應急避難室救生艙的應用

應急避難室救生艙的應用

根據(jù)世界各國對井事故的研究，在火災和爆炸等事故發(fā)生的事故中受傷的礦工數(shù)量很少，只有少數(shù)事故造成的事故數(shù)量。大多數(shù)礦工在火災和爆炸后無法立即升井，逃到有害的高濕度氣體現(xiàn)場，導致窒息和中毒。因此,如何為礦難后井下被困的幸存人員提供躲避有毒有毒害氣體環(huán)境及其它傷害的密閉空間,為其提供必需的生存條件,延長其生存時間,直至救援人員到達,成為礦井應急救援的一個重要課題。這種保護被困礦工的密閉空間裝備在國外被稱為應急避難室,中國安全行業(yè)將其稱為救生艙。一直以來,礦業(yè)發(fā)達國家對礦井事故的應急救援工作十分重視,將救生艙作為地下礦山應急救援工作的重要部分進行了大量的研究。其中,對于南非、加拿大、美國、澳大利亞等國,在地下礦山中設置和使用救生艙,已經(jīng)是礦井應急救援中的一項成熟而有效的技術(shù),并且已經(jīng)有過營救的案例。2006年1月29日凌晨,加拿大薩斯喀徹溫省一座鉀鹽礦發(fā)生火災,72名礦工被困井下,只能進入設置在巷道中救生艙避難。經(jīng)過26小時全力營救,72名礦工最終全部成功獲救,救生艙的成功應用在世界范圍內(nèi)引起了極大反響。通過各種方式的調(diào)研,我們對世界各國已經(jīng)應用的救生艙產(chǎn)品進行了比較深入的研究,為了從發(fā)達國家成熟的產(chǎn)品和技術(shù)中獲得啟發(fā),本文對目前國外的救生艙產(chǎn)品進行一個系統(tǒng)的介紹和比較。1對密閉空間內(nèi)環(huán)境的設定要求,主要包括水和食物礦井應急救生艙是設置在礦井下各危險工作區(qū)域的密閉空間,一般為鋼制腔體,亦可依托巷道墻壁挖掘而成,整體設計上能夠做到氣密,并能抵御一定的外力沖擊,內(nèi)部通常有氧氣(O2)供給系統(tǒng)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)凈化系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng),以及相應的監(jiān)視、防護措施,同時還有足夠的水和食物。礦難發(fā)生后,無法直接轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域的人員可以進入救生艙空間,關(guān)閉艙門與外界有害環(huán)境隔絕,隨后運行內(nèi)部各救生系統(tǒng),產(chǎn)生O2,處理CO、CO2等有害氣體,檢測密閉空間內(nèi)各類環(huán)境參數(shù),將空間內(nèi)環(huán)境維持在人類生存的適宜條件。救生艙艙室內(nèi)人類生存所需的各類環(huán)境參數(shù)在經(jīng)過研究后都有嚴格的指標規(guī)定,所有環(huán)境參數(shù)都必須控制在標準范圍內(nèi),否則會對密閉空間中人體生理心理造成負面的影響,關(guān)鍵的生存參數(shù)如O2、CO2濃度等不合要求甚至能造成人員的傷亡。表1為國外救生艙產(chǎn)品的主要技術(shù)指標。2空氣調(diào)節(jié)設施救生艙要保證內(nèi)部避難人員生存,就必須依靠艙內(nèi)設備持續(xù)穩(wěn)定地提供可呼吸的空氣,同時對人呼出的氣體及時進行處理,吸收CO2等廢氣,將艙室密閉空間內(nèi)氣體各組分含量控制在適宜范圍內(nèi)。同時,人體和儀表設備在正常情況下均會向空間輻射熱量,災變狀態(tài)下艙外也可能處于持續(xù)的高溫環(huán)境中,這些情況均會導致救生艙內(nèi)溫度上升,因此必須依靠空氣調(diào)節(jié)設施對溫度進行控制,否則會造成嚴重的后果。