【文章內(nèi)容簡介】 害的破壞、必須能為進艙礦工提供設(shè)計規(guī)定時間內(nèi)的生命生存條件、必須能抵御井下各種災害后的次生災害和多種危害侵襲，并保證艙內(nèi)礦工的生命安全。我們經(jīng)過歷時三年的大量煤礦實地調(diào)研，多次組織科技人員和煤礦一線安全技術(shù)人員座談，認真提出和反復研究項目的技術(shù)難點、關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上提出了總體技術(shù)路線和一一對應的具體解決技術(shù)路線和技術(shù)工藝方法，并反復進行了相關(guān)的開發(fā)工藝試驗，取得了大量的第一手研究成果和技術(shù)經(jīng)驗，更重要的是取得了救生艙產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，為救生艙的產(chǎn)品開發(fā)奠定了比較堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 項目技術(shù)難點我們在經(jīng)過認真調(diào)研的基礎(chǔ)上，認為救生艙產(chǎn)品項目研制難點中，除前面提到的我國煤礦地質(zhì)構(gòu)造復雜、礦井井巷條件差異很大、缺乏必要的設(shè)計規(guī)范參數(shù)和開發(fā)例證、救生艙產(chǎn)品性能指標的實證檢驗具有很大困難等難點外，其研制開發(fā)技術(shù)難點主要還表現(xiàn)在以下幾個具體方面；艙體體積重量與可移動技術(shù)難點。井工煤礦在地下采掘，煤礦井巷空間狹小，即使是國有大型煤礦，其掘采井巷空間也很有限，更何況我國煤礦多數(shù)是中小型生產(chǎn)礦井。因此，非常不利于較大體積的大型裝備進入與井下運輸。這就要求救生艙體積重量要適中，要有一定的拖動行走裝置，便于進入礦井和在井巷中隨時移動跟進布置。救生艙要保證具有一定抗災能力的材料結(jié)構(gòu)；要保證一定數(shù)量礦工的救生容量空間；要提供一定人數(shù)一定時間的生存條件供給的物資儲存、能量儲存的空間和重量；艙內(nèi)輔助設(shè)備占用空間和重量等，都使得救生艙的設(shè)計在空間和重量上很難實現(xiàn)需求與約束之間的平衡。可見，進入煤礦井下環(huán)境中，對救生裝備的體積重量與可移動性，是一個重要的設(shè)計約束。艙體抗災技術(shù)難點。地質(zhì)構(gòu)造復雜、地質(zhì)災害和事故災害破壞嚴重，要求救生裝備具有很強的抗災能力。目前我國陸地煤礦最大采深已經(jīng)超過2000米深，煤礦頂板活動、沖擊地壓、地質(zhì)變形等地質(zhì)災害對井巷及井巷中設(shè)備的破壞力很強。而伴隨井下采掘活動產(chǎn)生的瓦斯（煤塵）爆炸、透水、火災、冒頂、煤與瓦斯突出等災害事故對井巷中設(shè)備也形成了巨大的破壞力，如高溫高壓沖擊、缺氧和大量有毒有害氣體、突出沖擊、透水壓力浸泡、冒頂砸壓、火災持續(xù)高溫、瞬間超高溫等。同時，災害事故常存在事故因素相互誘發(fā)、共同或持續(xù)作用的破壞現(xiàn)象。因此，對救生設(shè)備就提出了嚴格的抗沖擊、耐高溫、密閉抗高壓的綜合結(jié)構(gòu)性能要求，要求救生艙艙體從幾何形狀設(shè)計、材料選取、制造工藝等方面，都能夠保證救生艙在承受井下災害破壞下不影響設(shè)計性能，艙體內(nèi)人員不受艙外災害環(huán)境的侵害?？梢?，嚴格的抗災要求，是救生艙項目研制需要攻克的一個關(guān)鍵技術(shù)難題。