避难硐室系统

避难硐室系统（共7篇）

避难硐室系统 篇1

近年来,我国矿山安全管理工作取得了显著成就,但是由于井下作业环境的特殊性、监管不力等原因导致各类矿难事故时有发生。为此,我国相关部门提出了要加强井下“六大系统”的积极构建工作,对于紧急避险系统中避难硐室的构建应满足阻隔、防护、监控、供氧、除湿及能量供给等功能。作为避难硐室的气体保护屏障-气幕阻隔系统,能够阻止硐室外的有毒有害气体伴随避险人员进入避难硐室而污染内部空气,因此需要对其展开深入研究。

1避难硐室气幕隔绝系统概述

1.1气幕隔绝系统组成

避难硐室气幕隔绝系统主要由三部分组成;

(1)供气装置。

供气装置即气幕隔绝系统的气源,为系统提供所必需的、具有一定压力的、满足流量要求的、对空气无污染的气体。压缩空气瓶和井下压风适合作为避难硐室中的气源。

(2)散气装置。

散气装置是形成阻隔幕帘的核心装置,其相关尺寸和结构的设置决定了气幕系统的阻隔性能,是重点研究内容[1]。

(3)启闭装置。

启闭装置控制气幕系统的开启,保证避险人员进入避难硐室时,系统能够立即开启,其启闭响应时间应配合避险人员进入硐室的最短时间。

1.2气幕隔绝系统研究内容

根据井下避难硐室的防护需求,采用理论计算和模拟试验的方法,针对避难硐室气幕隔绝系统中以下几个方面展开研究:

(1)形成幕帘的最佳射流孔径确定;

(2)形成幕帘的最佳射流速度确定;

(3)散气装置气体衰减函数的确定;

(4)散气装置所需气体流量的计算;

(5)试验验证气幕系统的阻隔性能。

2孔径、孔距及流量研究

根据气幕系统所在硐室防护门尺寸、幕帘气体喷射角度,计算求得气幕孔径范围,通过试验确定最佳孔径[2]及最佳孔径时的最佳孔间距,并计算系统所需最小气体流量。

2.1气幕适用条件

根据气幕系统研究的以下初始条件,进行相关研究:

(1)幕帘尺寸:本次研究初步设定避难硐室防护门尺寸为1550mm×1000mm。

(2)气幕喷射角度:避难硐室气幕喷射角度不宜过大,否则不易形成幕帘;喷射角度不宜过小,否则容易出现引射现象。因此,选定经验角度值为25°。

(3)气幕开启时间:通过现场实测,平均每人从开启防护门到进入硐室进出时间为15s,取安全系数为1.2,则进出时间为18s。

2.2射流孔径确定

2.2.1 孔径计算

避难硐室的气幕隔绝系统所形成的气体幕帘能够阻止硐室外部CO、CH4等有毒有害气体渗入,具备射流场的基本特征[3]。整个射流区域被转挟截面——射流核心消失的界面分为开始段和主体段两个区域,如图1所示。射流在喷射后,由于卷吸作用不断吸收周围的空气,导致射流主体面逐渐增大,且速度逐渐减小。因此,保证射流具有一定的流量和流速,是形成气幕的关键。根据自由射流流场分布特点[4],可以得到气幕系统射流场轴线速度与喷射孔径及初始参数之间的关系,如式(1)、(2)所示:

$\begin{array}{l}\frac{u{}_m}{u{}_0}=3.22\sqrt{\frac{B}{x}}(1)\\ x=(0.017-0.031)\tan \alpha (2)\end{array}$

式中,um为射流轴线流速,取10m·s-1[5];u0为射流初始速度,取10m·s-1;B为散流器喷口孔径,m;x为射流轴线位置,m;α为喷射角度,取25°。计算可得射流孔径尺寸B为0.8-1.4mm[6]。

2.2.2 孔径对比试验

试验方法:将4根Φ10mm的圆管分别加工成长度为1000mm长、孔间距d=10mm、孔径大小分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm的散气管路,利用R=1000r/min,U=220V,I=5.4A的空压机,为散气装置由中间向两边充气。利用QDF-6型数字风速仪测定图2所示25个测点1A-5A,1B-5B、1C-5C、1D-5D、1E-5E处的风速,记录数据。

试验结论:根据图3所示孔径分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm和1.4mm的散气装置各测点风速数据拟合成的曲线可得到以下结论:

(1)各孔径所喷射的气体流速随着5→1方向逐渐减小。

(2)各孔径A、B、C、D、E面的速度曲线重合程度较高,说明从散气装置中间充气至两端的气流衰减率较低,基本维持在70%-80%,其衰减率Ψ从低到高依次为:Ψ1.0mm<Ψ1.2mm <Ψ0.8mm <Ψ1.4mm。

(3)4种孔径的散气装置末端气体流速度分别为V1.0=1.10m·s-1,V1.2=0.90m·s-1,V0.8=0.85m·s-1,V1.4=0.68 m·s-1。孔径为1.0mm的末端速度最大,形成气幕的阻隔效果最好。

(4)散气装置的最佳孔径依次为Φ=1.0mm、1.2mm、0.8mm、1.4mm。

2.3射流孔间距确定

对于同一孔径散气装置,孔间距越大,射流的主流区域重复率越低,气幕隔绝效果越差。根据孔径试验结论,Φ=1.4mm孔径的衰减速度最大,且末端气体流速最小,因此不再进行该孔径的其他试验。只针对Φ为0.8mm、1.0mm和1.2mm散气装置的孔间距进行相关试验,从而最终确定最佳孔间距[7]。

试验方法:制作长度为1000mm,孔径Φ及孔间距d分别为Φ=0.8mm,d=10mm;Φ=1.0mm,d=20mm;Φ=1.2mm,d=40mm的3根散气管路。按照图2方式布置各测点,利用数字风速仪测量各点速度,并记录所测数据。

试验结果:根据所测数据拟合成图4所示的曲线,通过比对分析可以得出以下结论:

(1)3个散气装置随着射流从5→1方向,气流速度逐渐减小,其中5→4过程衰减较快,过了点4之后衰减速率逐渐减慢,趋于稳定。

(2)从曲线重合角度分析, 孔径Φ=0.8mm,d=10mm和Φ=1.2mm,d=40mm的散气装置重合较好,即从充气中间至两端的气体衰减率较低。

(3)综合孔径分析结果,可确定散气装置的最佳孔间距为Φ=1.2mm,d=40mm。

2.4气幕系统风量确定

根据以上研究结论,对于硐室防护门尺寸为1550mm×1000mm的气幕系统,孔径为Φ=1.2mm,孔间距d=40mm的气幕系统阻隔效率最好,因此可根据公式(3)求得该气幕装置所需风量[8]。

$Q=k(\frac{L}{b}+1)\pi (\frac{B}{2}){}^{2}V{}_0(3)$

式中,Q为该硐室尺寸下的气幕系统供气量,m3;K为富裕系数,取1.5;L为气幕系统散气装置总长,取1m;b为最佳孔距,取0.04m;B为孔径,取1.2×10-3m;V0为出气端气体最大流速,根据图4可取38m/s。可求得适用条件下,气幕系统的供风量为1.68×10-3m3/s。

3气幕系统衰减模型建立

通过上述试验分析可得,矿井避难硐室的气幕隔绝系统的气流衰减速度与孔径、孔间距、初始喷射速度以及外部环境相关,因此必须了解气幕系统风速的衰减规律,才能进行相关设计。使用SPSS方法分析建立衰减模型[9],可以得到系统气体流速衰减规律。以观测点1B-5B数据为例,依次代入建立衰减模型,可得模型参数估计值如表1所示。

利用SPSS方法,选用对数曲线进行建模,气幕系统气流风速衰减函数如公式(4)所示:

Y=16.166-1.992lnx (4)

式中,Y为气幕系统气体衰减函数;x为中轴线距离出气端距离;衰减系数为0.786。

可以发现,常数16.166与B面出气端速度相近,因此公式(3)可用喷射初始速度表示,如公式(5)所示:

Y=V0-0.123V0lnx (5)

