74. 採礦和採石
章節編輯: 詹姆斯·阿姆斯特朗和拉吉·梅農
採礦:概述
諾曼·詹寧斯
勘探
威廉·米切爾和考特尼·米切爾
煤炭開採類型
弗雷德·W·赫爾曼
地下採礦技術
漢斯·哈姆林
地下煤礦開採
西蒙·沃克
露天採礦方法
Thomas A. Hethmon 和 Kyle B. Dotson
露天煤礦開採管理
保羅·韋斯科特
加工礦石
悉尼艾莉森
選煤
安東尼·沃爾特斯
地下礦山地面控制
呂克博尚
地下礦井的通風和冷卻
喬丹豪斯
地下礦井照明
唐豬蹄
採礦業的個人防護裝備
彼得·W·皮克里爾
礦山火災和爆炸
凱西 C. 格蘭特
氣體檢測
保羅·麥肯齊伍德
應急準備
加里·A·吉布森
採礦和採石的健康危害
詹姆斯·L·威克斯
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1. 設計風量係數
2. 服裝校正空氣冷卻能力
3. 礦用光源對比
4. 煤的加熱-溫度等級
5. 應急準備的關鍵要素/子要素
6. 應急設施、設備和材料
7. 應急準備培訓矩陣
8. 應急預案橫向審核實例
9. 有害氣體的通用名稱和健康影響
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75. 石油勘探與分配
章節編輯: 理查德·克勞斯
石油和天然氣的勘探、鑽探和生產
理查德·克勞斯
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1. 原油的特性和汽油潛力
2. 原油和天然氣的成分
3. 天然和石油加工氣體的成分
4. 水下鑽井平台類型
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76. 發電和配電
章節編輯: 邁克爾·克萊恩(Michael Crane)
概況
邁克爾·克萊恩(Michael Crane)
水力發電
尼爾·麥克馬納斯
發電、輸電和配電安全:美國的例子
珍妮特·福克斯
危害性
邁克爾·克萊恩(Michael Crane)
環境和公共衛生問題
小亞歷山大·C·皮特曼 (Alexander C. Pittman, Jr.)
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1. 控制化學和生物危害
2. 控制物理和安全隱患
3. 核電站特性(1997)
4. 主要潛在環境危害
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礦井通風的主要目的是為地下礦井中的所有工作場所和行進通道提供足夠數量的空氣,以將那些無法通過任何其他方式控制的污染物稀釋到可接受的水平。 在深度和岩石溫度高到空氣溫度過高的地方,可以使用機械製冷系統來補充通風的有益效果。
礦山氣氛
環繞地球的氣層成分因地而異不到 0.01%,“乾燥”空氣的成分通常為 78.09% 的氮氣、20.95% 的氧氣、0.93% 的氬氣和 0.03% 的二氧化碳。 水蒸氣也以不同的量存在,這取決於空氣溫度和壓力以及自由水面的可用性。 當通風空氣流過礦井時,水蒸氣的濃度可能會發生顯著變化,這種變化是濕度測量法單獨研究的主題。 要定義特定點的水蒸氣和乾空氣混合物的狀態,需要大氣壓力、幹球溫度和濕球溫度這三個可測量的獨立屬性。
通風要求
稀釋通風要控制的污染物主要是氣體和灰塵,儘管與天然存在的氡相關的電離輻射可能會帶來問題,尤其是在鈾礦和主體或鄰近岩石的背景鈾濃度升高的地方。 稀釋控制所需的空氣量將取決於污染源的強度和其他控制措施的有效性,例如水抑塵或煤礦瓦斯排放系統。 最小稀釋空氣流量由需要最大稀釋量的污染物決定,並適當認識到混合物可能的疊加效應和協同作用,其中一種污染物可以增加另一種污染物的影響。 覆蓋此值的可能是最低風速要求,通常為 0.25 m/s,並隨著氣溫的升高而增加。
柴油動力設備通風
