矿井避难硐室正压密闭系统研究.pdf

第 7卷 第 1期 2011年 1月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vo. l 7 No . 1 Jan . 2011 文章编号 1673- 193X2011 - 01- 0089- 05 矿井避难硐室正压密闭系统研究 韩海荣, 金龙哲, 高 娜, 王 岩 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 矿井避难硐室在灾变时为矿工提供了隔绝密闭的避难空间, 内部正压密闭系统起到了隔 绝有毒有害气体的作用。本文对矿井避难硐室正压系统进行研究, 确定影响矿井避难硐室正压数 值的因素, 通过理论计算确定了矿井避难硐室正压值, 同时确定了矿井避难硐室的正压维持方式 并设计了相应的余压阀。为保证矿井避难硐室正压的实现, 对矿井避难硐室密闭系统进行研究, 包括建筑密闭和设施密闭。 关键词 矿井避难硐室; 正压值; 压差维持; 密闭系统 中图分类号 X936 文献标识码 A Study on confined positive pressure system in mine refuge station HAN Hairong,JIN Longzhe , GAO Na , WANG Yan Civil and EnvironmentalEngineering Schoo, l University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083, China Abstract M ine refuge station can provide the isolated refuge confined space in the disaster ,and the internal posi tive pressureconfined syste m plays the role of isolating toxic and har m ful gases .In this article positive pressure sys te m inm ine refuge station was studied,the factors affecting the positive pressure values ofm ine refuge stationwere determ ined . Through theoretical calculations,the positive pressure value ofm ine refuge station and the way ofm a intenance positive pressure, were deter m ined and also residual pressure valve was designed .In order to ensure the realization of positive pressure in the refuge station,the confined syste m of m ine refuge stationwas studied , which include construction airtight and facilities airtigh. t Key words m ine refuge station ;positive values; m aintenance of pressure ;confined system 收稿日期 20101015 中国煤矿约 95是井工矿, 井工开采矿井具有 灾害因素集中、 人员活动与逃生空间受限, 多种致灾 因素共存井下的特点, 也容易引发大的灾难。在井 工矿中设置和使用紧急避难设施, 是煤矿应急救援 中的一项有效的技术 [ 13]。 矿井避难硐室作为紧急避险设施的一种, 首先 要能与外部有害气体环境隔绝, 因此内部需要维持 一定正压, 使外界有毒有害气体不会进入避难空间。 压差控制是保证矿井避难硐室安全防护的关键技 术, 因此有必要对矿井避难硐室正压力数值及压差 维持进行研究, 为避难硐室设计提供依据。 1 密闭空间正压系统国内外研究进展 11 国外研究进展 由于矿难发生时, 所有的矿工并不会同时到 达避难硐室, 这也意味着避难硐室的门将会被开 关很多次, 如果不是处于正压状态下, 每一次开关 门都有可能导致有毒有害气体进入避难硐室内 部。因此要求保持避难硐室内部相对于外界环境 为正压状态。 南非 1997年在制定矿山 职业守则 时, 学者 Oberholzer提出了在井下构建避难硐室的方案。其 中规定避难硐室必须保证内部为正压气密型, 以此 保证隔绝有毒气体、 烟雾和其他有害气体的进 入 [ 4]。美 国 Refuge Alternatives for Underground CoalM ines ; F inalRule∀中规定救生舱内部压力高于 外部 018psi 1241Pa [ 5]。 国外对避难硐室 救生舱 的正压值通常控制 在 200- 300Pa [ 67]。 12 国内研究进展 国内煤矿安全规程 ∀执行说明中对矿井避难 硐室提出了要求。矿井避难硐室必须构筑严密或采 用正压排风, 以免有害气体侵入, 使避难人员受害。 