根據(jù)救生艙所需實現(xiàn)的功能,現(xiàn)將救生艙劃分為整體結(jié)構(gòu)、氧氣供應、有害氣體去除、空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測、動力供應及附屬設備七個部分分別進行介紹。2.1救生艙結(jié)構(gòu)形式單一國外應急救生艙一般為車體式結(jié)構(gòu),艙體由鋼板組成,內(nèi)部一般涂無毒的無機涂料,外部涂耐高溫的瓷漆,具有觀察窗和逃生窗。由于車體式救生艙一般是由鋼板組成的整體結(jié)構(gòu),所以尺寸較大,例如德國德爾格安全設備公司某型容納15人的救生艙規(guī)格為8mL×2.4mW×2.5mH,顯然無法直接進入中國大部分煤礦巷道。因此救生艙規(guī)格應根據(jù)現(xiàn)場條件和要求容納人數(shù)改變,如澳大利亞MineArc公司救生艙擁有可容納4人、8人、12人、15人、20人、30人多種規(guī)格。2.2o2供應裝置人的生存時刻需要O2維持,但適宜人呼吸的O2濃度在18.5%～22.5%之間。因此,密閉空間中的O2供應裝置應滿足三個條件:a.盡量供應組分接近空氣組分的氣體,純O2應先經(jīng)過混氣再進入救生艙供呼吸;b.能夠持續(xù)不間斷地供應O2,一般通過兩套以上獨立的供氣系統(tǒng)來實現(xiàn);c.能夠調(diào)節(jié)O2釋放速率與救生艙中人員消耗速率達到一致,以穩(wěn)定O2的濃度。目前,國外礦用救生艙的氧氣供應有以下方式:(1)呼吸對o2的影響高壓O2一般儲存在高壓鋼瓶中。與空氣相比,壓縮O2鋼瓶體積小、含氧量大,且O2能夠在人的呼吸作用后轉(zhuǎn)化為約同等體積的CO2,被處理后不影響艙內(nèi)空氣各組分濃度以及壓力,一般作為救生艙中的主要O2供應源。但需要注意的是,高濃度的O2不適宜直接呼吸,一般需要經(jīng)過與救生艙內(nèi)氣體或壓縮空氣混合后使用。同時,高壓O2在礦井中屬于危險源,安裝、使用及維護均需要嚴格管理。(2)影響救生艙的空氣組分壓縮空氣可以通過礦井壓風管路和鋼瓶儲存來提供。使用壓縮空氣可以直接滿足救生艙內(nèi)人員的呼吸,但礦井壓風管路在發(fā)生事故時可能受到破壞,導致管路中斷或者破裂而將有毒氣體引入救生艙。使用壓縮空氣鋼瓶時需要大量的鋼瓶,不利于在礦井或救生艙內(nèi)大量布置;其中含有的大量N2等不可呼吸氣體也會影響救生艙空氣的各組分含量,增加泄壓次數(shù)。礦井壓風管路對于救生艙屬于外界輸入,可作為一級供氧措施,而壓縮空氣瓶一般用作救生艙的備用氣源,在正常O2供應中斷時備用或同時與高壓O2混合使用,也用于救生艙入口處的換氣室的加壓排氣。(3)氧蠟和氧基本材料在救援狀態(tài)下,救生艙內(nèi)的O2供應可能因意外中斷。因此,必須在艙內(nèi)設置應急氧源。國外救生艙中使用的應急氧源一般為氧燭。氧燭是采用氯酸鹽、催化劑、粘結(jié)劑壓制成形的固體制氧材料,其單位體積含氧量遠高于氧氣鋼瓶。氧燭運行后不受外界溫度和壓力的干擾,能夠在短時間內(nèi)釋放大量O2,例如,英國某公司生產(chǎn)的氧燭能在25min時間內(nèi)釋放總量為720L的O2,這足以使體積為24m3的空間內(nèi)O2的濃度從18%上升至21%,同時是艙內(nèi)壓力升高約3000Pa,讓人感覺不適。因此在救生艙的小空間內(nèi)使用氧燭可能造成艙內(nèi)O2濃度和壓力過高的問題。此外,氧燭在啟動和反應過程中可能產(chǎn)生微量的CO和Cl2,增加艙內(nèi)的有毒有害氣體處理負荷,使用時必須非常注意。