小型矿用可移动式救生舱—整体结构设计-实习报告

毕业设计实习报告--井下救生舱设计
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一、矿用井下救生舱简介
1.1救生舱的定义
1.2救生舱的用途和发展概况
1.3救生舱的分类
1.4救生舱原理及技术指标
1.5救生舱系统构成
1.6矿用移动救生舱的特点
1.7国家关于矿用移动救生舱的技术要求
二、毕业设计题目——井下救生舱设计
2.1设计指导思想
2.2设计原则
2.3 救生舱舱内设施设计设计中需要注意的几个问题 2.
3.1供氧系统
2.3.2排泄物的收集与处理
2.3.3空调系统
2.3.4检测系统及监测有毒有害气体
2.3.5通信系统
2.3.6能量与动力系统
2.4 世界主流国家设计思路
三、实习总结
四、参考文献
一、矿用井下救生舱简介
1.1救生舱的定义
矿用安全救生舱是在矿井出现瓦斯爆炸、顶板塌方、透水和火灾等灾害时专门用于避难的场所，矿工在救生舱内避难直到可以安全撤离或等到救援人员。

在煤矿井下设置和使用应急安全救生舱，能够在事故发生后为矿井幸存者提供一个安全密闭的空间，对内能为被困矿工提供食物、H2O、O2，并去除有害有毒气体，赢得较长的生存时间，对外能够抵御事故发生后的高温烟气，隔绝有害有毒气体。

同时，被困人员还能通过救生舱内的通讯监测设备，引导外界救援，为救援工作赢得宝贵的时间，减少矿难事故中的伤亡人数。

1.2救生舱的用途和发展概况
根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故现场瞬间伤亡的矿工只占伤亡总数的一部分，有相当大一部分矿工都是因为在矿井透水或火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高温、有毒有害气体现场，导致溺水、窒息或中毒死亡的。

因此，各国都在大力建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱，以便在矿井发生事故后为无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间。

该舱能够抵御外部的高温烟气，隔绝有毒有害气体；能为舱内遇险人员提供氧气、食物和水,创造基本生存条件；并为应急救援创造条件，
赢得时间。

国外生产救生舱产品大大早于国内，技术成熟程度高于我国，国内已经有厂家与外国合作开发生产救生舱，国际市场可以说技术成熟，但是产品价格过高，国产产品有价格优势。

不排除将来出口开拓国际市场，国内的市场从国内现状看，时间紧任务重很难保证市场的需求。

国外产品会乘虚涌入国内，打时间差的空子。

美国：目前煤矿井下配备避难所1193台（个）。

其中：软体式救生舱1000台（占80%以上）；硬体式救生舱123台；避难硐室70个。

加拿大：自1928年的Hollinger矿火灾（39人死亡）后，就出现初期避难所，利用压缩空气通过面罩提供O2；后来出现了有害气体处理系统，处理空气中的CO和CO2；自1980年后，在金属矿山得到广泛应用，现被法律强制建立。

南非：自1970年就出现避难所；1986年Kinross金矿矿难（死亡177人）后，法律强制井工矿山必须设立避难所。

南非煤矿开采深度浅，一般采用硐室＋大直径钻孔方式。

澳大利亚金矿自2000年一直使用可移动式救生舱，目前已是法律的基本要求。

国外救生舱开发情况
南非：Survivair-RRC：硬体式
美国：STRATA：硬体舱、软体舱、中继站
ChemBio：主要为软体舱
澳大利亚：MineARC：硬体舱
加拿大：RANA：硬体舱、空气供给与废气处理设备
德国：DREGER：硬体舱、快速充气站
英国：Molecular：有害气体处理设备
国外救生舱的基本特点
具备基本功能，包括气密、隔热、防护、供氧、有害气体去除、环境监测、通讯指示等，但具体指标不同。

