【正文】 僅給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了礦業(yè)的生產(chǎn)和社會(huì)的和諧發(fā)展。在發(fā)生礦難后，如何有效拯救被困的井下礦工成為了人們普遍關(guān)注的社會(huì)焦點(diǎn)問題。 我國 煤礦各類事故頻發(fā)，導(dǎo)致煤礦事故死亡人數(shù)占世界首位，煤炭生產(chǎn)百萬噸死亡率橫向比較仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平，而目前我國煤礦井下使用的救生設(shè)備的技術(shù)還跟不上， 一旦發(fā)生礦難，礦工的逃生幾率很小， 因此急需一種有效的救生設(shè)施來盡量避免在發(fā)生礦難是所造成的損失。因而救生艙的研究在近幾年來受到國家和煤炭企業(yè)大力重視，選擇救生艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，具有重要的實(shí)際意義。 國內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究成果 國外一般規(guī)定，避難所的類型由煤礦企業(yè)根據(jù)自身的特點(diǎn)自主選擇，以滿足礦工避險(xiǎn)需要為原則。目前，南非煤礦得宜避難硐室為主， 較少使用可移動(dòng)式救生艙；美國煤礦以可移動(dòng)式救生艙為主，共配備避難所 1193臺(tái)（個(gè)），其中軟體式救生艙 1000臺(tái)，硬體式救生艙 123臺(tái)，避難硐室只有 70個(gè)；加拿大煤礦井下避難硐室與可移動(dòng)式救生艙配備比例約為 1:5，使用的可移動(dòng)式救生艙以硬體為主；澳大利亞則使用 “ 空氣呼吸器 +加氣站 ” 的避險(xiǎn)設(shè)施，災(zāi)害事故發(fā)生后，遇險(xiǎn)人員佩戴隨身攜帶的自救器，迅速跑到空氣呼吸器存放點(diǎn)換戴 后逃生，對(duì)維持時(shí)間不足的空氣呼救器，通過快速加氣站加氣，或者換 配 后逃生 。 研究分析南非、美國、加拿大和澳大利亞隊(duì)礦山井下避難所的法律規(guī)定和做法，可以發(fā)現(xiàn)，建立井下避難所。已是世界主要采煤國家的硬性法律規(guī)定和行政做法，并須從河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 礦井整體安全角度考慮避難所的布局、建設(shè)和管理。井下避難所應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的全覆蓋，選擇避難所的類型時(shí)應(yīng)考慮所服務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)及可能發(fā)生的主要災(zāi)害類型。設(shè)置時(shí)要考4方面因素，即所服務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)（空間結(jié)構(gòu)、危險(xiǎn)源分布、作業(yè)類型等）；災(zāi)變時(shí)期人員抵達(dá)難易程度、所需時(shí)間；隨身佩戴自救器的防護(hù)時(shí)間；巖體穩(wěn)定性和支護(hù)有效性。避難所應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有下井人員的全容納，包括生產(chǎn)人員、管理人員及可能出現(xiàn)的臨時(shí)人員。有效防護(hù)時(shí)間不低于 3696h, 具體應(yīng)根據(jù)礦井 災(zāi)變時(shí)期應(yīng)急救援所需時(shí)間來確定。避難所應(yīng)由專人管理，確保始終完好、時(shí)刻能用，并將避難所安全使用作為員工培訓(xùn)和應(yīng)急演練的重要內(nèi)容，確保人人會(huì)用。 與國外相比，國內(nèi)對(duì)礦用救生艙的研究起步較晚，其設(shè)計(jì)思路還不成熟，缺少必需的實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)支持，更無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國內(nèi)有十幾家企業(yè)、單位在進(jìn)行礦用救生艙的研制工作。其中北京科技大學(xué)承擔(dān)的“十一五”國家科技支撐計(jì)劃對(duì)救生艙的研究進(jìn)展較快， 2021年 7月，在山西潞安集團(tuán)模擬巷道內(nèi)玩策劃你夠了 4人、 96小時(shí)的安全驗(yàn)證試驗(yàn) 綜合分析國外可移動(dòng)式救生艙 的基本技術(shù)特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)以下共同特點(diǎn)：具備包括氣密性、隔熱性、供氧等生存保障 性能，以及有害氣體去除、監(jiān)測、通信指示等基本功能，具體指標(biāo)不同 。