在使用柴油動力移動設備且沒有連續氣體監測的機械化礦山中,廢氣稀釋用於確定其作業地點的最低通風空氣要求。 所需的空氣量通常在 0.03 和 0.06 m 之間3/s 每 kW 額定功率在運行點取決於發動機的類型以及是否使用任何廢氣調節。 燃料和發動機技術的持續發展正在提供更低的發動機排放,而催化轉化器、濕式洗滌器和陶瓷過濾器可以分別進一步降低一氧化碳/醛、氮氧化物和柴油微粒的殘留濃度。 這有助於在不顯著增加廢氣稀釋率的情況下滿足日益嚴格的污染物限制。 最小可能稀釋限度為 0.02 m3/s/kW 由與發動機功率成正比且不受廢氣調節影響的二氧化碳排放量決定。
柴油發動機將燃料中的可用能量轉化為有用功率的效率約為三分之一,然後大部分用於克服摩擦,從而產生的熱量輸出約為功率輸出的三倍。 即使用卡車將岩石拖上斜坡,所做的有用功也僅為燃料中可用能量的 10% 左右。 更大的移動設備使用更高的柴油發動機功率,這些設備需要更大的挖掘才能安全運行。 考慮到正常的車輛間隙和典型的柴油機廢氣稀釋率
0.04米3/s per kW,柴油機運行時的最小風速平均約為 0.5 m/s。
不同採礦方式的通風
雖然一般空氣量要求的設置在詳細的礦山和通風規劃信息可用或可能的情況下是不合適的,但它們支持用於設計的標準。 與正常值的偏差通常可以得到解釋和證明,例如,在存在高溫或氡氣問題的礦井中。 一般關係是:
礦山數量= α +β
其中 t 是以百萬噸/年 (Mtpa) 為單位的年生產率,α 是與生產率直接相關的可變空氣量係數,β 是礦石處理系統等礦山基礎設施通風所需的恆定空氣量。 表 1 給出了 α 的典型值。
表 1 設計風量係數
挖礦方式 |
α(風量係數m3/s/mtpa) |
塊狀崩落 |
50 |
房柱法(鉀肥) |
75 |
分級崩落 |
120 |
打開停止 |
|
機械化填挖 |
320 |
非機械化採礦 |
400 |
恆定空氣量 β 主要取決於礦石處理系統,並在一定程度上取決於整個礦山的生產率。 對於使用柴油動力卡車運輸通過斜坡運輸岩石或開采的岩石沒有破碎的礦山,β 的合適值為 50 m3/秒。 這通常增加到 100 m3/s 當使用地下破碎機和帶地下維護區的吊車時。 隨著礦石處理系統變得更加廣泛(即使用輸送機或其他礦石傳輸系統),β 可進一步增加高達 50%。 在使用多豎井系統的大型礦井中,恆定空氣量 β 也是所需豎井系統數量的倍數。
冷卻要求
設計熱條件
提供合適的熱條件以盡量減少熱應激的危險和不利影響,除了控制污染物所需的通風之外,可能還需要機械冷卻。 儘管施加的熱應力是氣候變量和對它們的生理反應的複雜函數,但在實際採礦術語中,影響最大的是空氣速度和濕球溫度。 這通過衣服校正的空氣冷卻功率 (W/m2) 在表 2 中給出。地下的輻射溫度取等於乾球溫度並比濕球溫度高 10 °C。 大氣壓力和服裝製度是地下工作的典型標準(即 110 kPa 和 0.52 服裝單位)。
表 2. 服裝校正空氣冷卻功率 (W/m2)
風速(米/秒) |
濕球溫度 (°C) |
|||||
20.0 |
22.5 |
25.0 |
27.5 |
30.0 |
32.5 |
|
0.1 |
176 |
153 |
128 |
100 |
70 |
37 |
0.25 |
238 |
210 |
179 |
145 |
107 |
64 |
0.5 |
284 |
254 |
220 |
181 |
137 |
87 |
1.0 |
321 |
290 |
254 |
212 |
163 |
104 |
0.1 m/s 的氣流速度反映了自然對流的影響(即根本感覺不到氣流)。 0.25 m/s 的風速是採礦中通常允許的最低風速,如果濕球溫度超過 0.5 °C,則需要 25 m/s。 就實現熱平衡而言,典型工作率產生的代謝熱為:休息時,50 W/m2; 輕度工作,115 至 125 W/m2, 中等工作, 150 至 175 W/m2; 努力工作,200 至 300 W/m2. 特定礦山應用的設計條件將通過詳細的優化研究來確定。 一般來說,最佳濕球溫度在 27.5 °C 和 28.5 °C 之間,較低的溫度適用於機械化程度較低的操作。 當濕球溫度超過 30.0 °C 時,工作性能下降,熱相關疾病的風險顯著增加,當濕球溫度大於 32.5 °C 時,通常不應繼續工作。
