郭韋雙,張祖敬，王克全，劉 林，蘭 江

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

截至2020年底，我國(guó)約有煤礦4 700座[1]、非煤礦山3萬(wàn)余座[2]，爆炸、火災(zāi)、垮塌等潛在危害使井下采礦成為最危險(xiǎn)的生產(chǎn)活動(dòng)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在瓦斯爆炸與火災(zāi)事故中，80%以上遇難者死于因CO超限引起的中毒或窒息[3]。為減少礦井事故人員傷亡，《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國(guó)發(fā)[2010]23號(hào))要求所有井下開(kāi)采礦山須建設(shè)由避難硐室、救生艙等組成的礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)。避難硐室是構(gòu)筑在井下圍巖中與巷道環(huán)境相對(duì)隔絕的避難空間，能為避難人員提供96 h以上安全生存環(huán)境[3]。為保障避難人員生存安全，避難硐室應(yīng)能夠?qū)ν獾钟邷責(zé)煔?、隔絕有毒有害氣體，對(duì)內(nèi)凈化空氣、提供氧氣。

同時(shí)，由礦難引發(fā)的斷電和井下礦用電氣設(shè)備的防爆要求也對(duì)避難硐室環(huán)境控制(簡(jiǎn)稱為“環(huán)控”)技術(shù)提出了更高的要求。筆者探討了避難硐室環(huán)控參數(shù)的允許范圍，分析了近年來(lái)在避難硐室環(huán)控技術(shù)研究方面取得的成果與存在的不足，并探討其今后發(fā)展趨勢(shì)。

1 避難硐室環(huán)境參數(shù)范圍

1.1 國(guó)內(nèi)外硐室環(huán)境控制要求

礦難產(chǎn)生的高溫、有毒有害氣體環(huán)境會(huì)對(duì)人員安全構(gòu)成威脅，而人體代謝產(chǎn)生的氣體與熱量同時(shí)也加劇了避難硐室內(nèi)溫度升高與空氣惡化[4]。為保證硐室內(nèi)人員生命安全，美國(guó)《礦工法》(2006)[5]、印度尼西亞《關(guān)于避難硐室設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(1995)[6]，以及我國(guó)2010年頒布的《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱《暫行規(guī)定》)均對(duì)礦井避難硐室環(huán)境參數(shù)作了規(guī)定。但各國(guó)相關(guān)文件中對(duì)避難硐室環(huán)境參數(shù)允許值的規(guī)定(見(jiàn)表1)有一定差異。

表1 各國(guó)避難硐室環(huán)境控制參數(shù)

由表1可見(jiàn)，不同國(guó)家相關(guān)文件中避難硐室空氣各組分體積分?jǐn)?shù)的允許值基本一致，但在溫濕度控制方面，我國(guó)規(guī)定的避難硐室環(huán)境溫度的上限允許值較高，避難人員舒適性較差，而美國(guó)對(duì)硐室環(huán)境溫度要求最高，其限值較低，但是控溫經(jīng)濟(jì)成本較大。以下對(duì)避難硐室環(huán)境參數(shù)限值范圍進(jìn)行詳細(xì)探討。

1.2 硐室環(huán)境參數(shù)限值范圍探討

干球溫度高于32 ℃且相對(duì)濕度高于60%的環(huán)境被認(rèn)為是炎熱潮濕環(huán)境[7]。研究表明，受試者在環(huán)境溫度高于30 ℃、相對(duì)濕度高于70%的環(huán)境中暴露3 h會(huì)感到不適，且隨著相對(duì)濕度從70%增加至90%，熱感會(huì)越來(lái)越明顯[8]。HIRATA等[9]發(fā)現(xiàn)20～30歲的年輕人暴露于相對(duì)濕度為60%、溫度為32.5 ℃的熱環(huán)境中3 h，體溫會(huì)升高0.18 ℃；YANG等[10]測(cè)試了濕熱環(huán)境對(duì)井下工人的影響，結(jié)果表明90%的受試者不能接受溫度、濕度分別高于34 ℃、65%的工作環(huán)境；張祖敬等[11]研究得出在避災(zāi)過(guò)程中，避難硐室內(nèi)環(huán)境溫度在32 ℃以上、濕度為70%～80%時(shí)，避災(zāi)人員熱耐受的安全時(shí)間不超過(guò)12 h；代圣軍等[12]認(rèn)為溫度35 ℃、相對(duì)濕度85%的環(huán)境下，避險(xiǎn)設(shè)施難以達(dá)到要求的安全防護(hù)時(shí)間。同時(shí)，從目前研究來(lái)看，避難硐室的相對(duì)濕度控制在60%以下較為容易實(shí)現(xiàn)。綜合考慮人員安全和環(huán)控成本，建議硐室的溫度與相對(duì)濕度上限分別設(shè)置為32 ℃和60%。

