科技興安 打造井下“諾亞方舟”

煤礦，以支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的重要能源，有效支持了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，成為國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。然而，一次次令人心碎的礦難帶給國(guó)家、社會(huì)的卻是沉重的切膚之痛。因此，如何保障煤礦安全生產(chǎn)，減少事故造成的人員傷亡，成為全社會(huì)密切關(guān)注的重要問題。為此，我們對(duì)北京科技大學(xué)礦井避險(xiǎn)技術(shù)研究中心李芳瑋博士進(jìn)行了專訪。

針對(duì)國(guó)內(nèi)礦難頻發(fā)、人員傷亡重大的情況，北京科技大學(xué)礦井避險(xiǎn)技術(shù)中心于2006年宣告成立。中心擁有教授2名，博士后4名，博士研究生4名，碩士研究生20余名，中心先后承擔(dān)了國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“礦井可移動(dòng)式救生艙研發(fā)”、“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“礦山安全監(jiān)測(cè)與緊急避險(xiǎn)一體化信息平臺(tái)研發(fā)”、“礦用兩棲救生車及避難艙關(guān)機(jī)技術(shù)研發(fā)”，并承擔(dān)了神華集團(tuán)、大屯煤電公司、徐州礦務(wù)集團(tuán)等企業(yè)橫向課題。避險(xiǎn)技術(shù)研究中心深入開展了礦井緊急避險(xiǎn)技術(shù)的研究，力爭(zhēng)為礦工提供災(zāi)后避險(xiǎn)的密閉空間，為救援工作爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。中心成功研發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)礦用可移動(dòng)式救生艙，并在可移動(dòng)式救生艙密閉空間環(huán)控生保技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)和建設(shè)了我國(guó)第一個(gè)永久避難硐室，填補(bǔ)了我國(guó)礦井災(zāi)后緊急避險(xiǎn)領(lǐng)域的空白，為我國(guó)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)、推進(jìn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

從無到有，可移動(dòng)式救生艙和避難硐室研究取得突破

在課題研究初始，國(guó)內(nèi)并無相關(guān)單位和人員進(jìn)行過此方面的研究，國(guó)外雖已有類似的研究，但由于各國(guó)礦井地質(zhì)條件、采煤工藝不盡相同，國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)并不一定適用，為填補(bǔ)此領(lǐng)域的空白，研發(fā)出適合我國(guó)礦井特殊地質(zhì)條件和生產(chǎn)狀況的避險(xiǎn)裝備及技術(shù)，礦井避險(xiǎn)技術(shù)研究中心工作人員開始了艱難地探索。

從無到有的過程，總是艱辛的，探索的過程，更是浸透著汗水的。中心工作人員廣泛調(diào)研國(guó)外相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，查閱相關(guān)事故資料，深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，與相關(guān)專家進(jìn)行交流討論。通過研究發(fā)現(xiàn)，在井下發(fā)生瓦斯爆炸等事故時(shí)，瞬間死亡人數(shù)只占10%左右，其余人員大多死于事故造成的有毒有害氣體濃度過高、氧氣供應(yīng)中斷、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給不足等。因此，如何在災(zāi)害發(fā)生后為避險(xiǎn)人員提供一個(gè)可以躲避惡劣環(huán)境，維持生存的空間，便顯得尤為重要。隨著研究工作的不斷推進(jìn)，科研人員意識(shí)到，礦井密閉空間與航空航天以及軍事領(lǐng)域有所不同，在幾百上千米的地下礦工的生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，要想真正保證事故后人員在救生艙、避難硐室內(nèi)能夠生存，首先要研究避險(xiǎn)人員在礦井密閉空間內(nèi)的極限生理參數(shù)。

為了得到人體對(duì)密閉空間各類氣體成分、溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)的影響及其生存極限條件，課題組在北科大建造了人員生存模擬實(shí)驗(yàn)室，避險(xiǎn)中心科研人員充分借鑒了航天、人防等領(lǐng)域?qū)τ诿荛]空間內(nèi)人員生存的相關(guān)研究，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M艙內(nèi)先后進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、二氧化碳處理、氧氣供給、溫度控制、濕度控制、一氧化碳處理等數(shù)百組實(shí)驗(yàn)，取得了大量的寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了礦井密閉空間人體生存參數(shù)的相關(guān)理論體系，為救生艙和避難硐室的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

“可以說，這個(gè)模擬艙是之后的救生艙成品的雛形。我們根據(jù)前期的理論分析和一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、制造了它，之后在模擬艙內(nèi)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備進(jìn)行不斷修改，才有了后來的救生艙”。避險(xiǎn)中心博士后栗婧介紹道。

