★煤炭科技機(jī)電與信息化★礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計李凱張曉升李玉責(zé)曾慶華威士玉（長治清華機(jī)械廠技術(shù)中心，山西省長治市，046012）用氣站集中供氣方式通過無縫鋼管管路輸送至避難砸室各職能模塊。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，以60人避難砸室為例，對其壓縮空氣供給系統(tǒng)所需氣瓶數(shù)量和供氣管路進(jìn)行設(shè)計計算，進(jìn)行了供氣管路耐壓試驗(yàn)和分系統(tǒng)功能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，供氣管路在1.8MPa壓力下、持續(xù)30mm耐壓試驗(yàn)無泄漏；調(diào)節(jié)壓縮空氣輸出壓力為12MPa，該壓縮空氣供給系統(tǒng)芫全滿足避難砸室各職能模塊壓縮空氣使用需求。

　　中圄分類號TD774A礦用避難砸室主要用于礦工受困于井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸、冒頂塌方、火災(zāi)阻隔、沖擊地壓等災(zāi)害事故時的緊急避險。其對外能夠柢抗爆炸沖擊，柢御高溫?zé)煔?，隔絕有毒有害氣體；對內(nèi)能夠提供氧氣、食品、飲用水，去除有毒有害氣體、降溫除濕，為避險人員提供基本生存條件，并為災(zāi)變后的救援創(chuàng)造條件、贏得時間。

　　壓縮空氣供給系統(tǒng)是避難砸室的重要組成部分，可在礦井壓風(fēng)損壞時為氣幕噴淋系統(tǒng)提供氣源，同時為無源蓄冰空調(diào)系統(tǒng)提供動力氣源，保障避難砸室各職能模塊的正常工作。本文針對國內(nèi)現(xiàn)已成熟的部分避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)進(jìn)行研究礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析可知，目前礦用避難砸室中各職能模塊所需壓縮空氣瓶基本為分散布置，且均為低壓匯流供氣方式，其原理如圄1所示，壓縮空氣經(jīng)空氣減壓器減壓后匯流，通過不銹鋼供氣管路輸送至避難砸室各職能模塊。但目前應(yīng)用的避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)由于低壓匯流方式所用減壓器數(shù)量較多，成本較高，降低了產(chǎn)品市場競爭力；壓縮空氣瓶分散布置降低了砸室空間利用率，且避險人員進(jìn)入砸室后操作較為繁瑣；若有壓縮空氣瓶發(fā)生意外泄漏，則該空氣瓶組所有氣瓶都無法繼續(xù)使用，導(dǎo)致砸室內(nèi)資源的浪費(fèi)。因此本文針對目前避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)的弊端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

　　1避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)原理設(shè)計所設(shè)計的新型避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)如圄2所示，該壓縮空氣供給系統(tǒng)采用空氣高壓匯流方式替代現(xiàn)有的低壓匯流供氣方式，將避難砸室中所有壓縮空氣瓶集中布置，壓縮空氣高壓匯流至氣站末端，經(jīng)減壓器減壓后由壓縮空氣站兩端分別輸送至氣幕噴淋系統(tǒng)和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)際使用過程中將減壓器出口壓力調(diào)節(jié)至1. 2MPa，由于氣幕噴淋系統(tǒng)工作壓力約為0.4MPa，因此需要加一個二級減壓器，而蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可直接使用氣站輸出氣體作為動力氣源。

　　2避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)設(shè)計計算2.1壓縮空氣供給系統(tǒng)氣瓶數(shù)量計算體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣，鋼瓶實(shí)際充裝壓力為12MPa，根據(jù)氣體能量守恒定律，則單個壓縮空氣瓶的釋放空氣量：P2――大氣壓力，MPa；V2壓縮空氣釋放量，L.綜上所述，本文設(shè)計共選取35瓶壓縮空氣為15MPa、80L鋼瓶，可滿足避難砸室壓縮空氣供給需求。

　　2.2壓縮空氣供給系統(tǒng)主管路設(shè)計計算設(shè)計的壓縮空氣供給系統(tǒng)采用無縫鋼管代替常規(guī)不銹鋼管作為供氣管路，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識，氣體管路中的管道直徑與其通過的流量、工作壓力、管道長度和壓力損失等因素有關(guān)，可根據(jù)以下公式計算管道內(nèi)徑：P1――工作壓力，Pa；△p壓力損失，一般不超過OlPa；L管道的名義長度，m；由前述可知，壓縮空氣供給系統(tǒng)工作壓力尸：01MPa，該60人避難砸室壓縮空氣站與氣幕噴淋系統(tǒng)之間管路長度L=8 m，氣幕噴淋系統(tǒng)總耗氣量Vi=2575L/min，即0.043m3/s.計算可得供氣主管路內(nèi)徑忒20mm.該60人避難砸室壓縮空氣站與蓄冰空調(diào)系統(tǒng)之間管路長度L2 =12m，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)的實(shí)測耗氣量V2 0004m3/s.計算可得供氣主管路內(nèi)徑‘4mm.上述計算結(jié)果中，兩種供氣管路直徑差別較大，由于蓄冰空調(diào)系統(tǒng)耗氣量為額定值，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識，若氣源選擇較大管路內(nèi)徑，并不會加蓄冰空調(diào)系統(tǒng)壓縮空氣耗氣量，且減小了壓縮空氣流動阻力，易于保障蓄冰空調(diào)系統(tǒng)工作壓力。

　　因此壓縮空氣管路設(shè)計選用k25 mmX2.5mm（外徑X壁厚）無縫鋼管，內(nèi)徑為20mm，其截面積遠(yuǎn)大于2個內(nèi)徑為4mm管路的截面積，芫全滿足2套蓄冰空調(diào)系統(tǒng)供氣需求。