式中, V0为气幕系统散气装置出气端速度。

同理可得,其他测点面的衰减函数如公式(6)所示:

Y=V0-CV0lnx (6)

式中, C为气幕系统衰减因子,同样使用SPSS方法,选择三次函数对影响因数C进行建模,求得C与散气装置孔径B的关系如公式(7)所示:

C=0.133+0.102B2-0.086B3 (7)

因此可得以距离x为变量的避难硐室气幕系统气流速度衰减函数如公式(8)所示 :

Y=V0-(0.133+0.102B2-0.086 B3)V0lnx (8)

4阻隔性能测试

根据对比试验的计算可确定,硐室防护门尺寸为1550mm×1000mm的避难硐室气幕系统的最佳孔径及孔距为Φ=1.2mm,d=40mm。

为了验证该系统设计能否满足气体隔绝要求,需要对系统进行阻隔性能测试实验。

试验方法:将最终选定的气幕系统安装在如图5所示的密闭空间入口上方,对密闭空间进行整体密封[10]。向空间内通入CO2,使用RG4H型CO2探测器,分别测定当通入密闭空间浓度为0.5%和1.0%时,开启气幕系统和关闭气幕系统时,密闭空间内、外的CO2浓度变化情况,为了加快密闭空间内CO2的扩散速度,内部放置一台功率为30W的风机[11]。

试验结论:根据所测得的数据,可总结密闭空间内、外的CO2浓度变化情况如下:

(1)密闭空间气幕系统未开启时,空间内外的CO2浓度自由扩散,扩散时间2min后,密闭空间内、外部区域CO2浓度平衡,均维持在0.5%左右,如图6所示。

(2)开启气幕系统,密闭空间内CO2浓度为0.5%时,空间外浓度为0.05%,空间内浓度0.5%左右,内外浓度相差10倍,如图7所示。

(3)开启气幕系统,密闭空间内CO2浓度为1.0%时,空间外浓度为1.0%,空间内浓度0.2%左右,空间内、外CO2浓度相差将近5倍,如图8所示。

(4)气幕系统阻隔效率能达到至少80%以上,同时CO2气体浓度伴随CO2初始浓度升高而降低,因此进行气幕系统设计时应充分考虑所在巷道突出事故的气体浓度。

5小结

通过理论计算、对比分析、建模试验等方法对避难硐室气幕隔绝系统的气体流速、流量、散气装置孔径、孔距进行研究,得到结论如下:

(1)对于硐室防护门尺寸为1550mm×1000mm的避难硐室,其气幕系统中散气装置的最佳孔径为1.2mm,最佳孔间距为40mm;

(2)气幕系统气体流速的衰减规律通过以气流距离为变量的衰减函数表示Y=V0-(0.133+0.102B2-0.086 B3)V0lnx;

(3)为了实现其隔绝性能,必须保证系统供风量不少于1.68×10-3m3 ·s-1,可采用压缩气瓶或井下压风供气;

(4)气幕阻隔性能测试试验证明,开启气幕后的密闭空间,其最佳阻隔效率可达90%以上,且气幕阻隔效率随着CO2初始浓度增加而减小,因此进行气幕设计时除了考虑尺寸条件外,还应考虑CO2渗透浓度。

参考文献

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避难硐室成套设备安装探讨 篇2

避难硐室是用于井下发生突发事件时, 在有效时间内保护矿工及工作人员生命安全的坚固掩体, 是紧急避险系统的重要部分[1];发生矿难时, 避难硐室能够为避难人员生存提供必需氧气、食物等环境生存条件, 有效保障井下工作人员的生命安全。避难硐室只有安装调试完成, 并验收合格后方可投入使用其中避难硐室的适用性与成套设备安装过程紧密相关, 在此, 笔者详细介绍了避难硐室成套设备的安装方法, 为避难硐室成套设备的优化设计及安装提供了理论支撑。

1 安装准备

1.1 安装条件

避难硐室成套设备安装前应完成以下工作:1) 避难硐室专项设计完成 (包含主体设计、设备布置等) 。2) 避难硐室井巷工程施工完成。3) 避难硐室内的设施、设备到货。4) 落实矿井监测监控、视频监控、水压、人员定位、供水、电压、运输条件等基本资料。

1.2 安装人员

现场安装人员由协调组织人员、技术指导人员和安装工人组成。协调组织人员由试点矿井指派, 技术指导人员由重庆院指派, 安装工人由矿井安排。安装工人应包括:搬运工、安装工、通风管理人员、机电工、管线工等。

1.3 工具及辅助材料

在安装前应先准备好安装所使用的各类工具 (管钳、活动扳手等) , 并备好安装辅助材料。

2 主要设备安装

2.1 过渡室系统

2.1.1 防护密闭门和密闭门

避难硐室应采用向外开启的两道门结构[2], 安装时按照韦家沟施工方法[3]先内后外顺序, 钢筋混凝土整体浇筑成型。

2.1.2 压风、供水及信号传输管线

避难硐室在过渡室砌墙时应预埋进水管、进气管、排气管、排水管、进线管、二氧化碳排气管等管线, 按照避难硐室的布局, 在硐室过渡室外巷帮两端掏2个预埋管道沟, 规格:深300mm、宽300mm, 长度不小于5000mm。

预埋的进水管、排水管、电缆线管及压风管等布置在管道沟时, 进水管、排水管应与电缆线管分开, 压风管一般与电缆管安装在同一个管道沟中, 管线规格如下:1) 进水管:硐室外管径不小于DN50, 从硐室门框外下端进入硐室, 硐室内管径为DN20或DN15。2) 压风管:硐室外管径不小于DN50, 从硐室门框外下端进入硐室, 与压风自救器连接的管径为DN15。3) 排水管:从硐室门框下端穿出硐室, 硐室内管径为DN50。4) 单向排气阀:安装在门框外上端墙体内, 管路采用DN125, 硐室内端口带活动法兰。5) 穿线管 (3根) :从硐室门框下端穿出硐室。采用DN50管3根。

2.1.3 气幕喷淋装置

在过渡室内外门靠墙内侧安装固定好气幕装置, 在墙上端高过头顶设压气喷淋装置。

2.2 排水、排气系统

单向排水阀安装在地坪以下, 接水口在硐室的低洼处, 不能高于硐室地坪。在低处设置地漏, 与单向排水管组相连, 排水管出口引至排水沟。

排气阀设置在门墙中上部, 重锤应垂直与硐室地面, 以保证开启灵活;活动法兰离墙的距离不超过0.2m;出口弯头朝下, 弯头离外墙的距离不超过0.5米。

2.3 供气系统

2.3.1 压风供气系统

压风管路和矿井压风主管路相连。避难硐室压风供气管路示意图如图1所示。为保证其他线路走线不受影响, 压风管路一般布置在管路沟的最下面且最靠墙的一侧[4];硐室内部的压风管一般为DN50的镀锌钢管, 连接三级过滤器、减压器、流量计、消音器。压风管路连接好后要保证管路平直, 水平管其偏差不大于l5mm/10m。送风管与墙面平直, 距墙面15cm左右且保持上下竖直。压风自救器安装在座椅上方1.5m处, 每6个座椅安装一组压风自救器。压风自救器的固定方式如下:1) 悬挂靠墙, 靠进气管连接和固定;2) 安装三角平台;3) 悬挂靠墙后, 用钉固定在墙上;4) 悬挂悬空, 用固定钩与上方主管或顶固定。

2.3.2 压缩氧供气系统

压缩氧供气系统主要由氧气瓶、减压器、集合管路、供气控制箱、供气管等组成, 如图2所示。

高压气瓶靠巷帮处整齐排列, 并用紧固装置固定, 安装减压阀与集合管路时严禁沾染油脂, 供气控制箱应垂直安装于巷帮, 并紧固, 以保证流量计读数准确。安装完成后应效验气密性, 不漏气后方可使用。

2.4 净化制冷系统

硐室内采用一体机过滤CO2, 催化CO;温湿度调节系统采用蓄冰降温技术, 可实现同步降温除湿, 将气体净化出口风流引入冰柜气道, 增强了冷热能量交换, 实现了硐室内空气净化与温度调节功能一体化。净化制冷系统的组成见图3。