礦山熱負荷
礦井製冷負荷是礦井熱負荷減去通風空氣的冷量。 礦井熱負荷包括進氣道中空氣的自動壓縮效應(當空氣向下流入礦井時勢能轉化為熱函)、從圍岩流入礦井的熱量、從礦井帶走的熱量岩石破碎或任何裂隙水在從礦井的進水口或工作部分中移除之前,以及在礦石破碎和運輸過程中使用的任何設備運行產生的熱量。 通風空氣的冷卻能力取決於工作場所的設計熱環境條件和地面的實際氣候條件。
雖然每個熱源對總量的相對貢獻因地點而異,但自動壓縮通常是主要貢獻者,佔總量的 35% 至 50%。 隨著開採深度的增加,自動壓縮會導致空氣的製冷量變為負值,而供給更多空氣的作用是增加礦井製冷負荷。 在這種情況下,提供的通風量應該是滿足污染物控制的最低要求,並且需要增加製冷量以提供生產和安全的工作條件。 需要製冷的採礦深度主要取決於地表氣候條件、空氣在使用前通過進氣道的距離以及大型設備(柴油或電動)的使用程度。
主通風系統
網絡應用
主通風系統或網絡與確保空氣通過相互連接的礦洞流動有關。 整個通風網絡具有三個或更多氣道相交的交匯點、交匯點之間的氣道分支和穿過網絡的封閉路徑的網狀結構。 雖然大多數礦井通風網絡由數百甚至數千個分支組成,但主進氣道(地表和礦井之間的分支)和回風或排氣(礦井和地表之間的分支)通風道的數量通常限制在不到 XNUMX 個。
由於管網中有大量支路,確定流型和確定總體壓力損失並不簡單。 雖然許多是簡單的串聯或併聯排列,可以用代數和精確的方式求解,但會有一些複合部分需要迭代方法收斂到可接受的公差。 模擬計算機已成功用於網絡分析; 然而,這些方法已被耗時較少的數字方法所取代,這些方法基於為求解水流網絡而開發的 Hardy Cross 近似技術。
氣道阻力和衝擊損失
隧道或礦洞的氣流阻力是其尺寸和表面粗糙度的函數,由此產生的壓力損失取決於該阻力和空氣速度的平方。 通過向系統添加能量,可以產生壓力,然後克服壓力損失。 這可能會自然發生,其中能量由岩石和其他來源(自然通風)的熱量提供。 雖然這曾經是提供通風的主要方法,但只有 2% 到 3% 的能量被轉換,而且在炎熱的夏季,岩石實際上可能會冷卻吸入的空氣,從而導致氣流反轉。 在現代礦井中,通常使用風扇為氣流提供能量,然後克服壓力損失,儘管自然通風的影響可以根據一年中的時間來幫助或延遲它。
當空氣流過表面時,緊鄰表面的空氣分子處於靜止狀態,而相鄰的空氣分子會以取決於空氣粘度的阻力滑過靜止的空氣分子。 形成速度梯度,其中速度隨著距表面的距離增加而增加。 由於這種現象而產生的邊界層以及隨著邊界層的發展而形成的層流子層對促進流動所需的能量具有深遠的影響。 通常,礦井氣道表面的粗糙度足以使“凸起”延伸穿過邊界亞層。 於是氣道是液壓粗糙的並且阻力是相對粗糙度的函數,即粗糙度高度與氣道直徑的比率。
大多數通過傳統鑽孔和爆破技術開采的氣道的粗糙度高度在 100 到 200 毫米之間,即使在非常“塊狀”的地面上,平均粗糙度高度也不會超過 300 毫米。 在使用鑽孔機驅動氣道的地方,粗糙度高度在 5 到 10 毫米之間,仍然被認為是液壓粗糙度。 氣道的粗糙度可以通過襯裡來降低,儘管理由通常是地面支持而不是減少循環通風空氣所需的功率。 例如,粗糙度為 1 毫米的大型混凝土襯砌豎井過渡粗糙,雷諾數(慣性力與粘性力之比)也會影響氣流阻力。
在實踐中,在下沉這樣一個大豎井時,從上到下光滑混凝土襯砌的困難導致粗糙度和阻力增加,比光滑值高約 50%。
由於工作區和地表之間的進風和回風通道數量有限,礦井總壓力損失的很大一部分(70% 至 90%)發生在這些通道中。 氣道壓力損失還取決於是否存在任何導致衝擊損失的不連續性,如彎曲、收縮、擴張或氣道中的任何阻塞。 這些不連續性(例如進入和離開氣道的彎道)造成的損失,如果以等效長度的直航道中產生的損失來表示,可能佔總數的很大一部分,需要仔細評估,特別是在考慮主要進氣口和排氣口時。 不連續性的損失取決於邊界層分離的量; 通過避免區域的突然變化可以將這種情況降到最低。
阻塞的氣道阻力
