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煤矿井下紧急避险关键技术研究

来源:国家煤炭工业网    时间:2012-08-31

孙继平
中国矿业大学(北京),100083
摘要:提出避免逃生通道被堵的方法:构建不少于3条巷道(井),减少全部逃生通道被堵的概率;做到回风巷道(井)无机电设备,减少引爆瓦斯的火源;回风巷道不作行人巷道,减少了瓦斯爆炸等事故造成的人员伤亡。提出氧气呼吸器接力逃生方法:在遇险人员逃生路线上每隔一定距离设置避难硐室,避难硐室内设置氧气呼吸器。提出避难硐室自然降温方法:当构建避难硐室的煤层或岩层温度较低时,可通过避难硐室四周的煤、岩散热,避难硐室既不需要装备制冷设备,也不需要隔热处理;有直通地面钻孔的避难硐室,应由地面送风降温,不必在避难硐室内设置制冷降温装置;避难硐室直通地面的钻孔直径宜为700mm, 这样既增加了逃生通道,又利于地面送风降温。提出抗灾变能力强的管线布置方法:监测监控、人员定位、通信联络系统的电缆和光缆,压风自救和供水施救管路埋入巷道。提出无压气喷淋的避难硐室构建方法。提出了由氧气呼吸器、压缩氧自救器、逃生通道、避难硐室、避灾路线及指示和应急预案等组成的煤矿井下紧急避险系统。
煤矿井下安全避险“六大系统”完善了事故防治、安全避险和应急救援体系,是避免或减少事故伤亡和重特大事故发生的重要措施。煤矿井下安全避险“六大系统”包括用于瓦斯等灾害防治和事故预警的监测监控系统;用于应急救援和遏制超定员生产的人员定位系统;用于遇险人员逃生和自救的紧急避险系统;为遇险被困人员提供新鲜空气的压风自救系统;为遇险被困人员提供饮用水的供水施救系统;用于通知井下作业人员避险、报告井下被困人员状况的通信联络系统。
目前,全国国有重点煤矿已全部完成了监测监控、人员定位、通信联络、压风自救和供水施救5大系统建设。但由于煤矿井下紧急避险一些关键技术问题还没有解决,影响着煤矿井下紧急避险系统的建设。因此,有必要针对煤矿井下紧急避险关键技术问题进行研究。
煤矿井下紧急避险系统,是当煤矿井下发生事故时,为遇险人员提供逃生方法、通道、装备和设施的系统,最大限度减少事故伤亡。因此,煤矿井下紧急避险系统应包括逃生方法、通道、装备和设施等。
1逃生通道的构建
煤矿井下发生瓦斯爆炸等事故时,遇险人员要尽快安全撤至地面,地面最安全 。因此,逃生通道是遇险人员安全撤至地面的首要条件。
为提高遇险人员逃生机会,除掘进工作面和临时作业场所外,回采工作面等煤矿井下其他作业地点和巷道均应有不少于2条步行安全撤至地面的通道,并构建不少于3条巷道(井)。这样,既减少了事故时所有逃生通道被堵的概率;又可做到正常生产时,通风、运煤、辅助运输相互独立,做到回风巷道(井)不兼作行人和运料巷道(井)。回风巷没有机电设备,大大减少了引爆瓦斯的火源。回风巷不作行人巷道,减少了瓦斯爆炸等事故造成的人员伤亡。巷道等效断面的增大、通风阻力的降低,在风量一定的条件下,风压和风速较小,也利于防火和防尘。
对于开采深度较浅的矿井,可通过斜井和平硐,构建不少于2条步行安全撤至地面的通道。但对于开采深度较深的矿井,就难以构建不少于2条步行安全撤至地面的通道。立井深度较浅时,遇险人员可通过立井梯子间的人梯自行升井。立井深度较深时,遇险人员难以通过人梯自行升井,这就需要多个有提升机的立井;当瓦斯爆炸等造成部分提升系统损坏时,仍有可用于提升遇险人员的提升系统。有条件时,可构建用于紧急避险的立井及其提升系统,在井底构建防爆门,减少瓦斯爆炸等事故对立井提升系统的破坏;位于地面的提升机除两路供电外,还备有柴油发电机组;提升罐笼一般位于地面,以减少爆炸冲击波的影响。