高压空气和硐室压风接入净化装置, 根据设备布置图把冰柜和压缩机放到指定位置, 把硐室内的进水管接到冰柜内, 把电源接到压缩机控制箱。安装降温空调, 并把净化装置出口管路与降温空调中间通道法兰相连接。

3 结语

避难硐室安装在井下完成, 属于特殊高危工作, 在安装过程中一定要注意安全方法, 确保人员和设施安全。

摘要：避难硐室是一种综合紧急避险设施, 各种系统设备较多, 安装复杂, 本文详细介绍了避难硐室过渡室系统、排水排气、净化制冷等设备的安装, 为后续避难硐室建设提供了参考依据。

关键词：避难硐室,设备,安装

参考文献

[1]席选民, 温荆亮.《给矿工更可靠的生命保障》.中国煤炭报, 2012-8-27

[2]国家安全生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局.《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行条例》

[3]李磊.《韦家沟煤矿避难硐室隔离门施工方法》.http://wenku.baidu.com/view/9648b879a26925c52cc5bff9.html, 201-10-10

煤矿避难硐室热环境控制范围探讨 篇3

煤矿避难硐室内环境温、湿度控制范围还关系着避难硐室的建设成本。室内允许的温湿度越高,控制系统消耗功率越小,成本越低。另外,对于一些围岩初始温度较低的避难硐室,在96 h内环境温度上升范围可能并未超出人体在避灾期间能忍受的最高温度,可不配温度控制系统。

因此,确定避难硐室内允许的温、湿度最大范围,对避难硐室的功能实现和建设成本核算具有重要意义。

1 煤矿避难硐室热环境

热环境是指有高气温、强热辐射或高气湿与一般高气温这些因素单独存在或联合存在的空气环境［2］。

人在煤矿避难硐室内避灾时,人体代谢和设备运行产热,引起室内环境温度升高; 人体呼吸和汗液蒸发使硐室内环境相对湿度升高。我国正常成年男子坐姿休息或轻度活动时,CO2呼出速率为0. 22 ~0. 32 L / min,O2吸入速率0. 24 ~ 0. 38 L/min,代谢产生热率86 ~130 W,人体每蒸发1 g汗液带走2. 45 k J热量［3］,若代谢产热量全部通过汗液蒸发散出,则出汗量为2. 1 ~ 3. 2 g /min。正常情况下,人体每天通过呼吸道丧失的水分大约有200 ~ 400 g［4］; 在炎热季节,正常人每天出汗量约为1 L［5］。

煤矿避难硐室内的环境温度不仅与室内热源分布及功率相关,还与硐室围岩的物性参数、初始温度,以及硐室几何形状和室内空气流动相关。根据文献[6]对深埋地下建筑的划分与几何形状简化,可将煤矿避难硐室内的传热问题简化为当量圆柱体深埋地下密闭建筑传热模型。结合半无限大物体传热理论,可得表达式:

式中: r为硐室围岩当量半径,m; r0为硐室当量半径,m; τ 为传热时间,h; t( r,τ) 为 τ 时刻r处的岩体温度,℃; a为岩体热扩散系数,m2/ s; λ 为岩体导热系数,W/( m · K) ; q为壁面平均热流密度,W/m2,q =Q/A,其中Q为热源总热功率,A为硐室岩体总面积; t0为岩体初始温度,℃。

由式( 1) ~ ( 4) 可求解得到硐室壁面温度:

由牛顿冷却定律有:

由式( 5) ~ ( 6) 可求解得到硐室内空气温度:

避难硐室内空气与硐室岩体壁面的换热系数 α,可由以下公式计算［7］:

式中w为平均风速。

2 热环境的危害

人体与环境的热交换方式主要有对流换热、辐射换热、蒸发散热3 种。在热环境中,人体通过对流和辐射的散热量较少。根据上海第一医学院环境卫生组的研究结果,当气温在32 ℃ 以上时,人体出汗开始显著增加,当气温在33 ℃ 以上时,出汗几乎成为唯一的散热方式［8］。当人体散热量小于人体产热量时,未散出的热量将不断储存于人体内,引起体温随时间的变化而不断升高。

人体在非感染性病理发热的条件下,体温上升到37. 5 ℃时称为先兆中暑,会出现大量出汗、口渴、全身疲乏、头晕、胸闷、心悸、注意力不集中、动作不协调等症状; 体温上升到38. 5 ℃ 以上时称为轻症中暑,面色潮红、胸闷、皮肤灼热、有呼吸及循环衰竭的早期症状; 体温上升到40 ℃ 时称为体温过高,这会使人体的散热机制遭到破坏,同时使代谢率增高、产热量增加,形成过多的蓄热而损害血管收缩中枢,导致休克和外围血管收缩,造成更大的散热障碍,出现昏倒、痉挛、皮肤干旱等症状; 体温上升到42 ℃ 以上时,肌体组织开始受损; 体温上升到45 ℃ 时,将直接造成人员死亡［9］。

3 煤矿避难硐室环境温、湿度范围

目前,由安监总煤装发布的《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》中指出煤矿避难硐室内的环境温度不高于35 ℃,相对湿度不大于85%［10］。而实际生活中,在相对湿度85%、温度35 ℃环境中时,人体产热大于散热,体温将不断升高,人员并不能坚持96 h。根据GB 935—89《高温作业允许持续接触热时间限值》的规定,在湿度85% 、温度34 ~ 36 ℃环境中,人员从事轻度劳动的时间不得超过50 min;湿度85% 、温度30 ~ 32 ℃ 环境中,从事轻度劳动的时间不超过70 min。

3. 1 人体热平衡与热舒适

保持体温恒定是人类生存的基本要求之一。为了维持体温的基本恒定,人体总是持续不断地与外界进行热量交换,使体内产热量和人体散热量大致平衡。当体内产热改变或环境发生变化,正常的热平衡受到破坏时,人体将产生一系列的生理反应及行为动作来对抗这种干扰,以调节散热速率,维持体温平衡。根据热力学第一定律,人体产生的热量始终等于人体消耗的热量。人体的基本热平衡方程式如下［11］:

式中:S为人体蓄热率,W;M为人体能量代谢率,W;W为人体所做机械功,W。

体温是判断肌体热平衡是否受到破坏的最直接指标［8］。正常体温的相对稳定,是在体温体调节机构的控制下,产热和散热两个生理过程取得动态平衡的结果,表现为体温稳定于( 37±1) ℃的狭小范围内。在稳定的环境下,人体蓄热率S应该为0,这时人体能够保持能量平衡。

热舒适是指人体对热环境的主观热反应［8］。丹麦的Fanger教授在研究室内热环境基础上,提出了热舒适理论及热舒适方程式,得到了国际公认［12］。人在热环境中要感觉到热舒适,最基本、最主要的条件是人与环境达到热平衡,即S =0。

医学研究证明,在一般情况下,室内相对湿度为45% ~ 65% 、温度为20 ~ 25 ℃ 时,人的身体、思维皆处于良好状态,无论工作、休息都可收到较好的效果［13］。

3. 2 热环境中人体体温变化

日本学者三浦丰彦通过试验研究得出［2］,在环境温度为30 ~ 40 ℃、相对湿度为70% ~ 80% 的高温、高湿环境条件下,人员保持安静坐姿接触热环境持续2 h内,受试者肛门温度随时间延长而上升的情况如图1 所示。

通过图1 可以看出,人员连续保持2 h安静坐姿在相对湿度70% ~80% 的环境中,当环境温度为30 ℃时,肛门温度没有升高,即在此环境下,人体与环境能达到热平衡; 当环境温度上升至32 ℃ 时,人体肛门温度在缓慢升高,人与环境的热平衡遭到破坏,人体蓄热率S>0; 而当温度上升至34 ℃ 以上时,持续接触高温、高湿环境1 h后,肛门温度明显上升。同时,可以看出,环境温、湿度越高,肛门温度上升时间越早,并随热接触时间的延长而不断上升。

热环境中人体体温变化量与蓄热率的关系计算公式如下［14］:

式中: ΔT为平均体温升高值,℃; Δt为热接触时间,s; S为人体蓄热率,W; m为人的体重,kg; cp为人体比热容,3. 43 k J/( kg·K) 。

3. 3 热环境中人体热耐受

热耐受是指在热环境中人体耐受热作用的能力［2］。人在接触热环境的一定时间内,虽然出现热不舒适和生理应激紧张,但并未出现生理危象或生理功能受损,这一热耐受限度称为热耐受极限,或热耐受安全限度。通常以热耐受时间作为评价一个人热耐受能力的尺度。肛门温度、出汗率、心率等是评价人体热耐受上限的主要指标。Wenzel HG提出［15］,人体体表到达热耐受上限时,肛门温度达到38. 8 ℃ 、出汗速率达到1 L / h、心率达到170 次/ min。许多研究者根据大量的实验结果,将心率达到160 ~180 次/ min和肛门温度达到39. 0 ~ 39. 5 ℃ 定为终止热环境接触的判断指标。

在干燥的热环境中,对于着装的健康成年男子,卡拉尼( Cranee) 推荐了温度与极限忍受时间的关系式［16］:

式中: t为时间,min; θ 为空气温度,℃; B1为常数,可取1; B2为常数,可取0。

根据该关系式,人体在温度35 ℃ 的干燥热环境中,极限忍受时间为18 h; 在32 ℃的干燥热环境中,极限忍受时间为25 h。

但这一关系式并未考虑空气湿度对人体耐受时间的影响。当湿度增大时,人的极限忍受时间将减少。需考虑环境湿度对B2进行修正。

Jenning通过实验证明,气温在20 ~ 25 ℃ 内,相对湿度在30% ~ 85% 内变动时几乎不会被察觉,只有当空气接近饱和状态时,才能明显地感觉到皮肤潮湿。

Green通过实验证明,在25 ℃ 以上的热舒适区域内,相对湿度从30% 增加到70% ,其温热感觉的变化仅相当于气温增加1 ℃。

环境温度高于30 ℃ 的热环境中,相对湿度在40% ~ 85% 内每增加10% ,对肌体带来的热影响,相当于环境温度增加1. 0 ~ 1. 5 ℃［16－17］。

正常成年男子处于坐姿状态时,在风速0. 25 ~0. 40 m / s的环境中,常用的人体生理耐力指标及其限值如图2 所示［2］。通过图2 可以看出,在热环境中,环境温度和湿度是影响人体热耐受的主要因素。环境温度和相对湿度越高,人的耐热时间越短,反之,热耐受时间则越长。在冷耐力限区和舒适区内,空气湿度的影响比较轻微; 而在热环境中空气相对湿度对人体的热耐受能力则有比较显著的影响。另外,通过图2 还可以看出,在相对湿度为70% ~80% 、温度为32 ℃ 的热环境中,人员保持坐姿休息仅能停留12 h左右。

3. 4 煤矿避难硐室内的温、湿度范围

相对湿度保持在40% ~ 70% 时,人体可以保证蒸发过程的稳定［18］。

煤矿避难硐室内应尽可能维持环境相对湿度在40% ~ 70% ,温度30 ℃ 以下; 当硐室内相对湿度在80% 以上时,环境温度在32 ℃ 及以上的时间不应超过12 h。

4 结语

1) 分析了煤矿避难硐室内热环境的形成机理,推导出无降温措施时硐室内环境温度的变化规律。

2) 结合人体热舒适与热耐受能力,提出避难硐室内环境应维持相对湿度30% ~ 70% 、温度30 ℃以下,而当相对湿度大于80% 时,环境温度32 ℃ 及以上的时间不应超出12 h。

摘要：针对人员在煤矿避难硐室内96 h避灾过程中环境温湿度对人体安全的影响,分析了避难硐室内热环境形成原因,推导出硐室内环境升温规律,介绍了热环境对人体引发的危害,并深入分析人在热环境中的热耐受能力,提出在避灾过程中,避难硐室内环境湿度70%~80%、温度32℃以上时,避灾人员对硐室热环境热耐受的安全时间不超过12 h。研究结果对确定煤矿避难硐室与其他受限空间的温湿度控制范围具有一定的参考作用。

避难硐室系统 篇4

笔者分析了避难硐室有害气体去除所需风量,得出了50 人避难硐室气体净化需要3 台风量为440 m3/ h的空气净化装置,并通过50 人避难硐室真人试验得到验证。该研究可为避难硐室气体环境控制系统的设计优化提供参考。

1 理论分析计算

1. 1 净化风量计算

避难硐室的气体净化能力应符合“处理二氧化碳的能力不低于0. 5 L/( min·人) ,应能满足在20 min内将硐室里CO体积分数从0. 04% 降至0. 002 4%的要求[6]。由于CO快速净化所需风量远大于CO2快速净化所需风量,故仅对CO快速净化风量进行理论计算。根据文献[7],可得流量体积关系式:

式中: ρ0为避难硐室CO初始质量浓度,mg /m3; ρt为任意时刻避难硐室CO质量浓度,mg /m3; V为避难硐室有效体积,m3; t为持续时间,min; q为避难硐室气体净化所需风量,m3/ h。

换算后可得:

为了求出风量与避难硐室体积之间的具体关系,作如下假设:

CO初始体积分数( φ ( CO ) ) 为0. 04% ,经过20 min后,φ ( CO) 降至0. 002 4% 。

将 φ ( CO) 换算成质量浓度,并代入公式( 2) 中,则有:

由式( 3) 可知,避难硐室要达到有害气体快速净化能力,理论上净化风量应不小于8. 44V。

1. 2 气体净化装置数量计算

忽略硐室内死角和小部分内循环的影响,设空气净化装置输出风量为qa,则所需空气净化装置的数量N为

2 试验验证

2. 1 试验装置

2. 1. 1 50 人避难硐室

利用中煤科工集团重庆研究院有限公司的50 人煤矿避难硐室试验室作为试验测试平台。避难硐室试验室内生存室为拱形,断面宽4. 0 m、高3 m,横截面积11. 2 m2,室内长17 m、体积190. 4 m3,硐室内设备体积约为35 m3,有效体积155 m3。

2. 1. 2 空气净化装置

空气净化装置主要由气动风机、箱体、CO2药床及CO药床等组成,通过压缩空气或者矿井压风驱使气动风机运转。硐室内含CO2及CO的有害气体在气动风机的负压作用下,分别通过CO2药床及CO药床后变成洁净的空气,以一定流速从气动风机出风口吹向生存室内,供人体呼吸后,又变成含CO2与CO的有害气体,然后进入空气净化装置,再次净化循环。空气净化装置原理如图1 所示。

空气净化装置基本参数如下:

1)出口风量qa=440 m3/h;

2)出口风速u1=17 m/s;

3)出风口面积S=7.23×10-3m2;

4)气动风机风压p1=356 Pa。

根据公式( 3) ~ ( 4) ,代入有效体积及出口风量,得出50 人避难硐室气体快速净化风量大于1 266 m3/ h,空气净化装置数量大于2. 87,取3,实际净化风量为1 320 m3/ h。

2. 1. 3 供气系统

采用压缩氧供气,医用O2经减压后进入供气控制箱,以25 L/min的流量,通过输氧管小孔分散输出。

2. 1. 4 生存室布置

避难硐室靠右设置17 排3 联座椅,供氧管设置于右墙的半中间,左侧均匀布置3 台空气净化装置,空气净化装置出风口朝向座椅。生存室布置如图2所示。

2. 2 试验验证及分析

2. 2. 1 CO2快速净化试验

避难硐室生存室内 φ( CO2) 达到1. 01% ( 稳定一段时间) 时,按25 L/min的流量通入CO2,开启空气净化装置,在10 min内,生存室里 φ( CO2) 变化见图3。

从图3 中可看出,在10 min内硐室里 φ( CO2)从初始的1. 0% 降至0. 7% ,降低速率随时间逐渐减小。CO2快速净化速率v1按人均进行换算,即:

式中: Δφ1为避难硐室 φ( CO2) 差值,0. 30% ; n为避难硐室试验人数,50 人; t1为试验时间,10 min; V为避难硐室有效体积,155 m3。

