永久避难硐室设计.docx

1、永久避难硐室设计第四章 井下永久避难硐室图4-1 避难硐室部分图片第一节 概述井下避难硐室是一个密封式避险避难室，可供灾变时期井下人员避险用，是一种与外界隔离、提供维持生命的安全环境空间，意在为井下的矿工在逃生成为不可能的情况下避难，以便让他们脱险或等待救援。该产品能提供避难人员至少96h所需的氧气、水、食物以及所需的急救包、卫生设施、通信设备、环境气体监测设备等。为了保证避难所内人员的健康生存，它具有氧气供给装置、一氧化碳和二氧化碳吸收装置、除湿降温空调系统。根据井下紧急避险系统建设方案，井下共设计1个永久避难硐室，位于井底车场附近，运输大巷和回风大巷之间，主要是为回采面、采区附近的瓦斯监测

2、人员，维修人员，巷道中皮带等处生产管理人员以及在发生事故时能够从采区就近逃出等作业人员提供避难场所。第二节 避难硐室布置要求一、避难硐室结构设计1、避难硐室应布置在稳定的岩层中，避开地质构造带、高温带、应力异常区以及透水危险区。前后20m范围内巷道应采用不燃性材料支护，且顶板完整、支护完好，符合安全出口的要求。特殊情况下确需布置在煤层中时，应有控制瓦斯涌出和防止瓦斯积聚、煤层自燃的措施。永久避难硐室应确保在服务期间不受采动影响，临时避难硐室应在服务期间避免受采动损害。2、避难硐室应采用向外开启的两道门结构。外侧第一道门采用既能抵挡一定强度的冲击波，又能阻挡有毒有害气体的防护密闭门；第二道门采用

3、能阻挡有毒有害气体的密闭门。两道门之间为过渡室，密闭门之内为避险生存室。防护密闭门上设观察窗，门墙设单向排水管和单向排气管，排水管和排气管应加装手动阀门。过渡室内应设压缩空气幕和压气喷淋装置。永久避难硐室过渡室的净面积应不小于3.0m2；临时避难硐室不小于2.0m2。生存室的宽度不得小于2.0m，长度根据设计的额定避险人数以及内配装备情况确定。生存室内设置不少于两趟单向排气管和一趟单向排水管，排水管和排气管应加装手动阀门。永久避难硐室生存室的净高不低于2.0m，每人应有不低于1.0m2的有效使用面积，设计额定避险人数不少于20人，宜不多于100人。临时避难硐室生存室的净高不低于1.85m，每人

4、应有不低于0.9m2的有效使用面积，设计额定避险人数不少于10人，不多于40人。3、避难硐室防护密闭门抗冲击压力不低于0.3Mpa，应有足够的气密性，密封可靠、开闭灵活。门墙周边掏槽，深度不小于0.2m，墙体用强度不低于C30的混凝土浇筑，并与岩(煤)体接实，保证足够的气密性。利用可移动式救生舱的过渡舱作为临时避难硐室的过渡室时，过渡舱外侧门框宽度应不小于0.3m，安装时在门框上整体灌注混凝土墙体，四周掏槽深度、墙体强度及密封性能要求不低于防护密闭门的安装要求。4、有条件的矿井宜为永久避难硐室布置由地表直达硐室的钻孔，钻孔直径应不小于200mm。通过钻孔设置水管和电缆时，水管应有减压装置；钻孔

5、地表出口应有必要的保护装置并储备自带动力压风机，数量不少于2台。避难硐室还应配备自备氧供氧系统，供氧量不小于24h。5、接入避难硐室的矿井压风、供水、监测监控、人员定位、通讯和供电系统的各种管线在接入硐室前应采取保护措施。避难硐室内宜加配无线电话或应急通讯设施。二、避难硐室容纳规模永久避难硐室容纳规模应在40人以上，考虑到本矿井井下作业人员的分布情况，因此本设计在井底车场附近建设一个额定避难人数为40人的避难硐室。三、避难硐室入口通道各避难硐室一般介于巷道之间，硐室可两端开门，也可一端开门。一端开门时，另一端封死，只需设2道门（过渡硐室的两道门），投资相对节省；可靠性方面，一端开门只有一个密封