2.3有害氣體處理(1)空氣分離器中的co吸收劑CO2是人體呼吸代謝產(chǎn)生量最大的有害氣體,如果CO2得不到有效處理而不斷積累,濃度達到3%以上時,就可能對人的生命產(chǎn)生威脅,因此艙內(nèi)空氣凈化設備的主要任務是去除CO2。目前,國外救生艙的標準一般要求將CO2的濃度不允許超過1%。北美某安全設備公司生產(chǎn)的空氣凈化器是目前國際上較先進的空氣處理裝置,它按照使用的吸收CO2劑的藥板數(shù)量分為單床和雙床兩種,呼吸過的氣體進入處理器后,CO2以及其他的有毒氣體被吸收,同時凈化器連接的O2鋼瓶經(jīng)調(diào)節(jié)裝置控制向空氣中加入與CO2體積相等的O2,使凈化后的氣體達到可呼吸的標準。單床空氣凈化器能夠47h使容納10人的救生艙保持CO2濃度低于0.18%。CO2為酸性氣體,能夠與多種堿性物質(zhì)反應,因此,具體選擇空氣凈化器中的CO2吸收劑時,應綜合救生艙空間大小、反應效率、藥劑儲存時間等各方面因素綜合考慮。目前,國外救生艙中一般選用堿石灰(NaOH與CaO組成的混合物)作為CO2的吸收劑,主要是因其價格低廉、性能可靠,保質(zhì)期長。為了降低處理CO2時的能耗,某些救生艙中還引進了CO2靜態(tài)吸附技術(shù),采用氫氧化鋰為主要原料制成吸收簾,懸掛在艙內(nèi)自然吸收去除CO2等有毒有害氣體,不需要消耗電力等能源。但使用時需要占用大量的空間。(2)co的來源及危害CO是無色、無臭、無味的劇毒氣體,它與血紅蛋白結(jié)合能力比氧氣強20倍,因此阻礙體內(nèi)正常供氧,對人體的生命安全及健康有嚴重危害。表2為空氣中不同濃度CO時容許的暴露時間及危害。救生艙中CO的來源主要有兩部分:避難人員進艙時引入的巷道災變環(huán)境氣體;人體在密閉艙室內(nèi)生存時產(chǎn)生的微量CO。由于CO的毒性巨大,救生艙對CO的處理應具有相當?shù)乃俾?根據(jù)美國相關(guān)標準規(guī)定:救生艙內(nèi)CO處理設備必須能夠在20min內(nèi)將CO濃度從400×10-6降低到24×10-6。2.4救生艙空調(diào)壓縮機的使用與選型礦井應急救生艙為了最大限度的延長被困人員的生存時間,要求對礦井內(nèi)的惡劣環(huán)境如爆炸、沖擊、火災等具有相當?shù)姆雷o能力,因此,救生艙的外殼必須有一定的隔熱性能。而在救生艙內(nèi),被困人員自身代謝會不斷產(chǎn)生熱量。因此,如何解決隔熱的密閉空間中的熱量積累問題是救生艙研究中最困難的部分。國外的救生艙絕大多數(shù)使用空調(diào)來控制溫度?？照{(diào)主機可置于救生艙內(nèi)部,而壓縮機必須外置,因此,在爆炸事故頻發(fā)的煤礦中,救生艙外置空調(diào)壓縮機的防爆問題至關(guān)重要。此外,在20m3的空間中要保持讓人舒適的溫度,需要有足夠的電力維持空調(diào)運行,而礦難時外部電力極有可能中斷,因此,救生艙生命維持時間很大程度上要取決于空調(diào)和儲備電力容量之間的相互協(xié)調(diào)。2.5救生艙監(jiān)測儀器的組成在救生艙中生存時,被困人員必須時刻掌握所處密閉空間內(nèi)外的各類參數(shù),根據(jù)情況的變化采取相應措施維持生存條件。多數(shù)有毒氣體濃度的變化不可能通過人體器官及時感知就足以致命,因此,救生艙內(nèi)應安裝各類監(jiān)測儀器即時監(jiān)控所有主要的生存環(huán)境參數(shù),要求操作簡便、自動化程度高、性能可靠。救生艙中的監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的對象一般包括O2、CO2、CO、H2S、CH4、壓力、溫度、濕度以及各種設備的運行狀況。