王 巖，韓海榮

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100053；2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團有限公司，北京100011）

作為能源消費大國，煤炭在我國能源生產(chǎn)的大格局中占有絕對的比重（達(dá)到近70%）。我國的煤炭產(chǎn)量雖然只占世界煤炭產(chǎn)量的1/3，但煤礦礦難死亡人數(shù)占世界煤礦事故死亡人數(shù)的4/5，其中絕大多數(shù)都是由于災(zāi)難所形成的有毒煙氣隨風(fēng)流蔓延，導(dǎo)致井下人員中毒、室息而死亡[1-3]。應(yīng)對的方法之一就是在礦工避災(zāi)路線上每隔一定距離設(shè)置一些救生艙。救生艙是一種自身能夠抵御來自礦井常見災(zāi)害沖擊的獨立空間，空間內(nèi)部有足以維持?jǐn)?shù)日的生活必需品和其他輔助設(shè)施，災(zāi)害發(fā)生后井下被困人員可以在空間內(nèi)進行避難，以待救援。

目前，南非、加拿大、美國、澳大利亞等采礦業(yè)發(fā)達(dá)國家，結(jié)合多次井下礦難成功營救的經(jīng)驗，在礦難應(yīng)急救援工作中對救生艙的使用進行了大量的研究，并制定了完善的救生艙標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）[4-6]。在我國，救生艙的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)越來越受到國家相關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)的高度關(guān)注和大力支持，所以有必要了解和學(xué)習(xí)美國等發(fā)達(dá)國家的救生艙研究經(jīng)驗，結(jié)合我國煤礦的特點，改善我國煤礦安全在救援方面的技術(shù)不足，全面提升我國煤礦應(yīng)急救援系統(tǒng)的技術(shù)水平，這對于減少我國礦難損失有十分重要的意義。

1 國外救生艙發(fā)展現(xiàn)狀

在一些礦業(yè)發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)制訂出較為完善的救生艙標(biāo)準(zhǔn)。以美國為例，美國礦山安全與健康管理局（MSHA）和國際職業(yè)安全及健康學(xué)會（NIOSH）聯(lián)合制訂了美國救生艙標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)），對救生艙艙體材料、抗震強度、艙內(nèi)噪聲等級、溫度、空氣質(zhì)量及各個組件的功能等做了詳細(xì)的規(guī)定，使設(shè)計出的救生艙已能夠?qū)崿F(xiàn)在美國煤礦事故中避難。但標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一些要求應(yīng)用在我國中、小型煤礦，且易于發(fā)生瓦斯爆炸的事故的煤礦中有些缺陷還有待完善，具體表現(xiàn)在：

（1）據(jù)美國1995～2000年煤礦死亡性事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，美國煤礦事故類型主要以動力運輸事故、冒頂片幫事故和機械事故為主，其標(biāo)準(zhǔn)中對艙體的抗沖擊強度要求較低。我國煤礦事故主要以瓦斯爆炸為主，對救生艙艙體的強度要求較高，必須保證能夠抵御瓦斯（瓦斯與煤塵混合物）爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓。

（2）國外的救生艙多數(shù)是整體式鋼結(jié)構(gòu)，體積較大，這是根據(jù)國外的煤礦特點和礦工人員體積特點而設(shè)計的，該結(jié)構(gòu)的救生艙只能依靠車輛、軌道等在井下拖曳行進以改變架設(shè)位置。針對我國中、小型煤礦多的特點，我國的救生艙艙體設(shè)計應(yīng)以分體式為主，這樣可以提高艙體的靈活性，便于救生艙下井和安裝。

（3）艙內(nèi)采用普通空調(diào)來控制溫濕度，暴露在外的空氣壓縮機的防爆問題很難解決，當(dāng)災(zāi)變發(fā)生后，若外部供電系統(tǒng)被破壞，則只能靠艙內(nèi)有限的蓄電池來供電維持系統(tǒng)的運行，從而需要儲備大量的電能，那么蓄電池體積過大，從而將產(chǎn)生成本、維護費用、安全隱患等一系列問題。