保障艙內(nèi)人員呼吸的技術(shù)難點。在救生艙密閉空間條件下維持生命的基本要素，就是提供生命呼吸條件，艙內(nèi)儲存和提供生命呼吸條件就構(gòu)成了救生艙項目的一個重要關(guān)鍵技術(shù)難題。救生艙內(nèi)生存條件供給有兩種工作方式；一種為外部供應方式，艙體與外部高壓供氣、供水、通訊管線連接，由外部管線為艙內(nèi)提供人員生存所必需的條件。這種方式下生存條件供給實現(xiàn)比較簡單和容易，避災救生時間也較長，致命缺點是外部供應管線容易受到災害破壞。如果外供部分的連接管線，采用隱蔽鑲嵌，避災設(shè)計安裝技術(shù)，充分發(fā)揮和利用我國煤礦井下現(xiàn)有的壓風自救、除塵供水、有線通訊管線資源，進行救生避災設(shè)計嵌裝改造。救生艙內(nèi)采用氣壓監(jiān)測，呼吸氣體循環(huán)排出艙外，艙內(nèi)配置少量的呼吸氣體補充裝備，配置一定的食物儲備，艙內(nèi)環(huán)境檢測指標和艙外環(huán)境監(jiān)測指標及時上傳，艙內(nèi)與地面隨時保持有線通訊等技術(shù)措施，這樣就可以極大的減少救生艙的運行成本和延長對艙內(nèi)礦工救生保護時間。這是救生艙的理想運行狀態(tài)，核心難題是供給管線的避災抗災敷設(shè)技術(shù)。另一種工作方式是獨立供應型。救生艙自備完整的呼吸等生存供應物資儲備和處理系統(tǒng)，同時也和外部供應管線連接，在外部供應管線因災害破壞中斷情況下，利用儲備物資自主運行滿足艙內(nèi)避災人員一定時間內(nèi)的生存需求。救生艙可以說是一個高壓密閉小空間，艙內(nèi)的空氣容量有限，人員密度相對較大（設(shè)計容量6人），如果救生時間設(shè)計較長（設(shè)計時間≧4天），如依據(jù)；礦工在靜止休息條件下呼吸量10L—18L/min；。 —1L/min。粗略測算艙內(nèi)12人5天呼吸需求數(shù)值；艙內(nèi)人員呼吸總量達： 2000m3—3000m3；艙內(nèi)人員呼吸耗氧量達： 40m348m3。艙內(nèi)人員二氧化碳呼出量達： 40m3—48m3。按照上面的測算數(shù)值，如果沒有一定能力的呼吸氣體處理裝置和供氧裝備，艙內(nèi)礦工在很短時間內(nèi)就會產(chǎn)生呼吸困難。從上述總量上看：在救生艙有限空間內(nèi)實現(xiàn)48m3氣態(tài)壓縮氧的儲備；48m3二氧化碳吸收處理及吸收材料儲備；≧2000m3空氣處理量以及氣態(tài)壓縮氧或化學氧技術(shù)的選擇；氣態(tài)壓縮氧安全儲備、減壓以及流量自動控制使用技術(shù)與約束；化學氧的反應安全控制與材料儲備等都構(gòu)成了救生艙呼吸氣體處理技術(shù)難題。進艙口與密閉難點。救生艙艙門設(shè)計要充分考慮礦工在危險情況下的快速進入，還要充分考慮艙門的密閉抗災技術(shù)要求，艙門開口大一些，礦工進入的時間就越短越方便，但艙門的密閉性能和抗災性能就很難提高，反之，提高了艙口的密閉和抗災性能，就增加了礦工進艙時間和難度，這兩個相互矛盾的制約條件，就構(gòu)成了救生艙艙口口徑需求與密閉需求的設(shè)計技術(shù)難點。另外，還要注意到艙口密封材料的耐高溫選擇和艙口降溫技術(shù)處理，保證艙口密封材料能夠充分起到密封作用。在特定災害下艙內(nèi)人員的主動逃生難點?？茖W救援和主動逃生是事故救援的兩個重要方面，地面科學組織事故救援，受困遇險礦工積極配合救援主動逃生，就可以達到事故救援的最好效果和最少損失。