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1、煤矿用可移动式救生舱中的环境监测系统关键词：救生舱，六大系统,紧急避险系统1引言根据世界各国对矿井事故的调查，相当一大部分矿难伤亡都是因为在矿井透水、火灾和爆炸后，不能及时升 井或逃离高温、有毒有害气体现场，导致溺水、窒息或中毒死亡。因此，各国都在致力建设矿井避难硐室和矿用 救生舱，以便在矿井发生事故后能够为无法及时撤离的矿工提供一个稳定可靠、保障齐全的维生空间，把灾害的 损失降到最低。2010年7月，我国国务院下发通知要求，煤矿和非煤矿山要在3年之内完成矿山安全避险六大系统的安装 工作，包括：检测监控系统、井下人员定位系统、井下紧急避险系统、矿井压风自救系统、矿井供水施救系统和 矿井通信联络
2、系统。可移动式救生舱是井下紧急避险系统中的重要技术装备。随后，国家安监总局也下发通知， 要求必须在距离工作面500米范围内建设避难硐室或设置救生舱”。并表示，救生舱的建设将是我国矿山企业安 全生产保障设施的重中之重。2国外发展现状及应用加拿大、美国、澳大利亚等发达国家在救生舱的设计与研究方面积累了多年的经验，他们的矿山法规和标准 对推广、使用矿用有着硬性的规定，一些具有较强科研实力的企业单位投入了大量的资金参与其中。图1是国外厂商设计的几款救生舱，包括固定式救生 舱、移动式救生舱和快速充气式救生舱。图1不同类型的救生舱下面详细介绍几家国外研发煤矿用可移动式救生舱的公司及其产品特点。2.1Min
3、eARC的避难舱澳大利亚的MineARC公司在避难舱的开发方面处于领军地位。该公司从1995年就开始涉足煤矿避难舱的 研究。目前，该公司在全球27个国家和地区的矿山配备超过1000台的救生舱。MineARC公司研发的救生舱主要分为煤矿型（每套系统可供1至20名避难人员使用）和非煤矿型（每套系统 可供1至25名避难人员使用）。其中，CoalSAFF煤矿安全型应急救生舱采用了世界上独一无二的新型专利技术,即在无电力支持条件下，集一氧化碳、二氧化碳处理和空调降温于一体的本质安全型集成控制系统一MRCisTM。 MineARC可根据用户的要求定制不同需求的救生舱，主要有厚煤层用、薄煤层用煤矿安全型应急
4、救生舱。其产品在澳大利亚的成功使用案例主要有：StLeves （2006年4月），Barr ickKanownaBelle（2007年 10 月），BHPBillitionLeinster（2009 年 6 月）。2.2StrataProductsWorldwide 的避难产品StrataProductsWorldwide （斯特塔安全设备公司）共有2种类型避难舱产品：固定式避难室（含屏障式 空气托撬）和可移动式救生舱，其中可移动式救生舱又分为钢制步入式救生舱（煤矿用）和可充气式救生舱。一、钢制步入式救生舱特点：舱体结构坚固，可抗15Psi（0.1033Mpa ）的超压；可以容纳6-40人；为
5、困在井下的工人可提供高达96小时可供呼吸的空气；能自动报告CO、C02、O2含量和温度；提供必要的食物和饮用水。二、可充气式救生舱特点：每套设备最大可容纳50名矿工；可提供96小时维持生命所需的空气；只需取下安全销并按一下按钮。就会在3分钟内自动展开；申请专利的空气处理系统维持空气中的氧气水平，从空气中去除二氧化碳，维持可呼吸的空气供给；可折叠放在能够承受15Psi（0.1033Mpa）超压的钢制容器内。2.3ChemBio的避难舱位于西弗吉尼亚州的ChemBio公司是国际上首家研发出软件救生舱、拥有专利产品权的专业公司。在美国 煤矿井下配备避难所1193台，其中，软件救生舱1000台（占80
