礦用可移動式救生艙關鍵技術研究

礦用可移動式救生艙關鍵技術研究

2010年3月10日，在北京大學綜合研討會的主席職位陸建章教授和非煤礦山組負責人王旭光教授進行了討論后，他們共同發(fā)表了結論?！袄妹旱V移動救生室的關鍵研究成果，為當?shù)丨h(huán)境提供安全保障，提供援助和安全保護，為礦工救援活動的時間創(chuàng)造條件，并經(jīng)評估。”。由此,這項耗時4年、歷經(jīng)上百次試驗的礦用可移動式救生艙誕生了。合作研發(fā)礦山的可實現(xiàn)途徑說起礦用可移動式救生艙的研發(fā),得益于兩個關鍵性的人物,一個是北京科技大學土木與環(huán)境工程學院黨委書記、副院長金龍哲,另一個是潞安集團副總經(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,并由此榮獲了2003年國家科技進步二等獎、中國煤炭工業(yè)科學技術特等獎、全國煤炭系統(tǒng)十佳科技成果獎。2010年3月23日,在北京科技大學土木樓辦公室里,金龍哲向記者介紹了合作研發(fā)礦用可移動式救生艙的相關情況。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行將告成,在等專家組鑒定意見的時候,兩人湊到一起聊上了。話題自然就扯到了當時頻發(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,越聊越覺得責任重。有著合作基礎且嘗到了研發(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)一種能保護事故后井下被困礦工的設備。電光石火間的一個閃念,兩人一拍即合。“當時,劉仁生很爽快地答應我,‘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,科技部正式批準國家“十一五”科技支撐計劃專題“遇險人員快速救護關鍵技術與裝備的研究”,明確子專題“可移動式救生艙研究”項目由北京科技大學和潞安礦業(yè)集團公司共同承擔,主要開展為遇險人員提供安全防護避險空間,保障作業(yè)人員生命安全的礦用應急技術與裝備的研究。金龍哲:從密閉空間到真實生存試驗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撤離的礦工提供一個生存空間,使他們能夠躲避爆炸沖擊,不受高溫煙氣、有毒有害氣體傷害呢?“我們當時最初的想法就是給事故后的井下工人一個生存空間”,金龍哲告訴記者。這個生存空間必須能夠為被困礦工提供氧氣、同時處理二氧化碳等有毒有害氣體。為了贏得較長的生存時間,這個生存空間還必須能夠為被困礦工提供充足的食物和水。這個生存空間還必須具備通訊、照明、監(jiān)測等功能,以引導外界救援。事后證實,這一思路是正確的。隨后,金龍哲就帶領自己的學生,開始搜集資料,調研南非、美國、加拿大等國的礦山安全設備,救生艙課題組開始了起步。為了得到人體對密閉空間各類氣體成分、溫度、濕度等相關參數(shù)的影響及其邊界條件,為礦用救生艙的設計提供依據(jù),在北京科技大學土木與環(huán)境工程學院辦公樓的地下室里,金龍哲帶領課題組多方籌措資金,搭建了第一臺實驗模擬艙,并配備了較齊全的環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控設備。就是在這個狹小的小艙室里面,課題組的同學們開始了自己真刀真槍的生存模擬試驗。從最初的2h、4h、8h,一直到后來的12h、24h,“我們反反復復進行的艙內(nèi)真人生存試驗都不下四五十次了”,金龍哲告訴記者。真正投入試驗后,各種意想不到的情況出現(xiàn)了?！霸囼炦^程中,我們發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)溫濕度上升的非?？?關在里面的人很快就汗流浹背了?！薄叭绻皇峭瑢W們親身經(jīng)歷,這種情況可能就會忽略掉!”金龍哲告訴記者,“試驗中,我們還發(fā)現(xiàn)了人體自身代謝過程中會產(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了?！睘榇?救生艙的設計在控溫除濕、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,為了檢驗救生艙的外部防護水平,研究救生艙的設計標準,就必須按照上述指標對救生艙測試。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),“試驗了好幾次,都沒有合適的熱源?！痹囼炗龅搅说谝恢粩r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來營造高溫試驗環(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。