矿井避难硐室环境控制技术现状及发展趋势

郭韦双,张祖敬，王克全，刘 林，兰 江

(1.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.贵州省岩土力学与工程安全重点实验室，贵州 贵阳 550025)

截至2020年底，我国约有煤矿4 700座[1]、非煤矿山3万余座[2]，爆炸、火灾、垮塌等潜在危害使井下采矿成为最危险的生产活动之一。据统计，在瓦斯爆炸与火灾事故中，80%以上遇难者死于因CO超限引起的中毒或窒息[3]。为减少矿井事故人员伤亡，《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》(国发[2010]23号)要求所有井下开采矿山须建设由避难硐室、救生舱等组成的矿山紧急避险系统。避难硐室是构筑在井下围岩中与巷道环境相对隔绝的避难空间，能为避难人员提供96 h以上安全生存环境[3]。为保障避难人员生存安全，避难硐室应能够对外抵御高温烟气、隔绝有毒有害气体，对内净化空气、提供氧气。

同时，由矿难引发的断电和井下矿用电气设备的防爆要求也对避难硐室环境控制(简称为“环控”)技术提出了更高的要求。笔者探讨了避难硐室环控参数的允许范围，分析了近年来在避难硐室环控技术研究方面取得的成果与存在的不足，并探讨其今后发展趋势。

1 避难硐室环境参数范围

1.1 国内外硐室环境控制要求

矿难产生的高温、有毒有害气体环境会对人员安全构成威胁，而人体代谢产生的气体与热量同时也加剧了避难硐室内温度升高与空气恶化[4]。为保证硐室内人员生命安全，美国《矿工法》(2006)[5]、印度尼西亚《关于避难硐室设计准则》(1995)[6]，以及我国2010年颁布的《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》(以下简称《暂行规定》)均对矿井避难硐室环境参数作了规定。但各国相关文件中对避难硐室环境参数允许值的规定(见表1)有一定差异。

表1 各国避难硐室环境控制参数

由表1可见，不同国家相关文件中避难硐室空气各组分体积分数的允许值基本一致，但在温湿度控制方面，我国规定的避难硐室环境温度的上限允许值较高，避难人员舒适性较差，而美国对硐室环境温度要求最高，其限值较低，但是控温经济成本较大。以下对避难硐室环境参数限值范围进行详细探讨。

1.2 硐室环境参数限值范围探讨

干球温度高于32 ℃且相对湿度高于60%的环境被认为是炎热潮湿环境[7]。研究表明，受试者在环境温度高于30 ℃、相对湿度高于70%的环境中暴露3 h会感到不适，且随着相对湿度从70%增加至90%，热感会越来越明显[8]。HIRATA等[9]发现20～30岁的年轻人暴露于相对湿度为60%、温度为32.5 ℃的热环境中3 h，体温会升高0.18 ℃；YANG等[10]测试了湿热环境对井下工人的影响，结果表明90%的受试者不能接受温度、湿度分别高于34 ℃、65%的工作环境；张祖敬等[11]研究得出在避灾过程中，避难硐室内环境温度在32 ℃以上、湿度为70%～80%时，避灾人员热耐受的安全时间不超过12 h；代圣军等[12]认为温度35 ℃、相对湿度85%的环境下，避险设施难以达到要求的安全防护时间。同时，从目前研究来看，避难硐室的相对湿度控制在60%以下较为容易实现。综合考虑人员安全和环控成本，建议硐室的温度与相对湿度上限分别设置为32 ℃和60%。

ZHANG等[8]通过实验研究表明，人体代谢的CO对环境的危害可以忽略不计。但考虑到巷道中高浓度CO气体可能会伴随着人员进入而侵入避难硐室，要求在20 min内将CO体积分数从400×10-6降低到24×10-6[5]。研究表明，人类暴露于CO体积分数400×10-6的环境中1 h可能会导致头痛[13]。若需满足20 min内CO浓度快速控制的要求，避难硐室人均风量应达到450 L/min，而人均风量为300 L/min时稀释CO需耗时30 min[14]。因此，建议将CO快速稀释时间延长至30 min，或在20 min内将CO体积分数控制上限允许值提高至0.005%。