ZHANG等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，人體代謝的CO對(duì)環(huán)境的危害可以忽略不計(jì)。但考慮到巷道中高濃度CO氣體可能會(huì)伴隨著人員進(jìn)入而侵入避難硐室，要求在20 min內(nèi)將CO體積分?jǐn)?shù)從400×10-6降低到24×10-6[5]。研究表明，人類暴露于CO體積分?jǐn)?shù)400×10-6的環(huán)境中1 h可能會(huì)導(dǎo)致頭痛[13]。若需滿足20 min內(nèi)CO濃度快速控制的要求，避難硐室人均風(fēng)量應(yīng)達(dá)到450 L/min，而人均風(fēng)量為300 L/min時(shí)稀釋CO需耗時(shí)30 min[14]。因此，建議將CO快速稀釋時(shí)間延長(zhǎng)至30 min，或在20 min內(nèi)將CO體積分?jǐn)?shù)控制上限允許值提高至0.005%。

CO2通常被用作評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的表征性氣體[15]。研究表明,人體暴露于體積分?jǐn)?shù)0.5%的CO2環(huán)境中2.5 h不會(huì)引起急性健康癥狀，但4.5～8.0 h暴露于0.3%～0.4%的CO2環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知能力下降[16-17]。暴露于CO2體積分?jǐn)?shù)1%以上的環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致呼吸急促、呼吸性酸中毒等癥狀[18]。LI等[19]研究了溫度、相對(duì)濕度和CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)人體生理的綜合影響，結(jié)果表明較高溫度、濕度時(shí)隨著CO2體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到1.2%會(huì)導(dǎo)致受試者疲勞頭疼。在人均風(fēng)量300 L/min的條件下，硐室中的CO2體積分?jǐn)?shù)可以保持在0.3%的低水平[14]。使用裝置凈化時(shí)，2～3臺(tái)空氣凈化裝置可將CO2體積分?jǐn)?shù)降低到0.5%以下[8]。避難期間保持清醒更有利于礦工判斷和逃生，因此，建議避難硐室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)上限允許值設(shè)置在0.5%。

2 避難硐室空氣品質(zhì)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

《暫行規(guī)定》要求避難硐室人均風(fēng)量不低于300 L/min，而《煤礦安全規(guī)程》(2022年)要求礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)人均風(fēng)量不低于100 L/min，且避難硐室必須接入礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)。根據(jù)《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加快推進(jìn)煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)的通知》(安監(jiān)總局煤裝[2013]10號(hào))，在滿足人員避險(xiǎn)需求的前提下，可以簡(jiǎn)化或不再配置高壓氧氣瓶、有毒有害氣體去除和溫濕度調(diào)節(jié)裝置，而采用專用鉆孔或?qū)Ｓ霉苈窞楸茈y硐室供氧(風(fēng))、控制硐室空氣品質(zhì)。

2.1 巷道有害氣體隔絕技術(shù)

2.1.1 防護(hù)門(mén)隔絕技術(shù)

密閉防護(hù)門(mén)應(yīng)具有足夠的氣密性，使在避難期間室內(nèi)氣壓始終保持高于外界100～150 Pa，以阻止巷道中有害氣體侵入。程建軍[20]認(rèn)為避難硐室氣密性與正確的選址、建筑工程施工及密閉設(shè)施的正確維修保養(yǎng)有密切關(guān)系。高娜等[21]對(duì)使用阻燃密封膠條的避難硐室密閉門(mén)進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：門(mén)體氣密性在Δp=100 Pa時(shí)，漏氣量<0.09 m3/h。朱先國(guó)等[22]對(duì)采用矩形硅橡膠墊圈的防護(hù)門(mén)密封性能進(jìn)行測(cè)試，表明密封腔內(nèi)壓力可實(shí)現(xiàn)在1 h內(nèi)從500 Pa降至390 Pa，滿足氣密性要求。可見(jiàn)，目前針對(duì)防護(hù)門(mén)的研究較成熟，能滿足氣密性要求。