6、点，可靠性显然高些；此外，运行维护相对简便。但由于硐室长度大于6m，不能自然换气通风。两端开门时，上述各方面均为缺点，但回风巷入口为该区域人员提供了避难入口；两入口也可互为出口，即一侧巷道发生事故，而另一巷道无危险时，避难人员增加了逃生机会。综上所述，推荐两端开门设计方案。四、避难硐室长度确定避难硐室净宽度确定为4.0m，避难硐室长度按照下式确定：L=knS/B式中：L避难硐室最小有效长度，m；k避难硐室备用系数，永久避难硐室取1.2；n额定避难人数，40人；S每名避险人员有效使用面积，1m2；B避难硐室净宽度，4.0m。经计算，井底车场永久避难硐室有效长度不小于12m。考虑避难硐室分为生存室

7、和过渡室两部分，其中生存室就是避难硐室的有效长度，过渡室一般布置在生存室两侧，过渡硐室采用整体过渡舱，每侧过渡室长度2.6m。过渡室与生存室之间的密闭墙厚度0.3m，过渡室与大巷间的防护密闭墙厚度0.6m，过渡室与大巷连接段长度不小于3m，这样避难硐室总长度至少25m。设计永久避难硐室总长度25m，生存室总长度12m。五、硐室整体布置根据需要，设计硐室容量为40人。按1.0m2/人标准配置，生存硐室使用面积不小于40m2，考虑1.2的富裕系数，设计硐室面积48m2。设计本避难硐室由过渡硐室、CO2钢瓶硐室，生存硐室、卫生间及机电硐室等组成，硐室有效长度40m。其中过渡硐室两个，每个净长2.6m

8、，净宽2.1m，高2.1m，该硐室为矩形；生存硐室一个，净长12m，净宽4.0m，卫生间一个，净长3m，净宽3m；机电硐室一个，净长4m，净宽4m。CO2钢瓶硐室采用防爆密封门与生存硐室隔开，避难硐室通过压风系统、供电电缆、监控系统与外界连通，在墙体内预埋管线。硐室结构设计见下图：第三节 气体保障与净化一、生命保障对气体的基本要求人体对生存空间的空气质量要求是非常严格的，尤其是密闭的避难硐室空间，需要保证生命代谢的氧气获取，同时保证对人体有害的CO2、CO等其他气体不得超过标准，温度、湿度也必须适宜。根据煤监局司函办200934号文关于做好煤矿井下避灾所（救生舱）建设试点项目申报工作的通知的规

9、定：在额定防护时间内提供避险人员供风量不低于0.3m3/min。根据安监总煤装201115号文煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定的要求：具备自备氧供氧系统和有害气体去除设施。供氧量不低于0.5升/分钟人，处理二氧化碳的能力不低于0.5升/分钟人，处理一氧化碳的能力应能保证在20分钟内将一氧化碳浓度由0.04%降到0.0024%以下。在整个额定防护时间内，紧急避险设施内部环境中氧气含量应在18.5%23.0%之间，二氧化碳浓度不大于1.0%，甲烷浓度不大于1.0%，一氧化碳浓度不大于0.0024%，温度不高于35摄氏度，湿度不大于85%，并保证紧急避险设施内始终处于不低于100帕的正压状态。采

10、用高压气瓶供气系统的应有减压措施，以保证安全使用。本设计严格遵守以上文件的规定，同时参考国外相关资料，北美的一些专业公司提供了以下数据，可作为极限环境的设计参考。CO2、O2、CO浓度对人体的反应见表4-3-13，每人对氧气和空气的吸入量见表4-3-4表4-3-1 CO2 积聚时人体的反应浓度（PPM）生理反应350无反应5,000呼吸频率有所提高10,000头痛、呼吸频率加快30,000短时间内到达人承受的极限50,000气喘、不舒服，30分钟内昏迷100,000神志不清100,0001分钟神志不清，死亡资料来源：Rimer Alco North America Respirable Air