将数据代入式( 5) 可得快速净化CO2的速率v1为1. 43 L/( min·人) ,结果明显高于标准要求。

因此,避难硐室内设置3 台风量不小于440 m3/ h的空气净化装置能满足CO2快速净化要求。

2. 2. 2 CO快速净化试验

避难硐室生存室内 φ( CO) 达到0. 040 5% ( 稳定一段时间) 时,开启空气净化装置,在20 min内,生存室里 φ( CO) 变化见图4。

由图4 可知,20 min后 φ( CO) 明显大于0.002 4%,结果不符合国家相关标准要求[5],其原因在于硐室人均容积大,硐室“死区”以及空气净化装置附近的内循环加大了CO净化难度。应增加空气净化装置数量,加大硐室整体净化风量,减少“死区”和内循环影响区域。

2. 2. 3 50 人真人模拟试验

为了验证3 台气体净化装置是否满足50 人避难硐室常规净化要求,选择健康成年男性50 人,在静坐或轻度劳动强度下进行生理试验。试验在1 个标准大气压、初始环境温度9. 6 ℃ 条件下进行。试验过程中,采用医用压缩氧气瓶为生存室内提供O2,真人模拟试验现场[8]见图5。

试验开始后的前90 min内,对人员呼吸产生的CO2气体,不作净化处理,之后开启净化装置进行净化处理,通过传感器和检测仪器检测并记录不同时刻生存室内空气中 φ( CO2) 、φ( CO) 。选取2 个测量点作为参考,每分钟保存1 次数据,得出空气中φ( CO2) 、φ( CO) 随时间的变化曲线,如图6 ~7 所示。

由图6 可知,前90 min φ( CO2) 随时间延长呈阶梯型增加,φ( CO2) 随时间呈直线变化,因此,试验过程中可近似认为人员呼吸产生的CO2速率为恒定值,经历90 min后,φ( CO2) 浓度到达1. 0% 。避灾过程中单个人员呼吸产生CO2的速率v2为

式中: Δφ2为避难硐室 φ( CO2) 差值,0. 9% ; t2为试验时间,90 min。

由式( 6) 计算可得,在轻度劳动条件下单个人员呼出CO2的速率v2为0. 30 L/min。

启动空气净化装置,经过20 min后,φ( CO2) 从1. 0% 降到0. 5% ,CO2快速净化速率为

式中: Δφ3为避难硐室 φ( CO2) 差值,0. 5% ; t3为试验时间,20 min。

由式( 7) 计算可得,CO2快速净化速率v3为1. 08 L / ( min·人) 。

在480 min内,φ( CO2) 先升到1. 0% 再逐渐降到0. 3% ,随着净化药剂净化效果降低,硐室内φ( CO2) 逐渐上升到0. 9% ,但 φ( CO2) 始终被控制在1. 0% 以内。随着周期性更换净化药剂,φ( CO2)将持续在( 0. 3% ± 0. 1% ) ~ 0. 9% 内波动,因此,3台空气净化装置能够满足50 人避难硐室设置CO2快速净化以及一般常规净化要求。

由图7 可知,在480 min内,检测到的 φ( CO) 随时间延长呈阶梯型变化,480 min内 φ( CO) 仅上升到0. 000 3% ,表明短时间内,避难硐室里CO无需净化,每人每分钟产生的CO速率v4为

式中: φ4为避难硐室 φ( CO) ,0. 000 3% ; t4为试验时间,480 min。

由式( 8) 计算可得,在轻度劳动条件下单个人员呼出CO的速率v4为19. 375 × 10- 6L / min。

3 结论

1) 避难硐室满足气体净化要求至少需要的净化风量为8. 44V。

2) 3 台出口风量为440 m3/ h的空气净化装置,能够满足有效体积为155 m3的避难硐室CO2快速净化及一般净化要求。

避难硐室系统 篇5

1 煤矿避难硐室降温方式

煤矿井下发生事故后灾区可能面临的断电状况以及爆炸危险性,给避灾期间的供电与用电带来严重挑战。因而煤矿避难硐室降温解决方案主要集中在储能、储冷方面,以获得较大功率的制冷效果。目前使用的煤矿避难硐室降温方法主要有电力空调降温、蓄冰空调降温、液态二氧化碳降温及通风降温4种[3,4]。另外,我国学者通过对材料物理与化学性能方面的研究,提出利用相变材料在一定温度下物相发生变化吸收外界热量的相变降温和利用化学物质参与吸热化学反应的化学降温。

1) 电力空调降温,主要是对压缩制冷空调通过防爆改造后,用于煤矿避难硐室降温。使用时通过防爆大容量、大功率蓄电池提供动力,或在地面有直达硐室内的钻孔的条件下通过钻孔供电。其优点是温度调控灵活,体积较小;缺点是若使用电池供电,大容量防爆电池的安全性未得到充分论证,蓄电量在反复的充、放电过程中也很难得到保障,采用钻孔供电时需要有极好的钻孔条件,且在外部压缩机所处环境存在瓦斯爆炸危险时,不能供电使用。

2) 蓄冰空调降温,是利用冰作为冷媒,正常情况下利用煤矿用防爆空调装置,实现对避难硐室内的蓄冰柜输送冷量,通过冷热交换使蓄冰柜内的水转化为冰,并维持在-20 ℃,在保温处理状态下贮存能量。人员避灾使用时,硐室外空调装置部分停止工作。利用风机使硐室内空气流经蓄冰柜内的风道以强制对流换热的方式将冷量输出,达到室内降温的目的。其优点是安全性高,介质环保,使用时消耗外部动力低;缺点是风机若采用蓄电池供电仍面临防爆电池的安全性与蓄电量问题,平时维护成本高。

3) 液态二氧化碳降温,是利用高压液态二氧化碳通过节流减压膨胀汽化过程中发生相变吸热降温。其优点是二氧化碳从液态转变成气态吸热量大,且汽化后的二氧化碳气体流动能给风机提供动力,实现无电力条件下强制对流传热制冷;缺点是二氧化碳用量大,体积大,二氧化碳钢瓶及管道连接处可能存在泄漏,使用前难以保证充气量,使用中大量二氧化碳排放到巷道内,很难快速恢复巷道的通风,影响救灾进度,使用后降温系统恢复难度大,且二氧化碳为温室效应气体。

4) 通风降温技术也称压风降温,是在地面或井下安全地点利用接入硐室的压风管或地面钻孔将冷空气压入硐室内实现降温,室内通过单向排气孔维持压力平衡。其优点是硐室内不需要考虑动力源,无降温装置,能给硐室内补充新鲜空气,带出硐室内污染气体;缺点是需要保证压风管道不被灾害破坏或地面钻孔完好,受管道或钻孔温度影响较大,需要的风量大。

2 矿井地质条件对避难硐室降温的影响分析

矿井地质条件对煤矿避难硐室降温系统设计的影响主要表现在硐室所在水平的煤(岩)热物理性与初始温度、煤层瓦斯涌出量、埋藏深度等方面。

2.1 煤(岩)热物理性与初始温度的影响

煤矿避难硐室以煤(岩)壁作为其壁面,在使用过程中,壁面将参与硐室内部的热量传递。对于低温矿井,在硐室内壁面处空气温度高于壁面温度时,岩体壁面将通过辐射传热和自然对流的方式,将室内的部分热量传递给岩体。因此,可以通过低温壁面减少硐室内的热负荷量[5]。避难硐室内空气与壁面的耦合传热可采用半无限大非稳态导热模型求解[6],其求解微分方程为

undefined

式中 t——岩体温度,℃;

τ——时间,s;

a——岩体热扩散系数,a=λ/ρcp,m2/s;

x——在导热面上的坐标,m;

h——空气与壁面的对流传热系数,W/(m2·℃);

tc——换热壁面空气的温度,℃;