試驗中,“制冷系統(tǒng)不行——替換,隔熱材料不行——替換,這樣的試驗反反復復就做了近半年”,金龍哲告訴記者,直到最終符合隔熱要求。救生艙的另一項關鍵性技術指標是抗爆炸沖擊。為此,金龍哲又不遠千里,將“可移動式救生艙”拖到了重慶。煤炭科學研究總院重慶研究院有一個專門的實驗場所——清水溪瓦斯煤塵爆炸試驗基地。實驗基地坐落在一座山腳下,實驗巷道就建在山里,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,爆炸試驗先后進行了5次,試驗采用了200m3瓦斯+煤塵爆炸,救生艙就安裝在爆源點外120m。為了檢驗艙體抗爆的性能,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。科技部“十一五”科技支撐計劃對“可移動式救生艙”提出的兩項關鍵性的技術指標,就是持續(xù)耐高溫和抗爆炸沖擊。其中,高溫環(huán)境的測試指標要求達到260℃,抗爆炸沖擊力應達到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,課題組準確得出了人體在救生艙內(nèi)各種不同強度的活動狀態(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。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)外儀器設備的性能、指標,2008年6月,金龍哲又帶領學生在山西潞安集團模擬巷道中進行了救生艙內(nèi)4人96h的連續(xù)試驗。試驗中為了模擬災變實況,課題組甚至在試驗控制室內(nèi)向模擬巷道內(nèi)注入了一定濃度的有毒有害氣體。按照預定方案,金龍哲的博士生汪聲和潞安集團的一名工作人員,帶著兩名救護隊員進入救生艙,連續(xù)生存96h。試驗中,4人輪流值班,汪聲主要負責記錄救生艙里的儀表儀器運行狀況,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。“大大小小的實驗,我?guī)缀醵紖⒓舆^,但像這樣綜合進行的還是頭一次。”汪聲告訴記者?！耙B續(xù)4天96h完全在救生艙里生存,心里覺得還是個很大的挑戰(zhàn)?！薄霸诶锩鏁r間一長,人的生理機能就會下降,因為里面的空氣質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候,就覺得有些累?！比虆⑴c試驗的汪聲博士告訴記者,“我們都有些緊張”“出來后,每個人的體重都減了,兩個6斤,兩個8斤?！边@次試驗中,參與試驗的人員還經(jīng)歷了有驚無險的一幕。汪聲告訴記者,“做完試驗出來后我才知道,實驗中巷道里注入一氧化碳時,部分氣體滲透到了緊挨著的監(jiān)測監(jiān)控室,導致監(jiān)測監(jiān)控室人員緊急疏散。當時張志鈺總工程師說,自己承諾過要一直監(jiān)控艙內(nèi)人員的安全狀況,所以堅決不肯撤離,而在救生艙里面,我們對外面發(fā)生的一切渾然不覺?！本壬撛谠O計、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。在礦用可移動式救生艙驗收暨技術研討會上,國家安監(jiān)總局副局長楊元元指出:“礦用可移動式救生艙的研發(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,對煤礦安全生產(chǎn)有著重要的作用”。可移動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)控設施、礦難時井下臨時指揮與調度場所使用。救生艙在設計上充分考慮了使用現(xiàn)場環(huán)境的復雜性和惡劣性。艙體采用了堅固的鋼制外殼和分體式組裝結構,可拆卸后進入礦井,在井下根據(jù)需要進行組裝,外部鋼結構可抵御爆炸沖擊波等災害,內(nèi)部防火、防銹、防腐特殊設計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),以及可獨立工作的動力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和必要的保護結構。以供氧系統(tǒng)來說,艙內(nèi)可通過多種方式供氧,實現(xiàn)了生命保障多級防護,確保某個系統(tǒng)故障時有備用措施。艙體有獨立的生命維持系統(tǒng),在沒有外界動力支持條件下,仍然可提供8人4天的生存保障。在設計上,研發(fā)人員還強化了救生艙與礦井各種網(wǎng)絡的對接功能,支持目前煤礦中的通訊、電力等系統(tǒng)接入。在救生艙內(nèi)還針對特殊情況設計了觀察窗和緊急逃生裝置。這些細微設計,獲得了評審專家的一致好評。目前,國家煤礦安全監(jiān)察局已將建設煤礦井下避難所(救生艙)應用試點工作,列為2010年煤礦安全改造項目的