具体正压值没有叙述 [ 8]。 2 矿井避难硐室正压系统研究 矿井避难硐室正压系统建立包括两部分 一是 正压值设定; 二是压差维持。正压值是正压系统研 究中十分重要的指标, 只有达到一定数值才能满足 隔绝有毒有害气体的目的。 21 正压值影响因素 矿井避难硐室正压系统主要目的是为了隔绝有 毒有害气体进入。正压值的设定尤为重要, 它与以 下几个因素有关。 1人体承压 人体有一定的承压能力, 短时间内, 人体可以在 高压气体环境下生存, 长时间生存, 可对腔室 肺、 鼻窦、 耳、 肠胃道 造成压伤, 因此避难硐室内部压 力不能过高。 2风压力 矿井避难硐室内部压力要高于外部压力以及风 流动产生的风压力, 保证避难硐室开关门时, 外部有 毒有害气体形成的风压力小于内部正压, 从而阻隔 有毒有害气体侵入避难硐室。 3避难硐室进排气平衡 避难硐室内正压能够保证新鲜风流在压力场作 用下循环, 将有毒有害气体稀释, 将温、 湿度降低, 同 时由于内外压差将废气排出避难区。 4开关门 正压力过大会造成防护门的开关问题, 开启非 常困难, 关闭冲击力大, 易发生挤伤人事故。矿工由 于经过长时间奔跑, 已经筋疲力尽, 压差过大将无法 打开防护门。矿难事故中就发生过遇难人员由于无 法打开风门在风门处遇险的情况。 有研究表明压差值高于 50Pa时, 门的开关就会 受到影响, 当正压值大约在 100Pa 时, 门将难以 打开 [ 9]。 因此, 在进行避难硐室正压值确定的时候以进 排气平衡为基础, 综合考虑风压力、 人体承压, 开关 门对正压值的影响。 22 正压系统控制水平 221 压差值确定 避难硐室压差建立的基本原理是进风量与排风 量之间达到平衡便建立压差, 即进风量 排风量。 通过控制进风量和排风量的风量平衡, 从而维持恒 定的压差, 避难硐室进回风平衡如图 1 。 图 1 避难硐室进回风平衡 1排风量确定 根据国外避难硐室供风量 [ 7]考虑富裕系数, 避 难人员的最低人均供风量为 100L /m in , 考虑避难硐 室内容纳的人数、 管路漏风以及一定的富余量确定 硐室避难空间总供风量。 Q总 K1K2RQ 1 式中 Q总 避难硐室总供风量, L /m in; K1 压风管路漏风系数; K2 避难硐室人员不均衡系数; R 避难硐室内部人数; Q 人均供风量, L /m in 。 由压差平衡, 进风量 Q1 排风量 Q2。 2几何模型 避难硐室几何模型 墙壁厚 05m, 管道直径 015m, 管嘴外伸长度 L /管嘴内径 d比值为 33 , 该 模型为厚壁孔口。避难硐室内部一直保持正压力, 因此为定常流动。该模型为厚壁孔口出流 [ 10]。厚 壁孔口出流如图 2所示, 以孔口轴线为基准, 对断面 1- 1和 2- 2列伯努利方程。 p1 u 2 1 2g p2 u 2 2 2g ∃ u 2 2 2g 2 90 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 图 2 厚壁孔口出流 式中 p1 断面 1- 1处压力, Pa ; P2 断面 2- 2处压力, Pa ; u1 断面 1- 1处流速, m /s ; u2 断面 2- 2处流速, m /s ; ∃ 阻力系数; 解得 u2 1 1 ∃ - d D 4 2 p 由于 d D 01 , 则 d D 4 Q 流量, m 3 /h。 p 压差, p p1- p2, Pa 。 则硐室内外压差 p Q 2 2Cd 2A 2 2 4 式中 Cd 流量系数, Cd 082。 A2 小孔面积, m 2。 p 压差, p p1- p2, Pa 。 空气密度, kg /m 3; Q 流量, m 3 /h。 从上式可以发现内外压差与排风量、 出风口直 径有关, 正压值随着风量的增大增加, 随着出口管径 的增大而减小。 以山西某矿避难硐室容纳 100人为例, p Q 2 2Cd 2A2 100 Pa 222 压差值校核 1风压力分析 避难硐室内正压值受到室外风速的影响, 室内 正压值要高于室外风速产生的风压力, 这样才能阻 隔有毒有害气体侵入。因此必须进行风压力校核。 风压力按式 5计算 P c 2 v 2 5 式中 c 风压系数, 平均取 09 ; v 风速, m / s ; 空气密度, kg/m 3; P 风压力, Pa ; 避难硐室位于采区轨道上山和皮带上山之间, 根据 煤矿安全规程 ∀规定, 矿井中进回风巷道风流 速度最高允许 8m /s , 硐室外最大风压力 P c 2 v 2 37Pa 。 风压力 P 正压 p, 满足要求。 当发生灾变时, 爆炸冲击波极快, 速度上升到 40m /s时, 风压力已经达到 1000Pa以上。避难硐室 正压系统无法满足需求, 正压系统主要用于灾变后 隔绝有毒有害气体。 2人体受力分析 现在考虑矿工进入避难硐室的受力情况, 由于 避难硐室内部压力高于硐室外, 则人进入时, 相当于 顶风进入, 进行受力分析。 现在假设矿工的身高为 175dm, 体重 75kg , 则 根据人体表面面积计算公式, 矿工的人体表面积为 187m 2, 则人体受力 F PS 100 ∋ 094 94N, 人 体能够承受。 以美国标准为例, 人体进入相当于顶着 13级大 风进入, 正压值过大。 3开关门分析 现以防护门为研究对象, 以门轴为转点, 考虑力 矩平衡。 