2.1.2 空氣幕隔絕技術(shù)

空氣幕隔絕技術(shù)是在密閉防護(hù)門(mén)的門(mén)框周邊安裝空氣幕裝置，通過(guò)壓風(fēng)噴出高壓氣流形成一道空氣屏障，緩解有害氣體侵入室內(nèi)。目前，礦山緊急避險(xiǎn)設(shè)施的空氣幕結(jié)構(gòu)主要有管道彌散孔空氣幕和氣刀空氣幕兩種，如圖1所示。

(a)氣幕管 (b)氣刀

金龍哲等[23]通過(guò)試驗(yàn)研究得出，在CO2體積分?jǐn)?shù)為1%的外部環(huán)境中，1 min內(nèi)空氣幕阻隔效率達(dá)80%以上。ZHANG等[24]在實(shí)驗(yàn)室研究了空氣幕末端形狀與結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)空氣幕阻隔CO2氣體特性的影響，表明采用孔直徑1 mm、孔間距15 mm的管道氣幕系統(tǒng)，阻隔效率為55%～60%。肖專等[25]研究了管道空氣幕對(duì)CO氣體的阻隔特性，結(jié)果表明當(dāng)空氣幕風(fēng)速在10 m/s以上時(shí)，2 min內(nèi)阻隔效率可達(dá)到65%以上。SHU等[26]研究了氣刀空氣幕的阻隔特性，當(dāng)壓縮空氣以0.10 MPa供應(yīng)時(shí)，最高效率達(dá)到41.60%。金龍哲等[27]通過(guò)數(shù)值模擬了氣刀空氣幕的阻隔特性，結(jié)果表明氣刀有效覆蓋率大于85%時(shí)對(duì)CO2氣體的阻隔效果明顯?？梢?jiàn)，空氣幕系統(tǒng)能有效地減緩巷道有害氣體侵入硐室。然而，要在人員分組進(jìn)入避難硐室期間實(shí)現(xiàn)阻擋體積分?jǐn)?shù)高達(dá)10 000×10-6的巷道中CO氣體，并且在人員進(jìn)入室內(nèi)后CO氣體體積分?jǐn)?shù)能夠迅速降至400×10-6，至少需使用4～6道空氣幕。

2.1.3 過(guò)渡室空氣噴淋技術(shù)

避難硐室內(nèi)CO濃度控制措施包括在過(guò)渡室內(nèi)空氣噴淋阻隔與在生存室內(nèi)通風(fēng)稀釋或化學(xué)吸附。王林沖[28]研究了避難硐室氣幕噴淋裝置的風(fēng)量、管路形式、結(jié)構(gòu)及孔徑等對(duì)有害氣體稀釋效率的影響。裴為華等[29]研制出了自動(dòng)噴淋系統(tǒng)和防爆門(mén)空氣幕聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效地降低了硐室內(nèi)有毒氣體的含量。吳兆宏[30]通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同配置噴淋系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡室內(nèi)有害氣體凈化效果的影響，結(jié)果表明設(shè)置3個(gè)噴淋裝置的噴淋系統(tǒng)，對(duì)過(guò)渡室內(nèi)有毒有害氣體的去除效果最好。BAUER等[31]研究表明，在過(guò)渡室內(nèi)通過(guò)空氣噴淋稀釋CO濃度時(shí)，在每組人員進(jìn)入過(guò)程中換氣量應(yīng)達(dá)到4～5次才滿足CO濃度快速控制需要。目前，對(duì)空氣噴淋稀釋CO濃度特性及影響因素等方面的研究存在不足。

2.2 基于礦井壓風(fēng)的空氣品質(zhì)保障技術(shù)