加强巷道支护,提高抗爆炸冲击波等能力,是减少瓦斯爆炸、煤尘爆炸、炸药爆炸、顶板冒落、煤与瓦斯突出造成逃生通道被堵事件发生的有效方法。
取消木支护,取消竹蓖和荆芭等可燃物背帮,既是矿井防火的需要,也是防止矿井火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、炸药爆炸等事故造成逃生通道被堵的有效方法。采用木支护,采用竹蓖和荆芭等可燃物背帮,当发生矿井火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、炸药爆炸等事故时,这些支护材料会被烧毁,造成顶板冒落等,堵塞逃生通道。
2氧气呼吸器接力法
参考文献[孙继平.煤矿井下紧急避险系统研究[J].煤炭科学技术,2011,39(1):69-71]提出了经济实用的自救器接力紧急避险方法:入井人员应佩戴压缩氧自救器;在自救器所能提供的额定防护时间内,从采掘工作面等作业地点步行不能安全撤到地面的,必须在撤离路线上每隔一定距离设置避难硐室,避难硐室内应设置压缩氧自救器,供遇险人员更换,保证遇险人员能安全撤至地面。
避难硐室除设置压缩氧自救器外,还可设置氧气呼吸器,以减少煤矿井下避难硐室数量、避难硐室的资金投入和维护量。
氧气呼吸器又称隔离式(或隔绝式)压缩氧呼吸器,由存储于高压气瓶中的压缩氧供氧,呼吸系统与外界隔绝,仪器与人体呼吸系统形成内部循环。常用的氧气呼吸器防护时间有2h和4h等,其防护时间远远大于压缩氧自救器的30-45min。因此,使用氧气呼吸器可以大大提高遇险人员非中继逃生时间和行走距离,进而加大用于中继的避难硐室间距,减少避难硐室数量。使用2h氧气呼吸器较使用30 min压缩氧自救器的中继避难硐室间距提高4倍,可达4000m(具体根据井下巷道条件确定),大大减少了避难硐室数量。
为保证遇险人员会正确使用氧气呼吸器和压缩氧自救器,需要对下井人员进行必要的培训。
3避难硐室防CO入侵
为防止CO等有毒有害气体进入避难硐室(或救生舱)内,用于遇险人员出入的门要采用气密结构。为减少爆炸冲击波等对门气密性的破坏,需要设置两道门。外侧门采用向外开启的防护气密门,内侧门为气密门,两道门之间为过渡舱。
为防止遇险人员开门进入避难硐室(或救生舱)时,外部CO等有毒有害气体进入避难硐室(或救生舱)内,过渡舱内设有压缩空气幕、压气喷淋装置和不少于2个单向排气阀。每组遇险人员在过渡舱的喷淋时间不小于2min。压缩空气幕和压气喷淋所需的高压空气除由压风自救系统供给外,还需由存储在避难硐室(或救生舱)的高压气瓶供给,保证瓦斯爆炸等事故造成压风管路损坏后,压缩空气幕和压气喷淋装置的正常工作。
高压空气瓶是高压容器,应尽量少用,避免由于高压气瓶及其管路等质量问题和维护不当,造成人员伤亡。减少高压空气瓶的使用,还可以提高避难硐室(或救生舱)的空间利用率。
压缩空气幕是防止外部CO等有毒有害气体进入避难硐室(或救生舱)内的有效措施,为保证压缩空气幕的可靠性,压缩空气幕除由压风自救系统供给外,还需由存储在避难硐室(或救生舱)内的高压气瓶供给。
为减少高压空气瓶的使用,压气喷淋可以不使用高压气瓶。这是因为,遇险人员服装所携带的CO等有毒有害气体较少,不会给避难硐室(或救生舱)的生存舱室的空气带来致命的变化;遇险人员服装所携带的CO等有毒有害气体,还可被舱内的空气净化吸收系统逐步净化和吸收。但每组进室(舱)的遇险人员不小于2min的喷淋时间,对等待在避难硐室(或救生舱)外的遇险人员,则可能是致命的2min。