91 第 1期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 F F0 FP F0 WA P 2w - d 6 式中 F 开门所需的力, N; F0 克服门自锁力, N; FP 克服压差所需的力, N; P 门两侧压差, Pa ; W 门的宽度, m; A 门面积, m 2; d 门把手到门边缘的距离, m。 克服门自锁力所需要的力通常大于 13N, 有时 可达 90N, 这与门体自身重量和门轴设计有关。人 的身体素质是合理确定开门力的主要因素。有规 范指 出, 疏 散 通道 中 任何 门 的 开启 力 不应 超 过 133N。 以本避难硐室为例, 门体尺寸 12 ∋ 18m, 门体 自锁力在 30N, 则开门所需的力 F 145N, 基本满足 要求。 通过风压力校核、 人承压校核、 门开关校核、 避 难硐室正压 100Pa即满足要求。 23 正压系统维持 避难硐室排风量经过调节, 正压值达到了设计 确定值, 但在实际过程中, 正压值由于矿井压风量大 小会发生变化, 同时由于开关门等因索的影响而不 断发生变化, 无法保证原有的室内压差的建立。为 维持相对稳定的正压值, 决定采用回风口控制、 余压 阀控制、 泄压阀控制 [ 11]。避难硐室正压控制系统具 体见图 3。 1回风口控制 回风口控制是通过调节回风口管径来调节回风 量, 根据上述计算回风口减小, 压差增大, 以实现控 制压差的目的, 本处通过在回风口上安置截止阀来 控制流量。 2余压阀控制 余压阀控制通过调节安装在避难硐室内的余压 阀上的平衡压块改变余压阀的开度, 实现室内正压 控制。根据内外压差要求进行了配重的计算。 3泄压阀控制 长时间供氧后, 硐室内压力会急剧增加, 从而导 致硐室内压力超过人体承受能力, 压风柜侧面设置 压差表, 可测定硐室内外压差, 当硐室内压力过高 时, 通过泄压阀排气控制硐室内外压差。 图 3 避难硐室正压控制系统 3 避难硐室密闭系统研究 国外学者的研究发现, 密封性不好的避难硐室 所造成的不利影响远远大于避难硐室的门开关数十 次所带来的不利影响。因此避难硐室在正压系统控 制的同时要能够保证密闭, 隔绝有毒有害气体。 31 建筑密闭研究 1防瓦斯渗透 游离态的甲烷会通过煤层孔隙裂隙向矿井巷道缓 慢地扩散渗流, 引起风流中的瓦斯浓度达到或超过安 全容许浓度, 因此避难硐室应该对瓦斯进行隔绝处理。 本处采用双层密闭结构隔绝瓦斯渗流, 具体结 构见图 4 。 图 4 双层密闭结构 密闭充填材料采用新型聚氨酯材料, 其具有较 强的密闭性能, 同时可以随岩层位移发生变形, 适合 在动压条件下使用。 2隔绝外界有害气体 一氧化碳具有很强的渗透性, 因此避难硐室防 护墙采用气密性混凝土进行浇筑。 在拌合普通混凝土时掺入一定比例的硅灰、 粉 煤灰和高效减水剂而成。其作用机理是利用硅灰、 粉煤灰的高化学活性, 改善混凝土整体结构和界面 92 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 7卷 状况, 使之起微粒填隙、 孔结构细化、 贯通毛孔数量 减少和孔隙率降低的作用; 而高效减水剂有早强、 高 强和分散作用, 从而有效地提高混凝土的密实度, 达 到封闭有害气体、 防水的目的 [ 12]。 32 设施密闭研究 1管道密闭 避难硐室是否密闭, 通风系统中穿防护密闭墙 的风管的防护密闭措施是否实施是重要的一环, 参 考人防工程, 避难硐室内部管线穿越防护闭隔墙时, 为保证密闭与强度, 预埋带有密闭翼环和防护抗力 片的密闭穿墙短管 [ 13], 示意图见图 5 。 图 5 管道密闭翼环 2门体密闭 为保证强度与密闭性能, 防护密闭门采取门框 预制件整体预埋的方式。门框密闭采用耐腐胶管密 封。其优点是 胶管是中空的, 密闭门的变形不太严 重时, 对其密封性能影响不大; 而胶管的张力较大, 将其固定于门框上后, 可以起到限制密闭门变形的 作用, 有利于提高密闭门的密封性能。 3气幕 空气幕安装在两端防爆密闭门处, 目的是阻隔逃 生人员进入避难硐室时有毒有害气体的进入。空气幕 系统的动力采用高压空气, 系统的启动与硐室密闭门 相连动, 使得在密闭门打开后,在门口形成了气幕门。 4 结论 本文通过对避难硐室正压密闭系统研究得出如 下结论 1避难硐室通过进风量与排风量之间达到平 衡建立压差, 避难硐室正压值需综合考虑进排气平 衡、 风压力、 人体承压, 开关门的影响。 2回风管风速与硐室内外压差呈一定的线性 关系, 而与回风管截面积无关。硐室内外压差与排 风量、 出风口直径有关, 正压值随着风量的增大增 加, 随着出口管径的增大而减小。 3避难硐室内部并非越高越好, 正压维持在 100Pa以上。 4采用回风口控制、 余压阀控制、 泄压阀控制 对避难硐室正压进行维持。为保证避难硐室整体密 闭采用双层密闭结构, 即密闭充填材料和气密性混 凝土; 同时对管道、 防护密闭门进行密闭性能设计。 参考文献 [ 1] 汪声, 金龙哲, 栗婧. 国外矿用应急救生舱技术现状 [ J]. 中国 安全生产科学技术, 2010 , 6 4 119123 WANG Sheng,JI N Longzhe, L I Jing. 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