救生艙為遇險礦工提供了躲避傷害和必要的生存條件，但并不是遇險礦工只能躲在艙內(nèi)等待救援的到來才能出艙，首先，救生艙在獨立運行條件下提供的救生時間有限（≤5天）；其次，艙內(nèi)礦工只有到達地面才算最終脫離危險；因此，艙內(nèi)礦工進艙一段時期后，在能清楚了解艙外環(huán)境條件的情況下，確認安全或在救援指導下，就可以主動離艙配合救援積極逃生。救生艙把躲避災害提供生存條件作為救生功能，也應該為艙內(nèi)人員主動逃生賦予必要的方便和提供一定裝備的可能（如正壓氧呼吸器），如果艙內(nèi)人員具有配備的裝備，就可以在外部環(huán)境條件不十分危險的情況下，有組織的配合救援積極逃生，這對于事故救援就具有明顯的積極作用。多為艙內(nèi)避災礦工提供一種生存可能條件，應該是救生艙設(shè)計的一個重要原則。安裝、培訓、維護難點?！熬壬摗弊鳛榈V山井下一個全新的高科技救生裝備，面對我國礦山井下的復雜情況和礦工實際狀況，安全裝備的現(xiàn)場運行并能發(fā)揮救生作用，必然面臨現(xiàn)場安裝規(guī)范、使用人員的培訓和演練、裝備維護和備品更換等許多具體應用難題。在救生艙的安裝方面，要建立完整的井下安裝規(guī)范文件，并在具體安裝中完善修改，使之成為項目系統(tǒng)規(guī)范重要文件之一。救生艙井下安裝安全規(guī)范、救生艙井下安裝硐室規(guī)范、救生艙與生產(chǎn)工作面的距離規(guī)范、救生艙跟進移動規(guī)范等，構(gòu)成了救生艙井下安裝規(guī)范的主要內(nèi)容。另外，煤礦井下現(xiàn)有供氣（壓風自救）、供水（除塵供水）、通訊管線做為救生艙生命條件供給的一個重要來源，已經(jīng)和救生艙構(gòu)成了一個完整的體系，它的井下安裝方式，必須按照救生艙的規(guī)范進行改造或局部利用部分重新避災敷設(shè)，全面提高三條救命線的抗災能力，以保證救生艙外部供應的安全可靠。同時，管線與艙體的連接要有足夠的彈性和冗余度設(shè)計，確保艙體在承受沖擊時連接處不會受到破壞。在使用培訓和演練方面，要編制完整實用的救生逃逸艙技術(shù)產(chǎn)品使用手冊和培訓手冊，在產(chǎn)品研制設(shè)計中要盡可能地采用實際使用簡便技術(shù)措施，結(jié)合礦山安全培訓制定相應的安全模擬演練規(guī)程和制度，全面提高礦工正確使用操作能力，真正達到救生的目的。在設(shè)備維護和備品更換方面，要依據(jù)設(shè)備特點，編制設(shè)備運營維護指南和艙內(nèi)生存?zhèn)淦范〞r更換規(guī)范，指導礦山及時進行必要的檢測、維護保養(yǎng)和備品更換。（二）產(chǎn)品技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)項目研制技術(shù)組的專家和科技人員，結(jié)合救生艙產(chǎn)品項目研制的難點分析，進行了產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路線全面探討，圍繞著救生需求和實施難點的認真分析研究，運用一一對應、系統(tǒng)組合、技術(shù)借鑒、技術(shù)整合和技術(shù)創(chuàng)新等方法，基本上完成了產(chǎn)品的技術(shù)路線設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了產(chǎn)品的難點問題，為產(chǎn)品項目的具體開發(fā)鋪平了技術(shù)道路。形體設(shè)計。針對救生艙要有容納一定人員的空間需求，同時還要承受較大沖擊力和壓力的技術(shù)需求；我們利用上部圓形下部方形的內(nèi)部容積大，圓形體抗變形能力強的技術(shù)原理，選擇上圓形下方形狀的艙體設(shè)計技術(shù)路線，來滿足艙體對內(nèi)部空間和承受較大破壞力的需求。