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 設(shè)計(jì)參數(shù)要求 救生艙在井下工作，為礦工在發(fā)生礦難時(shí)提供一個(gè)可以臨時(shí)躲避的空間，由于礦難發(fā)生后，井下條件十分惡劣，因此對(duì)救生艙的技術(shù)要求較高 。 根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50215— 2021，《煤礦安全規(guī)程》 2021 年版，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》 2021年版 ，《礦山救助規(guī)程》 2021 年版，國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦井下避難所試點(diǎn)建設(shè)基本要求》（煤安監(jiān)司辦 2021 年第 9 號(hào)），國家安全監(jiān)管總局國家煤礦安監(jiān) 局關(guān)于《建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知》，（安監(jiān)總 （ 2021） 146 號(hào)）等相關(guān)文獻(xiàn)資料規(guī)定 ，對(duì)井下救生艙提出以下技術(shù)要求： 表 21 救生艙技術(shù)參數(shù)表 項(xiàng)目 參數(shù)要求 額定人數(shù)，人 12 額定防護(hù)時(shí)間， h 96? 抗沖擊力， MPa ? 抗爆炸沖擊力， MPa 2? 瞬時(shí)耐高溫能力（ ? ）， C? 1200 艙外持續(xù)耐高溫能力， C? 55? 艙內(nèi)持續(xù)溫度， C? 32 2?? 艙內(nèi)持續(xù)濕度 85%? 最大耐水壓力， MPa 人均占有容積， 3m 艙內(nèi)正壓力， Pa 200— 300 供電電壓， V 380/660/1140 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 續(xù)表一 ： 救生艙技術(shù)參數(shù)表 項(xiàng)目 參數(shù)要求 艙內(nèi)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間， s 20? 艙內(nèi) 2O 含量， % ~ 艙內(nèi) 2CO 含量， % ? 艙內(nèi) CO 含量， % 624 10??? 艙內(nèi) 4CH 含量， % ? 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 3 救生艙整體設(shè)計(jì) 、外 形設(shè)計(jì) 救生艙 作為 礦難 發(fā)生 后礦工們的緊急避難場所，需要固定在井下巷道內(nèi)的某個(gè)位置，因此其外形應(yīng)該與巷道整體外形相匹配，根據(jù)查閱資料，類比市場上各廠商所生產(chǎn)的救生艙， 艙體大 體外形也采用長方體結(jié)構(gòu) 。 圖 31救生艙 外形圖 整體尺寸設(shè) 計(jì) 救生艙應(yīng)該滿足的 條件： ① 由于救生艙安置在巷道內(nèi)，并且在配置前需要做防爆試驗(yàn)，因此巷道尺寸限制了救生艙的尺寸 。 救生艙外廓最大寬度 mm1700? ，高度 mm2600? ② 緩沖艙：體積不小于 ③ 主艙：人均凈容積 不小于 ，主艙容納 12 人，總凈容積 不小于河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 12=? ，考慮到 10% 的余量，設(shè)計(jì)凈容積不小于 。 ④ 應(yīng)急艙門面積不小于 。 ⑤ 儲(chǔ)存每天每人食物飲用水所占容積： 飲用水： LL 72124/ ???? 人天天人 食物： KJKJ 2 4 0 0 0 0124/5 0 0 0 ???? 人天天人 （需換算成相應(yīng)體積 的壓縮餅干） 艙體 布局： （ 1）艙體結(jié)構(gòu)采用分段組合式模塊化設(shè)計(jì)。 （ 2）艙體由緩沖艙、人員艙和設(shè)備艙三個(gè)部分構(gòu)成。 （ 3）救生艙包含主艙門、過渡艙門和應(yīng)急艙門。 救生艙結(jié)構(gòu)要求： （ 1）由主艙門、與人員艙之間的過渡艙門和艙室構(gòu)成 （ 2）主艙門：向外開啟。要求操作方便，性能可靠，具有良好的氣密和水密功能，能夠抵御 1200度的瞬時(shí)（ )高溫和 60 度的持續(xù)高溫。 （ 3）緩沖艙與人員艙的過渡艙門：開啟方向由緩沖艙開向人員艙。要求具有良好的氣密功能，且開閉方便。 （ 4）設(shè)備艙與人員艙的 過渡艙門：開啟方向由設(shè)備艙開向人員艙。要求具有良好的氣密功能，且開閉方便。 救生艙內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì) （ 1）艙內(nèi)凈寬度 mm1400 。 （ 2）艙內(nèi)凈高度 mm1800 。 （ 3）基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，將緩沖艙設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立封閉結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 應(yīng)用于各種不同型號(hào)的救生艙。其長度根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備需求，確定為 mm900 。 （ 4）人員艙與設(shè)備艙由長度和結(jié)構(gòu)相同的通用段組合而成。 （ 5）艙體下部設(shè)置滑靴（或 滾輪 ）進(jìn)行牽 引 。 通用段長度設(shè)計(jì)方案 （ 1） 已知條件： ① 人員艙凈容積≥ m （ 2）由艙內(nèi)凈寬度 mm1400 ，凈高度 mm1800 ，每人所需的最小凈空間為 ，可算出人員艙最小凈長度為 ， ml )( ???? （取 ） 。 ② 每人座椅 寬度 ，一邊坐 6個(gè)人，座椅總長度為 m3 。（座椅的人機(jī)工程學(xué)參數(shù) : mmm ?? ） （ 2） 通用段長度的三種設(shè)計(jì)方案： ① 方案一：每段長度 700mm。 6段 = ② 方案二：每段長度 800mm。 6段 = ③ 方案三：每段長度 900mm。 5段 = （ 3） 700mm方案比 較： 優(yōu)點(diǎn) :每段長度較小，有利于提高艙體剛度和強(qiáng)度， 并且運(yùn)輸方便 ，對(duì)巷道的適應(yīng)性強(qiáng)（小巷道通過能力強(qiáng)），模塊化擴(kuò)展方便 ，有利于標(biāo)準(zhǔn)化，系列化 。 缺點(diǎn)：連接面多，組裝工作量較大，密封面過多。 結(jié)論： 選用 mm700 方案 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 32 單節(jié)艙體尺寸 如上圖所示為單節(jié)生存艙的結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)上面論述，得出下列結(jié)論：生存藏內(nèi)部凈尺寸為： mmmm 1 8 0 01 4 0 0 ??? 高寬 ， 艙體材料選擇 45鋼，壁厚為 12mm，其 強(qiáng)度和剛度要求在下一章中進(jìn)行校核，為加強(qiáng)艙體在受壓時(shí)的剛度，在艙體四周布置加強(qiáng)肋板，肋板材料選用熱軋槽鋼，在艙體縱向接橫向均需布置。為了滿足連接要求，每節(jié)生存艙兩端均需設(shè)置連接法蘭，法蘭之間通過螺栓連接來實(shí)現(xiàn)艙體的連接，初步確定法蘭盤的寬度為 90mm， 厚度為 30mm，采用焊接的方式連接在艙體上，由于兩 節(jié)艙體連接時(shí)有密封性要求，因此需要在法蘭連接之間，加隔密封材料。 計(jì)算救生艙艙體的外部尺寸為： 外部總高度： mmh 19002382121800 ?????? 外部總寬度： mmb 15002382121400 ?????? 救生艙總長度： mml 6 3 0 02 4 09 2 04 2 0 09 4 0 ????????? 手輪緩沖艙生存艙設(shè)備艙 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 圖 33 艙體外廓設(shè)計(jì)圖 圖 34 艙體內(nèi)部設(shè)計(jì)圖 （ 1） 單元組合式結(jié)構(gòu)： 1）便于根據(jù)需要增減單元； 2）可拆分運(yùn)輸，滿足井下運(yùn)輸要求； 3）模塊化設(shè)計(jì)，便于標(biāo)準(zhǔn)化； （ 2）殼體：基板內(nèi)外側(cè)分別焊接加強(qiáng)元素，強(qiáng)度和剛度可以得到有效加強(qiáng)； 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 3）逃生門：艙體兩端分 別設(shè)計(jì) 安裝防爆防水閣氣門，其中一端為緊急逃生門； （ 4） 緩沖艙：設(shè)在主門與人員艙之間，與人員艙經(jīng)隔氣門隔開，內(nèi)設(shè)干式座便及氣幕系統(tǒng)； （ 5） 人員艙：圖列為可容納十二人結(jié)構(gòu)，由六節(jié) 700mm、長標(biāo)準(zhǔn)單元艙連接而成，內(nèi)寬 1400mm，高 1780mm，六瓶供氧氧氣瓶置于人員艙遠(yuǎn)離主艙門端，個(gè)檢測裝備固定于艙體內(nèi)壁； （ 6） 設(shè)備艙：兩個(gè)分體制冷控溫水柜分別立于艙內(nèi)兩層中間保留 500mm寬的人員逃生通道，廢氣吸附過濾系統(tǒng)也置于該艙；艙內(nèi)供電蓄電池裝在聯(lián)通外部的緊急逃生門下，設(shè)備艙與人員艙之間直接連通，由三節(jié) 700mm標(biāo)準(zhǔn)艙構(gòu)成。 （ 7） 緊急逃生門防護(hù)段：下部安裝制冷壓縮機(jī)，上部為應(yīng)急艙門，最低點(diǎn)離地高度超過 1m。應(yīng)急艙門一般不開啟，當(dāng)主艙門無法開啟時(shí)，或在水淹一定高度情況下供人員進(jìn)出。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 4 生存艙 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 艙體設(shè)計(jì) 思路 救生艙整體采用模塊化設(shè)計(jì)，將救生艙分為三個(gè)部分：緩沖倉、生存艙、設(shè)備艙。其中緩沖艙和設(shè)備艙單獨(dú)設(shè)計(jì)，生存艙分節(jié)設(shè)計(jì)， 然后用螺栓將各段艙體連接起來， 這樣便于不同型號(hào)的救生艙進(jìn)行裝配， 又有利于各部件的運(yùn)輸和提升 ,并且對(duì)救生艙的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化有重大意義。 生存艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 初步確定艙體尺寸 （ 1） 根據(jù)第四章中救生艙的整體尺寸設(shè)計(jì)可知。生存艙內(nèi)部凈尺寸為凈寬度1400mm，凈長 1800mm。 長度為 700mm。其 結(jié)構(gòu) 示意圖如下： 艙體四周用 mm12 的 45 鋼鋼板沖壓而成，每兩節(jié)艙體之間由法蘭盤相連接，為達(dá)到密封性要求， 圖 41 人員艙結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 法蘭盤之間鑲嵌密封材料，通過螺栓將將兩節(jié)艙體連接在一起。其中法蘭盤的尺寸為厚度 mm20 ，寬度 mm90 ，布置在艙體的四周。 為了提高艙體的剛度，在艙體的四周布置加強(qiáng)肋板。肋板選用槽鋼，焊接在艙體外輪廓上，查閱金屬材料手冊(cè)選用 10 號(hào)槽鋼作為加強(qiáng)肋板，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如下 : 表 41 10 號(hào)槽鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)表 型 號(hào) 尺寸（ cm） 截面面積2cm 參考數(shù)值 h b d 4()xI cm 4()yI cm 0()z cm 10 100 48 198 加強(qiáng)肋板的布置 由于井下發(fā)生礦難時(shí)，條件十分惡劣，并伴隨爆炸，塌方，透水等誘發(fā)災(zāi)害。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，空氣沖擊波的壓力十分強(qiáng)大，根據(jù)上述第二章中救生艙的技術(shù)要求，需要 抗擊 2MPa 的爆炸沖擊，因此 對(duì)救生艙的強(qiáng)度和剛度要求比較高，為了但又不能單純的依靠增加壁厚來提高其強(qiáng)度和鋼度，如果壁厚過厚，則造成救生艙 質(zhì)量增加，不僅為救生艙的生產(chǎn)制造造成困難，并且使救生艙難以運(yùn)輸，提升和裝配。因此合理的布置加強(qiáng)肋圖 42 槽鋼結(jié)構(gòu)示意圖 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 板就易發(fā)顯得意義重大， 救生艙在受到?jīng)_擊時(shí)，其剛度條件要求救生艙的變形量不能太大，最大變形量必須保證小于整體尺寸的 %1 ，并且橫向，縱向?qū)ψ冃瘟慷加幸蟆? 橫向變形量即在救生艙受到爆炸沖擊時(shí)，艙壁由于沖擊波作用所發(fā)生的凹陷應(yīng)小于救生艙總長 的 )%(1 mm 。 縱向變形量即在 救生艙受到爆炸沖擊時(shí) ，艙體整體在高度方向上的最大變形撓度小于其總高的的 )%(1 cm 。 根據(jù)上述救生艙的剛度要求，需要在救生艙的四周即橫向和縱向上都布置加強(qiáng)肋板。縱向方向，每節(jié)生存艙之間布置一條肋板，肋板分布在救生艙中間。橫向方向，初步布置 4 條肋板，即每相距 20cm 布置一條，艙體頂部布置兩根肋板，均勻布置。其剛度校核在下一節(jié)中計(jì)算。