（4）國外的救生艙艙體多數(shù)采用具有較好傳熱性能的材料，將艙內(nèi)人員和設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳到艙外，以緩解密閉空間內(nèi)溫度過高給人體帶來的不適。而我國救生艙必須使用保溫隔熱材料，以抵御火災(zāi)爆炸事故產(chǎn)生的高溫，避免艙外的高溫傳到艙內(nèi)將對艙內(nèi)避難人員造成威脅。

我國目前沒有制定有關(guān)救生艙設(shè)計和使用的標(biāo)準(zhǔn)，但頻發(fā)的煤礦事故迫使我們盡快完善我國的煤礦應(yīng)急救援體系，因而必須借鑒和參考國外已有的標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合我國煤礦的實際特點和開采方式來制定適合我國煤礦使用的救生艙標(biāo)準(zhǔn)。

2 救生艙艙體結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7-8]，救生艙要為每個人提供至少1.4 m2面積和1.7 m3空間（根據(jù)采礦工作面高度的不同，空間體積要求不同，見表1）。艙內(nèi)要保證正壓，以防止艙外有毒有害氣體進入艙內(nèi)，同時要防止過壓的產(chǎn)生，可以通過穩(wěn)壓器等裝置調(diào)節(jié)控制壓力，安全泄壓閥應(yīng)設(shè)置在1.24 kPa，以避免過壓對設(shè)備和人員造成傷害。救生艙內(nèi)要能夠放置一定數(shù)量的擔(dān)架。

表1 不同采礦高度下每人所占空間體積

要對整艙結(jié)構(gòu)進行爆炸測試，保證救生艙能夠抵御初次爆炸，即能承受103.35 kPa 的壓力0.2 s，149 ℃的瞬間高溫3 s，在爆炸后要保證艙體的密閉性良好，沒有有毒有害氣體進入，各個組件能夠正常工作，同時能夠受二次爆炸的沖擊。救生艙應(yīng)進行防撕裂、防穿透試驗，保證艙體能夠抵御來自水平方向和垂直方向的沖擊波。充氣式救生艙，有被劃破和漏氣的可能，一旦有這種情況發(fā)生，要保證在10 min內(nèi)修復(fù)。救生艙組件應(yīng)采用阻燃材料，該材料能夠抵御火災(zāi)侵襲。適時對艙外瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，以供艙內(nèi)人員決定是否采取逃離行動。

要對礦工進行培訓(xùn)，確保礦難發(fā)生時能夠通過呼吸自救器維持礦工60 min的呼吸，其中前30 min內(nèi)試圖撤離危險區(qū)域，如果無法逃離，再考慮進入救生艙。如果順利進入救生艙，保證在10 min內(nèi)通過艙內(nèi)外壓力差建立起一個安全的密閉空間，并在接下來的20 min內(nèi)凈化艙內(nèi)的空氣，建立起一個能夠為避難人員提供生存環(huán)境的密閉空間。

定期對艙內(nèi)的藥品進行更換和對儀器進行監(jiān)測；同時，為了防止隨意更換和偷竊行為的發(fā)生，要對每次進入艙內(nèi)的情況進行監(jiān)控。

3 救生艙組件的通用要求

救生艙及其組件必須達(dá)到MSHA 中規(guī)定的要求：

（1）救生艙內(nèi)電器設(shè)備防爆類型為本質(zhì)安全型，以保證能夠承受二次爆炸的沖擊。

（2）救生艙及其組件所產(chǎn)生的連續(xù)噪音要小于85 dB，避免對通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾及對避難人員聽力造成傷害。

（3）救生艙及其組件自身不能釋放有毒有害氣體，可移動艙體能夠承受運輸和移動過程中造成的損壞，內(nèi)部組件要經(jīng)過防震測試。

（4）救生艙各組件應(yīng)是防水、防塵、防腐蝕，并且不需使用任何工具就可開啟和關(guān)閉。

（5）救生艙及其組件或設(shè)備上應(yīng)貼有相應(yīng)的使用指南，并防止其損壞或脫落。同時，救生艙顯要位置處應(yīng)貼有故障維護和修理說明，并標(biāo)明該艙同一時間內(nèi)可容納最多人數(shù)。