防护时间：24~48h，MASH规定96h，但认证尚在进行；
舱体强度：未见抗爆、抗冲击具体指标(MASH规定15psi)；
电源：美国、澳洲倾向无源(非煤有源)；南非用铅酸蓄电池；
供氧：南非多用化学氧；美国、澳洲、加拿大多用压缩氧；
空调：早期无，随着防护时间和环境适应性要求的提高，降温系统可能成为必要组件。

主要4种方式：电力空调、蓄冰降温、液态CO2汽化、通风降温
舱内空气流动：具备促进舱内空气流动的相关措施；
过渡仓结构：必要要求。

目前，国内煤炭安全服务行业尚处于不完全竞争时期，涉及该领域的并能够自主研制矿用紧急避险设施的公司更是凤毛麟角。

国内井下救生舱开发情况：国家安全监管总局、国家煤矿安
监局将救生舱研究列入国家“十一五”科技支撑计划，目前超过20家单位从事相关产品研发。

通过专家评审有3家：北科大(重生科技)、煤科总院安全分院(上海鹏燕)、煤科总院沈阳院(MineARC)；
取得安全标志(新产品)有1家：北科大(重生科技)；
软体式救生舱主要研发单位（3家）：煤科总院（上海鹏燕）、中煤机械集团、西安新竹防灾救生设备有限公司。

国内井下救生舱开发情况硬体式救生舱主要研发单位（15家）：北科大(重生科技)、中煤机械集团、北京北分瑞利集团公司（BFRL）、中煤电气集团（STRATA）、无锡信诺视听设备有限公司、天津鸿绪工贸有限公司、西安东风仪表厂、武昌船舶重工有限公司、煤科总院沈阳院(MineARC)、中国矿大(无锡永神利)、煤科总院重庆院、济宁恒泰矿业科技有限公司、青岛华盾生命保障设备公司、西安新竹防灾救生设备公司、中平能化机械制造有限公司；
避难硐室用设备主要研发单位（4家）：北京众生洲矿业科技中心、煤科总院沈阳院、煤科总院重庆院、北京凌天世纪自动化有限公司。

国内井下救生舱研发基本特点是起点高。

在充分借鉴国外成功经验的基础上，将潜艇、船舶、高楼逃生等领域高新技术用于井下避险设施研发，产学研紧密集合，相关领域单位积极参与积极开展国际合作，借鉴、吸纳国外先进技术，处于研发探索初期。

救生舱是生命工程，应实用、安全、可靠，尽可能采用能够提高可靠性的高技术成果。

技术引进或相关领域技术采用尚处于组装、仿造、借用阶段。

大部分救生舱未经实践检验，需通过实用不断优化调整，尚未建立产品标准和设计、安装、使用、维护、管理规范。

1.3 救生舱的分类
目前，矿用救生舱可分为固定式和移动式两类。

由于移动式救生舱能够随着作业场所变迁移动，可根据需要改变架设位置，具有方便灵活的特点，所以应用日趋广泛。

可移动式救生舱按外壳材质可划分为硬体式和软体式。

按械结构特点可划分为组装式（救生舱舱体为组装式结构）、整体式（救生舱舱体为一整体机械结构）、其他。

硬体式救生舱一般用用钢材等硬质材料制成，具有一体式、分节组装式等类型。

软体式救生舱采用阻燃、抗静电、耐高温帆布等软质材料制造，在突发紧急情况下依靠快速（几十秒至几分钟）自动充气膨胀架设。

图1 硬体式救生舱
图2 软体式救生舱
不论是哪种救生舱，都具有以下特点：可以提供至少48小时，甚至96小时的生命保护，包括氧气、食物、水和适当的降温装置。

可以有有源和无源两种模式。

这样就可以在井下灾害事故发生导致电力系统破坏的情况下，仍然可以保持保护状态。

配备先进的“透地通讯”，随时与地面施救人员联系。

1.4救生舱原理及技术指标
矿井可移动式应急救生舱是设置在矿井下各危险工作区域的密闭空间，整体设计上能够做到气密，并能抵御一定的外力冲击，内部通常有氧气（O2）供给系统、一氧化碳（CO）和二氧
化碳（CO）净化系统、供电系统和通讯系统，以及相应的监视、防护措施，同时还有足够的水和食物。

