國內(nèi)外煤礦安全設備的研究與應用

國內(nèi)外煤礦安全設備的研究與應用

由于公共資源的特殊生產(chǎn)環(huán)境，經(jīng)常發(fā)生重大的安全事件，如磚瓦爆炸和火災，這嚴重破壞了采礦業(yè)的安全生產(chǎn)。如果發(fā)生事故，損失是非常大的。井下事故發(fā)生之后,對遇困礦工的保護和營救是一件極為重要的大事,因此煤礦安全設備顯得尤為重要。1術開發(fā)的重視不夠煤礦的安全問題一直受到關注,但對安全設備的技術開發(fā)卻是在近幾年才開始受到重視。目前,煤礦安全設備主要包括監(jiān)測設備和救生設備,前者有:瓦斯監(jiān)測、頂板監(jiān)測等;后者有:救生艙、避難硐室等。1.1采空氣污染的環(huán)境預測系統(tǒng)礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)是從煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的遙控、遙測技術中發(fā)展起來的。在應急救援系統(tǒng)中,安全監(jiān)測是重要環(huán)節(jié),它利用災害自動預測預報系統(tǒng)對工作面進行監(jiān)控,主要進行監(jiān)測的有:井下煤層厚度及其變化,頂?shù)装鍘r層組合及其空間分布、構造(斷層、褶曲),礦井水文地質及瓦斯地質,煤層中的地質異常體(巖漿巖侵入體、巖溶陷落柱和煤層沖刷),煤層夾矸、地應力、地溫、工作面頂板狀態(tài)、瓦斯爆炸、地熱害以及由它們誘發(fā)的地震、突水、煤與瓦斯突出等。繼20世紀50年代采煤機械化的出現(xiàn),引起了煤炭工業(yè)第一次技術革命,從60年代初期,國外就已經(jīng)開始對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測進行了研究。早期的監(jiān)測系統(tǒng)一般是為井下某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)或某一監(jiān)測目的而設計的,系統(tǒng)的容量不大。70年代由于小型和大型計算機的出現(xiàn),加上新的數(shù)據(jù)傳輸和處理技術在煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中的應用,使德國、美國、英國的監(jiān)測系統(tǒng)取得了很大進展,近年來各國的監(jiān)測系統(tǒng)已逐漸從單獨的生產(chǎn)監(jiān)測與安全監(jiān)控轉變?yōu)橐粋€綜合系統(tǒng),英國、美國、日本、德國都在不同范圍和程度上有所發(fā)展和應用。當前各國礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)都處在發(fā)展階段中,生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測量較大,而在環(huán)境安全監(jiān)測方面,除德國比較齊全外,其它國家目前裝備數(shù)量為數(shù)尚少。這些國家的礦井監(jiān)測系統(tǒng)雖不多,其技術水平也不同,但近十幾年來井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在預防惡性爆炸事故中,發(fā)揮了重要作用。1.2礦井救生設備的安全政策及技術標準井下救生設備是在避災路線上設置的避難空間,供遇險人員在逃生路徑被阻和逃生不能的情況下避險待救。世界主要采煤國家開發(fā)應用的救生設備主要有避難硐室和可移動式救生艙兩種類型。避難硐室是在礦井避災路線的井巷兩側地層中直接挖掘洞穴或利用兩條巷道間的聯(lián)絡巷,配備必要的避險設施而成?？梢苿邮骄壬撌侵缚梢酝ㄟ^牽引、吊裝等方式實現(xiàn)移動的救生裝置。