礦井壓風(fēng)是利用地面空氣壓縮機(jī)將新鮮空氣通過(guò)地面鉆孔或受保護(hù)的井下通風(fēng)管道送入生存室內(nèi)，其被視為保障避難硐室生存環(huán)境安全最直接、最經(jīng)濟(jì)的措施[32]。地面鉆孔供風(fēng)應(yīng)用情況如圖2所示。

(a)壓風(fēng)風(fēng)機(jī) (b)壓風(fēng)管道 (c)壓風(fēng)進(jìn)風(fēng)口

在供氧方面，當(dāng)壓風(fēng)的人均風(fēng)量達(dá)17 L/min以上時(shí)，生存室O2體積分?jǐn)?shù)要求控制在18.5%以上[33]。在空氣品質(zhì)控制方面，不同人均風(fēng)量對(duì)CO2和CO體積分?jǐn)?shù)的控制效果見(jiàn)表2。蘆偉等[37]研究表明：在生存室內(nèi)僅使用壓風(fēng)不能滿足CO體積分?jǐn)?shù)在20 min快速得到控制需求。可見(jiàn)，礦井壓風(fēng)難以滿足對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)快速控制的要求。

表2 CO2和CO體積分?jǐn)?shù)控制效果

2.3 空氣品質(zhì)保障備用技術(shù)

為防止壓風(fēng)管路在事故中毀壞造成供風(fēng)失效，在避難硐室內(nèi)配備供氧與空氣凈化裝置尤為必要。

2.3.1 自備氧供氧

自備氧供氧方式主要有氧氣瓶直接供氧和利用固體過(guò)氧化物如氧燭、板狀超氧化鉀等過(guò)氧化物進(jìn)行化學(xué)制氧[38]。圖3展示了3種應(yīng)用于避難硐室的自備氧設(shè)施。

(a)氧氣瓶 (b)氧蝕 (c)板狀超氧化鉀

金龍哲等[39]研究表明：當(dāng)避難硐室內(nèi)采用壓縮氧氣瓶供氧時(shí)，額定防護(hù)時(shí)間96 h內(nèi)平均每人需要消耗40 L、15 MPa的氧氣0.6瓶。GAO等[40]將超氧化鉀KO2擠壓形成板狀后應(yīng)用于避難硐室內(nèi)供氧，結(jié)果表明：15 g的KO2固體板的產(chǎn)氧效率為80.3%。熊云威[41]對(duì)比分析了封閉環(huán)境中常見(jiàn)的幾種自備氧技術(shù)在硐室內(nèi)應(yīng)用前景后，認(rèn)為超氧化物制氧技術(shù)比其他制氧技術(shù)更安全、可靠，可優(yōu)先考慮。考慮到操作的便捷與經(jīng)濟(jì)性，氧氣瓶在避難硐室中使用較為普遍。

2.3.2 有害氣體化學(xué)吸附及去除

1)化學(xué)吸附劑技術(shù)

在CO凈化劑研究方面：佘陽(yáng)梓等[42]研究了霍加拉特催化吸附CO的性能，表明該催化劑在密閉艙內(nèi)不能高效催化去除CO。LI等[43]分析了PD-1、AU-1、HC-1等3種催化劑對(duì)CO的吸附性能，認(rèn)為PD-1、AU-1適用于避難硐室內(nèi)CO快速吸收。張娜等[44]在約19 m3的密閉艙內(nèi)分析了A(鈀金系列)、B(氧化銅及二氧化錳為主原料)2種催化劑對(duì)CO的吸附特性，結(jié)果表明藥劑A適用于濕度80%以下環(huán)境，藥劑B須配合除濕劑使用。

CO2凈化劑研究方面：YAN等[45]研制了一種具有較高吸附率的CO2吸收劑，該吸附劑在提升CO2吸附效率的同時(shí)降低了凈化成本。GAO[40]研究了KO2在硐室除CO2中的應(yīng)用，結(jié)果表明，15 g的SiO2固體板對(duì)CO2吸收速率為11.0×10-3L/min。JIA[46]比較了Ca(OH)2、LiOH和NaOH對(duì)CO2氣體的吸附性能，確定了3種材料CO2氣體的吸附速率大小依次為NaOH、LiOH、Ca(OH)2。

2)被動(dòng)化學(xué)吸附技術(shù)

