美国救生舱设计经验借鉴

王 岩，韩海荣

（1.中冶京诚工程技术有限公司，北京100053；2.中交基础设施养护集团有限公司，北京100011）

作为能源消费大国，煤炭在我国能源生产的大格局中占有绝对的比重（达到近70%）。我国的煤炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3，但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5，其中绝大多数都是由于灾难所形成的有毒烟气随风流蔓延，导致井下人员中毒、室息而死亡[1-3]。应对的方法之一就是在矿工避灾路线上每隔一定距离设置一些救生舱。救生舱是一种自身能够抵御来自矿井常见灾害冲击的独立空间，空间内部有足以维持数日的生活必需品和其他辅助设施，灾害发生后井下被困人员可以在空间内进行避难，以待救援。

目前，南非、加拿大、美国、澳大利亚等采矿业发达国家，结合多次井下矿难成功营救的经验，在矿难应急救援工作中对救生舱的使用进行了大量的研究，并制定了完善的救生舱标准（以下简称标准）[4-6]。在我国，救生舱的研发和应用已经越来越受到国家相关部委领导的高度关注和大力支持，所以有必要了解和学习美国等发达国家的救生舱研究经验，结合我国煤矿的特点，改善我国煤矿安全在救援方面的技术不足，全面提升我国煤矿应急救援系统的技术水平，这对于减少我国矿难损失有十分重要的意义。

1 国外救生舱发展现状

在一些矿业发达国家，已经制订出较为完善的救生舱标准。以美国为例，美国矿山安全与健康管理局（MSHA）和国际职业安全及健康学会（NIOSH）联合制订了美国救生舱标准（以下简称标准），对救生舱舱体材料、抗震强度、舱内噪声等级、温度、空气质量及各个组件的功能等做了详细的规定，使设计出的救生舱已能够实现在美国煤矿事故中避难。但标准中规定的一些要求应用在我国中、小型煤矿，且易于发生瓦斯爆炸的事故的煤矿中有些缺陷还有待完善，具体表现在：

（1）据美国1995～2000年煤矿死亡性事故统计数据显示，美国煤矿事故类型主要以动力运输事故、冒顶片帮事故和机械事故为主，其标准中对舱体的抗冲击强度要求较低。我国煤矿事故主要以瓦斯爆炸为主，对救生舱舱体的强度要求较高，必须保证能够抵御瓦斯（瓦斯与煤尘混合物）爆炸产生的瞬间高压。

（2）国外的救生舱多数是整体式钢结构，体积较大，这是根据国外的煤矿特点和矿工人员体积特点而设计的，该结构的救生舱只能依靠车辆、轨道等在井下拖曳行进以改变架设位置。针对我国中、小型煤矿多的特点，我国的救生舱舱体设计应以分体式为主，这样可以提高舱体的灵活性，便于救生舱下井和安装。

（3）舱内采用普通空调来控制温湿度，暴露在外的空气压缩机的防爆问题很难解决，当灾变发生后，若外部供电系统被破坏，则只能靠舱内有限的蓄电池来供电维持系统的运行，从而需要储备大量的电能，那么蓄电池体积过大，从而将产生成本、维护费用、安全隐患等一系列问题。

（4）国外的救生舱舱体多数采用具有较好传热性能的材料，将舱内人员和设备产生的热量传到舱外，以缓解密闭空间内温度过高给人体带来的不适。而我国救生舱必须使用保温隔热材料，以抵御火灾爆炸事故产生的高温，避免舱外的高温传到舱内将对舱内避难人员造成威胁。

我国目前没有制定有关救生舱设计和使用的标准，但频发的煤矿事故迫使我们尽快完善我国的煤矿应急救援体系，因而必须借鉴和参考国外已有的标准，再结合我国煤矿的实际特点和开采方式来制定适合我国煤矿使用的救生舱标准。

2 救生舱舱体结构

标准规定[7-8]，救生舱要为每个人提供至少1.4 m2面积和1.7 m3空间（根据采矿工作面高度的不同，空间体积要求不同，见表1）。舱内要保证正压，以防止舱外有毒有害气体进入舱内，同时要防止过压的产生，可以通过稳压器等装置调节控制压力，安全泄压阀应设置在1.24 kPa，以避免过压对设备和人员造成伤害。救生舱内要能够放置一定数量的担架。