監(jiān)測儀器在救生艙內(nèi)分為固定式和便攜式兩種。固定式的儀器一般主要用于救生艙生存空間內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)以及各類電子設備、動力的監(jiān)測,如O2濃度、各種有害氣體含量、供氧設備流量、溫度、電池剩余電量等。此外,救生艙內(nèi)還配備有一部分便攜式氣體檢測設備,由被困人員中有經(jīng)驗的礦工操作,每隔一段時間對艙內(nèi)氣體循環(huán)較差的角落進行檢測,防止有毒有害氣體局部積累。在救生艙外部環(huán)境較穩(wěn)定的情況下,需要有被困人員佩帶氧氣呼吸器走出救生艙,使用便攜式氣體檢測器對救生艙周圍一定距離的范圍氣體條件進行檢測,以確定目前環(huán)境的安全狀況,準備實施自救或者配合進一步的救援工作。2.6救生艙用電的穩(wěn)定性救生艙中的空調(diào)、照明、電子控制設備等都要依靠電力來維持,尤其是大功率的空調(diào)壓縮機,要消耗大量的電力資源。能否為救生艙耗電設備提供電力,維持其長時間穩(wěn)定的運行,對延長救生時間有著極大的影響。目前,國外礦用救生艙的動力供應系統(tǒng)一般分為兩部分:礦山電源和UPS(不間斷電源)。救生艙在正常情況下接入礦山用電源,經(jīng)變壓轉(zhuǎn)換設備調(diào)整電壓電流適應艙內(nèi)設備的規(guī)格。2.7相關(guān)設備應急救生艙中除了主要的設備儀器外,還設計有一系列附屬設施以滿足被困礦工的生存需要、協(xié)助完成救援工作:(1)降低救生艙內(nèi)的3.密閉空間中,人的排泄物如果不能及時的收集、處理,可能由于臭味、病菌的傳播而大大降低救生艙內(nèi)的空氣質(zhì)量,影響被困人員的身心健康。國外救生艙中設置的廁所一般采用化學方法對排泄物進行消毒和處理。(2)適當降低開支電力救生艙中的照明裝置除了要求防爆性能外,還要盡可能的節(jié)省電力。因此,救生艙中一般使用能耗低、維持時間長、維護簡便的LED燈,某些救生艙中使用熒光棒作為照明裝置。(3)自助設備救生艙中必須配備有一定數(shù)量的隔絕式O2自救器,以便于救生艙內(nèi)人員短時間外出進行檢測、營救或自行撤離。(4)急救系統(tǒng)的開啟礦難發(fā)生后,礦井內(nèi)部情況復雜,爆炸、塌方等各種原因都有可能導致救生艙入口被堵住或損壞而無法開啟艙門,因此,救生艙需要有應急逃生的窗口,在需要緊急出艙時,被困人員能夠打開逃生窗離開救生艙。(5)急救藥物、器材國外救生艙中通常還配備有急救包,里面有一般情況所需要的急救藥物、器材等,能夠用于對受傷的礦工及時進行簡單的包扎、消毒、治療,防止受傷部位傷情惡化。(6)火炬樹葉片損傷,缺乏及時排除的障等待救援期間,救生艙的各種設備運行中可能會出現(xiàn)故障,需要及時排除。所以救生艙里還應配備一個工具包,里面包括檢查、維修艙內(nèi)各種設備的工具、說明書、維修材料以及供被困人員撤離用的逃生手冊、逃生路線圖等。(7)救生艙氣象及周邊設備設置礦難發(fā)生時,由于煙霧、粉塵彌漫等各種原因,礦井中的能見度可能大大降低,為了引導無法撤離的礦工及時確定最近的救生艙的位置,救生艙艙體外壁以及周邊的一定范圍內(nèi)都應設置有聲、光提示的設備。這些標識包括巷道墻壁上的反射帶方向標志、救生艙上安裝的警示燈和外壁上的反光涂裝等。3救生艙技術(shù)研究的必要性(1)救生艙類產(chǎn)品在南非等國礦山中已有一定規(guī)模的應用,并有成功救援的案例,證明應急救生艙在礦井事故發(fā)生后對于保護被困礦工的生命安全、提高救援成功率確實有重要的作用。而我國在救生艙應用領(lǐng)域尚屬空白,應立即開展救生艙技