浅析矿井避难硐室安全供氧方式的选择

吴钰晶

(安标国家矿用产品安全标志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

避难硐室作为煤矿井下的主要避难场所，主要在发生矿山事故为幸存人员提供生命的保障,即给避险人员提供生命所需的氧气，而氧气供给需要依靠硐室的供氧系统。避难硐室是一个狭小的密闭空间，避险人员不断消耗里面的氧气[1]。为维持硐室内人员呼吸要求，需要源源不断地给硐室供应氧气,其氧气的浓度应始终维持在18.5%～23.0%，故避难硐室必须设置安全可靠的氧气供给保障系统[2]。目前煤矿避难硐室供氧方式主要有压风供氧、压缩氧气瓶供氧、化学制氧3种方式。

1 压风供氧

1.1 压风供氧系统

压风供氧系统利用压风管路的空气作为空气源，经过截止阀进入三级过滤器(过滤水、灰尘、油)，再通过减压阀、消音器、管路，到达避难硐室内，最终连接硐室内压风控制和布气系统，实现硐室内的供氧。根据《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》中第13条规定：“接入的矿井压风管路应设减压、消音、过滤装置和控制阀，压风出口压力在0.1～0.3 MPa之间，供风量不低于0.3 m3/min·人，连续噪声不大于70分贝。”压风供氧原理如图1所示。

1-井下压风管路；2-截止阀；3-三级过滤器；4-减压阀；5-压力表；6-消音器；7-硐室弥散布气系统。图1 避难硐室压风供氧原理

1.2 压风供氧优缺点

1) 压风供氧的优点是不耗电，不需要外界支持，不消耗能量，压风管路也是矿井必备的部分，只要压风系统正常工作，就能保证避难硐室的供氧。

2) 压风供氧的主要缺点是压风的管路长，从地面到矿井下连续数千米，容易受灾变影响，且沿途需要对压风管路进行一系列的保护。考虑到压风供氧系统可能受到灾害事故的破坏，需要配备一定量的压缩空气以满足气幕、喷淋、正压维持等需要。

2 压缩氧气瓶供氧

2.1 压缩氧气瓶供氧系统

压缩氧气瓶供氧系统是将储存在钢瓶中的医用压缩氧气，通过阀门、高压表、减压阀、低压表、截止阀，利用所布置的管道把压缩氧气运输到避难硐室内，实现供氧。压缩氧供氧原理如图2所示。

1-氧气瓶；2-阀门；3-高压表；4-减压阀；5-低压表；6-截止阀；7-硐室弥散布气系统。图2 压缩氧供氧原理

2.2 压缩氧气瓶供氧优缺点

氧气瓶供氧投资低，灾变后受外界因素影响小，不需要钻孔和敷设管路，能持续稳定地进行供氧。

氧气瓶属特种设备，主要缺点是需要制定一套完整的检测、使用及操作规范。后期维护工作量也大,比如减压阀半年一次强制检验，钢瓶3年一次检验，每年重新灌气一次，后期维护时需要对氧气瓶进行拆装、连接管路、运输等。另外在矿井下潮湿恶劣的环境条件下，还要对管路进行维护管理，防止管路生锈、腐蚀等。

3 化学制氧

避难硐室内化学制氧技术主要包括超氧化物制氧(再生药板生氧)技术和氧烛供氧技术(氯酸盐制氧)，这两种技术在常温情况下便能发生反应，研究应用比较成熟。化学制氧具有储氧量大、体积小、使用过程中无需外加动力或动力消耗低等特点，适合一般中小型密闭空间，特别是在没有电力供应或电力供应不足的空间内可作为首选的供氧方式[3]。

3.1 超氧化物制氧(再生药板生氧)

超氧化物最主要是超氧化钾,其制备工艺相对简单，且稳定性高、产氧效率高。一般超氧化钾制氧装置的药板是由超氧化钾和少量纤维压制而成的板状药片，在制氧装置中分层放置,便于药剂充分反应。板状超氧化钾制氧装置如图3所示。

图3 板状超氧化钾制氧装置

超氧化物制氧的优点是具有消除二氧化碳和补充氧气双重作用。反应过程无需动力驱动，依靠自身化学反应，在密闭空间中形成动态平衡，即维持密闭空间氧气浓度为19%～21%，二氧化碳浓度控制在1%以下，反应中有少量热量释放，反应器表面温度为45 ℃～50 ℃，对舱内环境温度影响较小。超氧化钾生氧装置所吸收的二氧化碳与放出氧气的比率同人体的呼吸商相匹配，为自适应对流再生反应,可以有效地控制氧气的生成速度，无需配置专门的二氧化碳净化装置。因此,超氧化钾制氧装置成为避难硐室供氧方式选择的最佳方案之一。

由于药板主要成分是超氧化钾，它具有较强的氧化性和碱性,与有机可燃物质(如油类、各种棉织物、纸木屑等)发生反应，可引起燃烧，对皮肤有刺激,使用过程中需要严格按照如下规定操作：

1) 取拿、填装药板时必须戴橡胶手套，严禁戴棉织手套操作。

2) 使用药板时，不与任何易燃物接触。

3) 失效后的药板，应装入塑料袋内存放。

4) 药板不能使用泡沫灭火器、干冰灭火器、水灭火，应该用备好的石棉布覆盖。

3.2 氧烛供氧

由氯酸盐制氧技术制成的供氧设备，俗称氧烛。氯酸盐产氧剂主要以氯酸盐(如氯酸钠)为主，添加少量的催化剂、黏结剂和除氯剂，经机械混合，加压成型，制成药柱[4],形似蜡烛，故被称为氧烛。药柱上端中心有体积很小的启动剂，用瞬间高温与启动剂接触，即可引发分解产氧反应。产氧的反应面沿柱体轴向缓缓下移。

氧烛的主要成分是氯酸盐，其分解时所需热量由金属(Fe、Al、Mn等)粉末燃烧提供[5]。氯化钠各方面性能比较突出,成为氧烛原料的主要来源。其主要优缺点为：

1) 优点是使用方便，产氧量和产氧速率等性能不受外部环境的影响，特别是温湿度；其储氧量大且产氧速率快，使用前后体积没有太大变化，不需后续处理；氧烛产氧速度快，故在应急供氧领域,特别是潜艇舱室和航天器领域，是应急供氧的首要选择。

2) 缺点是启动时需要动力，只要一启动，就会释放全部的氧气，中途不能停止。另外，氧烛在反应时需要用电火花点燃，过程中会产生高温或燃烧，在整个使用过程中会产生大量的热、烟雾和多种有害气体，温度最高达到400 ℃，远高于井下防爆安全允许温度，使用受到限制。在实际使用中，需要将氧烛释放的氧气先进行收集，通过净化后再使用。为了克服此类缺点，可以在原氧烛系统中增加降温系统，利用相变材料进行降温，可满足避难硐室用氧的要求，把温度控制在安全范围内。

4 供氧方式的选择

通过上述3种供氧方式——压风供氧、压缩氧气瓶供氧、化学制氧(再生氧供氧和氧烛供氧)的优缺点比较，煤矿可以根据需求选择合适的供氧方式。但避难硐室只采用一种供氧方式是不安全、不可靠的，建议采用两种或以上供氧方式。比如专用管路外加自备氧，第一级供氧采用压风供氧系统，当压风系统由于灾变不能供氧时，可使用避难硐室内部的自备氧供氧。