矿难发生后，无法直接转移到安全区域的人员可以进入救生舱空问，关闭舱门与外界有害环境隔绝，随后运行内部各救生系统，产生O2，处理CO、CO2，等有害气体，检测密闭空间内各类环境参数，将空间内环境维持在人类生存的适宜条件。

可移动式救生舱舱室内人类生存所需的各类环境参数在经
过研究后都有严格的指标规定，所有环境参数都必须控制在标准范围内，否则会对密闭空间中人体生理心理造成负面的影响，关键的生存参数如O2、CO2浓度等不合要求甚至能造成人员的伤亡。

表1为救生舱产品的主要技术指标。

表2为救生舱产品的型式检验项目表。

表1 救生舱技术指标。

序号参数指标
1 维持时间≥96h
2 抵御最高冲击压力≥1.0MPa
3 抵御瞬时高温冲击0.2s内1200℃
4 氧气浓度18.5%~23.0%
5 二氧化碳浓度<1.0%
6 一氧化碳浓度≤24ppm
7 室内温度33℃±2℃
8 湿度≤85%
9 被困人员供水量≥0.5升/天²人
10 被困人员食物所含热量≥2000千焦/天²人
表2 救生舱型式检验项目表
序号检验项目出厂检验型式检验备注
逐台检验抽样检验
1 基本要求√√√△
2 结构检查√√√△
3 额定防护时间－√√☆
4 整机气密性√－√☆
5 瞬间耐高温能力－√√☆
6 持续耐高温能力－－√☆
7 强度安全性能－√√☆
8 抗爆炸冲击能力－－√☆
9 起动时间√√√☆
10 氧气供给保障系统－√√☆
11 空气净化与温湿度
－√√☆调节系统
12 环境监测系统√－√△
13 通讯系统－√√☆
14 舱内照明及指示系
√√√☆统
15 动力保障系统－√√△
16 舱生存保障系统√－√☆注：√检验项目；－不捡项目；“☆”主要项目；“△”一般项目。

1.5救生舱系统构成
救生舱要保证内部避难人员生存，就必须依靠舱内设备持续稳定地提供可呼吸的空气，同时对人呼出的气体及时进行处理，吸收CO2等废气，将舱室密闭空间内气体各组分含量控制在适宜范围内。

同时，人体和仪表设备在正常情况下均会向空间辐射热量，灾变状态下舱外也可能处于持续的高温环境中，这些情况均会导致救生舱内温度上升，因此必须依靠空气调节设施对温度进行控制，否则会造成严重的后果。

根据救生舱所需实现的功能，救生舱可划分为安全防护系统、氧气供给保障系统、空气净化与温湿度调节系统、环境检测系统、通讯系统、照明及指示系统、动力供应系统、生存保障系统，各系统形成多级防护体系。

1.6矿用移动救生舱的特点
优异的结构独特的加强筋设计，大大增加安全性；独特的弧形顶设计，抗压能力增强且便于排水；隔温夹层，强悍的防火耐高温性能；良好的气密性；舱体体积小，便于运输；多出口设计，除舱门外，另设两个逃生口；舱门打不开时可通过逃生口进出。

多种供氧手段矿内压缩空气管道，可无限供氧；舱内压缩氧气瓶供氧，稳定安全；化学制氧（氧烛或氧气再生药板），紧急情况下制氧。

正压设计正压设计阻止舱外有害气体进入生活舱；配有压缩空气瓶，提供足够的压缩空气，支持多次进出救生舱。

安全、舒适的舱内环境供氧时间长，可供10人使用超过120小时；供氧方式多样，包括矿内压风管、压缩氧气瓶、氧烛（或氧气再生药板）；充足的有害气体吸附剂和除湿剂；配备空调，即使断电仍可将舱内温度维持在29摄氏度。