6、%以上），硬件救生舱123台，避难硐室 70个。ChemBio公司软件救生舱的特点如下:舱体材料采用符合军用标准的材料。这种材料阻燃，并极为坚固，具有很强的抗撕扯、防破裂、抗刺透能力。放置体积小，展开舱容积大，最大救生人数35人，可救生时间超过96小时。舱内C02清洗采用无源被动式设计，即利用悬挂在舱内含有碱石灰等化学成分的若干幕帘来完成。3国内发展现状及应用与国外相比，国内矿用可移动式救生舱的研究相对比较晚，设计技术还不成熟，其相关的标准还在制定中。 目前，国内超过二十家企业、单位从事相关产品研发。通过专家鉴定的有3家：北京科技大学（陕西重生矿业科 技有限公司）、煤科学研究总院安全技术分院（
7、上海鹏燕矿业安全设备制造公司）、煤炭科学研究总院沈阳研 究院（MineArc）。取得安全标志（新产品）只有1家：北京科技大学（陕西重生矿业科技有限公司）。下面介绍几家国内研发煤矿用可移动式救生舱的公司及其产品特点。3.1陕西重生矿业科技有限公司陕西重生矿业科技有限公司研制救生舱已完成多项关键试验：1、2008年7月在山西潞安集团模拟巷道内完成了完全模拟矿井灾变环境下的4人96小时的现场生存试 验，试验取得圆满成功。2、2008年10月，完成持续承受不低于260C高温环境试验，整个试验过程舱内温度被控制在安全范围。3、2009年3月，在重庆完成承受瓦斯、煤尘爆炸试验，获得成功。同时，救生舱的设计
8、充分考虑了使用现场环境的复杂性和恶劣性。舱体采用了坚固的钢制外壳和分体式组装 结构，可拆卸后进入矿井，在井下根据需要进行组装。该救生舱对外能够抵御爆炸冲击、高温烟气，隔绝有毒有 害气体；对内能及时处理舱内的有毒有害气体，并通过多极供氧系统为被困矿工提供氧气，食物、水的存储和粪 便的处理都有专门的系统，为被困人员可以赢得较长的生存时间。同时，被困人员能够通过舱内通讯监测设备， 引导外界救援。3.2河南中平能化集团机械制造有限公司2006年6月，由河南中平能化集团机械制造有限公司自行研究设计制造的矿用可移动式救生舱”首个样舱 制造完成。这座矿用可移动式救生舱”主要用于发生矿难时遇险人员紧急避难。其
9、密封舱体可容纳10人，舱体 内设有座椅、照明、通讯、供氧、急救箱、必需的食品饮用水、有毒有害气体处理装置，并可以调节舱内的气温 和湿度。舱内至少可提供96小时的生存保障。3.3黑龙江龙煤机械装备公司2011年4月9日黑龙江研制出井下可移动式救生舱已通过抗爆试验。继在环境温度55摄氏度、120小 时高温真人试验获得成功后，由黑龙江龙煤机械装备公司自主研制的“JYC-120/12型井下可移动式救生舱，近 日再次通过国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心的连续4次井下抗爆试验。鉴定结果显示，该舱体抗爆能力 为2兆帕，达到了井下可移动式救生舱抗爆能力的最高标准，表明此型号救生舱可以投入高瓦斯矿井，为井下
10、遇 险矿工提供临时的避险场所。3.4山东华盾科技股份有限公司山东华盾科技股份有限公司研发的矿用可移动式救生舱被誉为矿井诺亚方舟”，以10项（两项发明、7项 实用新型、一项外观）专利，填补了国内空白，具有完全自主知识产权。该矿用可移动式救生舱可以实现实时和 长远全时空故障和运行状态的监控检测和紧急避险状态下全时空的通信视频联络，并能提供在紧急避险与外界隔 绝状态下每一个舱体12个人连续生存10天的空间，结束了此前每个舱体只能容纳5人、生存仅3天的尴尬困 局。4救生舱设计的关键之环境监测系统矿用可移动式救生舱”整个研究包括应急救援密闭舱、舱内的环控生保系统、实时环境监控系统三大部分。 作为关键技术