阻塞物對壓力損失的影響取決於其阻力係數和填充係數,填充係數是物體阻塞面積與氣道橫截面積之比。 障礙物造成的損失可以通過流線化物體來最小化邊界層分離和任何湍流尾流的範圍來減少。 阻力係數受其在軸中的形狀和佈置的影響; 比較值將是:I beam,2.7; 正方形,2.0; 氣缸,1.2; 細長六邊形,0.6; 完全流線型,0.4。
即使具有小填充係數和低阻力係數,如果障礙物有規律地重複出現,例如豎井中的橫梁分隔提升隔間,對壓力損失的累積影響是顯著的。 例如,配備半流線型細長六角梁且填充係數為 0.08 的豎井的阻力大約是單獨的混凝土襯砌豎井的四倍。 雖然更容易獲得的矩形空心結構鋼型材的材料成本高於工字梁,但阻力係數約為三分之一,很容易證明它們的應用。
主風扇和增壓風扇
軸流式和離心式風機均用於在礦井通風系統中提供空氣循環,風機效率可達到 80% 以上。 主要礦用風機的軸流式或離心式選擇取決於成本、尺寸、壓力、穩健性、效率和任何性能變化。 在風扇故障可能導致危險的甲烷積聚的礦井中,安裝額外的風扇容量以確保通風的連續性。 在這不是很重要的情況下,如果安裝了雙風扇,如果一個風扇停止,大約三分之二的礦井氣流將繼續。 安裝在風道上方的垂直軸流風扇成本低,但限制在 300 m 左右3/秒。 對於更大的空氣量,需要多個風扇,它們通過管道和彎頭連接到排氣口。
為了以合理的成本獲得最高效率,軸流風機用於低壓(小於 1.0 kPa)應用,離心風機用於高壓(大於 3.0 kPa)系統。 兩種選擇都適用於中間壓力。 在需要穩健性的情況下,例如風速高於臨界範圍的排氣,以及水滴被帶出系統,離心風機將提供更可靠的選擇。 臨界空氣速度範圍在 7.5 m/s 和 12.5 m/s 之間,水滴可能會根據其大小保持懸浮狀態。 在此範圍內,懸浮水量會增加並增加系統壓力,直到風扇停止運轉。 這是一些空氣在葉片周圍再循環並且風扇運行變得不穩定的區域。 儘管對於任何類型的風扇都不是理想的,但在該流量波動區域中,離心式風扇葉片發生故障的可能性明顯低於軸向葉片發生故障的可能性。
在礦山的整個生命週期中,很少需要主風機在同一工作點運行,因此需要改變風機性能的有效方法。 儘管變速使軸流式和離心式風扇的運行效率最高,但成本很高,尤其是大型風扇。 軸流風扇的性能可以通過調整葉片角度來改變,這可以在風扇停止時進行,也可以在風扇旋轉時進行,但成本要高得多。 通過使用可變入口葉片向進入風扇的空氣施加渦流,可以在離心風扇運行時改變其性能。
離心風機遠離其設計點的效率比軸流風機的效率下降更快,如果需要在較寬的運行點範圍內具有高性能並且壓力合適,則選擇軸流風機。
通風系統
主風機在整個系統中的位置通常在排風道的表面。 這樣做的主要原因是簡單,其中進氣口通常是提升軸,而排氣口是單獨的單一用途氣道,並且通過從進氣道中排除風扇來最大限度地減少熱負荷。 通過提供密封的井架,可以在強製或排氣模式下將風扇安裝在提升軸上。 然而,如果工人、材料或岩石也進入或離開豎井,則存在漏氣的可能性。
安裝了進氣和排氣風扇的推拉式系統用於通過共享來降低系統中的最大壓力,或者在工作區和表面之間提供非常小的壓力差。 這在使用崩落法的礦山中是相關的,在這種情況下,可能不希望通過崩落區域發生洩漏。 壓力差大時,雖然通過塌陷區的空氣洩漏通常很小,但它可能會給工作場所帶來熱量、輻射或氧化問題。
地下增壓風機,由於空間限制,幾乎都是軸流式,用於在礦井更深或更遠的地段增壓。 它們的主要缺點是增壓風扇排氣和進氣道之間存在再循環的可能性。 通過僅在需要它們的地方為較小的氣流提供增壓,它們可以降低整個礦井氣流的主風扇壓力,從而減少所需的總風扇功率。
二次通風
輔助系統
在不可能通過通風的地方,例如在開發標題中,需要二次通風系統。 有四種可能的安排,每種安排都有自己的優點和缺點。
強制系統 導致最冷和最新鮮的空氣到達面部,並允許使用更便宜的柔性管道。 從供應管道末端流出的高速空氣會產生一股射流,它會夾帶額外的空氣並幫助掃過污染物的表面並提供可接受的表面速度。 它的主要缺點是,其餘部分的通風空氣被工作面採礦作業產生的氣體和粉塵污染。 這在爆破之後尤其是一個問題,因為爆破後安全重返大氣層的時間會增加。