被動(dòng)化學(xué)吸附技術(shù)是將化學(xué)吸附劑制作為“藥簾”或“藥包”直接懸掛于避難環(huán)境中，被動(dòng)吸附空氣中的CO2，如圖4所示的LiOH藥簾、Ca(CH)2藥包，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要?jiǎng)恿涂梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度的控制。ZHANG等[8]通過(guò)50人避難硐室試驗(yàn)研究，將Ca(OH)2顆粒每2 kg裝入1個(gè)小沙布袋中，吸附控制CO2濃度，結(jié)果表明：當(dāng)掛40、80個(gè)吸附袋時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)呈上升狀態(tài)，掛130個(gè)吸附袋時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始下降到1.52%后穩(wěn)定。若僅靠吸附劑去除CO2要達(dá)到控制要求吸附劑的用量將會(huì)很大。因此，目前該項(xiàng)技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。

(a)LiOH藥簾 (b)Ca(OH)2藥包

2.3.3 基于動(dòng)力的凈化裝置開(kāi)發(fā)應(yīng)用

許健[47]設(shè)計(jì)了一套適用于避難硐室的CO濾除裝置，并測(cè)試了該裝置可滿足容納10人的密閉艙內(nèi)的CO濃度快速控制要求。王鐘偉等[48]開(kāi)發(fā)了一套塔式空氣凈化裝置，兼具CO與CO2凈化及除濕功能。如圖5所示，葛亮[49]等對(duì)由中煤科工集團(tuán)重慶研究院研發(fā)的針對(duì)20人避難硐室的多功能組合式緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)用氣體凈化裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，表明該裝置可實(shí)現(xiàn)20 min內(nèi)對(duì)20 m3的有效生存空間進(jìn)行不低于5次氣體循環(huán)凈化。

圖5 多功能氣體凈化裝置

BAUER[50]、ZHANG[51]、伯志革[52]等分別開(kāi)發(fā)了以防爆電動(dòng)風(fēng)機(jī)、氣動(dòng)風(fēng)機(jī)與人力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)為動(dòng)力的兼具CO與CO2凈化功能的凈化裝置。YANG等[53]開(kāi)發(fā)了集CO與CO2凈化及除濕降溫功能的液態(tài)CO2空調(diào)設(shè)備。何廷梅[54]對(duì)50人避難硐室使用的51型空氣凈化裝置進(jìn)行研究，得出2臺(tái)該凈化裝置可將室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)控制在0.50%以下，滿足避難硐室空氣凈化要求。目前，這些凈化裝置已在不同的避難硐室中得到推廣應(yīng)用。

3 避難硐室溫濕度控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 礦井壓風(fēng)降溫除濕技術(shù)

張世濤[55]對(duì)避難硐室進(jìn)行了壓風(fēng)除濕研究，結(jié)果表明：通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M50人的散濕率，得出壓風(fēng)量為300 m3/h時(shí)可將避難硐室內(nèi)濕度控制在70%以下。ZHANG等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在初始巖溫不高于27 ℃的避難硐室內(nèi)，額定人均風(fēng)量(300 L/min)能夠較好地滿足室內(nèi)環(huán)境控制要求，但當(dāng)初始巖溫高于27 ℃時(shí)，礦井壓風(fēng)技術(shù)難以滿足避難硐室控溫需求。GAO等[57]研究表明，對(duì)位于砂巖中、埋深400 m且采用地面鉆孔供壓風(fēng)的避難硐室，初始圍巖溫度為28.5 ℃時(shí)、人均風(fēng)量300 L/min條件下96 h后室溫控制在約30 ℃，但相對(duì)濕度已接近飽和。為充分發(fā)揮礦井壓風(fēng)除濕裝置在避難硐室中的降溫除濕功能，張政等[58]提出可利用渦流管將壓風(fēng)轉(zhuǎn)換成冷、熱兩股空氣，然后利用冷空氣對(duì)硐室降溫。可見(jiàn)，礦井壓風(fēng)難以滿足初始巖溫24 ℃以上的避難硐室在96 h內(nèi)將室溫控制到32 ℃以下的需要。

3.2 其他降溫除濕技術(shù)