材料選擇。針對救生艙要承受很大沖擊力、砸壓力等井下災害破壞力，在材料選取的技術(shù)路線上，我們利用能承受大壓力和多種破壞力的壓力容器材料通用材料—Q235B性能，選用Q235B鋼材料作為艙體承壓結(jié)構(gòu)材料,來滿足艙體在煤礦井下承受壓力和腐蝕環(huán)境的要求。承載力確定。煤礦災害破壞力的種類及數(shù)值確定具有很大的難度，它們是救生艙研制設(shè)計承受破壞的重要依據(jù)，在救生艙承載力設(shè)計的確定上，我們依據(jù)國家礦用產(chǎn)品安全檢驗檢測中心重慶所的瓦斯（煤塵）爆炸模擬相關(guān)數(shù)據(jù)，以及我們對煤礦災害事故破壞力的調(diào)研，確定爆炸沖擊壓力一般≦,冒頂砸壓力≦，依據(jù)鋼材性能，我們選取10mm厚高壓容器鋼板材，作為艙體基本結(jié)構(gòu)材料，一方面保證艙體結(jié)構(gòu)能承受很大的破壞力≧，一方面保證艙體在承受局部很大破壞力情況下仍能保持密閉，從而為艙內(nèi)人員提供嚴格的保護設(shè)計。耐高溫要求。井下災害事故常形成高溫環(huán)境，尤其是瞬間高溫與持續(xù)高溫環(huán)境，耐高溫指標就成為救生艙設(shè)計的一個重要技術(shù)指標，在參照有關(guān)科學研究數(shù)值和調(diào)研基礎(chǔ)上，規(guī)定耐高溫指標為耐受瞬間高溫隔熱≧1200℃、持續(xù)隔熱≦55℃。在救生艙抗高溫設(shè)計上，整合現(xiàn)有隔熱技術(shù)，獨創(chuàng)了救生艙內(nèi)艙體懸浮結(jié)構(gòu)和隔熱、艙內(nèi)降溫處理的二重隔熱降溫處理保護技術(shù)，來減少高溫對艙內(nèi)人員的影響。獨創(chuàng)了救生艙內(nèi)膽懸浮結(jié)構(gòu)。外層為10mm厚Q235B鋼板抗沖擊結(jié)構(gòu)，、潔凈人員艙，層間隔85mm。救生時間設(shè)計與供給方式。救生時間的科學設(shè)定，對于救生裝備的研制具有重要的約束意義，時間較長則對進倉礦工保護時間長，但救生裝備研制技術(shù)難度大得多，研制周期和成本都大、礦井裝備成本也會增大，會形成一定的救援浪費。反之，則保護時間短，如救援不能及時到達就會造成已經(jīng)成功避災人員的死亡。依據(jù)國家有關(guān)專家研究論證和國家科委救生艙裝備科研課題的救生時間規(guī)定，救生時間應≧4天。救生艙艙內(nèi)人員生存條件供應有兩種模式；一種模式為外供型，救生艙和井下的地面供氣、供水、通訊管路連接并依托外供管線提供救生艙內(nèi)人員生存條件，一種模式為獨立型，救生艙在外供管線受到破壞情況下，依托自身的物資儲備，能夠獨立運行并保證艙內(nèi)避災礦工的安全存活。在認真研討的基礎(chǔ)上，我們對救生艙與井下現(xiàn)有壓風、供水、通訊管線有效連接方面，進行了科學的彈性、冗余和材料連接設(shè)計，消除了外接管線在災害中的沖擊破壞力和位移力，提高了外供管線連接的可靠性。同時，對外供管線在井巷中的避災安裝進行了必要的研究、試驗和規(guī)范，提出了多種避災措施和改造方案。從系統(tǒng)上提高了救生艙外供管線的抗災能力，為救生艙內(nèi)生存條件的外供利用提供了保障條件。加強對救生艙外供管線的安全敷設(shè)、抗災連接研究和加強艙內(nèi)供應物資儲備供應技術(shù)研究對于救生艙的生命條件供應保障具有重要意義。艙內(nèi)人員呼吸的循環(huán)和補充處理 救生艙在我國是一種全新的救援救生裝備，許多重要指標還需要探索和在實踐檢驗。