有效的舱内外环境监测手段多传感器，可监测舱内外温湿度、压力、气体（包括O2、CO、CO2、CH4、H2S 的其它有害气体）浓度；监控分站收集传感器的监控数据，自动调节舱内气体环境；配有便携式多用途传感器，供被困人员出舱时使用；储备电力可供舱内传感器和监控分站使用超过10天。

1.7国家关于矿用移动救生舱的技术要求
矿用救生舱又称之为：矿用安全舱井下救生舱煤矿救生舱矿用避难舱矿用避难硐室指在矿井下，当发生灾难或意外事故时，矿井下作业人员用于逃生、避难等待救援的一个密封装置设备。

过渡结构救生舱应具备过渡舱结构，不设过渡舱时应有防止避险人员进入救生舱内时有害气体侵入的技术措施。

过渡舱的净容积应不小于1.2立方米，内设压缩空气幕、
压气喷淋装置及单向排气阀。

生存空间生存舱提供的有效生存空间应不小于每人0.8立方米，应设有观察窗和不少于2个单向排气阀。

气密强度救生舱应具有足够的强度和气密性。

舱体抗冲击压力不低于0.3兆帕。

在+500±20帕压力下，泄压速率应不大于350±20帕/小时；舱内气压应始终保持高于外界气压100-500帕，且能根据实际情况进行调节。

材料选择救生舱应选用抗高温老化、无腐蚀性、无公害的环保材料。

舱内颜色应为浅色，外体颜色在煤矿井下照明条件下应醒目，宜采用黄色或红色。

安装地点救生舱的设置地点和安装应有设计和作业规程，并严格按照产品说明书进行。

在安装救生舱的位置前后20米范围内煤（岩）层稳定，采用不燃性材料支护，通风良好，无积水和杂物堆积，满足安全出口的要求，不得影响矿井正常生产和通风。

安装程序接入救生舱的矿井压风管路、供水管路及通讯线路应采取防护措施，具有抗冲击破坏能力，管路与救生舱应采用软联接。

救生舱安装完成后应进行系统性的功能测试和试运行，满足要求后方可通过验收。

拆装、运输和移动救生舱时应有保护措施，编制操作规程和安全技术措施，保证拆装、运输和移动过程中不损坏救生舱。

救生舱移动后应进行一次系统检查和功能测试。

二、毕业设计题目——井下救生舱设计
2.1设计思路
以“安全第一，预防为主”为指导思想，以煤矿提供的资料为基础，以国家和政府相关文件为依据，实事求是对煤矿安全防护体系方面存在的安全隐患进行分析，提出合理可行的安全防范措施、选择适宜的安全技术装备，杜绝重大恶性安全事故的发生，使煤矿的安全生产得到进一步的保障。

井下救生舱这一想法的产生，与当前我国矿山事故频发的背景有关。

从各类井下事故发生的特点和那些在井下事故中幸存的人们的讲述来看，被困井下的人中其实只有很少—部分是死于事故发生的瞬间，大部分人是由于长时间被困井下而被闷死、饿死、冻死、渴死的。

井下救生舱的设计思路如下：
１）为了使井下作业人员在发生井下事故时能够在最短的时间
内躲避到—个安全的地方，同时也为了自韵多为接下来的事故救援提供大量有效的信息并争取尽可能多的救援时间，在矿井内适当的地点设置若干个井下救生舱。