在對(duì)救生艙生命保障技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，中心工作人員將技術(shù)進(jìn)行拓展延伸，研發(fā)了可容納100人生存96小時(shí)的避難硐室及其相關(guān)裝備。避險(xiǎn)中心工作人員先后完成了避難硐室密閉性研究、避難硐室外部防護(hù)的研究、內(nèi)部供氧系統(tǒng)的研究及有毒有害氣體在大空間中分布規(guī)律的研究等工作，形成了一套適合避難硐室的裝備和技術(shù)。為了提高避難硐室的可靠性，科研人員提出在有條件的硐室內(nèi)部布置一個(gè)直達(dá)地面的鉆孔，通過鉆孔由地面對(duì)硐室內(nèi)進(jìn)行壓風(fēng)、流食、動(dòng)力、通訊的供給。災(zāi)害情況下，只需將他們研發(fā)的應(yīng)急救援車開至地面鉆孔位置，連接各趟管線即能實(shí)現(xiàn)鉆孔的供給功能。“在地質(zhì)條件相對(duì)較好，避難硐室距離地面垂直高度較小的礦井還可以考慮建立提升鉆孔，我們對(duì)帶提升鉆孔避難硐室的相關(guān)技術(shù)也進(jìn)行了研究和論證，為礦工安全升井提供了新的通道，為礦工的生命安全提供可靠的保障。”李芳瑋博士表示。

在成功研發(fā)了救生艙和避難硐室的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)緊急避險(xiǎn)技術(shù)進(jìn)行了拓展，從避難硐室的支護(hù)、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析、鉆孔支持的生命保障系統(tǒng)研發(fā)、大空間多人數(shù)避難硐室環(huán)境控制及生命保障技術(shù)研究、提升鉆孔避難硐室的研究、基于避難硐室的礦井避災(zāi)路線及應(yīng)急預(yù)案的研究、礦井應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)、礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)安全可靠性評(píng)價(jià)等不同領(lǐng)域和方向進(jìn)行了研究，還建立了礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的理論體系。避險(xiǎn)中心避難硐室專題組負(fù)責(zé)人李芳瑋博士介紹說：“在相關(guān)救援裝備和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，全面建立礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)是必要的，礦工的生命是無價(jià)的，即使多救活一個(gè)人，我們的工作也是有意義的。所以，緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)在構(gòu)建避難硐室配備救生艙的基礎(chǔ)上，合理制定逃生的避災(zāi)路線和應(yīng)急預(yù)案，建立覆蓋全礦井的安全防護(hù)體系，在事故發(fā)生后延續(xù)礦工的生命為救援工作爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。”

求真務(wù)實(shí)，真人載人實(shí)驗(yàn)

一份耕耘一份收獲，經(jīng)過避險(xiǎn)中心工作人員夜以繼日的努力，研制出了我國(guó)第一臺(tái)可移動(dòng)式救生艙，并通過國(guó)家安標(biāo)中心的檢測(cè)，成為我國(guó)第一臺(tái)獲得安標(biāo)的救生艙，“礦用可移動(dòng)式救生艙”科技成果技術(shù)鑒定達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，順利通過國(guó)家科技部的驗(yàn)收。同時(shí)，科研人員在常村礦N3采區(qū)建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)永久避難硐室，獲得了相關(guān)監(jiān)管部門和同行的一致認(rèn)可。

為了檢驗(yàn)研發(fā)成果的可靠性，同時(shí)對(duì)救生艙、避難硐室從設(shè)計(jì)理念到內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，避險(xiǎn)中心人員提出要進(jìn)行一次8人96小時(shí)的救生艙載人實(shí)驗(yàn)和80人48小時(shí)的避難硐室載人實(shí)驗(yàn)。

從提出要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的想法后，礦井避險(xiǎn)中心就積極與各單位進(jìn)行溝通協(xié)商、制定實(shí)驗(yàn)方案、編制應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)為保證實(shí)驗(yàn)的成功及實(shí)驗(yàn)過程的安全性，科研人員對(duì)救生艙和避難硐室進(jìn)行調(diào)試檢查、進(jìn)行了多項(xiàng)單體的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過半年的協(xié)調(diào)準(zhǔn)備時(shí)間，避險(xiǎn)中心于2011年4月進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次救生艙和避難硐室載人實(shí)驗(yàn)并取得了圓滿的成功。CCTV等國(guó)內(nèi)主流媒體對(duì)實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行了跟蹤報(bào)道。針對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，研究人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)了井下密閉空間人體生存指標(biāo)與地面開放環(huán)境下的生存指標(biāo)有很大的差異。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)放了調(diào)查問卷，對(duì)人體舒適度、溫濕度對(duì)人體生理指標(biāo)的影響、環(huán)境變化對(duì)避險(xiǎn)人員心理的影響等問題也進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)獲得了大量寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為國(guó)家進(jìn)一步制定相關(guān)政策提供了數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為避難硐室配套技術(shù)和裝備的改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

