避难硐室供氧系统的

。
跟据现在比较成熟的制氧技术及应用背景和条 件， 避难硐室适宜采用安全可靠、 设备结构简单、 无 易于操作的供氧方式， 即采用 需能源或是耗能很低、 外界空气供氧方式与高压氧气瓶供氧方式 ， 保证避 实现紧急情况下的救护 难硐室的双重安全供给 O2 ， 避难功能。 2． 1 2． 1． 1 压风供氧方案 可行性研究 2． 1． 3 由于人体是依靠呼吸空气进行生存， 因此对于 呼吸系统而言首选气源为空气。如果以储存在气瓶 中的压缩空气作为气源， 按照国家煤矿安全监察局 【 2011 】 15 号文件 “井下紧急避险设施应配备 办公室 矿井灾变期间的空气供给装置或设施， 在额定防护 时间内提 供 避 险 人 员 人 均 供 风 量 不 低 于 J = 0． 3 m3 / min” 要求， 则需要钢瓶空气数量为： 满足避险人员 N = 100 人、 避险时间 T = 96 h = 5 760 min 计算， 所需空气体积为： V = J·T·N = 172 800 m = 17 280 × 104 L 若选空气瓶水容积为 V1 = 80 L， 每支气瓶内可 用空气体积为： V2 = △p·V1 = 8 720 L 式中： △p 为气体可用压力差， 取 11 MPa。
［3 ］
空气瓶数量为： Z = V / V2 = 199 816 支， 如此多 的空气瓶在避难硐室内没有足够的空间容纳 ， 显然 不切合实际。国家安全监管总局、 国家煤矿安监局 167 号） ， 《关于所 曾下发文件 （ 安监总煤行〔2007 〕 有煤矿必须立即安装和完善井下通讯 、 压风、 防尘供 》 。 水系统的紧急通知 因此本方案首先选择利用煤 矿压风系统作为供氧装置。 3 按人均供风量不低于 0． 3 m / min 的要求， 当避 3 险人员 N = 30 人时， 所需总供风量为 9 m / min； 由
基本的生存环境。 关键词： O2 供给； O2 再生； 过滤毒气
+ 中图分类号： TD77 4
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X（ 2012 ） 10 － 0049 － 03
Study on Oxygen Supply System of Refuge Chamber
LIU Feng， HE Chun － jie， JIN Yu － ming （ Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Fushun 113122 ， China） Abstract： Coal mine refuge chamber is a relatively airtight space， the oxygen supplying system of the refuge chamber must keep the oxygen concentration which human being needs，and meanwhile filter the poisonous gases such as carbon dioxide，carbon monoxide to guarantee a fundamental living circumstance for people． Key words： oxygen supply； oxygen regenerate； filtration toxic gas
H2 O2 的沸腾温度为 430 K， 在温度为 400 K 时开始
· 50·
（ 第 43 卷第 10 期）
试验·研究