CO2通常被用作评价室内空气质量的表征性气体[15]。研究表明,人体暴露于体积分数0.5%的CO2环境中2.5 h不会引起急性健康症状，但4.5～8.0 h暴露于0.3%～0.4%的CO2环境中会导致认知能力下降[16-17]。暴露于CO2体积分数1%以上的环境中可能会导致呼吸急促、呼吸性酸中毒等症状[18]。LI等[19]研究了温度、相对湿度和CO2体积分数对人体生理的综合影响，结果表明较高温度、湿度时随着CO2体积分数从0.5%增加到1.2%会导致受试者疲劳头疼。在人均风量300 L/min的条件下，硐室中的CO2体积分数可以保持在0.3%的低水平[14]。使用装置净化时，2～3台空气净化装置可将CO2体积分数降低到0.5%以下[8]。避难期间保持清醒更有利于矿工判断和逃生，因此，建议避难硐室内CO2体积分数上限允许值设置在0.5%。

2 避难硐室空气品质控制技术研究现状

《暂行规定》要求避难硐室人均风量不低于300 L/min，而《煤矿安全规程》(2022年)要求矿井压风自救系统人均风量不低于100 L/min，且避难硐室必须接入矿井压风自救系统。根据《国家煤矿安监局关于加快推进煤矿井下紧急避险系统建设的通知》(安监总局煤装[2013]10号)，在满足人员避险需求的前提下，可以简化或不再配置高压氧气瓶、有毒有害气体去除和温湿度调节装置，而采用专用钻孔或专用管路为避难硐室供氧(风)、控制硐室空气品质。

2.1 巷道有害气体隔绝技术

2.1.1 防护门隔绝技术

密闭防护门应具有足够的气密性，使在避难期间室内气压始终保持高于外界100～150 Pa，以阻止巷道中有害气体侵入。程建军[20]认为避难硐室气密性与正确的选址、建筑工程施工及密闭设施的正确维修保养有密切关系。高娜等[21]对使用阻燃密封胶条的避难硐室密闭门进行气密性实验，结果表明：门体气密性在Δp=100 Pa时，漏气量<0.09 m3/h。朱先国等[22]对采用矩形硅橡胶垫圈的防护门密封性能进行测试，表明密封腔内压力可实现在1 h内从500 Pa降至390 Pa，满足气密性要求。可见，目前针对防护门的研究较成熟，能满足气密性要求。

2.1.2 空气幕隔绝技术

空气幕隔绝技术是在密闭防护门的门框周边安装空气幕装置，通过压风喷出高压气流形成一道空气屏障，缓解有害气体侵入室内。目前，矿山紧急避险设施的空气幕结构主要有管道弥散孔空气幕和气刀空气幕两种，如图1所示。

(a)气幕管 (b)气刀

金龙哲等[23]通过试验研究得出，在CO2体积分数为1%的外部环境中，1 min内空气幕阻隔效率达80%以上。ZHANG等[24]在实验室研究了空气幕末端形状与结构等参数对空气幕阻隔CO2气体特性的影响，表明采用孔直径1 mm、孔间距15 mm的管道气幕系统，阻隔效率为55%～60%。肖专等[25]研究了管道空气幕对CO气体的阻隔特性，结果表明当空气幕风速在10 m/s以上时，2 min内阻隔效率可达到65%以上。SHU等[26]研究了气刀空气幕的阻隔特性，当压缩空气以0.10 MPa供应时，最高效率达到41.60%。金龙哲等[27]通过数值模拟了气刀空气幕的阻隔特性，结果表明气刀有效覆盖率大于85%时对CO2气体的阻隔效果明显。可见，空气幕系统能有效地减缓巷道有害气体侵入硐室。然而，要在人员分组进入避难硐室期间实现阻挡体积分数高达10 000×10-6的巷道中CO气体，并且在人员进入室内后CO气体体积分数能够迅速降至400×10-6，至少需使用4～6道空气幕。