4避难硐室自然降温
为防止CO等有毒有害气体进入避难硐室,避难硐室通常采用气密和正压结构。为防止遇险人员进入气密的避难硐室后,避难硐室内的温度达到遇险人员难以忍受的温度,避难硐室通常采用蓄冰制冷和高压气(液)体膨胀制冷等。
蓄冰制冷首先要将水制成冰,平时要维持冰的结冰状态。因此,平时需要给电动制冷机供电,维护费用高,特别当瓦斯超过断电浓度时,必须切断制冷机的电源。蓄冰单元和制冷机还占据了较大空间。
高压气(液)体膨胀制冷是通过高压气(液)体膨胀吸热制冷。高压气(液)体膨胀制冷具有无电源、维护量小、维护费用低等优点。但如果高压气瓶及其管路等有质量问题或维护不当,会造成人员伤亡。高压气瓶及热交换装置还占据了较大空间。
因此,避难硐室制冷降温,不但增加了避难硐室的建造成本、维护成本、维护工作量,降低了空间利用率,还会带来新的事故隐患,也不利于避难硐室的推广应用。
避难硐室是否需要制冷降温,要根据具体环境决定。当构建避难硐室的煤层或岩层温度较低时,可通过避难硐室四周的煤、岩散热;避难硐室既不需要装备制冷设备,也不需要隔热处理。这样不但降低了避难硐室建造和维护成本、提高了空间利用率,而且减少了事故隐患,更便于推广应用。当然,当构建避难硐室的煤层或岩层温度较高时,比如大于35℃时,则应进行制冷降温,并做隔热处理。制冷降温宜采用CO2膨胀降温。
也可通过压风自救系统向避难硐室压入冷空气,降低避难硐室温度。由于平时避难硐室温度较低,即使煤矿井下事故造成压风管路损坏,事故后在一定的时间内,避难硐室内的温度也不会过高。
有直通地面钻孔的避难硐室,应由地面送风降温,不必在避难硐室内设置制冷降温装置。直通地面的钻孔直径宜为700mm, 这样既增加了逃生通道,使用提升装置将避难硐室内的遇险人员提升至地面,又利于地面送风降温。
5监控、定位、通信、压风和供水管线埋入
目前,煤矿安全监控系统的电缆、煤矿井下人员位置监测系统的电缆和光缆、煤矿井下调度通信系统的电缆、移动通信系统的电缆和光缆、广播通信系统的电缆和光缆、压风自救管路、供水施救管路,一般吊挂在巷道中。当煤矿井下发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、炸药爆炸、顶板冒落、煤与瓦斯突出等事故时,将会造成这些电缆、光缆和管路的损坏,影响系统的正常使用。
为避免或减少瓦斯爆炸等事故对煤矿监测监控、人员定位、通信联络、压风自救、供水施救系统的破坏和影响,应将煤矿安全监控系统的电缆、煤矿井下人员位置监测系统的电缆和光缆、煤矿井下调度通信系统的电缆、移动通信系统的电缆和光缆、广播通信系统的电缆和光缆、压风自救管路、供水施救管路埋入巷道,并提高这些电缆、光缆和管路的机械强度。
为避免火灾等对这些电缆、光缆和非金属管路的破坏和影响,用于煤矿安全监控、人员定位、通信联络系统的电缆外护套,除应采用阻燃材料外,还应耐高温。
6结论
煤矿井下发生瓦斯爆炸等事故时,遇险人员要尽快安全撤至地面,地面最安全。当巷道被顶板冒落物等堵塞,遇险人员无法安全撤至地面时,应进入避难硐室躲避,等待救援。
煤矿井下紧急避险系统是遇险人员安全撤至地面和安全避险的重要保障。煤矿井下紧急避险系统由压缩氧自救器、氧气呼吸器、逃生通道、避难硐室、避灾路线及指示和应急预案等组成。