分解成 O2 和 水。 在 接 近 室 温 （ 280 ～ 300 K ） 条 件 H2 O2 处于稳定状态， 下， 能够长期保存， 因而 H2 O2 在保存期内的自然消耗并不大。 在 H2 O2 内添加少 量稳定剂， 会把其自然消耗降至更低。 在常温下， 往 H2 O2 内加入催化剂 （ 银、 铂） ， 它 O ， 。 会迅速分解成 2 和水 并放出大量的热 其反应式 如下： H2 O2 →H2 O2 + 0． 5O2 + 3 300 （ kJ / kg） H2 O2 分解后的产物 O2 和水， 可以看出， 对于环 控生保系统都是非常宝贵的物质。1． 9 kg 的 H2 O2 能够获得 0． 9 kg 的 O2 ， 同时获得 1． 0 kg 的水， 可以 减少水的储存量。 然而， 利用 H2 O2 作为储氧和供氧物质的最大 问题是它具有爆炸的危险性， 它要求储箱及管路和 部件的内表面高度的光洁和可靠。 浓缩过的 H2 O2 是各种有机物和润滑剂的强氧化剂， 微量的有机物 与 H2 O2 作用， 也会导致作用区域内的局部过热， 使 该处的温度超过 H2 O2 的分解点， 引起连锁放热反 这实际上是内部发生爆炸， 产生危险 应， 2 避难硐室的 O2 供给方式
是在反应过程中受气流的温度和湿度影响比较大 ， 在湿度偏低时， 不易启动进行反应， 湿度过高时， 会 产生碱金属的水化物， 使水蒸气和 CO2 难于到达未 反应的超氧化物层进行继续反应。 过 （ 超 ） 氧化物 存储的要求较高， 包装破损后遇水剧 具有强氧化性， 使用过程中的一些粉末飘散到空 烈反应甚至爆炸， 气中， 给避难硐室内环境造成一定的污染 。 1． 3 氧烛法 氧烛， 也叫化学生氧蜡烛， 主要是以碱金属的氯 ， 酸盐和高氯酸盐为主 加入燃料、 粘结剂等配料， 制 成状如蜡烛的圆柱形供氧材料
3 2 趟压风 于压风系统流量一般在 20 m / min 以上， 管的流量大于所需总供风量。因此以空气作为供氧
催化剂
气源的供氧方式 － 压风系统供氧装置方案可行。此 供风性能等指标进行 方案便于日常对装置的压力、 检查、 对装置的组成部件进行维护及保养 。 2． 1． 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， 经过阀门后进入硐室内 设置的水、 灰尘、 油的 3 级过滤， 经过预先设置的减 压器、 浮子流量计、 管路进入气体输出端。为紧急避 舒适的空气质量。 险设施内避险人员提供更加新鲜 、 压风系统供氧原理如图 1 。
浓缩过的作用也会导致作用区域内的局部过热使该处的温度超过的分解点引起连锁放热反应这实际上是内部发生爆炸产生危险供给方式跟据现在比较成熟的制氧技术及应用背景和条件避难硐室适宜采用安全可靠设备结构简单无需能源或是耗能很低易于操作的供氧方式即采用外界空气供氧方式与高压氧气瓶供氧方式保证避难硐室的双重安全供给o实现紧急情况下的救护避难功能
试验·研究
被称为高氧（ 高浓度氧 ） 。较长时间的高浓度 O2 不 仅损坏中枢神经系统和呼吸系统， 还可能导致高可 燃环境。因此应对压缩 O2 进行调节控制。 据资料介绍， 人体在平静坐姿时潮气量为 500 mL， 生理无效腔体积为 300 mL， 呼吸频率为 12 ～ 18 次 / min， 肺每分通气量为 6 ～ 9 L / min。由于呼吸系 潮气量中的新鲜空气不能全 统生理无效腔的存在， 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 O2 消耗量的基 准。 平静坐姿时对 O2 的消耗量为： （ 潮气量 － 生理 无效腔） · 呼吸频率 · O2 浓度 = （ 0． 504 ～ 0． 756 ） L / min。 美国矿山和健康管理局 （ MSHA ） 要求避难硐室 内 O2 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生理状态 ， 可以确定人体对 O2 的消耗量为 Q1 = 0． 5 L / min。 按照避险人数 N = 100 人、 避险时间 T = 96 h = 5 760 min 计算， 所需 O2 体积： V = Q1 ·N·T = 288 000 L 若采用压缩氧气作为供氧气源， 氧气瓶水容积 为 V1 = 80 L， 每支气瓶内可用 L： △p 为气体可用压力差， 取 11 MPa。 氧气瓶数量为： Z = V / V2 = 33 支， 根据国家暂 行规定硐室内供氧系统需配备 1． 2 的富裕系数因此 确定氧气瓶数量为 40 支。 