2.1.3 过渡室空气喷淋技术

避难硐室内CO浓度控制措施包括在过渡室内空气喷淋阻隔与在生存室内通风稀释或化学吸附。王林冲[28]研究了避难硐室气幕喷淋装置的风量、管路形式、结构及孔径等对有害气体稀释效率的影响。裴为华等[29]研制出了自动喷淋系统和防爆门空气幕联动的自动控制系统，有效地降低了硐室内有毒气体的含量。吴兆宏[30]通过数值模拟分析了不同配置喷淋系统对过渡室内有害气体净化效果的影响，结果表明设置3个喷淋装置的喷淋系统，对过渡室内有毒有害气体的去除效果最好。BAUER等[31]研究表明，在过渡室内通过空气喷淋稀释CO浓度时，在每组人员进入过程中换气量应达到4～5次才满足CO浓度快速控制需要。目前，对空气喷淋稀释CO浓度特性及影响因素等方面的研究存在不足。

2.2 基于矿井压风的空气品质保障技术

矿井压风是利用地面空气压缩机将新鲜空气通过地面钻孔或受保护的井下通风管道送入生存室内，其被视为保障避难硐室生存环境安全最直接、最经济的措施[32]。地面钻孔供风应用情况如图2所示。

(a)压风风机 (b)压风管道 (c)压风进风口

在供氧方面，当压风的人均风量达17 L/min以上时，生存室O2体积分数要求控制在18.5%以上[33]。在空气品质控制方面，不同人均风量对CO2和CO体积分数的控制效果见表2。芦伟等[37]研究表明：在生存室内仅使用压风不能满足CO体积分数在20 min快速得到控制需求。可见，矿井压风难以满足对CO体积分数快速控制的要求。

表2 CO2和CO体积分数控制效果

2.3 空气品质保障备用技术

为防止压风管路在事故中毁坏造成供风失效，在避难硐室内配备供氧与空气净化装置尤为必要。

2.3.1 自备氧供氧

自备氧供氧方式主要有氧气瓶直接供氧和利用固体过氧化物如氧烛、板状超氧化钾等过氧化物进行化学制氧[38]。图3展示了3种应用于避难硐室的自备氧设施。

(a)氧气瓶 (b)氧蚀 (c)板状超氧化钾

金龙哲等[39]研究表明：当避难硐室内采用压缩氧气瓶供氧时，额定防护时间96 h内平均每人需要消耗40 L、15 MPa的氧气0.6瓶。GAO等[40]将超氧化钾KO2挤压形成板状后应用于避难硐室内供氧，结果表明：15 g的KO2固体板的产氧效率为80.3%。熊云威[41]对比分析了封闭环境中常见的几种自备氧技术在硐室内应用前景后，认为超氧化物制氧技术比其他制氧技术更安全、可靠，可优先考虑。考虑到操作的便捷与经济性，氧气瓶在避难硐室中使用较为普遍。

2.3.2 有害气体化学吸附及去除

1)化学吸附剂技术

在CO净化剂研究方面：佘阳梓等[42]研究了霍加拉特催化吸附CO的性能，表明该催化剂在密闭舱内不能高效催化去除CO。LI等[43]分析了PD-1、AU-1、HC-1等3种催化剂对CO的吸附性能，认为PD-1、AU-1适用于避难硐室内CO快速吸收。张娜等[44]在约19 m3的密闭舱内分析了A(钯金系列)、B(氧化铜及二氧化锰为主原料)2种催化剂对CO的吸附特性，结果表明药剂A适用于湿度80%以下环境，药剂B须配合除湿剂使用。

CO2净化剂研究方面：YAN等[45]研制了一种具有较高吸附率的CO2吸收剂，该吸附剂在提升CO2吸附效率的同时降低了净化成本。GAO[40]研究了KO2在硐室除CO2中的应用，结果表明，15 g的SiO2固体板对CO2吸收速率为11.0×10-3L/min。JIA[46]比较了Ca(OH)2、LiOH和NaOH对CO2气体的吸附性能，确定了3种材料CO2气体的吸附速率大小依次为NaOH、LiOH、Ca(OH)2。

2)被动化学吸附技术

被动化学吸附技术是将化学吸附剂制作为“药帘”或“药包”直接悬挂于避难环境中，被动吸附空气中的CO2，如图4所示的LiOH药帘、Ca(CH)2药包，其优点在于不需要动力就可以实现对室内有害气体浓度的控制。ZHANG等[8]通过50人避难硐室试验研究，将Ca(OH)2颗粒每2 kg装入1个小沙布袋中，吸附控制CO2浓度，结果表明：当挂40、80个吸附袋时CO2体积分数呈上升状态，挂130个吸附袋时CO2体积分数开始下降到1.52%后稳定。若仅靠吸附剂去除CO2要达到控制要求吸附剂的用量将会很大。因此，目前该项技术未得到广泛应用。