世界上主要產(chǎn)煤國已經(jīng)利用集成機械設計、電子控制、通風設備、粉塵控制和抑制技術來制造礦井救生設備,為礦井發(fā)生事故后無法及時撤離的礦工提供一個安全的密閉空間,對外能抵御爆炸沖擊,隔絕有毒有害氣體,對內(nèi)能為被困礦工提供氧氣、食物、水,去除有毒有害氣體,為礦工贏得較長的生存時間,同時通過艙內(nèi)通信監(jiān)測設備,引導外界救援,具備氣密性、隔熱性、供氧、有害氣體去除、氣體監(jiān)測、通信指示、生存保障等功能,防護時間一般為24~48h。美國、澳大利亞、加拿大等傾向于救生艙不使用電源,以免產(chǎn)生電氣不安全因素,而南非采用鉛酸蓄電池。加拿大、美國、澳大利亞等國家已紛紛制定煤礦救生設備的相關法規(guī)和技術標準,這些安全法規(guī)和技術標準對推廣、使用礦用救生艙有著硬性的規(guī)定。在相關政策法規(guī)的支持下,歐美各國十分重視礦山應急救援工作及相關研究,投入了大量的資金,一些具有較強科研實力的企業(yè)參與其中,如澳大利亞的MineARC系統(tǒng)公司、Shairzal安全工程公司、Cowan制造有限責任公司、美國杰克·肯尼迪金屬制品公司、現(xiàn)代礦業(yè)安全支持有限公司等。在美國,避難硐室和救生艙被公認為是一項成熟有效的技術,并有多次成功營救的經(jīng)驗作為證明。2國內(nèi)救生艙研究現(xiàn)狀我國煤礦的監(jiān)測監(jiān)控技術應用較晚,主要通過技術引進的方式發(fā)展起來。20世紀80年代后,我國先后從國外引入數(shù)十套綜合型監(jiān)控系統(tǒng),如美國的SCADA系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、德國的TF-200系統(tǒng)、法國的CTT63/40系統(tǒng)、加拿大的森透里昂系統(tǒng)。在引進的同時,通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況,先后研制KJZ、KJ4、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJSO、KJ92等監(jiān)控系統(tǒng)。然而,我國煤炭安全監(jiān)測設備一直未受足夠重視。從系統(tǒng)集成來看,有關安全監(jiān)測設備的自動化水平相對較低;從產(chǎn)業(yè)角度看,目前煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)軟硬件研發(fā)和服務保障系統(tǒng)相對滯后,研發(fā)力量薄弱,適合煤礦行業(yè)特點和需求的軟硬件與電子專用設備、儀器目前仍比較缺乏,還難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求和技術升級的需要。中國煤礦井下救生設置基本利用避難硐室,中國大型煤礦的救生設備,特別是國際上推崇的移動式救生艙在現(xiàn)階段配備率低。目前,我國在礦用救生艙、避難所等方面的研究已經(jīng)開展,尚未形成規(guī)模。與國外相比,國內(nèi)對礦用移動式救生艙的研究起步較晚,但我國救生艙的研究具備了高起點的特點,在充分借鑒國外成功經(jīng)驗和做法的基礎上,將潛艇、船舶、高樓逃生等領域的一些高新技術用于救生艙研發(fā),提高了技術含量。同時具備航空、潛艇等研發(fā)背景的機構進入救生艙研發(fā)領域,有力地推進了研發(fā)進程。從已研制出的產(chǎn)品看,我國產(chǎn)品的功能要求和環(huán)境適應性要求高于國外產(chǎn)品,但從總體上看,我國救生艙的研發(fā)尚處于探索初期,技術引進或相關領域技術的采用尚處于組裝、仿造、借用階段。研制出的救生艙基本未經(jīng)實踐檢驗,需通過使用后再不斷優(yōu)化調(diào)整,也尚需通過試點試用和總結,建立產(chǎn)品標準和設計、安裝、使用、維護、管理規(guī)范,以推動井下緊急避險設施的建設和發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計,到目前為止,國內(nèi)有十幾家企事業(yè)單位在進行礦用救生艙的研制工作,相關企業(yè)還與澳大利亞、美國等公司開展了有效的國際合作,具體有:1)北京科技大學承擔的“十一五”國家科技支撐計劃對救生艙的研究進展較快,2008年7月,在山西潞安集團模擬巷道內(nèi)完成了4人、96h的安全驗證試驗。