An 排氣系統 允許去除所有面部污染物,並在進氣中保持其余航向。 缺點是周圍岩石的熱流和水分蒸發會導致工作面送風溫度較高; 從工作面返回的作業,例如使用柴油動力設備移除岩石,會污染進氣; 沒有產生掃面的氣流; 並且需要能夠承受負壓的更昂貴的管道。
在 排氣重疊系統 通過安裝較小的風扇和管道(重疊部分),可以解決用空氣噴射器清理工作面的問題。 除了額外的成本外,缺點是需要與面部進行重疊。
在 倒車系統,除爆破期間和爆破後的再入期間,當氣流反向時,均採用強制通風方式。 它的主要應用是在豎井鑿井中,如果僅使用強制系統,深豎井的重新進入時間可能會令人望而卻步。 可以通過在風扇入口和出口處使用阻尼器或利用軸流風扇的特性來實現空氣反向,其中改變葉片旋轉方向會導致流動反向,其中大約 60% 的正常流量被發表。
風扇和管道
用於二次通風的風機幾乎都是軸流式的。 為了獲得使空氣流過長管道所需的高壓,可以使用具有反向旋轉或同向旋轉葉輪佈置的多個風扇。 空氣洩漏是輔助風扇和管道系統中的最大問題,尤其是在長距離情況下。 由鍍鋅鋼或玻璃纖維製成的剛性管道在安裝墊圈時具有適當的低洩漏,可用於開髮長達數公里的航向。
柔性管道的購買成本要低得多,而且安裝起來也更容易; 然而,聯軸器處的洩漏以及它們因與移動設備接觸而容易撕裂會導致更高的空氣損失。 使用柔性管道的實際開發限制很少超過 1.0 公里,儘管可以通過使用更長的管道長度並確保管道與移動設備之間有足夠的間隙來擴展它們。
通風控制
通過通風和輔助風扇和管道系統都用於向人員可能工作的位置提供通風空氣。 通風控制用於將空氣引導至工作場所,並最大限度地減少進氣道和排氣道之間的短路或空氣損失。
隔板用於阻止空氣流過連接隧道。 建築材料將取決於壓力差以及是否會受到爆破衝擊波的影響。 附著在周圍岩石表面的柔性簾幕適用於低壓應用,例如在連續採礦機開采的房柱式面板中分隔進氣道和回氣道。 木材和混凝土艙壁適用於更高壓力的應用,並可能包含一個重型橡膠蓋板,該蓋板可以打開以最大限度地減少爆炸損壞。
需要行人或車輛通道的地方需要通風門。 結構材料、開啟機構和自動化程度受壓力差和開啟和關閉頻率的影響。 對於高壓應用,可以安裝兩個甚至三個門以形成氣鎖並減少洩漏和進氣損失。 為了幫助打開氣閘門,它們通常包含一個小的滑動部分,該部分首先打開,以平衡要打開的門兩側的壓力。
調節器用於需要減少而不是完全停止流過隧道的空氣量的地方,以及不需要進入的地方。 調節器是一個可變孔口,通過改變面積,也可以改變流過它的空氣量。 吊板是最簡單的類型之一,其中混凝土框架支撐可以放置(掉落)木板的通道,並且開放區域各不相同。 其他類型,例如蝴蝶百葉窗,可以實現自動化和遠程控制。 在一些開放式停止系統的上層,可能需要很少通過調節器進入,水平加固的柔性面板可以簡單地升高或降低以提供通道,同時最大限度地減少爆炸損壞。 在暫時沒有採礦活動的地段,甚至使用成堆的碎石來增加阻力。
製冷和冷卻系統
第一個礦山製冷系統於 1919 年安裝在巴西的 Morro Velho。從那時起,全球容量一直以每年約 3 兆瓦製冷 (MWR) 的速度線性增長,直到 1965 年總容量達到約 100 MWR . 自 1965 年以來,產能呈指數級增長,每六七年翻一番。 礦山製冷的發展受到空調行業和處理動態採礦系統困難的影響,其中熱交換器表面的污垢可能對提供的冷卻量產生深遠影響。
最初,製冷設備安裝在地面上,冷卻礦井吸入的空氣。 隨著地表設備在地下的距離增加,冷卻效果降低,製冷設備被移到地下,更靠近工作區。
地下排熱能力的限制和地表植物的簡單性導致搬回地表位置。 然而,除了進氣被冷卻之外,冷凍水現在也在地下供應。 這可用於工作區域附近的空氣冷卻裝置,或用作鑽孔和抑塵的工業用水。
冷凍廠設備
蒸汽壓縮製冷系統專用於礦山,地面設備的核心元件是壓縮機。 個別工廠的容量可能在 5 MWR 和超過 100 MWR 之間變化,並且通常需要多個壓縮機系統,這些系統要么是離心式的,要么是容積式螺桿設計的。 氨通常是地面工廠選擇的製冷劑,地下使用合適的滷化碳。
