CN202417584U - 煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置，包括空气再生单元；其特征在于：该空气再生单元包括壳体和设置在壳体内的超氧化钾药板组，所述壳体上设有进气通道和出气通道。本实用新型装置大幅度降低了反应时的温度，减低了降温系统的压力；本实用新型空气再生装置具有如下有益效果：产氧量能够被控制，根据硐内人员的数量和状态始终保持氧气浓度在18.5-22％之间，而且这个调整不需要能源；操作简便，不会因误操作而产生次生灾害；安全性好；系统简单；可以大幅度降低空气再生的成本，推广应用后社会效益和经济效益十分巨大。

Description

煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿井下紧急避险装置，尤其是涉及一种煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置。

背景技术

煤矿井下紧急避险场所：是指在煤矿井下发生紧急情况后，为遇难人员安全避险提供生命保障的地方，由避难硐室和救生舱二种，以避难硐室为主。

空气再生：人体每天正常消耗氧气约576升，排出二氧化碳490升，排出水分180g(全天静止状态下该数值大幅度减少)。正常大气中氧气含量在20-21％，二氧化碳含量在0.02％，水分含量在15-80％之间，在多人置于小型封闭空间时，空气中氧气含量逐步减少，二氧化碳含量上升，水分上升，很快失去人类生存的基本条件。空气再生就是保持空气中各类指标，使混浊的空气再生为新鲜的空气。

为保护人民群众生命财产的安全，提升煤矿安全保障能力，《国务院关于进一步加强安全生产工作的通知》(国发〔2010〕23号)的要求，“煤矿要安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备，并于3年内完成。逾期未安装的，依法暂扣安全生产许可证、生产许可证。”在安全避险六大系统中，紧急避险系统是需要新建设的安全避险系统。

2011年1月国家安全监管总局下发了《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》(安监总煤装〔2011〕15号)对煤矿井下紧急避险系统作了具体要求：“在整个额定防护时间内，紧急避险设施内容环境中的氧气含量应在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％。”，《国家安全监管总局、科学技术部关于进一步加强安全生产科技支撑工作的通知》(安监总科技〔2011〕65号)，要求坚持把预防事故作为安全生产科技工作主攻方向，着力提高生产企业防、管、监控科技能力，围绕煤矿井下安全避险“六大系统”关键技术及装备开展研发。

目前，在煤井中使用都是压缩供氧进行空气再生，例如：中煤集团徐庄矿一个避难硐室就用60个氧气瓶。压缩供氧系统通常由氧气瓶组、汇流排、自动切换控制台(也可手动)、安全阀、报警装置等设备组成。压缩供氧技术具有如下不足：

1)氧瓶多、风险大：高压氧瓶的灌冲，搬运和长期储存等环节都会出现重大安全隐患，而且其工作、运输和储存环境中不能有强烈震动、高温的情况出现，对人员要求较高，每个峒室使用氧瓶达几十个，整个矿山有数个到数十个峒室，危险因素增加很多。氧气瓶是高压容器，瓶内要灌装压力为150大气压(15兆帕)的氧气，瓶装氧是强烈氧化剂，所以在生产、运输、操纵和维护中，若出现氧瓶质量不过关、使用不当等经常会引起爆炸爆炸事故。一旦出现事故，其破坏力相当大。例如某单位用拖车运装氧气瓶在卸车时，将一个气瓶撞击到另一个气瓶上，引起两个气瓶同时爆炸，气瓶碎片飞出最远的约200米，旁边库房的墙被打穿，最大的洞约1000×800毫米，造成了伤人事故。今年下半年以来，我国每月都发生地面氧气瓶爆炸事故，事故教训触目惊心。

2)维护性较差：我国高压氧瓶每日泄露率为0.3％，无法长期保存，为保证避难设施能发挥作用，定期(通常为每半年)需更换氧气瓶，增加维护成本和维护难度。

3)对操作人员要求较高：数十个高压氧气瓶构成一个复杂的供气系统，任何误操作都会引起严重后果。包括：高速纯氧气流和有机物冲击时产生的温度会引起火灾；高压氧气会引起封闭空间内瞬间增压，有可能造成增压灾害，泄压过程也容易同舱外可燃气体混合成易高爆危险气体。当检测仪表失效时氧气浓度不易控制等。

4)系统复杂。压缩制氧系统产生氧气，有扩散系统和吸收二氧化碳和水分工艺，系统复杂，经济成本高。

5)空气质量不高。压缩空气制氧技术，密封空间的空气有臭味，空气质量很差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置。针对目前我国煤矿井下紧急避险场所压缩制氧技术存在的氧瓶多、风险大、系统复杂等弊端，本实用新型利用超氧化钾药板吸收二氧化碳和水分，产生氧气的空气的原理设计出空气再生装置，该装置无电源无压力，不怕碰撞，不怕误操作，属安全型装置；该装置不仅为煤矿井下避难人员提供安全舒适的生存环境，而且消除了煤矿井下紧急避险场所压缩制氧技术的风险，提高了煤矿安全保障能力。