λ——岩体材料的导热系数,W/(m·K)。

由式(1)可知,在室内空气温度一定的条件下,壁面的初始温度、岩体的热扩散系数与导热系数是影响热量传递的重要参数。在温差恒定的条件下,导热系数对热量的传递速率有很大影响,导热系数大的岩体,其传热能力也强。通过物体导热系数表可知,岩石的导热系数较大,而煤的导热系数较小,因而岩石比煤更具有良好的导热性能。所以在低温矿井内,避难硐室应优先考虑建设在岩体内。其次,对于岩温较低的矿井,采用压风管道给室内供风时,流动过程中压风通过对流换热后,末端温度基本与岩温相同,能在硐室内起到一定的降温作用。另外,对于低温矿井,通过物体间的热传导,矿井内的水温一般维持在与岩体相同的温度,而水具有良好的储热、导热能力,因此在避难硐室降温系统设计时,也可考虑将存积于水力势头高于硐室水平的低温积水流经硐室内,通过散热片或换热装置将硐室内热量带出,从而实现无电源降温。

2.2 开采煤层瓦斯涌出量的影响

瓦斯是煤矿井下的主要爆炸物,当其浓度处于瓦斯爆炸界限内时,遇高温火花将引发瓦斯爆炸。煤矿避难硐室是用于发生事故后的避灾场所,而事故后井下通风系统极有可能遭受破坏,停风后工作面与巷道内涌出的瓦斯不能及时排除,瓦斯气体扩散与迁移将可能在硐室附近达到爆炸浓度界限。瓦斯涌出量越大的矿井,达到爆炸浓度的时间越快,概率越大。避难硐室若采用防爆电力空调降温,一般是将空调的主机放置于硐室外部空间,使用时主机将电能转化为机械能,使高温气体转变为液态制冷剂实现循环制冷。而在瓦斯达到一定浓度后,将停止对电力设备供电,因而在瓦斯涌出量大的煤矿井下,不宜采用防爆电力空调作为降温装置。

2.3 硐室位置离地表深度的影响

《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》中指出,有条件的矿井宜为永久避难硐室布置由地表直达硐室的钻孔,钻孔直径应不小于200 mm。通过钻孔可以给避难硐室内供水、电、新鲜空气、氧气等。在避难硐室降温方面,采取钻孔后,首先可以通过钻孔向避难硐室内供给低温空气(尤其是对岩温较低的矿井),从而克服了井下大功率制冷所面临的复杂问题;其次,通过地面钻孔供电,可以使供电系统独立于灾区环境,不受灾变影响。因而在使用蓄冰降温、电力空调降温时,也可以克服大容量、大功率蓄电池的防爆技术、荷电能力下降、蓄电量不足等难题。采用地面钻孔的避难硐室,无疑在硐室降温系统的可靠性、安全性、环保性等方面具有显著的优势。

硐室离地表的深度,是衡量可否采取地面钻孔的重要参数。一般情况下,随着离地表深度的增加,钻孔技术难度增大,钻孔保护难度增大,钻孔成本也相应增高。深度对硐室降温方式的影响还表现在,随着深度的增加,岩体温度不断升高[7]。大量的工程案例表明,岩体温度的升高与岩体埋深存在线性关系。对于岩温较高的矿井,随着离地表深度的增加,在对流传热的作用下,利用地面钻孔进行通风降温,效果也将大打折扣。对于低温矿井通过钻孔末端到达硐室内的空气温度,可简化为管道强制对流换热模型进行计算,以确定是否满足通风降温条件。对管道强制对流换热,历史上应用最长也最普遍的是迪图斯—贝尔特(Dittus-Boelter)关联式[8] :

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式中 Nu——努塞尔数,壁面上流体的无量纲温度梯度,定义式为undefined;

λ——流体的导热系数,W/(m·K);

Pr——普朗特数,动量扩散能力与热量扩散能力之比的一种度量;

Re——雷诺数,惯性力与黏性力之比的一种度量,定义式为undefined;

u——流体流动的速度,m/s;

d——管道直径,m;

ν——流体的运动黏度,m2/s;

n——常数,流体被加热时取0.4,被冷却时取0.3。

热平衡方程:

hULΔtm=qmcp(tf1-tf2) (3)

式中 U——管道周长,m;

L——管道长度,m;

Δtm——充分发展段的温差,℃,

undefined; (4)

tw——与流体接触的管道壁面温度,℃;

tf1、tf2——进口、出口截面流体平均温度,℃;

qm——流体的质量流量,kg/s;

cp——空气的比热容,J/(kg·K)。

在钻孔直径、钻孔深度、壁面温度、壁面导热系数、风流流量、风流初始温度已知的情况下,由公式(2)~(4),以及h=(λ·Nu)/d,可计算出通过钻孔到达硐室内的风流温度。

另外,开采煤层埋深对瓦斯涌出量也有重大影响。煤层上覆地层对瓦斯的保存与逸散有直接的作用,煤层的埋深被认为是影响瓦斯含量主要的地质因素之一[9]。煤层埋深的增加,不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低,而且瓦斯向地表运移的距离也增大,这两者的变化均朝着有利于封存瓦斯而不利于逸散瓦斯方向发展,因此煤层埋深的增加将使瓦斯涌出量增大,从而影响硐室降温方式的选择。

3 煤矿避难硐室降温方式选择的基本原则

煤矿避难硐室降温方式选择应尽可能满足“因地制宜、安全可靠、调控方便、恢复容易、环保节能”等要求,具体选择原则如下:

1) 有条件的矿井,应优先建立直达避难硐室内的地面钻孔,并验证通过地面钻孔压风降温的可行性;对有地面钻孔供电的避难硐室,在瓦斯涌出量比较小的情况下,应优先考虑防爆电力空调降温,此时应对硐室外的防爆空调压缩制冷主机所处环境进行瓦斯浓度监控,防爆电力空调应有自动断电功能;其次,应考虑蓄冰降温空调降温,对蓄冰降温空调置于硐室外的压缩制冷主机所处环境进行瓦斯浓度监控,压缩主机部分应具有自动断电功能。另外,硐室内应备有满足蓄冰降温装置风机使用最大功率的体能应急发电装置或蓄冰降温装置,能在供电中断时方便切入手摇风机的使用。

2) 对于低温矿井,应优先考虑利用岩体的热学性能实现自然降温,可适当增大避难硐室内的体积以及硐室壁面面积与体积的比值;在壁面不能完全满足自然降温的条件下,应考虑采用压风管道或地面钻孔利用压风降温;另外,在低温矿井里,应尽可能将避难硐室附近的低温积水通过管道引入避难硐室内流经散热片后流出避难硐室外,实现利用冷水自然降温;以上3种方式不能满足降温要求时,在低温对相变降温材料保存方便的情况下,也可以采用环保相变材料降温;在低温矿井有地面钻孔条件下,可参照1)进行选择。

3) 对于无地面钻孔、高温矿井,应根据避难硐室内的热负荷大小,选择降温方式。在热负荷不大时,若能通过体能发电或手摇风机给蓄冰降温装置的气体流动提供动力而满足硐室降温需要,则优先考虑蓄冰降温;不能满足此条件时,则应该考虑液态二氧化碳降温或液态二氧化碳与蓄冰降温耦合制冷降温。选用液态二氧化碳降温时,应确保液态二氧化碳钢瓶存放环境温度不大于31.9 ℃。高温矿井使用相变材料降温应考虑相变材料的安全性与维护难易程度,以及相变材料所占体积与成本;使用化学降温要考虑化学反应前后化学物质的安全与环保性能。

4) 高温矿井不宜采用压风降温。

5) 无地面钻孔供电条件与高瓦斯涌出矿井的避难硐室不宜采用防爆电力空调降温。

6) 液态二氧化碳降温在钢瓶存放环境不高于31.9 ℃时,能适用于所有的煤矿避难硐室,但由于此种方法使用时会产生大量的二氧化碳气体,并可能填充大部分的巷道空间,影响救灾进度,以及可能影响灾区巷道内幸存人员的生存。因此,在井下巷道生产系统复杂的矿井,应将此方式作为降温方式的最后选择。

4 结语

煤矿避难硐室降温是避难硐室内最难解决的技术。上述几种降温方式,在煤矿避难硐室内使用均存在各自的优缺点。煤矿井下影响避难硐室降温方式选择的因素较多,如煤(岩)初始温度、煤层埋深、煤层瓦斯涌出量等因素对避难硐室降温的影响重大,各煤矿在建设避难硐室时,应根据矿井地质条件、生产系统布置、采煤方法与技术装备水平、硐室规模等综合因素,结合目前各种避难硐室降温方式的优缺点,尽可能选择可靠性高、安全性好、使用与维护容易、环保、经济的降温方式。

参考文献

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[8]陶文铨.传热学[M].西安:西北工业大学出版社,2006.

