能源科学技术矿用水下救生艇的应用探索.doc

矿用水下救生艇的应用探索 矿用水下救生艇的应用探索 蒋曙光1，2，张卫清1，2，吴征艳1，2，邵 昊1，2，谈建良1，2( 1 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221008;2 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)摘 要: 针对我国煤矿井下水灾害突发后的救援问题，提出利用矿用水下救生艇对受困人员进行及时救助的设想。简述了矿用水下救生艇的操纵原理、艇体结构、舱室布置等内容，为矿井水灾害救援提供了一种新思路。 关键词: 煤矿; 水灾; 矿用水下救生艇 1 概 述 煤炭是我国的主要能源之一。安全高效的开采煤炭是关系国计民生的大事。然而，特殊的地质地理环境，决定了我国煤矿水文地质条件与世界其他国家相比，是极为复杂的，我国煤炭资源的开采受水灾害的威胁严重，尤其是随着开采深度、开采规模、开采速度、开采强度的扩大和增加，以及新煤田的大面积开发，水灾害威胁愈来愈严重，严重破坏煤矿的正常建设和生产，威胁人员的生命安全，造成巨大的经济损失1。 针对矿井水灾害发生后井下部分或全部巷道充水的情况，为有效及时的对井下人员进行救援，提出了利用矿用水下救生艇进行水灾救援的设想。该救生艇参考潜艇及潜水器的原理，设计为全封闭式，可在水上或水下前进，对于及时探清井下水灾害情况，运送营养物质，救援受困人员有很大的意义。 2 救生艇的操纵原理22 1 救生艇的潜浮原理救生艇在水中保持平衡的条件是重力等于浮力且 2 者作用在同一铅垂线上。通常要求救生艇处于正直的漂浮状态而不希望有较大的纵倾与横倾，这就要求在设计时合理调整救生艇的重心位置及安排水舱位置。救生艇除满足平衡条件外还要具有足够的稳性，即当救生艇因某种原因偏离平衡位置后，能自动回复到原来平衡位置的能力，以保证救生艇不翻。 根据潜艇的潜浮原理，当救生艇漂浮于水面时，重力等于艇体水线以下排开水的重量。当救生艇下潜时，就必须破坏其水面状态的平衡条件，增加一个向下的作用力。当救生艇完全潜入水中时，增加的浮力应等于水面平衡状态时水线以上水密容积所排开水的重量，这一增加的浮力称为储备浮力 。 抵消 储备浮力的方法就是向主压载水舱注水。 当救生艇的水面正直状态受到某种扰动横倾后，浮心移动，浮力和重力产生的力矩会使救生艇恢复到原来的平衡位置。救生艇在水面状态保持稳性的条件是: 稳心必须高于重心。救生艇在水下时，艇体全部浸入水中，浮力与浮心不随救生艇横纵倾而改变，其浮心即为稳心，因此水下状态保持稳性的条件是浮心高于重心。 2 2 救生艇的结构要求 救生艇结构的关键技术包括耐压壳体、舱室布置、操纵系统、动力装置、探测设备、通信设备、救生设备等2 4。为了使矿用水下救生艇能适应中国煤矿矿井条件、工艺和管理水平，还必须考虑到救生艇尺寸大小、救援方式以及维护保养方式等问题。 2 2 1 耐压壳体 救生艇耐压壳的作用在于确保乘员、仪器和系统在水下工作时的安全。煤矿井下发生水灾后，一般会淹没部分或全部巷道，水压不大，故艇体结构采用单壳耐压艇体。救生艇耐压艇体组成一个水密空间，可以为救生艇提供 80% 85% 的固定浮容积，为救生艇在水下始终能维持重力等于浮力的平衡条件提供了基础。耐压壳一般采用钢材制造，但也使用其他金属材料( 铝合金和钛合金) ，或非金属材料，如玻璃、丙烯酸树脂、玻璃增强塑料( GPR) 和纤维增强塑料( FPR) 。救生舱的直径普遍在 2 m 左右，长度则依据舱内设施及救援人数来确定。艇体采用流线型、水滴形或水滴形的变形，以减少水下运动时的阻力。 救生艇艇体结构的要求有: 结构应具有足够的强度和刚度; 合理选择的结构形式和构造方法，与其担负的使命相适应; 必须具有良好的紧密性，要求耐压壳板的接缝严格而坚实; 结构应力求重量轻、尺寸小、经济节约; 符合国家标准的有关规定。 2 2 2 舱室布置 救生艇上舱室的功用是保证救生艇的下潜、上浮以及水下不同深度的航行状态，主要包括: 指挥舱、压载水舱和救援舱。 ( 1) 指挥舱布置在艇艏，集中操纵救生艇下潜、上浮和水下机动等。救生艇需要在井下黑暗曲折的巷道中进行下潜、上浮、前进、定位，难度可想而知，解决这一问题的办法就是利用红外照相、遥感等技术将井下情况实时成像，将画面传到人的眼前，再由人通过操纵杆控制救生艇的动作，同时艇艏应设有观察窗，便于救援人员的观察判断。 ( 2) 压载水舱是用来保持救生艇在水面或水下状态所需的浮力和平衡的水舱，主要分为主压载水舱和辅助压载水舱 2 种。救生艇的潜浮就是通过主压载水舱灌水或排水来实现的。主压载水舱灌注舷外水时，增加重量抵消其储备浮力，即从水面潜入水下。