为解决上述技术问题，本实用新型一种煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置，包括空气再生单元；该空气再生单元包括壳体和设置在壳体内的超氧化钾药板组，所述壳体上设有进气通道和出气通道。

优选地，所述进气通道和空气再生单元间设有控制空气流量单元。

优选地，所述控制空气流量单元为手动控制空气流量单元。

优选地，所述超氧化钾药板组包括至少两块平行设置的超氧化钾药板，且超氧化钾药板之间的距离为15～25毫米。

优选地，所述超氧化钾药板组包括12～20块超氧化钾药板，超氧化钾药板之间的距离为18～22毫米。

优选地，所述超氧化钾药板组由18块超氧化钾药板组成，超氧化钾药板之间的距离为20毫米。

优选地，所述空气再生单元的尺寸为300～400毫米*200～300毫米*300～400毫米(长*宽*高)。

优选地，所述空气再生单元的尺寸为350毫米*260毫米*350毫米(长*宽*高)。

优选地，所述空气再生单元设有三个，三个空气再生单元纵向叠置；

优选地，所述空气再生单元之间设有隔板，该隔板上设有空气通道。

优选地，所述隔板厚度为35～45毫米；

优选地，所述隔板厚度为40毫米。

本实用新型具有如下有益效果：

1)本实用新型装置大幅度降低了反应时的温度，减低了降温系统的压力；装置内反应温度为45～60度，降低了15～40％；超氧化钾药板消耗从76片/8人/天降为60～65片/8人/天；氧气浓度保持在19～21％之间，完全满足井下避难使用的条件。本实用新型空气再生装置产氧量能够被控制，根据硐内人员的数量和状态始终保持氧气浓度在18.5-22％之间，而且这个调整不需要能源；

2)操作简便，不会因误操作而产生次生灾害。

3)安全性好。该装置无电源等外部能源支持，该装置及其附件不会因搬运时震动，储存及工作场所高温、高湿、有害气体侵入、长期保存等井下常见因素而影响其工作时的空气再生质量和引起次生灾害；反应完成后的物质完全无害，不会对人员造成任何伤害。

4)系统简单。该装置可以自动形成空气对流通道，吸收二氧化碳吸收、水分产生氧气，为避难人员提供高质量的空气；没有专门的吸收二氧化碳、氧气减压等系统，可以大幅度降低空气再生的成本，推广应用后社会效益和经济效益十分巨大。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明

图1为本实用新型的一种具体实施方式结构示意图；

图2为模拟试验时高温高湿情况下的生氧反应图；

图3为模拟试验时低温低湿情况下的生氧反应图；

图4为使用现有超氧化钾空气再生单元反应舱内氧气曲线图；

图5为模拟试验时设备启动试验氧气曲线图；

图6为现场模拟硐室试验的避难模拟硐室平面图；

图7为现场模拟硐室试验的避难模拟硐室内气体测点分布图；

图8为现场模拟硐室试验的G2测点氧气浓度变化示意图；

图9为现场模拟硐室试验的模拟硐室温度变化示意图；

图10为现场模拟硐室试验的模拟硐室湿度变化示意图；

图11为现场模拟硐室试验的模拟硐室内二氧化碳浓度变化示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示，本实用新型一种煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置，包括上部空气再生单元100、中部空气再生单元200、下部空气再生单元300、隔板400、手动控制空气流量单元500、进气通道600和出气通道700；

所述上部空气再生单元100包括壳体101和设置在壳体101内的18块纵向设置的超氧化钾药板102，超氧化钾药板102之间相互平行且超氧化钾药板102之间的距离为20毫米；超氧化钾药板102间为空气通道；本实用新型使用的超氧化钾药板为现有产品，例如由北京恒信化工公司生产；所述上部空气再生单元100的尺寸为350毫米*260毫米*350毫米(长*宽*高)；

所述中部空气再生单元200包括壳体201和设置在壳体201内的18块纵向设置的超氧化钾药板202，超氧化钾药板202之间相互平行且超氧化钾药板202之间的距离为20毫米；超氧化钾药板102间为空气通道；本实用新型使用的超氧化钾药板为现有产品，例如由北京恒信化工公司生产；所述中部空气再生单元的尺寸为350毫米*260毫米*350毫米(长*宽*高)；