(a)LiOH药帘 (b)Ca(OH)2药包

2.3.3 基于动力的净化装置开发应用

许健[47]设计了一套适用于避难硐室的CO滤除装置，并测试了该装置可满足容纳10人的密闭舱内的CO浓度快速控制要求。王钟伟等[48]开发了一套塔式空气净化装置，兼具CO与CO2净化及除湿功能。如图5所示，葛亮[49]等对由中煤科工集团重庆研究院研发的针对20人避难硐室的多功能组合式紧急避险系统用气体净化装置，进行实验分析，表明该装置可实现20 min内对20 m3的有效生存空间进行不低于5次气体循环净化。

图5 多功能气体净化装置

BAUER[50]、ZHANG[51]、伯志革[52]等分别开发了以防爆电动风机、气动风机与人力驱动风机为动力的兼具CO与CO2净化功能的净化装置。YANG等[53]开发了集CO与CO2净化及除湿降温功能的液态CO2空调设备。何廷梅[54]对50人避难硐室使用的51型空气净化装置进行研究，得出2台该净化装置可将室内CO2体积分数控制在0.50%以下，满足避难硐室空气净化要求。目前，这些净化装置已在不同的避难硐室中得到推广应用。

3 避难硐室温湿度控制技术研究现状

3.1 矿井压风降温除湿技术

张世涛[55]对避难硐室进行了压风除湿研究，结果表明：通过试验模拟50人的散湿率，得出压风量为300 m3/h时可将避难硐室内湿度控制在70%以下。ZHANG等[56]研究发现，在初始岩温不高于27 ℃的避难硐室内，额定人均风量(300 L/min)能够较好地满足室内环境控制要求，但当初始岩温高于27 ℃时，矿井压风技术难以满足避难硐室控温需求。GAO等[57]研究表明，对位于砂岩中、埋深400 m且采用地面钻孔供压风的避难硐室，初始围岩温度为28.5 ℃时、人均风量300 L/min条件下96 h后室温控制在约30 ℃，但相对湿度已接近饱和。为充分发挥矿井压风除湿装置在避难硐室中的降温除湿功能，张政等[58]提出可利用涡流管将压风转换成冷、热两股空气，然后利用冷空气对硐室降温。可见，矿井压风难以满足初始岩温24 ℃以上的避难硐室在96 h内将室温控制到32 ℃以下的需要。

3.2 其他降温除湿技术

为满足高温矿井避难硐室降温除湿需求，目前国内外除了压风降温外还研究开发了蓄冰降温、液态CO2降温、液态空气降温、相变储存降温等技术，如图6所示。

(a)蓄冰降温 (b)液态CO2降温

3.2.1 蓄冰降温技术

蓄冰降温指利用蓄冰装置保存冰块，当矿难发生时，通过风机使室内空气与冰块进行对流换热，以降低温度。WANG等[59]开发了蓄冰体积约5.5 m3的蓄冰空调，该装置通过循环风机引导避难硐室内热空气流经换热风道冷却后为生存环境降温。YOU等[60]研究了蓄冰板在避难硐室中的应用，结果表明蓄冰板最佳尺寸为0.60 m×0.32 m×0.05 m、蓄冷温度为-10 ℃更有利于室温调控。JIA等[61]研究了方形蓄冰盒在避难硐室中的降温应用，结果表明初始温度为26 ℃、相对湿度为45%的硐室经过24 h载人试验后，温度、相对湿度分别在29 ℃、20%处波动。蓄冰降温技术的安全性好、适用范围广，但蓄冰装置在高温潮湿环境中易损坏，降低了使用可靠性。

3.2.2 液态气体膨胀降温技术

液态CO2降温是通过高压液态CO2降压后气化过程中的相变潜热带走硐室热量。YANG等[53]开发了一套制冷功率为1 200 W的液态CO2降温系统，该系统通过2次减压使CO2由液态变为气态从而实现降温除湿，控制硐室温度、相对湿度分别低于33 ℃、70%。杨大明[38]指出液态CO2制冷可能发生泄漏，引发次生灾害，且当温度高于31.9 ℃时会失去制冷作用，限制其使用范围。