反之，用压缩空气把主压载水舱内的水排出，储备浮力恢复，救生艇上浮。主压载水舱布置在耐压艇体内，水下时水舱壳板承受水压力，其结构是耐压的。辅助压载水舱用于保持救生艇的正常浮力、固有重量、消除水下位置的纵倾等。由于救生艇在使用过程中，因艇上人员增加会引起重力或浮力的变化，通过辅助压载水舱灌水或排水保持救生艇始终处于零浮力状态。另外，救生艇在调整其失去的重力或浮力时与补偿的浮力或重力不一定在同一铅垂线上，势必会造成纵倾，因此在救生艇首尾两端布置有平衡救生艇纵倾的水舱。 ( 3) 救援舱是指救援人员和被救人员的生存舱室。救援车布置在艇体中部。舱室内装配生命支持系统和 2 套氧气供给系统，确保万无一失。当被困人员被救起调整压载水舱，保持艇的平衡。另外，救生艇可以携带逃生呼吸设备，运送给被困人员佩戴，保证生命安全，等待救援。 2 3 救生艇的方向控制 救生艇上安装有水平舵和螺旋桨，用于控制救生艇的方向。救生艇的水平舵可以对救生艇下潜、上浮以及对救生艇的纵倾和深度实施控制。水平舵一般装设在救生艇的艏部和艉部，并且离救生艇的重心尽可能的远。这样水平舵的微小控制力也能产生较大的回转力矩，对救生艇的水下姿态产生很大的影响。水平舵升力的改变是通过攻角的改变来实现的。艏水平舵呈向下攻角则使救生艇向下，向上的攻角则使艇艏拉起。艉水平舵的作用方向与艏水平舵相反。螺旋桨也安装在艇尾。2 组水平舵的控制采用飞机式的操纵杆来控制。从理论上讲，救生艇仅用一对艏水平舵或者一对艉水平舵即可完全胜任对救生艇的操纵。实际使用中，还需要压载水舱协同工作。 2 4 救生艇的动力装置 救生艇的动力装置使用由蓄电池提供电力的直流电动机作推进动力装置。其传动方式是将电动机和推进器串联布置在同一轴线上，前进时由蓄电池供电给电动机，推动救生艇航行。动力机械设备一般装设在救生艇的艉部。带动螺旋桨旋转的设备一也在艉部。艇上各类设备的运行也使用蓄电池。 要求蓄电池为本质安全型产品。由于艇在前行中横摇大于纵摇，为了防止横摇时电解液溢出，蓄电池一般沿纵向布置。 3 救援舱内设施 3 1 水下探测设备救生艇水下活动时的主要探测设备有声呐、潜望镜、雷达等。一般布置在指挥室及其围壳内。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测和定位的电子设备，通过声纳显示器，可以观察到目标的距离和方位。救生艇也可在水下将潜望镜的镜头升出水面，用目力观察水面上的情况。潜望镜上可以安装激光测距、热成像、微光夜视等传感器，具有夜间观察和照相等功能。雷达通过雷达升降天线能在水下一定深度测定目标的方位和距离。人员在水下遇险时也可以放出类似于潜艇上使用的 失事浮标，可以发出求救信号并指出失事位置，从而定位被困的矿井人员，方便营救。 3 2 人员生存设施 为了保证人员的生命安全，救援舱内的生存设施包括 O2和淡水供应，O2、CO2等各类气体的浓度检测，温湿度调节系统，照明，排泄等设施，用于保持艇内适宜的生存环境。 救生艇上的淡水是事先携带好的。O2含量的保持是通过使用 O2再生药板或氧气瓶来实现的。 O 2再生药板是利用 Na2O2和 CO2发生化学反应产生氧气的原理制成的。使用时防止在 O2再生装置内，空气流过时产生化学反应，吸收 CO2，放出氧气。 救生艇舱室内也可以使用 O 2瓶供氧，使用时打开O2瓶开关，O2就可以进入舱室。O2瓶供氧迅速，但人员排出的 CO2仍然存在，须使用专门的吸收装置将 CO2消除或排出艇外。 空调装置主要用于保持艇内的温度、湿度等，使人员有一个舒适的生存环境，同时保证电子设备的正常工作。一般要求舱室内温度不超过 30，湿度不超过 65%。 4 结 语 针对我国煤矿井下水灾害突发后的救援问题，提出了利用矿用水下救生艇对受困人员进行及时救助的新设想。矿用水下救生艇的设计主要包括操纵原理、艇体结构、舱室布置、动力装置、舱内设施等方面的内容，为矿井水灾害救援提供了一种新方法。 由于矿井实际条件的限制，对于救生艇的诸多细节问题还有待于进一步的深入研究。 参考文献:1 郭冬岩，张嘉勇 矿井水灾事故原因分析及防治措施J 河北理工大学学报( 自然科学版) ，2008，30( 4) :1 2，26.2 贺小型 潜艇结构M 北京: 国防工业出版社，1991.3 张希贤，唐荣庆 潜艇装置及系统M 上海: 上海交通大学出版社，1996.4 刘 涛 大深度潜水器结构分析与设计研究M 无锡: 中国船舶科学研究中心，2001. 作者简介: 蒋曙光( 1963 ) ，四川遂宁人，教授，博士，博士研究生导师，从事瓦斯防治、安全监控技术及自动化仪表，矿井通风防灭火等方向的科研与教学。 ( 收稿日期:2010 09 08; 责任编辑: 王福厚