4 救生艙內(nèi)部系統(tǒng)

救生艙內(nèi)部生存系統(tǒng)主要包括供氧系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、空氣監(jiān)測系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和附屬設(shè)備等。

4.1 供氧系統(tǒng)

救生艙采取壓縮空氣、壓縮氧氣、壓風(fēng)管道三級供氧系統(tǒng)，保證災(zāi)變后供氧系統(tǒng)仍能夠提供連續(xù)96 h 供應(yīng)。艙內(nèi)O2濃度應(yīng)維持在18.5～23%之間，供氧系統(tǒng)確保為避難人員提供最低流速為0.623 L/(min·人)的氧氣，或最低流率為353.75 L/(min·人)的凈化空氣，氧氣流速不能過大，防止氧氣濃度過高發(fā)生氧氣中毒。

4.2 空氣凈化系統(tǒng)

救生艙空氣凈化系統(tǒng)主要包括對CO、CO2等有毒有害氣體的凈化。

4.2.1 CO凈化

救生艙中的門艙作為艙內(nèi)外的緩沖空間，應(yīng)具有去除有毒有害氣體的能力，或在門艙內(nèi)配置一種設(shè)備來隔絕有害氣體，應(yīng)控制CO 濃度在0.002 5%以下。

4.2.2 CO2凈化

艙中應(yīng)采用方法控制CO2平均濃度不超過1.0%，且變化幅度不超過2.5%。CO2凈化系統(tǒng)可以是被動吸收，也可以主動吸收。被動吸收CO2系統(tǒng)主要依靠自然風(fēng)流的作用使CO2與吸收劑（LiOH、堿石灰或其他藥劑）發(fā)生反應(yīng)，通常采取掛簾方式，見圖1。主動吸收系統(tǒng)通過風(fēng)扇、壓風(fēng)機等產(chǎn)生風(fēng)流使空氣流過化學(xué)吸收床，主動吸收的效率通常比被動吸收的效率高。CO2凈化系統(tǒng)要與壓縮空氣瓶、氧氣瓶配合使用，見圖2。CO2吸收率要保持在0.5 L/(min·人)。

圖1 CO2吸收簾

圖2 凈化系統(tǒng)與氧氣瓶

4.2.3 凈化藥劑

有害氣體的去除劑不能是可懸浮顆?；蛘吣軌蛞鸷粑贝佟⒓毙圆涣挤磻?yīng)的藥劑。對具有腐蝕性或可導(dǎo)致灼傷的藥劑，要進行包裝。

4.3 空氣監(jiān)測系統(tǒng)

救生艙空氣監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測艙內(nèi)O2、CO2、CO、CH4等氣體的濃度。氣體濃度超標(biāo)時，監(jiān)測系統(tǒng)能夠發(fā)出警報。監(jiān)測內(nèi)容包括艙內(nèi)氣體濃度和艙外氣體濃度。

（1）艙內(nèi)氣體濃度監(jiān)測：避難人員通過空氣監(jiān)測組件的數(shù)據(jù)判定艙內(nèi)環(huán)境是否適宜避難人員生存。

（2）艙外氣體濃度監(jiān)測：除了能夠監(jiān)測O2、CO2、CO、CH4，還應(yīng)監(jiān)測礦井中常年積累的有毒有害氣體，如H2S、SO2或揮發(fā)性碳?xì)浠衔锏葰怏w。對艙外的氣體依實際情況進行定期監(jiān)測，而不需要持續(xù)監(jiān)測。艙外氣體濃度的監(jiān)測結(jié)果，作為選擇逃生路線的參考信息，同時將必要的信息傳遞給地面救援人員，使其做出正確的應(yīng)急救援決定。

4.4 溫濕度控制系統(tǒng)

艙內(nèi)的熱量來源主要是CO2吸收產(chǎn)生的反應(yīng)熱和人體代謝熱，可通過空調(diào)來控制艙內(nèi)溫度，確保救生艙內(nèi)部溫度小于35 ℃。