2)陜西重生礦業(yè)科技有限公司與北京科技大學、山西潞安集團聯(lián)合研制的移動式救生艙獲得了國內(nèi)首個煤礦救生艙安標許可認證。3)黑龍江龍煤機械裝備制造公司的救生艙也取得了階段性的進展。4)林州重機(上市公司)在2011年1月21日公告,稱對其鄂爾多斯全資子公司進行增資,并在經(jīng)營范圍中增加煤礦用救生艙的銷售。隨著我國對礦用救生艙、避難所的研究逐步開展,國家也開始從政策層面上重視煤礦安全設備。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局將救生艙技術研究列入“十一五”國家科技支撐計劃,并取得開創(chuàng)性成果。2009年12月,國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦井下避難所試點建設基本要求》,提出了可移動式救生艙的基本功能要求。2010年7月國務院下發(fā)通知,要求煤礦和非煤礦山要在3年內(nèi)完成包括緊急避險系統(tǒng)在內(nèi)的“六大系統(tǒng)”。隨后,國家安監(jiān)總局也下發(fā)通知,要求“必須在距離工作面500m范圍內(nèi)建設避難硐室或設置救生艙”。3煤炭安全設備的發(fā)展趨勢3.1頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)由于瓦斯爆炸、運輸以及火災水災事故發(fā)生機理相對單一,并有相關的技術標準和行業(yè)規(guī)定技術要求,因此通常防治重點在此類事故上,相應的產(chǎn)品較多,市場也較為成熟。而頂板事故和沖擊地壓事故發(fā)生機理十分復雜,相關安全防治領域涉及多學科交叉,需要有相當深入的科學研究和產(chǎn)品研發(fā)的積累,進入門檻較高,目前國內(nèi)對該領域研究較少。隨著我國煤礦開采深度的不斷加深,頂板事故在事故次數(shù)和死亡人數(shù)上逐漸超過了瓦斯事故,成為死亡人數(shù)最多的礦災事故(見表1)。此類事故小至巖塊脫落,大至工作面冒頂,頻頻發(fā)生,已成為礦山安全生產(chǎn)管理的重點和難點。從表1可知,在三大煤礦事故中,頂板事故居首位。頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)的客戶主要集中在大中型煤礦,目前國內(nèi)年產(chǎn)100萬t以上的大型煤礦約1000家,但截止到目前,國內(nèi)頂板安全監(jiān)控系統(tǒng)的銷售量僅約為400套,以每個煤礦2個工作面計算,安裝率僅為20%。目前國內(nèi)涉及煤礦監(jiān)測系統(tǒng)研制的企業(yè)有三十余家,其中大部分企業(yè)以生產(chǎn)監(jiān)測儀器儀表為主,除尤洛卡可以提供高端系統(tǒng)產(chǎn)品的企業(yè)外,僅濟南科泰測控技術有限公司、天地科技股份有限公司兩家,且均非其主營業(yè)務。未來隨著國內(nèi)煤礦的整合,大型煤礦數(shù)量還會進一步提升。保守測算,現(xiàn)階段進行中的煤礦企業(yè)整合結束后,年產(chǎn)100萬t以上的煤礦可能達到2000~2500家,頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)仍有很大的潛在市場空間。3.2救生艙研究趨勢及應用趨勢南非、美國、澳大利亞、加拿大等主要采煤國對煤礦井下避難所的設置均有明確的規(guī)定,從其配置情況來看,一般是硐室和移動救生艙配合使用。但由于移動式救生艙能夠隨著作業(yè)場所變遷而移動,可根據(jù)需要改變架設位置,具有方便靈活的特點,應用范圍也更廣一些。我國相關政策的出臺以及智利救援成功的事實,為我國的救生艙制造業(yè)帶來了發(fā)展的新機遇,包括救生艙生產(chǎn)標準在內(nèi)的煤礦井下