壓縮後冷凝製冷劑所需的熱量被排放到大氣中,並且為了最大限度地減少提供礦山冷卻所需的功率,該熱量保持在盡可能低的水平。 濕球溫度始終小於或等於乾球溫度,因此總是選擇濕熱抑制系統。 製冷劑可在殼管式或板框式熱交換器中使用水冷凝,並提取熱量,然後在冷卻塔中排放到大氣中。 或者,可以通過使用蒸發式冷凝器將這兩個過程結合起來,在蒸發式冷凝器中,製冷劑在管道中循環,在管道上抽取空氣並噴水。 如果製冷設備安裝在地下,除非將冷凝水抽到地表,否則礦井排出的空氣將用於散熱。 地下工廠的運行受到可用空氣量和相對於地表較高的地下濕球溫度的限制。
冷凝後的製冷劑通過膨脹閥後,低溫液體和氣體混合物的蒸發在另一個冷卻並提供冷凍水的換熱器中完成。 反過來,這既可用於冷卻進氣,也可用作供應給礦山的冷水。 水、通風空氣和礦井之間的接觸會降低水質並增加熱交換器的結垢。 這增加了對熱流的阻力。 在可能的情況下,通過選擇水側表面積大且易於清潔的設備,可以將這種影響降至最低。 在地表和地下,噴霧室和冷卻塔用於提供被冷卻空氣和冷凍水之間更有效的直接接觸熱交換。 分離氣流和水流的冷卻盤管被灰塵和柴油微粒堵塞,其效率迅速下降。
能量回收系統可用於抵消將水抽回礦井的成本,水鬥輪非常適合此應用。 使用冷水作為服務用水有助於確保在有採礦活動的任何地方都可以進行冷卻; 它的使用顯著提高了礦井冷卻系統的效率。
製冰系統和點冷卻器
地下供應的 1.0 l/s 冷凍水的冷卻能力為 100 至 120 kWR。 在深度大於 2,500 米的地下需要大量製冷的礦井中,循環冷卻水的成本可以證明用冰代替它是合理的。 當考慮到冰的熔化潛熱時,每 1.0 l/s 的冷卻能力增加了大約四倍,從而減少了需要從礦井抽回地表的水量。 由於使用冰來輸送冷量而導致的泵功率降低抵消了生產冰所需的製冷設備功率增加和能量回收的不切實際。
相對於可用於通風的空氣量而言,開發通常是熱負荷最高的採礦活動。 這通常會導致工地溫度明顯高於同一礦山中其他採礦活動所發現的溫度。 如果製冷的應用對礦山來說是一個邊界問題,專門針對開發通風的點式冷卻器可以推遲其一般應用。 點式冷卻器本質上是一個微型地下製冷設備,熱量被排放到開發的回風中,通常提供 250 至 500 kWR 的冷卻。
監測和緊急情況
定期進行包括氣流、污染物和溫度測量在內的通風調查,以滿足法定要求並持續衡量所用通風控制方法的有效性。 在可行的情況下,連續監測主風扇運行等重要參數。 在連續監測關鍵污染物的情況下,可以進行某種程度的自動控制,如果超過預設限值,則可以提示採取糾正措施。
對大氣壓力和溫度進行更詳細的調查的頻率較低,用於確認氣道阻力並協助規劃現有業務的擴展。 此信息可用於調整網絡模擬阻力並反映實際氣流分佈。 還可以對製冷系統進行建模並分析流量和溫度測量值,以確定實際設備性能並監控任何變化。
可能影響或受通風系統影響的突發事件有礦山火災、突發瓦斯突出和停電等。 火災和爆發在本章的其他地方處理,電力故障只是深井中的一個問題,那裡的氣溫可能會升高到危險水平。 通常會提供柴油動力備用風扇,以確保在這些條件下有少量氣流通過礦井。 一般情況下,當地下發生火災等緊急情況時,最好不要干擾通風,而熟悉正常流動模式的人員仍在地下。
採礦光源
1879 年,一種實用的白熾燈獲得了專利。 結果,光不再依賴於燃料源。 自愛迪生髮現以來,照明知識取得了許多驚人的突破,其中一些在地下礦井中得到應用。 每個都有固有的優點和缺點。 表 1 列出了光源類型並比較了一些參數。
表1 礦用光源對比
光源類型 |
近似亮度 |
平均額定壽命(h) |
直流電源 |
初效近似值lm·W - 1 |
顯色性 |
鎢絲 |
105 到107 |
750年到1,000年 |
是 |
5年到30年 |
高 |
白熾燈 |
2×107 |
5年到2,000年 |
是 |
28 |
高 |
熒 |
5×104 至 2 × 105 |
500年到30,000年 |
是 |
100 |
高 |
汞蒸氣 |
105 到106 |
16,000年到24,000年 |
是的,但有限制 |
63 |