為滿足高溫礦井避難硐室降溫除濕需求，目前國(guó)內(nèi)外除了壓風(fēng)降溫外還研究開(kāi)發(fā)了蓄冰降溫、液態(tài)CO2降溫、液態(tài)空氣降溫、相變儲(chǔ)存降溫等技術(shù)，如圖6所示。

(a)蓄冰降溫 (b)液態(tài)CO2降溫

3.2.1 蓄冰降溫技術(shù)

蓄冰降溫指利用蓄冰裝置保存冰塊，當(dāng)?shù)V難發(fā)生時(shí)，通過(guò)風(fēng)機(jī)使室內(nèi)空氣與冰塊進(jìn)行對(duì)流換熱，以降低溫度。WANG等[59]開(kāi)發(fā)了蓄冰體積約5.5 m3的蓄冰空調(diào)，該裝置通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)引導(dǎo)避難硐室內(nèi)熱空氣流經(jīng)換熱風(fēng)道冷卻后為生存環(huán)境降溫。YOU等[60]研究了蓄冰板在避難硐室中的應(yīng)用，結(jié)果表明蓄冰板最佳尺寸為0.60 m×0.32 m×0.05 m、蓄冷溫度為-10 ℃更有利于室溫調(diào)控。JIA等[61]研究了方形蓄冰盒在避難硐室中的降溫應(yīng)用，結(jié)果表明初始溫度為26 ℃、相對(duì)濕度為45%的硐室經(jīng)過(guò)24 h載人試驗(yàn)后，溫度、相對(duì)濕度分別在29 ℃、20%處波動(dòng)。蓄冰降溫技術(shù)的安全性好、適用范圍廣，但蓄冰裝置在高溫潮濕環(huán)境中易損壞，降低了使用可靠性。

3.2.2 液態(tài)氣體膨脹降溫技術(shù)

液態(tài)CO2降溫是通過(guò)高壓液態(tài)CO2降壓后氣化過(guò)程中的相變潛熱帶走硐室熱量。YANG等[53]開(kāi)發(fā)了一套制冷功率為1 200 W的液態(tài)CO2降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)2次減壓使CO2由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)從而實(shí)現(xiàn)降溫除濕，控制硐室溫度、相對(duì)濕度分別低于33 ℃、70%。楊大明[38]指出液態(tài)CO2制冷可能發(fā)生泄漏，引發(fā)次生災(zāi)害，且當(dāng)溫度高于31.9 ℃時(shí)會(huì)失去制冷作用，限制其使用范圍。

類似于液態(tài)CO2降溫技術(shù)，液態(tài)空氣降溫也是利用空氣的相變潛熱帶走熱量。YAN等[62]開(kāi)發(fā)了一套高壓液態(tài)空氣制冷設(shè)備，該設(shè)備將液態(tài)空氣封裝在一個(gè)2 m3的高壓儲(chǔ)罐內(nèi)，平時(shí)利用冷凍機(jī)組將液態(tài)空氣維持在-195 ℃、系統(tǒng)壓力維持在207 kPa以下，在避難時(shí)將液態(tài)空氣減壓為常壓低溫氣體后通入生存室環(huán)境實(shí)現(xiàn)降溫，并將相對(duì)濕度保持在60%以下。液態(tài)空氣降溫技術(shù)適用范圍廣、可靠性高，但其成本高達(dá)50～70萬(wàn)元/套，難以推廣應(yīng)用。

3.2.3 化學(xué)材料相變降溫技術(shù)

相變降溫是利用相變材料達(dá)到相變溫度后融化從而吸熱并帶走熱量的原理進(jìn)行降溫的。WU等[63]研究了無(wú)機(jī)相變材料在避難硐室內(nèi)的應(yīng)用，將相變板放置在一個(gè)隔熱盒里，并施加170 W的熱負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示在96 h內(nèi)隔熱盒內(nèi)溫度控制在34 ℃以下。GAO等[64-66]分別將相變板和相變座椅放置在硐室內(nèi)，研究了自然對(duì)流狀態(tài)下相變板和相變座椅在巖溫蓄冷到23 ℃時(shí)的避難硐室內(nèi)的控溫性能，發(fā)現(xiàn)相變板能在96 h內(nèi)有效控制室溫，但釋冷速率與室內(nèi)熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)匹配性較差。相變降溫的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)源且免維護(hù)，但對(duì)于初始圍巖溫度高于24 ℃的避難硐室而言，純相變控溫性能與經(jīng)濟(jì)性都較差。