11、 Handbook为达到以上要求，避难硐室设计必须采区以下措施：1. 设置供气或供氧系统，为人体代谢提供基本生存条件；2. 设置CO2吸收系统，吸收人体代谢排出的CO2；3. 设置过渡室气幕，控制将外界有害气体带入避难硐室内；4. 配置消毒材料或设备，清除混入硐室内的CO、SO2、H2S、烟气等有害气体、以及人体排放的异味气体；5. 对硐室进行降温除湿；6. 改善生存空间气体质量。表4-3-2 CO2 消耗对人体的反应浓度（%）生理反应20.9无反应19.5可接受的最小极限18.0呼吸频率加快16.0火焰灯会熄灭，极限值，呼吸频率，心率加快14.0身体反常，情绪烦躁，判断力和协调力受损12.0

12、引起对心脏的损伤，判断力低下，不舒服，呕吐，恶心10.0神志不清，死亡资料来源：Rimer Alco North America Respirable Air Handbook表4-3-3 CO浓度对人体的反应体积比（%）生理反应0.01最大允许浓度，在8小时内无反应0.022到3小时后头痛0.041到2小时头痛、恶心0.0845分钟内头痛、恶心，2小时内会倒下0.1620分钟内头痛、恶心，2小时内死亡0.325到10分钟头痛、眩晕，可能在30分钟内死亡0.641到2分钟头痛、眩晕，可能在10到15分钟内死亡资料来源：Fire and Noxious Gases-Effect on Tnter

13、nal Environment of Protective Shelters-LEnoch Johnson and Eugene A.Ramskill,U.S.Naval Research Laboratory表4-3-4 每人对氧气和空气的吸入量休息状态正常状态运动或紧张呼吸频率（次/分钟）12-183040每次空气吸入量（立方英寸）23-4390-120150每天空气吸入量（立方英尺）33526255000每分钟空气吸入量（立方英尺）0.231.823.47每天氧气消耗量（立方英尺）14.4100.8144每分钟氧气消耗量（立方英尺）0.010.070.1呼吸商数0.750.91.0数据来

14、源：Mine Ventilation and Conditioning,Howard L.Hartman,The Ronald Press, New York,1961.对于煤矿个体呼吸防护装备，目前有正压氧气呼吸器、压缩氧自救器、化学氧自救器、过滤式自救器。这些个体呼吸防护装备都有“使用时间短”的共同特点：正压氧气呼吸器最长的防护时间为4h；压缩氧自救器、化学氧自救器最长的防护时间为45min。由于上述个体呼吸防护装备防护时间短，有些需要经常检查维护，因此上述个体呼吸防护装备只能放在煤矿井下避难所内作为备用或离开避难所逃生时的供氧设备使用。经研究分析，避难所供氧方案采用压风系统供氧和压缩氧气

15、供氧两种方式。二、压风系统供气1、系统设计避难硐室和“六大系统”中的压风自救系统紧密联系。在事故状态，压风自救系统优先使用，也是最安全的空气保障系统。仅当系统失效，或安全不能使用时，才启用其他供气系统。压风系统利用地面压缩空气通过管路（地面压风系统）作为气源，经三通管引入避难硐室，向避难硐室提供新鲜空气，同时对硐室降温，保证避难人员在硐室内的环境要求。如果硐室内混入有害气体，压风自救系统还承担将硐室内气体置换的任务。2、压风系统供氧原理压风系统供氧装置利用地面压缩空气通过管路(地面压风系统)作为气源，经过阀门后进入过渡舱内设置的水、灰尘、油的三级过滤，经过预先设置的减压器、浮子流量计、管路进入

16、气体输出端。为避难所内避险人员提供更加新鲜、舒适的空气质量。压风系统供氧原理见图4-3-1所示。图4-3-1 压风系统供氧原理图 3、主要技术参数人均供风量0.3m3/min；紧急避险设施内氧气浓度18.523.0%；减压器入口压力0.8MPa、出口压力00.6 MPa(可调节)、输出流量不小于20 m3/min；浮子流量计量程08 m3/min、分度值0.3m3/min。4、布置方式在生存硐室内座椅两侧布置2套压风系统供氧装置，装置的入口通过管路与压风系统管路连接。四、压缩氧气供氧装置如果气源出现故障不能供气，或某些事故引起压风管路损坏，无法将压风气体送入避难硐室，避难硐室将依靠氧气瓶供氧，