中等 |
金屬鹵化物 |
5×106 |
10,000年到20,000年 |
是的,但有限制 |
125 |
良好 |
高壓鈉 |
107 |
12,000年到24,000年 |
不建議 |
140 |
知道一些 |
低壓鈉 |
105 |
10,000年到18,000年 |
不建議 |
183 |
低 |
cd = 坎德拉,DC = 直流電; lm = 流明。
為光源提供能量的電流可以是交流電 (AC) 或直流電 (DC)。 固定光源幾乎總是使用交流電,而帽燈和地下車輛前燈等便攜式光源則使用直流電池。 並非所有光源類型都適用於直流電。
固定光源
鎢絲燈最常見,通常帶有磨砂燈泡和護罩以減少眩光。 熒光燈是第二常見的光源,其管狀設計很容易區分。 圓形和 U 形設計結構緊湊,適用於採礦,因為採礦區通常位於狹窄的空間內。 鎢絲和熒光光源用於照亮各種地下開口,例如軸站、傳送帶、人行道、餐廳、充電站、燃料庫、維修站、倉庫、工具室和破碎站。
礦井照明的趨勢是使用更高效的光源。 這些是稱為汞蒸氣、金屬鹵化物、高壓鈉和低壓鈉的四種高強度放電 (HID) 源。 每個都需要幾分鐘(一到七分鐘)才能達到全光輸出。 此外,如果燈的電源丟失或關閉,電弧管必須先冷卻,然後才能觸發電弧並重新點亮燈。 (但是,對於低壓鈉 (Sox) 燈,重燃幾乎是瞬間發生的。)它們的光譜能量分佈與自然光不同。 水銀燈發出藍白色光,而高壓鈉燈發出黃光。 如果顏色區分在地下工作中很重要(例如,使用顏色編碼的氣瓶進行焊接、閱讀顏色編碼的標誌、電線連接或按顏色分類礦石),則必須注意顏色再現特性資源。 當用低壓鈉燈照明時,物體的表面顏色會扭曲。 表 1 給出了顏色再現比較。
移動光源
由於工作場所通常橫向和垂直分佈,並且在這些工作場所連續爆破,由於安裝和維護成本,永久性安裝通常被認為是不切實際的。 在許多礦井中,電池供電的帽燈是最重要的單一光源。 儘管熒光帽燈在使用中,但到目前為止,大多數帽燈使用鎢絲電池供電的帽燈。 電池是鉛酸或鎳鎘。 微型鎢鹵素燈泡常用於礦工帽燈。 小燈泡使光束很容易聚焦。 燈絲周圍的滷素氣體可防止鎢絲材料沸騰,從而防止燈壁變黑。 燈泡也可以燃燒得更熱,因此更亮。
對於移動車輛照明,最常用的是白熾燈。 它們不需要特殊設備,價格低廉且易於更換。 拋物面鍍鋁反射器 (PAR) 燈用作車輛的前照燈。
礦用照明標準
地下採礦業發達的國家通常對安全礦井照明系統的構成要求非常具體。 對於從工作中釋放出甲烷氣體的礦山(通常是煤礦)來說尤其如此。 甲烷氣體可以點燃並引起地下爆炸,造成毀滅性的後果。 因此,任何燈都必須設計為“本質安全”或“防爆”。 本質安全的光源是一種光源,其中為光提供能量的電流非常小,因此電路中的任何短路都不會產生可能點燃甲烷氣體的火花。 對於防爆燈,由燈的電活動引發的任何爆炸都包含在設備內。 此外,設備本身不會熱到足以引起爆炸。 這種燈更貴、更重,金屬部件通常由鑄件製成。 政府通常有測試設施來證明燈是否可以分類用於瓦斯礦井。 低壓鈉燈無法獲得如此認證,因為如果燈破裂並且鈉與水接觸,燈中的鈉可能會點燃。
各國也對各種任務所需的光量製定了標準,但在不同工作場所應放置的光量方面立法差異很大。
與照明有關的國際機構,例如照明工程學會 (IES) 和國際照明委員會 (CIE),也提供了礦井照明指南。 CIE 強調眼睛接收到的光的質量與數量一樣重要,並提供了公式來確定眩光是否可能是影響視覺性能的一個因素。
照明對事故、生產和健康的影響
人們會期望更好的照明會減少事故、增加產量並減少健康危害,但要證實這一點並不容易。 照明對地下效率和安全的直接影響很難衡量,因為照明只是影響生產和安全的眾多變量之一。 有充分的證據表明,高速公路事故隨著照明的改善而減少。 在工廠中也發現了類似的相關性。 然而,採礦的本質決定了工作區域在不斷變化,因此在文獻中可以找到關於礦難事故與照明相關的報導很少,而且它仍然是一個很大程度上未被探索的研究領域。 事故調查表明,照明不良很少是地下事故的主要原因,但往往是一個促成因素。 雖然照明條件在許多礦難事故中起著一定的作用,但它們在涉及地面墜落的事故中具有特殊意義,因為照明不足很容易錯過危險情況,否則這些情況可能會得到糾正。