所述下部空气再生单元300包括壳体301和设置在壳体301内的18块纵向设置的超氧化钾药板302，超氧化钾药板302之间相互平行且超氧化钾药板302之间的距离为20毫米；超氧化钾药板102间为空气通道；本实用新型使用的超氧化钾药板为现有产品，例如由北京恒信化工公司生产；所述下部空气再生单元的尺寸为350毫米*260毫米*350毫米(长*宽*高)；

所述下部空气再生单元300的下方依次设置手动控制空气流量单元500和进气通道600；所述出气通道700设置在上部空气再生单元100的顶端；所述上部空气再生单元100、中部空气再生单元200和下部空气再生单元300之间设置隔板400，该隔板400上设有空气通道401；所述隔板厚度为40毫米；

通过上述设置，使得整个装置的空气通道高度为350*3+40*2＝1130毫米。

工作原理如下：

超氧化钾(KO₂)是一种碱金属氧化物，本身是一种氧化剂。原粉为黄色粉末，熔点546℃，在145℃开始分解，与水蒸汽及二氧化碳反应能放出氧气，最终反应产物是无毒无害的碳酸钾。超氧化钾空气再生与人的呼吸熵相匹配。基本反应原理如下：

4KO₂+2H₂O→4KOH+O₂↑

2KOH+CO₂→K₂CO₃+H₂O

4KO₂+3H₂O+2CO₂→2(K₂CO₃·3/2H₂O)+3O₂↑

从上面的反应原理，可以看出超氧化钾空气再生技术具有如下特点：

1)空气再生环节少。超氧化钾空气装置吸收二氧化碳，生成氧气，与人类呼吸类似，与压缩空气再生系统相比，不需要专门吸收二氧化碳的环节。

2)风险小。超氧化钾空气再生技术是无源反应，无高压能源储存，无需外部提供动力，运输、搬运和操作方便。

3)维护简单。药板只要密封性好，储存期间不泄露，在5年有效期内无需保养。

4)吸湿净化空气。超氧化钾具备一定的吸收水蒸气能力，密封空间空气质量好。

模拟试验

我国煤矿开采深度一般为几百米，甚至上千米，温度与湿度大，含有甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等有害气体，为此我们针对煤矿井下的特殊环境，在密封空间进行了一系列的试验。

1)药板井下环境适应性试验。在井下避难场所，常见有毒有害气体主要是甲烷、一氧化碳和硫化氢等。为了检验井下常用有害气体对于超氧化钾药板的影响，我们分别把不同的流速，不同浓度的甲烷、一氧化碳和硫化氢气体通过超氧化钾药板，经试验证明：超氧化钾对甲烷、一氧化碳不吸收，能吸收H₂S有害气体，净化井下空气。

2)不同温度、湿度试验。今年夏天我们在南方进行了高温高湿试验，外界温度32度，湿度80％，氧气浓度20.4～21.4％(见图2)；今年秋天在北方进行了低温低湿试验，外界温度4～12度，湿度20％，氧气浓度19-20.8％(见图3)。由此可见，生氧与温度基本无关，与湿度影响不大。

3)受控型供氧试验。使用现有的空气再生装置时产氧量不易控制，当时氧气含量很快达到35％，二氧化碳浓度也超标，产生热量较高，舱内压力升高，不得不泄压(见图4)。采用本实用新型的装置再次进行试验，氧气浓度控制在20.4～21.4％左右(见图2)，反应器温度降低20度以上，每天消耗氧板减少近30％，同时吸收水分，空气质量达到《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件》的要求。

4)设备启动试验。本实用新型需要一定的启动时间，使装置超氧化钾药板开始反应产生热量，形成空气流；当装置启动后，自动从封闭空间的底部吸入混浊空气，上部流出含氧的再生空气，试验开始时，8人从100米外跑步进入设有本实用新型空气再生装置的密封仓体，再将空气再生装置启动，当时环境温度12度，湿度25％，氧气浓度20.7％，一小时后氧气浓度降为19.6％，然后氧气浓度开始上升(见图5)。

现场模拟硐室试验报告：

(一)试验时间：2011年12月5日，持续12小时；

(二)试验人数：20人；

(三)试验内容：测试煤矿模拟硐室空气指标和空气再生装置

为检验安全型空气再生装置的空气再生性能，2011年12月5日中国中煤能源集团有限公司、上海中垚科技发展有限公司和北京恒信化工公司在上海中垚科技发展有限公司一楼厂房组织了20名志愿者参加的煤矿硐室地面模拟试验，测试煤矿模拟硐室的空气指标和试验者的生命参数。试验从9:40开始至21:40结束，硐室空气中氧气含量达到理想效果，现把试验报告如下。