11、之一，环境监测在矿用可移动式救生舱中非常重要。4.1环境监测系统简介救生舱的环境监测系统是避难人员在密闭空间内生存依靠的重要保障，对现有舱内的压力、温、湿度等环境 参数提供实时监测。由于被困人员在救生舱中生存通常从几小时到几天都有可能，随着时间的推移，舱内氧气不 断减少，同时将产生CO、CO2、H2S、CH4等有毒有害气体，这都影响着人的生命安全，因此，舱内应对这些 各种气体参数即时监控，并根据气体对人体影响设定仪器监测范围和报警参数，同时对供氧速度、有毒有害气体 净化、温、湿度调控、供电、通讯等实现控制，保证在与外界隔绝的情况下，实施舱内一定时间内人员生存的重 要条件。救生舱还应具备监测舱外
12、气体环境的设备，及时观察舱内外的环境情况，判断是否处于危险状态。MineARC公司的各类型救生舱配置的是电子气体监测仪，对舱内02、CO2、CO等气体含量进行实时监控， 气体监测仪有预置警报系统，一旦气体浓度达到某个值点，系统就会自动发出警报，避险人员根据警报判断是否 需要更换化学吸附剂。电子气体监测仪机身轻巧，携带方便，操作简单，安全可靠。我国可移动式救生舱内主要设置有环境监测仪，该仪表主要采用带有煤安标志的本安防爆型气体传感器， 一方面监测舱内数据，提醒舱内人员根据不同情况做出相应决策，保障生命安全。同时，在舱外一定区域设置监 测仪表，以便舱内人员了解外部环境，在外部安全的环境下，通过通讯
13、系统与井下联系，实施自救配合他救。4.2救生舱环境监测系统设计方案系统设计要求对于救生舱监测系统，要求灾变情况下能够长时间独立监测、传输、人机界面友好、安装便利、维护方便、 操作简单、可扩充性好、易于实现产品工业化。救生舱应能对舱内环境参数进行实时监测、显示，并超限报警，并应有对舱外环境监测功能。救生舱内、外 环境监测系统宜独立运行。救生舱内环境监测的参数至少应包括CO、C02、02、CH4、H2S、温度和湿度；舱外环境监测参数至少 应包括CO、C02、02、CH4、温度。（3）救生舱内环境监测系统应根据表1的规定设置超限报警点，环境参数超出表1的规定值时自动声光报 警，声级不宜大于50dB（
14、A）。表1救生舱内空气质量要求项目O CO2CO CH24H2监测系统对所监测参数根据需要可随时显示监测数据、图形、曲线和报警点及数值。图形功能丰富直观， 点开图形即得所需测点信息。 具有自检及自诊断功能，系统能自动切除故障区域，非故障区域仍能正常运行。 监测系统硬件设计温度湿度指标18.5%-23.0% W1.0% 1.0%85%24ppm35 C6ppm（4）具有边界参数开关量控制功能，以便在监测到气体参数不符合舱内安全生命标准时启动相关设备。系统设计目标监测系统软件设计1）救生舱监测系统与巷道中监控分站相连，组成全矿井监测信息管理中心，并可通过网络实现监测信息适 时共享。2）监测系统软件
15、平台采用先进的组态软件，具有人机界面友好、操作简单方便、功能强大等优点，具有容 错纠错功能，人为的误操作不影响系统的正常运行。（1）救生舱监测系统在正常情况下，包括监控主机、传输接口、监测分站、电源箱、监控软件、显示器、 传感器及传输电缆。（2）在灾变后线路遭到破坏后，救生舱内监测系统包括舱内电源、显示器、传感器及传输电缆。（3）建立救生舱监测系统需要完成舱内仪器仪表的选配，气动开启与电动开启的转换控制及连接，通讯信 号的统一处理，舱内仪器仪表布局及位置确定，仪器操作控制柜设计，舱内设备连接电缆桥架布置以及舱内外电 缆密封接口设计。监测系统信号传输舱内监测系统对外提供所需传感器的信号，同时接入到分站，实现远距离传输，通过传输媒介接入到监控主 机。其信号传输的原理框图2所示。图2信号传输框图舱内外配有多种传感器，用来测定温湿度、大气压力、气体（CO、C02、02、甲烷、H2S等有害气体）的 浓度。舱内同时具有显示各种传感器参数的仪表，然后将采集到的数据通过传输电缆送到集中控制显示器进行显 示。同时，救生舱监测系统与巷道中监控分站相连，监控分站收集传感器的监控数据，通过传输媒介到达监控主 站，实行所有仪表的远程实时监控，并自动调节舱内气体环境。监测系统一方面作为平时正常情况下的安全监测，另一方面在井下事故