避难硐室系统 篇6

矿井避难硐室是紧急避险的重要设施,防护密闭门作为硐室的第一道安全防线,如何有效地隔绝有毒有害气体,为避险人员提供生存保障的密闭空间,就显得至关重要[2]。

国内外关于避难硐室防护密闭门作为单独成套设备的研究较少。国内大部分厂家生产的防护密闭门普遍未进行爆炸冲击试验、密封性能试验验证,不符合《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》的相关要求,使用时不能充分保证避难硐室的防护作用,存在重大安全隐患。因此对防护密闭门的密封性能进行试验研究是非常必要的。

1 密封性能的研究

煤矿井下发生爆炸事故时,除爆炸冲击波的危害以外,还伴随有CH4、CO、CO2等有毒有害气体。通过对密封胶条的材质、截面形状对比,确定选型,然后设计实验,研究密封胶条的压缩率与气体泄漏速率的关系。

1.1 密封橡胶材质选择

密封材质的选择必须综合考虑煤矿井下灾变环境的影响,应遵循如下原则:

1)煤矿井下灾变环境,常常会保持持续的高温,长时间的高温且处于密封压缩状态,密封胶条会出现老化。选用的密封材料应具有较好的耐高温和抗老化性能。

2)发生瓦斯爆炸时,为了防止胶条被爆炸火焰破坏,要求密封材质具有良好的阻燃性。

3)防护密闭门闭锁时,密封胶条长期处于压缩变形状态,选择的密封胶条材质应具有良好的回弹性。

针对以上密封性能要求,通过对常用橡胶密封性能资料的查阅和搜集[3,4],对各种常用橡胶的性能进行比较,见表1。分析表1得出:硅橡胶同时具有良好的耐高温性、抗老化性、回弹性和阻燃性。

1.2 不同截面密封胶条的密封性能

橡胶密封胶条由于其结构简单而被广泛应用于许多场合。笔者通过对防护密闭门的使用工况分析,对比圆形截面与矩形截面密封胶条的密封性能。

密封胶条安装在防护密闭门上时,锁紧机构对密封胶条施加预紧力,密封胶条产生形变起到密封的作用。在开关过程中防护密闭门的密封胶条有以下3种工况:

1)在开门状态下,无预紧力作用,密封胶条处于无压缩状态,如图1(a)所示。

2)在关门状态下,有预紧力作用,密封胶条处于单向压缩状态,如图1(b)所示。

3)在关门状态下,爆炸冲击波通过门与门框的间隙处对密封结构施加侧向压力,密封胶条处于双向压力与双向压缩状态,如图1(c)所示。

防护密闭门的密封属于静密封范畴,圆形截面与矩形截面橡胶密封胶条的密封机制相同,均可以作为双向静密封的密封件。当截面积相同时,矩形截面与圆形截面胶条密封性能对比如下:

1)稳定性能。矩形截面与圆形截面胶条相比,安装后不会发生扭曲,在有侧面压力情况下,变形量也较小。所以矩形截面密封胶条在静态密封应用中的稳定性能更好。

2)老化性能。橡胶材料在大气环境下,会随着时间慢慢老化,时间长短因材料差异而有所不同。同一种材料变形量越大,老化速度也会加快。矩形截面密封胶条压缩量较小,老化速度较慢。

1.3 压缩率与泄漏率的关系

密封胶条的预紧力越大,其压缩量就越大。胶条的变形一方面有效填补了密封端面上的不平度,使得界面泄漏大为减少;另一方面使得密封胶条本身内部毛细孔被压缩,泄漏通道的截面减小,泄漏阻力增加,从而泄漏率大大减小。但如果预紧力过大,则易将密封胶条压溃,从而失去回弹能力,无法补偿由于温度、压力引起的端面分离,导致泄漏率急剧增大。因此,要维持良好的密封性,就必须使密封胶条的压缩量保持在一定的范围内[5]。

设计实验,以宽度为30 mm、厚度为20 mm、邵氏硬度为20～25度硅橡胶矩形密封胶条为研究对象,通过实验手段获取其最佳压缩率范围。

1.3.1 实验方法

箱体四周端面垫上厚度为H的垫块,通过更换不同厚度的垫块来改变密封胶条的压缩量,从而研究密封橡胶胶条压缩率与气体泄漏率的关系。

实验装置:长800 mm、宽800 mm、高300 mm的箱体,箱体盖板四周焊接金属压条,其高度L为6 mm,宽度为11 mm。将硅橡胶矩形密封胶条黏接在箱体端面四周的密封槽内,密封槽的槽宽为32 mm,槽深HC为20 mm。盖板上有2个接头,将其中一接头通过胶管接入减压后的压缩空气;另一接头通过胶管接在U型压差计的一端,如图2所示。

1.3.2 实验步骤

下腔体四周端面上放置厚度H=25 mm的垫块,盖上箱体盖板后,用螺钉将盖板与下腔体拧紧,压紧四周垫块,与密封胶条形成体积为0.2 m3的密闭空间。

打开压缩空气进气阀门开关,当箱体内部压力p1达到500 Pa时,关闭进气阀门开关。放置1 h,观察U型压力计读数,记录U型压差计的压力值p2。

更换厚度H分别为24、23、22、21 mm的垫块,测得相应的压力值p2。

重复上述步骤,进行2次实验。记录更换不同厚度的垫块时U型压差计的压力值p2。

1.3.3 实验结果计算

胶条压缩量计算公式:ΔH=L-(H-HC) (1)

式中:ΔH为胶条压缩量,mm;L为金属压条的厚度,mm;H为垫块厚度,mm;HC为密封槽深,mm。

胶条压缩率计算公式:Qr=ΔH/Hj (2)

式中:Qr为胶条压缩率,%;Hj为胶条厚度,mm。

泄漏率计算公式:LS=(p1-p2)/t (3)

式中:LS为泄漏率,Pa/h;t为测试时间,h。

由公式(1)～(3)计算得到胶条压缩率与气体泄漏率,如表3所示。

根据表1中的数据绘制硅橡胶压缩率与泄漏率的关系曲线,如图3所示,由图3可知,宽度30 mm、厚度20 mm的矩形硅橡胶密封胶条在静密封工况下压缩率为15%～25%,泄漏速率较小,基本维持稳定,可达到较好的密封效果。

2 密封结构的设计

在防护密闭门的密封结构设计中,选用宽度为30 mm、厚度为20 mm的矩形截面硅橡胶密封胶条。为减少灾害事故中对密封胶条的直接冲击损坏和与其他设备的意外碰撞损坏,胶条采用隐藏式设计。其结构:门扇四周矩形管与隔板形成了密封槽,密封槽内用橡胶专用胶黏贴矩形密封胶条,对应的门框一侧四周焊接了金属压条。当门扇关闭时,锁紧机构闭锁,门框上的金属压条挤压密封胶条,在门框与门扇结合的密闭槽部位就能起到密封的效果。密封结构局部示意图见图4。

3 密封试验

该试验主要检测防护密闭门的气密性及其正压维持能力。检测其是否符合《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》(安监总煤装[2011]15号,以下简称《暂行规定》)中的要求:在(500±20) Pa的压力下,1 h内,其泄压速率应不大于(350±20) Pa/h。

3.1 试验装置

密封试验系统是利用水密封的原理,将待检的防护密闭门水平放置在密封试验台的上面,门框四周放置于水中,然后通过胶管连接试验台入口Ⅰ与高压气体经减压后的气源出口Ⅰ,通过胶管连接试验台出口Ⅱ与U型压差计的一端接口,并密封好本项检测不用的接口Ⅲ,将密封试验装置的四周槽中罐水。密封试验系统的连接如图5所示。