逃生通道是遇险人员安全撤至地面的首要条件。因此,煤矿井下应构建多个通往地面的巷道。当发生事故时,所有通往地面的巷道都被顶板冒落物堵死的概率就会大大降低,同时,也利于瓦斯防治、防火和防尘。取消木支护,取消竹蓖和荆芭等可燃物背帮,加强巷道支护,不但是防火和顶板事故防范的需要,也是防止逃生通道被堵死的需要。
入井人员要携带压缩氧自救器,当井下发生瓦斯爆炸等事故时,遇险人员应使用压缩氧自救器尽快撤至地面。当作业地点距地面较远、压缩氧自救器防护时间不能保证遇险人员安全撤至地面时,要分别根据压缩氧自救器和氧气呼吸器的防护时间,设置避难硐室。避难硐室中应设置一定数量的氧气呼吸器或压缩氧自救器,供途经这里的遇险人员更换。采用氧气呼吸器接力,可以延长避难硐室的间距,减少避难硐室的建设数量、建设成本和维护量。
为防止更换氧气呼吸器或压缩氧自救器时,遇险人员受到CO等有毒有害气体伤害,避难硐室应采用气密和正压结构,防止外部CO、CH4等有毒有害气体进入,这也是防止避难硐室瓦斯积聚的需要。
为防止遇险人员进入避难硐室时,外部CO等有毒有害气体进入避难硐室,避难硐室要设置压缩空气幕,并由压风自救系统和高压空气瓶双保险供气。
由于避险人员服装所携带的CO等有毒有害气体有限,为减少高压空气瓶的使用,避难硐室的压气喷淋可以不使用高压气瓶。特别是,进入避难硐室的每组遇险人员需要不小于2min的喷淋时间,会使等待在避难硐室(或救生舱)外的避险人员没有逃生机会。
当构建避难硐室的煤层或岩层温度较低时,避难硐室可以不采用制冷降温措施,可以利用避难硐室四周煤岩散热。这样不但避免了制冷装置带来的新的事故隐患,而且降低了避难硐室建造成本和维护工作量,提高了避难硐室空间利用率。也可通过压风自救系统向避难硐室压入冷空气,降低避难硐室温度。由于平时避难硐室温度较低,即使煤矿井下事故造成压风管路损坏,事故后在一定的时间内,避难硐室内的温度也不会过高。有直通地面钻孔的避难硐室,应由地面送风降温,不必在避难硐室内设置制冷降温装置。
为保持避难硐室与其他5大安全避险系统的有效连接,提高监测监控、人员定位、通信联络、压风自救、供水施救系统的抗灾变能力,应将煤矿安全监控系统的电缆、煤矿井下人员位置监测系统的电缆和光缆、煤矿井下调度通信系统的电缆、移动通信系统的电缆和光缆、广播通信系统的电缆和光缆、压风自救管路、供水施救管路埋入巷道,并提高这些电缆、光缆和管路的机械强度。
本文全文发表在《煤炭学报》2011年第11期:孙继平。煤矿井下紧急避险关键技术[J].煤炭学报,2011,36(11):1890-1894
作者简介:孙继平(1958—),男,山西翼城人,教授,博士,博士生导师,中国矿业大学(北京)副校长;作为第1完成人获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖6项;作为第1完成人主持制定中华人民共和国煤炭行业和安全生产行业标准26项;主持制定《煤矿安全规程》第三章通风安全监控;作为第一作者或独立完成著作10部,发表论文100余篇(其中被SCI和EI检索的第1作者论文60余篇);作为第一发明人获国家专利权和软件著作权17项;作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加了10起煤矿特别重大事故调查工作。联系电话:010-62331929,E-mail: sjp@cumtb.edu.cn

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