4.5 附屬設(shè)施

救生艙內(nèi)應(yīng)具備一些輔助設(shè)施，如通訊、照明、公共衛(wèi)生、急救和維護設(shè)施等。救生艙內(nèi)部應(yīng)配有雙向通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨立于礦井通訊系統(tǒng)，保證事故發(fā)生后仍能實現(xiàn)井上、井下通信聯(lián)絡(luò)。照明裝置要保證艙內(nèi)人員能有足夠的亮度進行必要的監(jiān)控調(diào)節(jié)等操作；公共衛(wèi)生設(shè)施能夠有效收集人體排泄物；急救藥品用于對受傷的礦工進行簡單急救。

5 救生艙的應(yīng)用

救生艙在井下的合理布置，以及災(zāi)變后人員如何迅速有效的使用是影響救生艙發(fā)揮其救援作用，減少救援過程中人員財產(chǎn)損失的重要環(huán)節(jié)。

5.1 救生艙的布置

救生艙的布置位置是否合理，對于避難人員能否在最短的時間內(nèi)到達(dá)救生艙避難起到十分重要的作用。美國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定救生艙應(yīng)布置在距離工作面300 m范圍內(nèi)。被困人員在確認(rèn)自己無法及時升井后，借助逃生路線和呼吸自救器到達(dá)救生艙。當(dāng)救生艙隨著開采工作面移動后，其具體位置必須在礦井地圖上明確標(biāo)出，以便于協(xié)助礦山救護隊決定避難礦工所處的具體位置。

5.2 救生艙的數(shù)量

救生艙的數(shù)量要根據(jù)不同的煤礦規(guī)模而定，但要保證其能夠容納位于工作面的每一個人，包括機車操縱人員、檢查人員、監(jiān)察人員、抽泵人員、維修人員、傳帶人員以及工作面區(qū)域外的其他人員等。

5.3 礦工培訓(xùn)和救援演練

定期對礦工進行培訓(xùn)和救援演練，在演練中使礦工和救援隊伍熟悉救生艙在井下的部署位置，逃離、疏散方案以及成功逃離到救生艙內(nèi)的礦工如何對救生艙進行使用等。

6 對我國救生艙研究的啟示

美國的救生艙研究起步較早，經(jīng)驗比較豐富，但我國煤礦特點和煤礦事故類型與美國大不相同，我國煤礦以中、小型煤礦及小型采掘工作面占多數(shù)，且煤系底層構(gòu)造復(fù)雜，礦井中瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)現(xiàn)象普遍，尤其在煤層壓裂技術(shù)和煤層氣抽放技術(shù)方面存在不足。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦事故大多數(shù)是由于瓦斯爆炸所引起的，爆炸過程中產(chǎn)生的瞬間高溫高壓是避難人員面臨的首要難題，也是考驗救生艙隔溫性能和抗沖擊能力的一個關(guān)鍵。同時，爆炸過程中產(chǎn)生的高濃度有毒有害氣體是造成礦工死亡的主要原因，所以救生艙的密閉性能也是衡量其能否成為安全避難場所的一個重要指標(biāo)。

為研究適合我國煤礦使用的救生艙，除參考上述美國設(shè)計參數(shù)外，還應(yīng)在以下方面進行深入研究。

（1）救生艙艙體采用分體式或多級抽拉式結(jié)構(gòu)，便于我國救生艙下井和安裝。

（2）救生艙體的抗沖擊強度要高于美國標(biāo)準(zhǔn)中的103.35 kPa，確保其能夠抵御我國煤礦中瓦斯（瓦斯與煤塵混合物）爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓。

（3）艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)應(yīng)采用無動力形式，減少災(zāi)變后蓄電池的供電負(fù)擔(dān)。

（4）艙壁采用保溫隔熱材料，防止災(zāi)變后艙外的高溫傳進艙內(nèi)。

總之，我們要不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)國外的先進技術(shù)，同時結(jié)合我國煤礦的實際特點，加大研發(fā)力度，使我國的救生艙技術(shù)盡快完善，從而使我國整體煤礦應(yīng)急救援水平大大提高，最大限度地減少礦難帶來的人員和財產(chǎn)損失。