17、压缩空气瓶向气幕供气。据资料介绍，人体在平静坐姿时潮气量为500ml，生理无效腔体积为300ml，呼吸频率为1218次/ min，肺每分通气量为69 L/min。由于呼吸系统生理无效腔的存在，潮气量中的新鲜空气不能全部与肺泡中血液进行气体交换。因此应将与肺泡血液进行气体交换的空气量作为确定氧气消耗量的基准。平静坐姿时对氧气的消耗量为：(潮气量-生理无效腔)呼吸频率氧气浓度=(500-300)ml(1218)次/min21%=(0.5040.756)L/min；美国矿山和健康管理局(MSHA)要求紧急避险设施内氧气消耗量按人均0.62 L/min计算。据资料介绍并根据我国人群身体状况及遇险时人体

18、生理状态，可以确定人体对氧气的消耗量为Q氧=0.5 L/min。则需要氧气钢瓶数量为：按照避险人数N=40人、避险时间T=96h=5760 min计算，所需氧气体积：V= Q氧NT=0.5405760=115200 L若采用压缩氧气作为供氧气源,氧气瓶水容积为V1=80升，每支气瓶内可用氧气体积为：V2=PV1=10980=8720 L式中：P气体可用压力差，P=(13-2)MPa=(128-19)大气压=109 大气压氧气瓶数量为：Z=V/ V2=13.21(支)根据安监总煤装【2011】15号文件要求，永久避难硐室的备用系数不低于1.2，确定气瓶数量为16个。这样的压缩氧钢瓶数量在紧急避险

19、设施内完全可以容纳，因此选用以贮存在钢瓶中的压缩氧气作为供氧气源的供氧方式压缩氧气供氧装置方案可行。此方案便于日常对装置的压力、供氧性能等指标进行检查，对装置的组成部件进行维护及保养。由于在灾变期间进入救生舱内避险人数随时变化，按人体对氧气的消耗量Q1=0.5 L/min考虑，避险人数N=50时单位时间总供氧量：Q=Q1N=0.540=20(L/min)为了有效控制不同数量避险人员时供氧量的输出，选择可调节流量计。2、工作原理该装置利用储存在钢瓶中的医用压缩氧气，通过供氧控制装置为避险人员输出规定数值的氧气。在钢瓶硐室内放置的氧气钢瓶，出口经高压管路并联后集中至减压器，减压器将来自于氧气瓶中的

20、医用压缩氧气压力进行减压并输出稳定的压力至可调节浮子流量计。浮子流量计的氧气输出量根据避险人员数量进行手动调节，在静坐状态下每人的氧气消耗量大约为0.5L/min。由于减压器输出稳定的压力，因此在浮子流量计调节值一定时，通过浮子流量计的氧气输出量不会随着氧气瓶中的压力变化而变化。医用压缩氧气供氧装置配置及原理见图4-3-2。图4-3-2 医用压缩氧气供氧装置原理3、技术参数：人均供氧量0.5 L/min；紧急避险设施内氧气浓度18.523.0%；两套供氧系统用的减压器入口压力15MPa、出口压力00.5 MPa(可调节)、最大流量不小于60L/min；浮子流量计量程060L/min分度值0.5

21、L/min。4、布置方式40人永久避难硐室：在钢瓶硐室内放置工作压力为13MPa、水容积为80L氧气钢瓶16支，氧气钢瓶经高压管路并联与减压器输入口连接，减压器及浮子流量计放置在生存硐室墙壁上，可方便避险人员调节、观察压力及供氧流量数值。五、CO2气体吸收按照处理二氧化碳的能力不低于0.5升/分钟人计算，总处理能力=4096600.5L=115200L。为实现CO2 吸收，可采用以下技术方案：1、方案：沈阳院选配的CO2 化学吸收药剂产品特征：沈阳院选配的CO2 化学吸收药剂主要成分为氢氧化钙。圆柱状二氧化碳吸附剂，可增加二氧化碳吸附剂接触空气的表面积，从而更充分的吸收空气中的二氧化碳和水蒸气