表1 不同采矿高度下每人所占空间体积

要对整舱结构进行爆炸测试，保证救生舱能够抵御初次爆炸，即能承受103.35 kPa 的压力0.2 s，149 ℃的瞬间高温3 s，在爆炸后要保证舱体的密闭性良好，没有有毒有害气体进入，各个组件能够正常工作，同时能够受二次爆炸的冲击。救生舱应进行防撕裂、防穿透试验，保证舱体能够抵御来自水平方向和垂直方向的冲击波。充气式救生舱，有被划破和漏气的可能，一旦有这种情况发生，要保证在10 min内修复。救生舱组件应采用阻燃材料，该材料能够抵御火灾侵袭。适时对舱外瓦斯浓度进行监测，以供舱内人员决定是否采取逃离行动。

要对矿工进行培训，确保矿难发生时能够通过呼吸自救器维持矿工60 min的呼吸，其中前30 min内试图撤离危险区域，如果无法逃离，再考虑进入救生舱。如果顺利进入救生舱，保证在10 min内通过舱内外压力差建立起一个安全的密闭空间，并在接下来的20 min内净化舱内的空气，建立起一个能够为避难人员提供生存环境的密闭空间。

定期对舱内的药品进行更换和对仪器进行监测；同时，为了防止随意更换和偷窃行为的发生，要对每次进入舱内的情况进行监控。

3 救生舱组件的通用要求

救生舱及其组件必须达到MSHA 中规定的要求：

（1）救生舱内电器设备防爆类型为本质安全型，以保证能够承受二次爆炸的冲击。

（2）救生舱及其组件所产生的连续噪音要小于85 dB，避免对通讯设备产生干扰及对避难人员听力造成伤害。

（3）救生舱及其组件自身不能释放有毒有害气体，可移动舱体能够承受运输和移动过程中造成的损坏，内部组件要经过防震测试。

（4）救生舱各组件应是防水、防尘、防腐蚀，并且不需使用任何工具就可开启和关闭。

（5）救生舱及其组件或设备上应贴有相应的使用指南，并防止其损坏或脱落。同时，救生舱显要位置处应贴有故障维护和修理说明，并标明该舱同一时间内可容纳最多人数。

4 救生舱内部系统

救生舱内部生存系统主要包括供氧系统、空气净化系统、空气监测系统、温湿度控制系统和附属设备等。

4.1 供氧系统

救生舱采取压缩空气、压缩氧气、压风管道三级供氧系统，保证灾变后供氧系统仍能够提供连续96 h 供应。舱内O2浓度应维持在18.5～23%之间，供氧系统确保为避难人员提供最低流速为0.623 L/(min·人)的氧气，或最低流率为353.75 L/(min·人)的净化空气，氧气流速不能过大，防止氧气浓度过高发生氧气中毒。

4.2 空气净化系统

救生舱空气净化系统主要包括对CO、CO2等有毒有害气体的净化。

4.2.1 CO净化

救生舱中的门舱作为舱内外的缓冲空间，应具有去除有毒有害气体的能力，或在门舱内配置一种设备来隔绝有害气体，应控制CO 浓度在0.002 5%以下。

4.2.2 CO2净化

舱中应采用方法控制CO2平均浓度不超过1.0%，且变化幅度不超过2.5%。CO2净化系统可以是被动吸收，也可以主动吸收。被动吸收CO2系统主要依靠自然风流的作用使CO2与吸收剂（LiOH、碱石灰或其他药剂）发生反应，通常采取挂帘方式，见图1。主动吸收系统通过风扇、压风机等产生风流使空气流过化学吸收床，主动吸收的效率通常比被动吸收的效率高。CO2净化系统要与压缩空气瓶、氧气瓶配合使用，见图2。CO2吸收率要保持在0.5 L/(min·人)。