这样的压缩氧钢瓶数量 在硐室完全可以容纳， 因此选用以贮存在钢瓶中的 压缩 O2 作为供氧气源的供氧方式 － 压缩 O2 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硐室内避险人数随时 变化， 按人体对 O2 的消耗量 Q1 = 0． 5 L / min 考虑， 避险人数 N = 100 时单位时间总供氧量： Q = Q1 ·N = 50 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． 2． 2 工作原理 该装置是利用储存在钢瓶中的医用压缩 O2 ， 通 过供氧控制装置为避险人员输出规定数值的 O2 。 在入风侧过渡硐室和回风侧过渡硐室内放置的钢 瓶， 出口经高压管路并联后集中至减压器 ， 减压器将 来自于氧气瓶中的医用压缩 O2 压力进行减压并输
min。 2． 2 2． 2． 1 压缩 O2 供氧装置 可行性研究
在煤矿发生瓦斯爆炸等灾害时， 有时地面压风 系统在井下的管路会遭到严重破坏， 因此必须有备 用的供氧装置， 以应对地面压风系统遭到破坏时仍 该情况称为 能有效地供氧。当 O2 浓度 ＜ 18． 5% 时， 缺氧。缺氧可致人失去知觉甚至死亡。 当 O2 浓度 ＞ 32% 时， 被称为肺氧中毒。 当 O2 浓度 ＞ 95% 时，
3 态， 其密度为 1． 42 kg / cm 。 在一个大气压条件下，
避难硐室通过地面钻孔或者井下压风系统与地 面的自然空气相通， 从而满足人员需要的 O2 。 引入 自然空气是硐室内避险人员最理想的供氧方式 。外 界空气供氧技术的特点是： 结构简单， 设备紧凑， 维 护方便， 功耗低， 避难人员呼吸自然舒适。 1． 2 过（ 超） 氧化物供氧 过（ 超） 氧化物供氧最常用的方式， 是把过氧化 钾 （ K2 O2 ） 、 过氧化钠 （ Na2 O2 ） 、 超氧化钾 （ KO2 ） 、 超
［2 ］
。 氧烛产氧时， 同
CO2 、 时释放出较多的热量以及 CO、 氯等有害物质， 而且氧烛一旦启动， 必须释放出全部的 O2 ， 不能中 途停止。这样对于空间相对狭小的避难硐室来说， 应用氧烛控制不好浓度， 容易造成氧气浓度过高损 而且应用氧烛事还要配备相应 害避险人员的健康， 的设备去除产生的有毒有害衍生物 。 1． 4 H2 O2 （ 液态） 储氧技术 过氧化氢（ H2 O2 ） 在其质量浓度为 95% 时是液
0
引
言
安 氧化钠（ NaO2 ） 等氧化物固定在专用再生药板上， 放在空气再生容器设备里实现供氧的技术
［1 ］
。但
由于煤矿井下发生瓦斯爆炸、 火灾、 坍塌等灾害 性事故时， 都会致使避难硐室周围环境伴有缺氧 、 有 毒有害气体出现。 因此， 必须在避难硐室内部设置 具有向避险人员提供 O2 以保证避险人员能够维持 正常呼吸的供氧装置。 供氧装置必须满足： ① 避险 人员在避难硐室 （ 紧急避险设施 ） 生存硐室内能够 O2 浓度在 18． 5% ～ 23． 0% ； ② O2 呼吸到纯净的 O2 ， O 供给量及 2 浓度必须满足人体呼吸生理特点； ③ O2 供给时间必须满足额定人数时不少于 96 h 的生 存时间； ④供氧装置在井下特殊条件下不受环境影 响， 保证能够及时、 可靠供氧并排除不安全隐患。 1 1． 1 O2 的供给方式 外界空气供氧方式
试验·研究
（ 2012 － 10 ）
· 49·
避难硐室供氧系统的研究
刘 峰，何春杰，金玉明
（ 煤炭科学研究总院 沈阳研究院， 辽宁 抚顺 113122 ）
摘
要： 煤矿井下避难硐室是个相对密闭的空间 ， 避难硐室供氧系统必须要维持生存硐室室内人 CO 等有毒有害气体， 体所需的 O2 浓度， 同时滤除人体所产生的 CO2 、 以保证硐室内避难人员最
3
图1
压风系统供氧原理图
主要技术参数 3 人均供风量≥0． 3 m / min； 紧急避险设施内 O2 浓度 18． 5% ～ 23． 0% ； 减压器入口压力 ≥0． 8 MPa，
3 出口压力 0 ～ 0． 6 MPa（ 可调节） ， 输出流量 ≥20 m / 3 min； 浮子流量计量程 0 ～ 8 m3 / min， 分度值 0． 3 m /