这样，当井下事故发生后，无法逃出或者不适宜立即逃出矿井的作业人员可以就近进入井下
救生舱，在最短时间能将并下人员与危险隔离开来。

２）进入井下救生舱的人员可以在那里与井上人员取得联系，报告并下发生事故的情况，并通过救生舱上的设施实时搜集井下信息，提供给救援员。

在救援人员实施救援行动期间，救生舱内的
人员只需静心等待。

３）井上人员接到井下救生舱内的人员提供的信息后，确定井下人员的位置，并研究确定救援方案，开始救援。

如果由于井下条件太复杂，估计救援活动要持续较长时间时，可以应救生舱内人员的要求，通过救生舱上的专用管道向舱内人员提供水和食物，直到救援行动结束。

井下救生舱适用于那些矿井内发生坍塌、冒顶、瓦斯或者粉尘爆炸、透水等事故而被困并下无法逃出的人员的救生，也适用于在以上事故发生后，不适宜立即逃出井外（例如，由于坍塌、冒项或者爆炸还在
继续，逃出井外需要冒极大的生命危险的情况）人员的逃生。

井下救生舱应该可以适应各类井下事故的特点，具有抗挤压、抗；中击、耐高温、防水浸、密封性能好等特点，并具备通风排气、通信供电、供水供食、温度调节等设施和功能。

总之，井下救生舱是一个安全．可靠性高的救生设备。

2.2设计原则
（1）多点布置
根据各工作面、掘进头人员分布情况，合理设置移动式救生舱。

临时避难硐室为其他未能进入可移动式救生舱的避灾人员提供避难空间。

永久避难硐室为整个矿井避灾人员提供避难空间，有条件的
宜打从地面直通硐室的钻孔，为避难硐室提供通风、供水、食物、电力及通讯。

（2）一人一位
本着“安全为天”的原则，通过设置可移动式救生舱、临时避难硐室和永久避难硐室保证入井人员在灾害发生时都有自己
的避难空间。

同时，在编制劳动定员标准时，要将人数落实到井下采、掘、机、运、通等各个环节、各个岗位，凡是能够计算和考核工作量的班组或工种岗位都要有科学合理的劳动定额，实行定额、定员管理，严禁两班交叉作业；优化劳动组织，合理安排队组编制，减少管理层次和工作环节；逐步推行井下人员管理监测系统，及时准确掌握入井人数和入井人员的工作区域；实行“限员挂牌”制，在井口、采区及采、掘工作面现场设牌板，真实标明核定的每班作业人数和实际每班作业人数。

（3）就近避险
距离可移动式救生舱最近的人员向移动救生舱内逃生（主要是工作面、掘进头作业人员）。

距离临时避难硐室最近的人员向临时避难硐室内逃生（主要是巷道沿线及机头零散作业人员）。

距离永久避难硐室最近的人员向永久避难硐室内逃生（主要是井下其他零散作业人员）。

距离井筒最近的作业人员尽快升井，向地面逃生。

（4）入舱便捷
为方便避灾人员快速地进入避难空间，应在紧急出口处、避灾路线上放置明显的标识牌，标识避险设施的位置。

根据煤矿的实际情况，先期在井下布置1个90人的永久避难硐室，后期再布置移动救生舱等紧急避险设施。

2.3救生舱舱内设计中需要注意的几个问题
矿用救生舱一旦开始运行,被困人员要在这个密闭空间中可能生存长达数天的时间,为了保证人员的生命安全,救生舱内所有生命维持设备必须持续正常运行,将室内的O2、CO2等各类气体的浓度、环境温度、度等生存参数都稳定控制一个适宜人类生存的范围。

救生舱整体结构与有关设施设计,应重点解决以下几个方面的问题。

2.3.1供氧系统
救生舱内正常氧气供应主要有矿用压缩空气、储备压缩氧以及化学反应生成氧气三种方式,氧气供应装置应满足三个条件:①尽量供应组分接近空气组分的气体,纯O2应先经过混气再进入救生舱供呼吸;②能够持续不间断地供应O2 ,一般通过两套以上独立的供气系统来实现;③能够调节O2释放速率与救生舱中人员消耗速率达到一致,以稳定O2的浓度。