图1 CO2吸收帘

图2 净化系统与氧气瓶

4.2.3 净化药剂

有害气体的去除剂不能是可悬浮颗粒或者能够引起呼吸急促、急性不良反应的药剂。对具有腐蚀性或可导致灼伤的药剂，要进行包装。

4.3 空气监测系统

救生舱空气监测系统能够监测舱内O2、CO2、CO、CH4等气体的浓度。气体浓度超标时，监测系统能够发出警报。监测内容包括舱内气体浓度和舱外气体浓度。

（1）舱内气体浓度监测：避难人员通过空气监测组件的数据判定舱内环境是否适宜避难人员生存。

（2）舱外气体浓度监测：除了能够监测O2、CO2、CO、CH4，还应监测矿井中常年积累的有毒有害气体，如H2S、SO2或挥发性碳氢化合物等气体。对舱外的气体依实际情况进行定期监测，而不需要持续监测。舱外气体浓度的监测结果，作为选择逃生路线的参考信息，同时将必要的信息传递给地面救援人员，使其做出正确的应急救援决定。

4.4 温湿度控制系统

舱内的热量来源主要是CO2吸收产生的反应热和人体代谢热，可通过空调来控制舱内温度，确保救生舱内部温度小于35 ℃。

4.5 附属设施

救生舱内应具备一些辅助设施，如通讯、照明、公共卫生、急救和维护设施等。救生舱内部应配有双向通讯系统，该系统独立于矿井通讯系统，保证事故发生后仍能实现井上、井下通信联络。照明装置要保证舱内人员能有足够的亮度进行必要的监控调节等操作；公共卫生设施能够有效收集人体排泄物；急救药品用于对受伤的矿工进行简单急救。

5 救生舱的应用

救生舱在井下的合理布置，以及灾变后人员如何迅速有效的使用是影响救生舱发挥其救援作用，减少救援过程中人员财产损失的重要环节。

5.1 救生舱的布置

救生舱的布置位置是否合理，对于避难人员能否在最短的时间内到达救生舱避难起到十分重要的作用。美国标准中规定救生舱应布置在距离工作面300 m范围内。被困人员在确认自己无法及时升井后，借助逃生路线和呼吸自救器到达救生舱。当救生舱随着开采工作面移动后，其具体位置必须在矿井地图上明确标出，以便于协助矿山救护队决定避难矿工所处的具体位置。

5.2 救生舱的数量

救生舱的数量要根据不同的煤矿规模而定，但要保证其能够容纳位于工作面的每一个人，包括机车操纵人员、检查人员、监察人员、抽泵人员、维修人员、传带人员以及工作面区域外的其他人员等。

5.3 矿工培训和救援演练

定期对矿工进行培训和救援演练，在演练中使矿工和救援队伍熟悉救生舱在井下的部署位置，逃离、疏散方案以及成功逃离到救生舱内的矿工如何对救生舱进行使用等。

6 对我国救生舱研究的启示

美国的救生舱研究起步较早，经验比较丰富，但我国煤矿特点和煤矿事故类型与美国大不相同，我国煤矿以中、小型煤矿及小型采掘工作面占多数，且煤系底层构造复杂，矿井中瓦斯浓度超标现象普遍，尤其在煤层压裂技术和煤层气抽放技术方面存在不足。据统计，我国煤矿事故大多数是由于瓦斯爆炸所引起的，爆炸过程中产生的瞬间高温高压是避难人员面临的首要难题，也是考验救生舱隔温性能和抗冲击能力的一个关键。同时，爆炸过程中产生的高浓度有毒有害气体是造成矿工死亡的主要原因，所以救生舱的密闭性能也是衡量其能否成为安全避难场所的一个重要指标。

为研究适合我国煤矿使用的救生舱，除参考上述美国设计参数外，还应在以下方面进行深入研究。

（1）救生舱舱体采用分体式或多级抽拉式结构，便于我国救生舱下井和安装。

（2）救生舱体的抗冲击强度要高于美国标准中的103.35 kPa，确保其能够抵御我国煤矿中瓦斯（瓦斯与煤尘混合物）爆炸产生的瞬间高压。

（3）舱内温湿度控制系统应采用无动力形式，减少灾变后蓄电池的供电负担。

（4）舱壁采用保温隔热材料，防止灾变后舱外的高温传进舱内。

总之，我们要不断学习和总结国外的先进技术，同时结合我国煤矿的实际特点，加大研发力度，使我国的救生舱技术尽快完善，从而使我国整体煤矿应急救援水平大大提高，最大限度地减少矿难带来的人员和财产损失。