在救生艙密閉空間內(nèi)，保障并提供艙內(nèi)人員生存的重要條件，就是滿足艙內(nèi)人員的正常呼吸，因此呼吸系統(tǒng)及各項指標就成為救生艙研制中需要探索、論證和實踐檢驗的重要指標。依據(jù)醫(yī)學知識，正常成年人在休息狀態(tài)下呼吸量為10L15L/min，—，在強體力勞動情況下呼吸量為30L—35L/min，—，呼吸與耗氧量除存在一定的個體差異外，還受到情緒等因素的影響發(fā)生變化。礦工作為重體力勞動者，其肺活量要比正常人略大，而礦工在救生艙中避災生存期間的總呼吸量與耗氧量指標就很難確定。要在充分考慮礦工比正常人略大的肺活量因素；礦工避災的情緒影響因素；礦工由動態(tài)轉(zhuǎn)入休息狀態(tài)的時間；艙內(nèi)設(shè)計規(guī)定的人員狀態(tài)；以及艙內(nèi)救生人數(shù)、救生時間、艙內(nèi)空間和呼吸供應方式等來確定。依據(jù)上述考慮，結(jié)合救生艙設(shè)計約定的救生人數(shù)12人，救生時間≧5天（≧120小時）。艙內(nèi)有效空間10m3，獨立供應方式下，采用如下呼吸保障計算與設(shè)計： 設(shè)計氧氣補充量≧48m3，由22個容量15L壓縮壓力15MPa的鋼制氧氣瓶提供。實現(xiàn)艙內(nèi)人均氧氣補充量≧。救生艙內(nèi)最理想的呼吸方案，是礦工在進艙后的很短時間內(nèi)穩(wěn)定下來，安排12人值班進行監(jiān)測監(jiān)護和通訊，輪流替換，其余多數(shù)礦工進入休息狀態(tài)，實現(xiàn)艙內(nèi)生命條件消耗需求的最低運行狀態(tài)，延長有限儲備物資的有效供給時間。救生艙內(nèi)要進行必要的人性化環(huán)境建設(shè)，使進艙礦工盡快形成安全感和有助于穩(wěn)定進艙礦工的不安定情緒，使遇險進艙礦工安全穩(wěn)定的度過救援等待期。（2）二氧化碳吸收量≧48m3。采用氫氧化鋰、氫氧化鈣的二氧化碳輔助吸收劑技術(shù)，切實保障二氧化碳的有效吸收。；氫氧化鈣吸收劑400Kg，（可吸收二氧化碳48M3）。氫氧化鋰吸收劑100Kg，具有吸收100Kg（50M3二氧化碳的能力）通過呼吸氣體處理裝置吸收和在艙內(nèi)設(shè)置多點高位吸收裝置，來完成艙內(nèi)礦工呼吸產(chǎn)生的二氧化碳有效吸收，保障艙內(nèi)二氧化碳的濃度不超過2%的設(shè)計標準。（3）氣體處理量與周期。救生艙設(shè)有空氣處理裝置，提供對艙內(nèi)空氣的循環(huán)凈化、降溫和加氧處理，處理能力在艙內(nèi)檢測監(jiān)控條件下實現(xiàn)10m315m3/h能力范圍的自動運行，保證艙內(nèi)人員10L—35L/min的新鮮空氣呼吸需求，艙內(nèi)空氣循環(huán)處理周期為810分鐘。（制冷的散熱處理技術(shù)與方法另文敘述）。移動運輸。，艙體下采用加重礦用輪移動技術(shù)，可在12Kg以上礦山常用鐵軌上牽引移動，實現(xiàn)井下的跟隨作業(yè)面移動安裝，每個艙體下都有完整的移動輪軸系統(tǒng)，移動時救生艙可整體也可分體移動運輸，就位后進行聯(lián)接緊固形成一個整體。艙口設(shè)計。艙口設(shè)計中除采用必要的加固技術(shù)，還采用了7字形密封材料技術(shù)，在保證艙口結(jié)構(gòu)和抗災能力的條件下，進艙艙口口徑開到了600mm1200mm，23秒就可進入。電力供應與電能儲存。救生艙的運行需要一定的電力供應和電能儲存，救生艙電力接口可以和我國礦井下多種動力電源電壓127V380v11