2.3.2排泄物的收集与处理
为了避免人体排泄物污染舱内环境,影响被困人员健康,舱内的厕所必须科学设计,妥善收集处理排泄物。

2.3.3空调系统
矿用救生舱为了最大限度的延长被困人员的生存时间,要求对矿井内的恶劣环境如爆炸、冲击、火灾等具有相当的防护能力,因此,救生舱的外壳必然有一定的隔热性能。

而在救生舱内部,被困人员自身会产生大量的热辐射。

美国《肯塔基州矿井安全建议》提到,在救生舱空间中,正常成年人每天能有害气体的化学反应多数也要释放热量,如此多的热量聚集在救生舱中无法排出会导致温度升高以及一些严重的后果。

因此,如何解决隔热的密闭空间中的热量累积问题是救生舱研究中非常困难的一个部分。

为了控制救生舱内温度不至于过高,必须使用空调来控制温度。

空调主机可置于救生舱内部,而压缩机必须外置,这就不可避免地带来了空调压缩机的防爆问题。

此外,在20多立方米的空间中要保持让人舒适的温度,需要有足够的电力运行空调,而矿难时外部电力往往中断,只能靠电池维持。

所以,救生舱中的空调、明、通信、电子控制设备等救生舱维持生存时间的长短很大程度上要决定于空都要依靠电力来维持,尤其是大功率的空调压缩机,调和备用电池的功率之间的相互协调。

2.3.4检测系统及监测有毒有害气体
在救生舱中生存时,随着被困人员在救生舱内的时间增长，舱内将会有CO2、CO、、CH4等有毒有害气体的积聚,被困人员必须时刻掌握所处密闭空间内外的各类参数,根据情况的变
化采取相应措施维持生存条件。

多数有毒气体浓度的变化不可能通过人体器官及时感知就足以致命了，因此,救根据国家有关规定,矿用救生舱应安装各类监测仪器即时监控所有主要的生存
环境参数,并配备吸收或清除上述气体的装置，要求操作简便、自动化程度高、性能可靠。

救生舱中的监测系统主要监测的对象一般包括O2、CO2、CO、H2 S、CH4、压力、温度、湿度以及各种设备的运行状况。

气体浓度的监测按照气体对人体的影响设定仪器的监测范围及
报警数值。

2.3.5通信系统
在事故发生时,遇险矿工进入救生舱只是第一小步,利用救生舱里的通信系统,及时与外界取得联系,引导救援人员前来救援才是最重要的。

当前,国外救生舱也很少安装有效的通信系统,而救生舱中如能配备先进可靠的可与地面联络的通信系统,无疑对救援工作的顺利开展有着极其重要的意义。

2.3.6能量与动力系统
救生舱中的空调、明、通信、电子控制设备等，尤其是大功率的空调压缩机,要消耗大量的电力资源。

能否为救生舱耗电设备提供电力,维持其长时间稳定的运行,对延长救生时间有着极大的影响。

事故发生时,外部供电中断,救生只能依靠自身的蓄电池供电。

矿井用蓄电池要求本质安全,并且需要能够长时间维持空调等各类设备运行。

2.4 世界主流国家设计思路
救生舱核心技术说简单点就是除湿与净化。

只要这两个问题解决，一切问题将迎刃而解。

但是目前国内救生舱生产厂家能解决这两个问题的屈指可数。

关键在于厂家研发方向或采用哪种技术。

目前国内主流技术有二氧化碳制冷技术，蓄冰制冷技术，相变制冷技术。

蓄冰制冷技术：北京科技大学土木与环境工程学院党委书记金龙哲，教授、博士生导师首先采用并研发，可以说是蓄冰技术的鼻祖。

但是这一代的蓄冰技术最大的问题是蓄电池无法得到完善的解决（有源），国家安标中心不予颁发安标证书，基本被救生舱厂家放弃。

新一代蓄冰技术采用压缩空气代替蓄电池，但是要求舱内防爆制冷空调保持零下14度（保证冰块不熔化），防爆空调将24小时工作，外接电源不能断电，空调压缩机在此状态下润滑。