类似于液态CO2降温技术，液态空气降温也是利用空气的相变潜热带走热量。YAN等[62]开发了一套高压液态空气制冷设备，该设备将液态空气封装在一个2 m3的高压储罐内，平时利用冷冻机组将液态空气维持在-195 ℃、系统压力维持在207 kPa以下，在避难时将液态空气减压为常压低温气体后通入生存室环境实现降温，并将相对湿度保持在60%以下。液态空气降温技术适用范围广、可靠性高，但其成本高达50～70万元/套，难以推广应用。

3.2.3 化学材料相变降温技术

相变降温是利用相变材料达到相变温度后融化从而吸热并带走热量的原理进行降温的。WU等[63]研究了无机相变材料在避难硐室内的应用，将相变板放置在一个隔热盒里，并施加170 W的热负荷进行测试，结果显示在96 h内隔热盒内温度控制在34 ℃以下。GAO等[64-66]分别将相变板和相变座椅放置在硐室内，研究了自然对流状态下相变板和相变座椅在岩温蓄冷到23 ℃时的避难硐室内的控温性能，发现相变板能在96 h内有效控制室温，但释冷速率与室内热负荷动态匹配性较差。相变降温的优点是无源且免维护，但对于初始围岩温度高于24 ℃的避难硐室而言，纯相变控温性能与经济性都较差。

3.2.4 复合控温技术

联合2种或多种不同的降温方式，取长补短以达到更好的降温效果即复合控温技术。YUAN等[67]提出可利用井下废弃冷源或现成冷风预冷避难硐室围岩，以减少室内热负荷，并配合相变降温装置控制避难硐室内环境温度。刘鹏程[68]构思了一种结合矿井压风、涡流管与蓄冰的复合降温系统，避难时通过矿井压风驱动气动风机将冰蓄冷量送入硐室生存室。复合控温技术优势在于在保留各种降温技术优点的前提下克服缺点，具有工作可靠、安全节能的特点。

4 总结与展望

综上所述，目前在环控参数设置与环控技术方面仍存在以下不足：

1)避难硐室环境控制参数允许范围在经济性和安全性方面存在争议。目前的避难硐室环控技术对硐室内环境参数可实现有效控制，并提高了安全性与经济性，以往规定的硐室环境参数允许范围的设定失去了一定的时效性。

2)针对避难硐室空气幕阻隔与通风控制CO技术的研究单一且相对独立，理论基础不够成熟。对有限压风量应对空气幕阻隔、过渡室空气喷淋、生存室通风三者之间的协同运行机制研究深度不够。

3)对有害气体化学被动吸附技术的研究较浅。化学被动吸附技术、吸附机理、布置方式的研究存在不足。

4)适用于高温矿井避难硐室的控温技术，在可靠性、经济性与安全性方面均有待提升。目前，蓄冰降温技术在可靠性与经济性方面，液态空气降温技术在经济性与安全性方面仍有待提升。

笔者认为就保障避难硐室生存环境而言，出于经济性考虑，简配或不配备环控装置已成为避难硐室建设的一种趋势，未来针对避难硐室的环境控制可在以下4个方面取得进展与突破：

a.基于96 h生存安全需求的合理的环境参数允许范围制订。在保证避难人员生命安全前提下，考虑经济成本后制订合理参数限值范围，可改善避难人员的生存条件。

b.基于矿井压风的空气幕—过渡室空气喷淋—生存室通风稀释协同快速控制CO体积分数技术。如研究生存室内通风稀释引起的气流、气压变化对空气幕系统阻隔CO特性的影响，以及空气幕气流对生存室通风稀释CO特性的影响。

c.基于高效化学吸附剂的CO2体积分数被动控制技术。研究吸附材料的吸附机理、与空气接触面积、孔隙率和布置方式等对被动吸附特性的影响。

d.基于压风、相变、蓄冰、围岩蓄冷等多重复合降温技术。复合控温技术在适用高温矿井的同时还能提高控温的能效。