1—40 L高压气瓶;2—减压器;3—胶管;4—防护密闭门;5—密封试验装置;6—胶管;7—U型压差计。

3.2 试验方法

在稳定的大气环境下,向密封腔内通入与腔内空气温差不超过1 ℃的清洁干燥空气,使密封腔内外压差达到(500±20) Pa左右,稳定10～30 min后,关闭减压器和气瓶,在密封腔内外压差不小于500 Pa的条件下,开始用秒表计时,同时读取和记录压差计显示值;每间隔10 min记录1次,共持续60 min。用首次差压值减去末次差压值,即为泄压速率。

3.3 试验结果

密封腔内压力在1 h内从500 Pa降至390 Pa,降幅为110 Pa,小于(350±20) Pa,满足《暂行规定》气密性要求。试验结果数据见表2。

4 结论

1)通过对常用橡胶所需性能的综合分析比较,确定了防护密闭门的密封材料选用矩形硅橡胶材质的密封胶条。

2)设计实验并得出:邵氏硬度为20～25度的矩形硅橡胶密封胶条,在静密封工况下压缩率为15%～25%,泄漏速率较小,可达到较好的密封效果,不会使密封胶条压溃。

3)设计密封试验装置,利用水密封的原理,主要检测硐室防护密闭门的气密性及其正压维持能力,1 h内压降值小于350 Pa,满足《暂行规定》中对防护密闭门的气密性要求,验证了密封结构设计的合理性和可靠性。

参考文献

[1]杨大明.煤矿井下紧急避险系统的建设与发展[J].煤炭科学技术,2010(11):6-9.

[2]张大明,马云东,丁延龙.矿井避难硐室研究与设计[J].中国安全生产科学技术,2009,5(3):194-198.

[3]常德功,付平.密封设计手册[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4]A.H.詹特.橡胶工程[M].北京:机械工业出版社,2002.

避难硐室系统 篇7

根据《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》(国发[2010]23号文件)的要求,为建设坚实的技术保障体系,强制推行先进适用的技术装备,要求煤矿企业完善“六大系统”建设,其中的紧急避险系统中包含有井下永久避难硐室的建设内容。神华神东煤炭集团公司积极筹划相关的建设工作,由于井下永久避难硐室的建设技术与施工经验掌握的较少,经讨论研究对公司所属的14个井工矿井中首先挑选了一至两个矿井作为试点建设,通过总结试点矿井的施工经验再推广建设。

根据公司内各矿井所属地域及特点,选择了布尔台煤矿作为试点建设矿井之一。布尔台煤矿于内蒙古鄂尔多斯市伊旗乌兰木伦镇,矿井生产能力20.0Mt/a,目前主要在22煤层、42煤层回采,本次试点避难硐室井下位置选择在22煤层原22105运顺机头硐室段,硐室口部与22煤辅运大巷相距6m,距地表埋覆深度268m。

布尔台煤矿永久避度难硐室工程,硐室总长67.6m,硐室主体采用砌筑混凝土而成,局部墙体配钢筋混凝土浇筑;地面施工避难钻孔,管内布设供水、供风、通讯及监测系统管线。

二、避难硐室的施工过程

在2011年9月7日接到矿井建设避难硐室的施工任务,同时要求在2011年12月15日前建设完成,此时避难硐室施工图审查已完成。在施工中才发现审查过的图纸实质性为方案汇报图纸,设计深度不足,不能有效指导现场施工。

在2011年9月15日按照避难硐室的组成,划分为井下硐室施工、硐室设备采购与安装施工、地面钻孔施工等三个部分,确定了由三个专业化队伍分别施工。根据工程技术交底和工期排队,确定井下硐室施工工期2个月,地面钻孔施工工期1个月(与井下硐室同期开工),硐室设备安装工期15天。

因矿井生产实际情况,井下硐室工程在2011年9月25日正式开工;受到征地问题的影响,地面钻孔工程在2011年11月11日正式开工;设备安装工程在2011年12月24日具备单头施工条件,因设备到货不齐全未能开工,等到12月29日正式开工。

井下硐室施工受到矿井生产接续安排及外来部门检查等影响工程进度9天,同时受到由于地面钻孔迟开工造成钻孔贯通前保护及贯通后现场泥水清理等影响工程进度12天;最终造成硐室矿建工程推后完成21天。

设备安装工程由于设备到货不及时,具备安装条件时未能开工,到2012年1月18日才完成了设备的调试运行,后续的硐室标准化达标整改用时7天;最终造成安装工程推后完成17天。

三、如何有效的组织硐室施工建设

1.做好施工方案论证和施工图设计

对于新建设且施工经验较少的工程,要保证在对施工方案进行有效的论证后,合理选取施工位置,再进行施工图设计。严禁直接采用审查的施工方案进行施工建设。在进行施工图设计时,要结合施工现场的实际条件,包括井上、下的施工环境和条件。

在确定了实施方案后,要尽快组织实施,以保证工程施工建设的有效工期。

2.切实做好施工单位的选择和审核

需强调施工单位要有具备同类工程的施工经验,较好的施工信誉评价。同时对进场时施工人员资格和能力要进行认真的核定和审查,是否达到了投标文件承诺的标准。

3.做好施工图纸审查工作

对于提报的施工图纸,要由业务主管部门组织相关部门、单位的专业技术人员进行详细审查,并形成图纸审查记录。由设计单位根据图纸审查纪要限期完成施工图的修改和完善。

4.征地工作要提早开展

涉及地面施工的工程,在施工图确定后(只要施工选址范围确定即可),就要着手征地协调的事宜。如在本工程中施工的一个从地面至井下268m钻孔,待确定了钻探队伍后才进行征地事宜的协调工作,造成了钻孔工程的开工延误,并直接影响到井下硐室的施工进度。

5.组织好第一次工地例会

在招标确定施工单位进场后,组织第一次工地例会时,除了邀请建设单位、施工单位、监理单位、质量监督单位、设计单位、安全监察单位、资料档案管理单位等外,还必须同时邀请建设单位的矿建主管领导、机电主管领导及相应专业人员参加。

在第一次工地例会上,除了由各参建单位汇报工程开工前各项工作的准备情况、各检查监督单位宣布其检查监督的规定要求以及解答施工单位目前存在问题等以外,还必须强调由设计单位介绍工程施工内容,对重点分部工程和工序进行说明,最好能由设计单位提供施工工程的立体效果图或相关实物图片(使首次接触此类工程的参建人员有个感观认识和整体印象,便于指导后期施工建设)。

通过第一次工地例会,要达到使矿建与机电专业任务分工明确、施工方承包范围与建设方配合范围界线清晰,确保各参建单位思想认识统一、施工目标明确。

6.严格工程进度计划考核

在工程施工组织设计审查后,由施工单位根据合同约定的工期和现场实际施工条件,编制或修整工程施工进度计划,并提报建设单位、监理单位审核确定后执行。此工程进度计划表,作为施工过程中进度控制的依据之一,要严格考核和执行。若遇到客观条件影响要及时修正、申报和确定。

7.采取积极的方式进行施工作业

在按照工程进度表施工组织中,要结合现场的实际情况,及时修正调整部分工序的施工顺序。积极组织平行作业、多头作业,或为下一步工序做好准备。

如在本工程硐室砌筑施工时,因避难硐室是利用原运顺机头硐室主体巷道进行砌筑混凝土,对局部巷道超宽超高地段须进行充填作业。我们采取了提前在超宽范围砌筑片石墙体,回填超宽巷道的施工做法,这样就大大减少了当硐室浇筑混凝土时再向壁后充填的工程量,而且保证了充填质量、提高了充填速度。

提供多头作业的做法还有,结合了本硐室所在位置具备两个施工通道的条件,在硐室由内向外砌筑时,将硐室内侧矿建工程尽快完善,为安装工程提供了单头施工条件。

综上所述,通过对此工程的施工组织管理,对于避难硐室以及类似现场施工经验较少的工程应做到:严格施工程序、有全局意识、有超前思维。

摘要：结合井下避难硐室的施工经验,总结出有效组织施工建设的方法。方法中包含做好施工方案论证和施工图设计、施工队伍的选择、施工图纸审查、重视第一次工地例会、严格进度计划考核等内容。