22、。圆柱状颗粒也不容易被人体呼吸入肺，可以起到保护操作工人健康的作用。该产品对CO2吸收效率高（不低于33%），粉尘低。广泛用于氧气呼吸器或隔绝呼吸器中吸收人体呼出的二氧化碳，以及化学，机械，电子，工矿等需要吸收二氧化碳的场所。化学方程式如下：CO2不足时：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2OCO2过量时：Ca(OH)2+2CO2=Ca(HCO3)2 实际上大部分情况下兼有以上两种化学反应，从保守角度按照第一种方程式计算。每盒装CO2化学药剂11Kg，对应的CO2吸收量为1800L/盒，需要配备的CO2吸收剂盒数位为：115200/1800=64(盒)，因此根据安监总煤装【2011】15号

23、文件要求，永久避难硐室的备用系数不低于1.2因此确定用CO2吸收剂77盒。2、方案：碱石灰吸收剂碱石灰又称钠石灰，白色或米黄色粉末，疏松多孔，是氧化钙（CaO，大约75%），水（H2O，大约20%），氢氧化钠（NaOH，大约3%），和氢氧化钾（KOH，大约1%）的混合物，主要作为干燥剂（其中氢氧化钠起到干燥作用），可用来干燥中性气体比如氧气，同时也可以用来吸收酸性气体，如二氧化碳、二氧化硫。缺点：较浓的氢氧化钠溶液溅到皮肤上，会腐蚀表皮，造成烧伤。由于其强碱性，对水体可造成污染，对植物和水生生物造成危害。3、方案：生氧剂（KO2）该物质可作为飞船、潜艇等密闭系统的氧气再生剂，化学氧自救呼吸器也

24、常用。其工作原理：呼出气体中的水汽和二氧化碳与生氧剂发生化学反应，生成富氧气体供佩戴者往复呼吸使用。化学反应式：4KO2+2H2O=4KOH+3O22KOH+CO2=K2CO3+H2O优点：可以在吸收CO2同时释放氧气，吸收水分对硐室进行除湿。缺点：产生化学反应热量，不利于硐室降温。同事，该物质遇易燃物、有机物、还原剂等能引起燃烧爆炸，存在不安全因素，也不利于管理。4、其他方案：1）LiOH国外潜艇广泛应用清除CO2。和其它固体吸附相比，LiOH具有单位重量和单位体积吸收CO2能力大的特点，吸收效果好，受温度影响小。此外，LiOH还能吸收清除氯气等有害气体，吸收产物稳定，是目前潜艇和密闭环境下

25、清除CO2较好的固体吸收剂。LiOH作为吸收剂的缺点是价格昂贵。化学方程式：LiOH+CO2=Li2OH3+H2O+Q2)分子筛吸收剂分子筛吸收CO2是通过物理方法将吸附到分子筛的微孔内表面上。最常见的为人工制造的陶土，即沸石。优点是不仅可以清除CO2，而且可以清除其他污染物，如氟利昂、轻的碳氢化合物以及一些活性炭不能吸附的水溶性产物。缺点是装置结构复杂，操作不便，效率低。3）固态胺固态胺清除CO2系统由2-4个循环操作的固态胺吸收罐组成，另外还需配置1台风机、1台冷凝交换器，以及CO2压缩机和一个控制柜等，系统结构复杂，主要用于潜艇。综合以上分析，结合该矿实际，推荐方案。六、有害气体净化或消

26、毒煤矿事故发生情况极为复杂，产生对人体有害气体也非常复杂，有害气体的成分和数量带有一定的偶然性。避难人员经过渡室带入避难硐室的有害气体如果不采取治理措施，将会对避难人员健康形成威胁。火灾发生后产生有害气体是最为严重情况之一。研究表明，火灾中绝大多数人的第一死因并非高温烘烤或火烧，而是慌乱奔跑时吸入烟雾中毒。火灾过程中会产生大量的烟气，其成分非常复杂，主要由三种类型的物质组成：（1）气相燃烧产物；（2）未燃烧的气态可燃物；（3）未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小颗粒。火灾烟气中含有众多的有毒有害成份、腐蚀性成份以及颗粒物等。见某类型火灾化学成分表4-3-5。瓦斯突出、爆炸等也是引发环境有害气

