害氣體濃度就超標(biāo)了?！睘榇?救生艙的設(shè)計(jì)在控溫除濕、循環(huán)凈化等方面投入了大量的精力。金龍哲:“可可以救生艙”是抗爆沖擊因此,為了檢驗(yàn)救生艙的外部防護(hù)水平,研究救生艙的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),就必須按照上述指標(biāo)對(duì)救生艙測試。但隔熱效果測試要求將救生艙置于持續(xù)260℃的大空間內(nèi),“試驗(yàn)了好幾次,都沒有合適的熱源?！痹囼?yàn)遇到了第一只攔路虎。經(jīng)過一番苦思冥想,金龍哲突然想起了自己在邯峰熱電廠當(dāng)工程師的博士生,能不能請他幫幫忙?電話溝通后,得知可以利用熱電廠的熱風(fēng)來營造高溫試驗(yàn)環(huán)境,課題組立即安排把救生艙拉到了河北省邯峰熱電廠,熱源問題迎刃而解。試驗(yàn)中,“制冷系統(tǒng)不行——替換,隔熱材料不行——替換,這樣的試驗(yàn)反反復(fù)復(fù)就做了近半年”,金龍哲告訴記者,直到最終符合隔熱要求。救生艙的另一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)是抗爆炸沖擊。為此,金龍哲又不遠(yuǎn)千里,將“可移動(dòng)式救生艙”拖到了重慶。煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院有一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)場所——清水溪瓦斯煤塵爆炸試驗(yàn)基地。實(shí)驗(yàn)基地坐落在一座山腳下,實(shí)驗(yàn)巷道就建在山里,有800多m長,全部是鋼筋混凝土澆灌而成,巷道設(shè)有液壓防爆門以控制出入,能承載巨大的瓦斯、煤塵爆炸壓力。在清水溪,爆炸試驗(yàn)先后進(jìn)行了5次,試驗(yàn)采用了200m3瓦斯+煤塵爆炸,救生艙就安裝在爆源點(diǎn)外120m。為了檢驗(yàn)艙體抗爆的性能,課題組在救生艙內(nèi)放置了小兔子,爆炸試驗(yàn)后艙內(nèi)的小兔子安然無恙,救生艙順利通過了防爆系數(shù)檢測?？萍疾俊笆晃濉笨萍贾斡?jì)劃對(duì)“可移動(dòng)式救生艙”提出的兩項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo),就是持續(xù)耐高溫和抗爆炸沖擊。其中,高溫環(huán)境的測試指標(biāo)要求達(dá)到260℃,抗爆炸沖擊力應(yīng)達(dá)到5MPa?？嗄M巷道內(nèi)注入的有害氣體經(jīng)過一系列的真人生存模擬試驗(yàn),課題組準(zhǔn)確得出了人體在救生艙內(nèi)各種不同強(qiáng)度的活動(dòng)狀態(tài)下氧氣的消耗量、二氧化碳的呼出量以及各種微量有毒有害氣體的產(chǎn)量等一系列重要指標(biāo)。救生艙樣艙加工完成后,為了測試救生艙的環(huán)境控制及生命保障能力,考察救生艙內(nèi)外儀器設(shè)備的性能、指標(biāo),2008年6月,金龍哲又帶領(lǐng)學(xué)生在山西潞安集團(tuán)模擬巷道中進(jìn)行了救生艙內(nèi)4人96h的連續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中為了模擬災(zāi)變實(shí)況,課題組甚至在試驗(yàn)控制室內(nèi)向模擬巷道內(nèi)注入了一定濃度的有毒有害氣體。按照預(yù)定方案,金龍哲的博士生汪聲和潞安集團(tuán)的一名工作人員,帶著兩名救護(hù)隊(duì)員進(jìn)入救生艙,連續(xù)生存96h。試驗(yàn)中,4人輪流值班,汪聲主要負(fù)責(zé)記錄救生艙里的儀表儀器運(yùn)行狀況,執(zhí)行外部監(jiān)控室發(fā)出的指令,以及觀察救生艙里面人員的身體狀況。