　　由材料力學(xué)相關(guān)知識，管道承受均勻內(nèi)壓，其內(nèi)壁正應(yīng)力計算為：-管道內(nèi)應(yīng)力，MPa一管道承壓，MPa；管道外徑，mm；管道內(nèi)徑，mm. 5mm無縫鋼管承受12MPa壓力時，依據(jù)式（5）得ff=4.查詢相關(guān)資料可知，壁厚小于16mm的無縫鋼管屈服極限crs縫鋼管可滿足避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)壓力要求。

　　3壓縮空氣供給系統(tǒng)功能試驗(yàn)依據(jù)上述技術(shù)設(shè)計進(jìn)行避難砸室安裝，安裝芫畢后進(jìn)行系統(tǒng)功能試驗(yàn)。

　　3.1供氣管路氣密試驗(yàn)將供氣管路各接口處用記號筆分別編號礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計（116），打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應(yīng)的匯流排角座閥，關(guān)閉氣幕噴淋裝置控制球閥和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)控制閥，將兩個減壓器輸出壓力均調(diào)節(jié)至18MPa，保壓30min.在各管路接口涂抹肥皂液進(jìn)行滲漏檢查，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，檢查13管路接口出現(xiàn)輕微泄漏，究其原因是由于安裝過程中接頭螺紋損壞，導(dǎo)致密封失效，而其余各管路連接處均無泄漏，產(chǎn)品合格率達(dá)93.8%，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)氣密性良好。

　　3.2氣幕裝置功能試驗(yàn)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開氣幕球閥，將管路內(nèi)殘留氣體釋放；打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力開啟防護(hù)密閉□，空氣幕隨之產(chǎn)生，氣流可覆蓋整個防護(hù)密閉□，關(guān)閉防護(hù)密閉□，空氣幕隨之消失，試驗(yàn)記錄見表1.表1氣幕裝置測試記錄氣幕裝置編號聯(lián)動試驗(yàn)記錄氣幕覆蓋檢驗(yàn)記錄/mm聯(lián)動正常由表1可知，試驗(yàn)過程中氣幕與防護(hù)密閉□聯(lián)動正常，且氣幕管噴射出的氣流可覆蓋整個門框范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足氣幕裝置使用需求。

　　3.3噴淋裝置功能試驗(yàn)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開噴淋球閥，將管路內(nèi)殘留氣體釋放，而后關(guān)閉噴淋球閥。

　　打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為0.4MPa，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值；關(guān)閉防護(hù)密閉□，打開噴淋球閥，計時2min，而后關(guān)閉噴淋球閥，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值。噴淋裝置流量測試記錄見表2.表2嘖淋裝置流量測試記錄嘖淋裝置編號氣瓶試驗(yàn)前壓氣瓶試驗(yàn)后壓試驗(yàn)時間噴淋裝置耗氣量及流量分別按式（6）和式（7）式計算：q二Pm2氣瓶試驗(yàn)后壓力，MPa；氣瓶容積，L；將表2中數(shù)值分別代入式（6）和式（7），試驗(yàn)中采用符合GB5099的15MPa/80L鋼瓶貯存壓縮空氣，可得噴淋裝置耗氣量0=20801，Q2=232L；噴淋裝置流量q=14L/min，q=1160L/min.由上述計算結(jié)果可知，噴淋裝置流量，>500L/mm，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足噴淋裝置使用需求。

　　3.4蓄冰空調(diào)系統(tǒng)功能試驗(yàn)首先將蓄冰柜連接空調(diào)系統(tǒng)，將蓄冰柜內(nèi)注水至觀察窗中間位置，連接線路進(jìn)行蓄冰。

　　待蓄冰芫成后，停止空調(diào)系統(tǒng)，將空氣凈化循環(huán)處理機(jī)與蓄冰柜連接，開啟一個壓縮空氣瓶瓶閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為1.2MPa，緩慢開啟空氣凈化循環(huán)處理機(jī)控制閥，并將切換閥調(diào)至“持續(xù)處理”檔位，在空氣凈化循環(huán)處理機(jī)下出風(fēng)口使用風(fēng)速風(fēng)溫儀進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)溫測試，選取5個測試點(diǎn)，然后取其平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3.表3出風(fēng)口風(fēng)速風(fēng)溫測試記錄時間持續(xù)處理模式快速處理模式風(fēng)速風(fēng)溫風(fēng)速風(fēng)溫將空氣凈化循環(huán)處理機(jī)切換閥調(diào)至“快速處理”檔位，采用同樣方法測試出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3.由表3可知，空氣凈化循環(huán)處理機(jī)持續(xù)處理時平均風(fēng)速>3. 5m/s，快速處理時平均風(fēng)速> 11m/s，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足蓄冰空調(diào)系統(tǒng)使用需求。

　　4結(jié)論由避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)功能試驗(yàn)可知，對供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續(xù)30mm耐壓試驗(yàn)，管路無泄漏；氣幕噴淋系統(tǒng)可對進(jìn)入砸室的避險人員進(jìn)行有毒有害氣體吹掃；蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可對砸室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)凈化處理，因此基本可以確定避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)設(shè)計方案切實(shí)可行。該避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)中氣瓶集中布置有效提高了避難砸室空間利用率；若有氣瓶發(fā)生泄漏，則其余氣瓶仍可繼續(xù)使用，提高了避難砸室設(shè)備利用率；縮減了避險人員進(jìn)入砸室后操作流程；60人避難砸室產(chǎn)品成本預(yù)算降低了約9%，見圄3所示。