27、体增多的事故。为此，综合各类事故特征和危害性，设计有害净化或消毒气体主要有：CO、SO2、H2S以及各种气体颗粒等其它有害气体。表4-3-5 各种有毒气体的刺激性、腐蚀性及其许可浓度分类气体名称长期允许浓度火灾疏散条件浓度单纯窒息性缺O214%毒害性、单纯窒息性CO250003%毒害性、化学窒息性CO502000毒害性、化学窒息性HCN10200毒害性、化学窒息性H2S101000刺激性、腐蚀性HCL53000刺激性NH350毒害性、刺激性CL21刺激性、腐蚀性HF3100毒害性、化学窒息性COCL20.125刺激性、腐蚀性NO25120刺激性、腐蚀性SO25500本避难硐室要求在使用过程中严

28、格管理。在矿井正常生产、避难室非使用状态时，避难硐室内保持不超过35的温度和压风管路提供的通风，且由气体传感器元件实时向地面传输硐室内空气质量数据，确保避难人员进入硐室时，室内各项环境指标均满足人员生存的需要。由于避难硐室选择的位置岩性稳定、结构设计牢固，有害气体通过岩层渗透到硐室的概率极小。有害气体混入硐室主要方式是，人员通过过渡室冲洗过程中，从外界带入的有害气体不可能完全被清洗，由此带入到避难硐室内。但带入的量一般不多。虽然通过严格管理保证避难人员带入避难硐室内的有害气体很少，甚至不影响避难硐室内空气质量，保证压风自救系统给避难硐室提供优质气体，但仍然存在管理失误的可能，为此必须对避难硐室

29、配置有害气体消毒设备。设计有害气体吸附剂放置在空调的进风口，吸附剂本身吸附能力很强，所以吸收有害气体的速度主要取决于空调内风机换气速度。以下为主要有害气体净化方式：1、CO气体CO是对人体危害最大、也是最多的气体之一，历来被国内外安全专家重视，国内外均有较为成熟的吸收技术。采用专用的CO吸收剂是国内救生舱、避难硐室的一般做法，可直接选型，根据其要求放置使用。2、SO2、H2S等以上气体为强氧化性，和碱性物质可以发生化学反应。以Ca(OH) 2为例，主要化学反应如下：SO2+Ca(OH)2=CaSO2+H2OH2S+Ca(OH)2=CaS+2H2O2HCL+Ca(OH)2=CaCL2+2H2O显

30、然，Ca(OH)2 等CO2吸附剂为强碱性，和SO2等气体很容易起化学反应，即将这些有害气体吸收。因这些气体为通过过渡室少量混入，而CO2吸附剂量很大，故不考虑增加CO2吸附剂。3、甲烷吸附可采用甲烷吸附剂吸收硐室内的甲烷气体，该材料为天然费石，有较高的吸附效率，同时对氮、氧吸附量低，适合空气净化的甲烷吸收。本吸附剂根据用户要求选配。4、气体颗粒和其它有害气体通过碱性吸收剂难以吸收的气体颗粒和其它有害气体拟采用活性炭，分散放置在避难硐室各个角落。根据用户要求选配。七、硐室环境的改善人体的新陈代谢会产生上百种有害物质，如CO2、CO、NH3、H2S、醇、醛、酮、酯、有机酸、胺、卤代烃、总烃、烯烃

31、及少量含硫、含氮化合物等。以上各种有害物质在卫生间比较集中，并通过卫生间散发到避难硐室。借鉴潜艇行业经验，结合煤矿避难硐室的特点，可采用建设独立卫生间，并采用固体活性炭吸附剂、液体喷洒等多种方法，该方法简洁实用。在布置方式上，卫生间配置多数，硐室内配置少量。根据用户要求选配。八、气幕设计与配置1、主要功能由于避险人员在开启井下避难所第一道防火门过程时会带入一定浓度的CO及其它有毒、有害气体，极易造成对避险人员的二次伤害，因此，气幕洗气系统的功能是将压缩空气通过喷气气幕释放大量的气流将有毒气体驱之门外，不会随着避险人员的进入而带入避难所内。2、工作原理气幕洗气系统配置及原理见图4-3-3所示，该系统是