一、试验环境

位于上海市闵行区梅陇镇梅富路37号的煤矿地面模拟硐室采用75mm厚的保温彩钢板搭制，内部尺寸(长、宽、高)7500x3000x2000，总体积45m³。为保证试验顺利进行，硐室采用气密设计，可加温加湿。

煤矿模拟硐室分为人员室和过渡室，中间加挂一条柔性门帘，两层气密门，观察窗一个，最多容纳20人。本次试验共用二个空气再生装置，在模拟硐室前边(靠右侧)后排(中间)各放置一台(见图6)。硐室内放有靠背椅，扑克及歌曲娱乐设备。试验起始环境：氧气浓度20.6％，温度16度，湿度65％。采用M40便携式综合测试仪测量氧气等气体，利用MA二氧化碳测量仪测量二氧化碳浓度。

二、试验数据

1、氧气在硐室空间的分布

我们选择了21个测试点，分布见图7。

共进行了5次测试，同一时间测得的各地点的氧气浓度相差最小为0.1％，最大为0.4％，平均为0.2％(各个测点氧气含量见下表1)。平时测试CO₂和O₂取样点为G2；温、湿度取样点为D2。

表1：各个测点氧气含量表

试验刚开始，装置启动时间1小时，氧气开始含量下降到最低点19.5％，后一直维持在20.5％附近；以G2测点为例，氧气浓度变化示意图参见图8。

2、温度与湿度

此次实验采用了降温降湿措施，采用干燥剂吸湿，使用20w风机，把湿度降到78％，感觉良好。温度变化示意图参见图9；湿度变化示意图参见图10。

3、二氧化碳浓度

此次试验二氧化碳浓度变化示意图如图11。

4、物资消耗

超氧化钾药板：36片(45片)

碱石灰：35公斤

矿泉水：250g、共60瓶

食品：饼干20包，250g水果罐头40瓶，50g咸菜50包，火腿肠40根。

三、试验结论

试验开始时，20位男同志进硐室试验，4名女同志在硐室外面协助。试验中间，有二位男试验者因事中止试验，后调换了二位女同志参与了试验。经过试验，大家一致认为，空气再生系统的可靠的，空气无臭无味，舒适度良好。通过试验我们可以得出以下结论：

1、本实用新型产品能够满足2011年1月国家安全监管总局下发了《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》(安监总煤装〔2011〕15号)对煤矿井下紧急避险系统的具体要求。“在整个额定防护时间内，紧急避险设施内容环境中的氧气含量应在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％。”

2、安全再生装置性能可靠，产氧安全稳定且分布均匀。试验一小时后氧气含量下降至最低点19.5％，空气再生装置正常工作后，氧气含量在20.4--20.9％之间。在硐室的各个位置，氧气含量分布均匀，同一时间测量数据相差不超过0.4％。

3、空气质量好、再生工序少。空气无臭无味，感觉舒适。化学空气质量再生吸收二氧化碳和水分，减少了专门吸收二氧化碳的工序。工序少，意味着该项目应用推广后会产生巨大的经济效益。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.煤矿井下紧急避险场所安全型空气再生装置，包括空气再生单元；其特征在于：该空气再生单元包括壳体和设置在壳体内的超氧化钾药板组，所述壳体上设有进气通道和出气通道。

2.根据权利要求1所述的空气再生装置，其特征在于：所述进气通道和空气再生单元间设有控制空气流量单元。

3.根据权利要求2所述的空气再生装置，其特征在于：所述控制空气流量单元为手动控制空气流量单元。

4.根据权利要求1、2或3中任一所述的空气再生装置，其特征在于：所述超氧化钾药板组包括至少两块平行设置的超氧化钾药板，且超氧化钾药板之间的距离为15～25毫米。

5.根据权利要求4所述的空气再生装置，其特征在于：所述超氧化钾药板组包括12～20块超氧化钾药板，超氧化钾药板之间的距离为18～22毫米。

6.根据权利要求5所述的空气再生装置，其特征在于：所述超氧化钾药板组由18块超氧化钾药板组成，超氧化钾药板之间的距离为20毫米。

7.根据权利要求6任一所述的空气再生装置，其特征在于：所述空气再生单元的长*宽*高尺寸为300～400毫米*200～300毫米*300～400毫米。

8.根据权利要求7所述的空气再生装置，其特征在于：所述空气再生单元的长*宽*高尺寸为350毫米*260毫米*350毫米。

9.根据权利要求8任一所述的空气再生装置，其特征在于：所述空气再生单元设有三个，三个空气再生单元纵向叠置；所述空气再生单元之间设有隔板，该隔板上设有空气通道。

10.根据权利要求9所述的空气再生装置，其特征在于：所述隔板厚度为40毫米。

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