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，他們共同發表了結論。“利用煤礦移動救生室的關鍵研究成果，為當地環境提供安全保障，提供援助和安全保護，為礦工救援活動的時間創造條件，并經評估?！?。由此,這項耗時4年、歷經上百次試驗的礦用可移動式救生艙誕生了。合作研發礦山的可實現途徑說起礦用可移動式救生艙的研發,得益于兩個關鍵性的人物,一個是北京科技大學土木與環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理劉仁生。兩人多年前曾經聯合研發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、中國煤炭工業科學技術特等獎、全國煤炭系統十佳科技成果獎。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合研發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甜頭的劉仁生想起下一步的科研,于是就提出能不能研發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?！爱敃r,劉仁生很爽快地答應我,‘我出資金,您來研發’”,金龍哲告訴記者。隨后,在國家安監總局規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,國內救生艙研究工作尚處于空白狀態。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、濕度等相關參數的影響及其邊界條件,為礦用救生艙的設計提供依據,在北京科技大學土木與環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境監測監控設備。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了?！霸囼炦^程中,我們發現艙內溫濕度上升的非?？?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,我們還發現了人體自身代謝過程中會產生多種微量有毒有害氣體,4人在密閉空間內不到一天,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260℃的大空間內,“試驗了好幾次,都沒有合適的熱源。”試驗遇到了第一只攔路虎。經過一番苦思冥想,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,課題組在救生艙內放置了小兔子,爆炸試驗后艙內的小兔子安然無恙,救生艙順利通過了防爆系數檢測?？萍疾俊笆晃濉笨萍贾斡媱潓Α翱梢苿邮骄壬摗碧岢龅膬身楆P鍵性的技術指標,就是持續耐高溫和抗爆炸沖擊。其中,高溫環境的測試指標要求達到260℃,抗爆炸沖擊力應達到5MPa。苦模擬巷道內注入的有害氣體經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各種不同強度的活動狀態下氧氣的消耗量、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境控制及生命保障能力,考察救生艙內外儀器設備的性能、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4人96h的連續試驗。試驗中為了模擬災變實況,課題組甚至在試驗控制室內向模擬巷道內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,執行外部監控室發出的指令,以及觀察救生艙里面人員的身體狀況。“大大小小的實驗,我幾乎都參加過,但像這樣綜合進行的還是頭一次?！蓖袈暩嬖V記者?！耙B續4天96h完全在救生艙里生存,心里覺得還是個很大的挑戰。”“在里面時間一長,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。”這次試驗中,參與試驗的人員還經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測監控室,導致監測監控室人員緊急疏散。當時張志鈺總工程師說,自己承諾過要一直監控艙內人員的安全狀況,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,國家安監總局副局長楊元元指出:“礦用可移動式救生艙的研發成功,增加了煤礦事故發生后礦工生還和成功救援的概率,對煤礦安全生產有著重要的作用”?？梢苿邮降V用救生艙主要適用于煤礦或非煤礦山井下發生的各類爆炸,煤與瓦斯突出、冒頂、外因火災等事故現場的人員避難,也可作為日常的礦井氣體監控設施、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場環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,在井下根據需要進行組裝,外部鋼結構可抵御爆炸沖擊波等災害,內部防火、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。艙內配備有巷道內氣體、溫度、壓力等參數的檢測系統,以及可獨立工作的動力系統、環境控制系統和必要的保護結構。以供氧系統來說,艙內可通過多種方式供氧,實現了生命保障多級防護,確保某個系統故障時有備用措施。艙體有獨立的生命維持系統,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,研發人員還強化了救生艙與礦井各種網絡的對接功能,支持目前煤礦中的通訊、電力等系統接入。在救生艙內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