3.2.4 復(fù)合控溫技術(shù)

聯(lián)合2種或多種不同的降溫方式，取長(zhǎng)補(bǔ)短以達(dá)到更好的降溫效果即復(fù)合控溫技術(shù)。YUAN等[67]提出可利用井下廢棄冷源或現(xiàn)成冷風(fēng)預(yù)冷避難硐室圍巖，以減少室內(nèi)熱負(fù)荷，并配合相變降溫裝置控制避難硐室內(nèi)環(huán)境溫度。劉鵬程[68]構(gòu)思了一種結(jié)合礦井壓風(fēng)、渦流管與蓄冰的復(fù)合降溫系統(tǒng)，避難時(shí)通過(guò)礦井壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)風(fēng)機(jī)將冰蓄冷量送入硐室生存室。復(fù)合控溫技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于在保留各種降溫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的前提下克服缺點(diǎn)，具有工作可靠、安全節(jié)能的特點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，目前在環(huán)控參數(shù)設(shè)置與環(huán)控技術(shù)方面仍存在以下不足：

1)避難硐室環(huán)境控制參數(shù)允許范圍在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面存在爭(zhēng)議。目前的避難硐室環(huán)控技術(shù)對(duì)硐室內(nèi)環(huán)境參數(shù)可實(shí)現(xiàn)有效控制，并提高了安全性與經(jīng)濟(jì)性，以往規(guī)定的硐室環(huán)境參數(shù)允許范圍的設(shè)定失去了一定的時(shí)效性。

2)針對(duì)避難硐室空氣幕阻隔與通風(fēng)控制CO技術(shù)的研究單一且相對(duì)獨(dú)立，理論基礎(chǔ)不夠成熟。對(duì)有限壓風(fēng)量應(yīng)對(duì)空氣幕阻隔、過(guò)渡室空氣噴淋、生存室通風(fēng)三者之間的協(xié)同運(yùn)行機(jī)制研究深度不夠。

3)對(duì)有害氣體化學(xué)被動(dòng)吸附技術(shù)的研究較淺。化學(xué)被動(dòng)吸附技術(shù)、吸附機(jī)理、布置方式的研究存在不足。

4)適用于高溫礦井避難硐室的控溫技術(shù)，在可靠性、經(jīng)濟(jì)性與安全性方面均有待提升。目前，蓄冰降溫技術(shù)在可靠性與經(jīng)濟(jì)性方面，液態(tài)空氣降溫技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性與安全性方面仍有待提升。

筆者認(rèn)為就保障避難硐室生存環(huán)境而言，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，簡(jiǎn)配或不配備環(huán)控裝置已成為避難硐室建設(shè)的一種趨勢(shì)，未來(lái)針對(duì)避難硐室的環(huán)境控制可在以下4個(gè)方面取得進(jìn)展與突破：

a.基于96 h生存安全需求的合理的環(huán)境參數(shù)允許范圍制訂。在保證避難人員生命安全前提下，考慮經(jīng)濟(jì)成本后制訂合理參數(shù)限值范圍，可改善避難人員的生存條件。

b.基于礦井壓風(fēng)的空氣幕—過(guò)渡室空氣噴淋—生存室通風(fēng)稀釋協(xié)同快速控制CO體積分?jǐn)?shù)技術(shù)。如研究生存室內(nèi)通風(fēng)稀釋引起的氣流、氣壓變化對(duì)空氣幕系統(tǒng)阻隔CO特性的影響，以及空氣幕氣流對(duì)生存室通風(fēng)稀釋CO特性的影響。

c.基于高效化學(xué)吸附劑的CO2體積分?jǐn)?shù)被動(dòng)控制技術(shù)。研究吸附材料的吸附機(jī)理、與空氣接觸面積、孔隙率和布置方式等對(duì)被動(dòng)吸附特性的影響。

d.基于壓風(fēng)、相變、蓄冰、圍巖蓄冷等多重復(fù)合降溫技術(shù)。復(fù)合控溫技術(shù)在適用高溫礦井的同時(shí)還能提高控溫的能效。