“大大小小的實(shí)驗(yàn),我?guī)缀醵紖⒓舆^,但像這樣綜合進(jìn)行的還是頭一次?！蓖袈暩嬖V記者。“要連續(xù)4天96h完全在救生艙里生存,心里覺得還是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。”“在里面時(shí)間一長,人的生理機(jī)能就會(huì)下降,因?yàn)槔锩娴目諝赓|(zhì)量無法與外界大氣環(huán)境相比,狹小密閉空間也給人以壓迫感,在里面做同樣的工作,到第三天第四天的時(shí)候,就覺得有些累?！比虆⑴c試驗(yàn)的汪聲博士告訴記者,“我們都有些緊張”“出來后,每個(gè)人的體重都減了,兩個(gè)6斤,兩個(gè)8斤。”這次試驗(yàn)中,參與試驗(yàn)的人員還經(jīng)歷了有驚無險(xiǎn)的一幕。汪聲告訴記者,“做完試驗(yàn)出來后我才知道,實(shí)驗(yàn)中巷道里注入一氧化碳時(shí),部分氣體滲透到了緊挨著的監(jiān)測監(jiān)控室,導(dǎo)致監(jiān)測監(jiān)控室人員緊急疏散。當(dāng)時(shí)張志鈺總工程師說,自己承諾過要一直監(jiān)控艙內(nèi)人員的安全狀況,所以堅(jiān)決不肯撤離,而在救生艙里面,我們對(duì)外面發(fā)生的一切渾然不覺?！本壬撛谠O(shè)計(jì)、工藝上的特殊性課題組經(jīng)歷了許多難以想象的困難,終于取得了成功。在礦用可移動(dòng)式救生艙驗(yàn)收暨技術(shù)研討會(huì)上,國家安監(jiān)總局副局長楊元元指出:“礦用可移動(dòng)式救生艙的研發(fā)成功,增加了煤礦事故發(fā)生后礦工生還和成功救援的概率,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著重要的作用”。可移動(dòng)式礦用救生艙主要適用于煤礦或非煤礦山井下發(fā)生的各類爆炸,煤與瓦斯突出、冒頂、外因火災(zāi)等事故現(xiàn)場的人員避難,也可作為日常的礦井氣體監(jiān)控設(shè)施、礦難時(shí)井下臨時(shí)指揮與調(diào)度場所使用。救生艙在設(shè)計(jì)上充分考慮了使用現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性。艙體采用了堅(jiān)固的鋼制外殼和分體式組裝結(jié)構(gòu),可拆卸后進(jìn)入礦井,在井下根據(jù)需要進(jìn)行組裝,外部鋼結(jié)構(gòu)可抵御爆炸沖擊波等災(zāi)害,內(nèi)部防火、防銹、防腐特殊設(shè)計(jì)能有效阻隔艙外熱量傳遞以及有毒有害氣體侵入。艙內(nèi)配備有巷道內(nèi)氣體、溫度、壓力等參數(shù)的檢測系統(tǒng),以及可獨(dú)立工作的動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和必要的保護(hù)結(jié)構(gòu)。以供氧系統(tǒng)來說,艙內(nèi)可通過多種方式供氧,實(shí)現(xiàn)了生命保障多級(jí)防護(hù),確保某個(gè)系統(tǒng)故障時(shí)有備用措施。艙體有獨(dú)立的生命維持系統(tǒng),在沒有外界動(dòng)力支持條件下,仍然可提供8人4天的生存保障。在設(shè)計(jì)上,研發(fā)人員還強(qiáng)化了救生艙與礦井各種網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接功能,支持目前煤礦中的通訊、電力等系統(tǒng)接入。在救生艙內(nèi)還針對(duì)特殊情況設(shè)計(jì)了觀察窗和緊急逃生裝置。這些細(xì)微設(shè)計(jì),獲得了評(píng)審專家的一致好評(píng)。目前,國家煤礦安全監(jiān)察局已將建設(shè)煤礦井下避難所(救生艙)應(yīng)用試點(diǎn)工作,列為2010年煤礦安全改造項(xiàng)目的