2012年2月，課題組又在大屯孔莊煤礦進(jìn)行了100人48小時(shí)永久避難硐室載人實(shí)驗(yàn)，這是國(guó)內(nèi)首次由化學(xué)氧參與供氧的避難硐室載人實(shí)驗(yàn)，為避難硐室氧氣供給與保障提供了新的思路和技術(shù)。李芳瑋博士介紹，“兩次載人實(shí)驗(yàn)分別對(duì)不同的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)前期也進(jìn)行了充分的準(zhǔn)備并制定了應(yīng)急預(yù)案，確保了參與實(shí)驗(yàn)人員的安全。實(shí)驗(yàn)人員在過程中的生理指標(biāo)一切正常，實(shí)驗(yàn)證明了避難硐室設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，同時(shí)還取得了不少寶貴而又真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)我們以后的進(jìn)一步工作有著重要的意義”。

成果轉(zhuǎn)化，積極服務(wù)全行業(yè)

為改善我國(guó)的煤礦生產(chǎn)安全形勢(shì)，減少災(zāi)害造成的人員傷亡，國(guó)家對(duì)以救生艙、避難硐室為核心的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)從政策上進(jìn)行了強(qiáng)制的建設(shè)規(guī)定。根據(jù)國(guó)家安監(jiān)局、煤監(jiān)局的相關(guān)要求，所有煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出礦井，中央企業(yè)所屬煤礦和國(guó)有重點(diǎn)煤礦中的搞瓦斯、開采容易自燃煤層的礦井，2012年6月底前要完成緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作，其余煤礦2013年6月底前要完成緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作。

對(duì)各煤礦企業(yè)來說，緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)比較陌生，亦缺乏相關(guān)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可以說國(guó)家的要求是時(shí)間緊，任務(wù)重。為積極相應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，同時(shí)解決各煤炭企業(yè)的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)問題，切實(shí)改善煤礦安全生產(chǎn)狀況，避險(xiǎn)中心科研人員受全國(guó)各地的煤炭企業(yè)的邀請(qǐng)，開始承擔(dān)起負(fù)責(zé)各礦緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)指導(dǎo)任務(wù)。

同時(shí)，為了進(jìn)一步推進(jìn)全國(guó)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)，避險(xiǎn)中心積極與企業(yè)進(jìn)行合作，將研究成果和技術(shù)共享，培育出一批從事救生艙和避難硐室設(shè)計(jì)、配套設(shè)備加工制造、建設(shè)施工的企業(yè)，為緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)配套裝備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

避險(xiǎn)中心的研究人員提出在礦井建設(shè)過程中需要把緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)考慮進(jìn)去，避免重復(fù)投入，將緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)納入礦井安全管理體系，從災(zāi)害的控制、預(yù)防到災(zāi)變時(shí)期的避險(xiǎn)與救援統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)全面的礦井安全防護(hù)體系，為礦工的生命安全提供可靠的保障。

立足當(dāng)下，布局未來

經(jīng)過一年多的研究與建設(shè)，國(guó)內(nèi)的各大煤炭企業(yè)對(duì)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)已經(jīng)有了一定程度的了解，部分企業(yè)也有了自己的建設(shè)示范礦井，同時(shí)還存在著一批從事緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)工作和配套設(shè)備設(shè)計(jì)制造的企業(yè)，國(guó)內(nèi)緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)工作已經(jīng)能夠穩(wěn)步推進(jìn)，但仍然有很多關(guān)鍵的技術(shù)問題亟待解決。

通過救生艙和避難硐室的研究，避險(xiǎn)中心建立了由“救生艙-避難硐室-過渡站-應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)-避災(zāi)路線-應(yīng)急預(yù)案”組成的全面安全防護(hù)體系。在未來的研究中，避險(xiǎn)中心還要在安全行為心理、防水型緊急避險(xiǎn)設(shè)施、非煤礦山緊急避險(xiǎn)、基于物聯(lián)網(wǎng)的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域開展研究。“礦山安全監(jiān)測(cè)與緊急避險(xiǎn)一體化信息平臺(tái)研發(fā)”項(xiàng)目已經(jīng)受到國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的支持。李芳瑋博士最后說道：“緊急避險(xiǎn)技術(shù)的研究是一個(gè)從無到有，逐漸推進(jìn)，逐步完善的過程，我們從事的是相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究工作，在相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)問題，在今后的研究中我們依然會(huì)不斷地努力，為保障礦工的生命安全、為全面建立礦井安全防護(hù)體系進(jìn)行深入的探索”。