直到二十世紀初,礦工們普遍患有眼球震顫眼病,目前尚無治愈方法。 眼球震顫產生無法控制的眼球震盪、頭痛、頭暈和夜間視力喪失。 這是由於長時間在非常低的光照水平下工作造成的。 煤礦工人特別容易受到影響,因為照射到煤上的光很少被反射。 這些礦工在低煤層工作時經常不得不側臥,這也可能是造成這種疾病的原因。 隨著礦井中電燈的引入,礦工的眼球震顫消失了,消除了與井下照明相關的最重要的健康危害。
隨著最近新光源技術的進步,人們對照明和健康的興趣重新燃起。 現在可以在礦井中實現以前極難實現的照明水平。 主要問題是眩光,但也有人對燈發出的輻射能量表示擔憂。 輻射能量可以通過直接作用於皮膚表面或附近的細胞或觸發某些反應(例如身心健康所依賴的生物節律)來影響工人。 即使包含光源的玻璃外殼破裂或破損,HID 光源仍然可以工作。 工人可能會面臨接受超過閾值的劑量的危險,特別是因為這些光源通常不能安裝得非常高。
頭部保護
在大多數國家/地區,必須為礦工提供並且必須佩戴經礦山運營所在司法管轄區批准的安全帽或安全帽。 帽子與帽子的不同之處在於它們有一個完整的帽簷,而不僅僅是一個前尖。 這具有在非常潮濕的礦井中排水的優點。 但是,它確實排除了用於安裝聽力保護裝置、手電筒和用於焊接、切割、研磨、切削和縮放或其他附件的面罩的側槽。 帽子在礦井中佩戴的頭部防護用品中所佔比例非常小。
在大多數情況下,帽子或帽子會配備燈架和電線支架,以允許安裝礦工帽燈。
傳統的礦工帽外形非常低調,這大大降低了礦工在低煤層煤礦中撞到頭部的可能性。 然而,在頭部空間足夠的礦井中,低矮的外形沒有任何用處。 此外,它是通過減小帽子冠部與佩戴者頭骨之間的間隙來實現的,因此這些類型的帽子很少能滿足工業頭部保護的最高衝擊標準。 在執行標準的司法管轄區,傳統的礦工帽正在讓位於傳統的工業頭部保護。
自 1960 年代以來,工業頭部保護標準幾乎沒有變化。 然而,在 1990 年代,曲棍球頭盔、自行車頭盔等娛樂用頭部保護裝置的興起凸顯了人們認為工業頭部保護裝置的不足之處,最顯著的是缺乏側向衝擊保護和保持能力。影響事件。 因此,存在升級工業頭部保護標準的壓力,並且在某些司法管轄區已經發生了這種情況。 帶有泡沫襯里和可能帶有棘輪懸架和/或下巴帶的安全帽現在出現在工業市場上。 由於較高的成本和重量以及較差的舒適性,它們尚未被用戶廣泛接受。 然而,隨著新標准在勞動立法中得到更廣泛的應用,新型上限可能會出現在採礦業中。
帽燈
在未安裝永久照明的礦區,礦工帽燈對於礦工有效安全地移動和工作至關重要。 對帽燈的關鍵要求是堅固耐用、易於戴手套操作、在整個工作班次期間提供足夠的光輸出(達到當地法規要求的照明水平),並且盡可能輕犧牲任何上述性能參數。
近年來,鹵素燈泡已在很大程度上取代了鎢絲白熾燈泡。 這導致照明水平提高了三到四倍,即使在延長工作班次結束時也能滿足立法要求的最低照明標準。 電池技術在燈具性能方面也起著重要作用。 鉛酸電池在大多數採礦應用中仍然占主導地位,儘管一些製造商已成功推出鎳鎘 (nicad) 電池,它可以以更輕的重量實現相同的性能。 然而,可靠性、壽命和維護問題仍然有利於鉛酸電池,並且可能是其持續佔據主導地位的原因。
除了提供照明的主要功能外,帽燈和電池最近還被集成到礦山安全通信系統中。 嵌入在電池蓋中的無線電接收器和電路允許礦工通過甚低頻 (VLF) 無線電傳輸接收消息、警告或疏散指示,並使他們能夠通過指示燈的開/關閃爍了解傳入消息帽燈。
此類系統仍處於起步階段,但它們確實有可能在可以設計和安裝 VLF 無線電通信系統的礦井中提供比傳統惡臭氣體系統更先進的預警能力。
眼睛和麵部防護
世界上大多數採礦作業都有強制性眼睛保護計劃,要求礦工佩戴安全眼鏡、護目鏡、面罩或全面罩呼吸器,具體取決於所執行的作業和礦工所面臨的危險組合。 對於大多數採礦作業,帶側護板的安全眼鏡可提供適當的保護。 許多采礦環境中的灰塵和污垢,尤其是硬岩採礦,可能具有很強的磨蝕性。 這會導致帶有塑料(聚碳酸酯)鏡片的安全眼鏡刮傷和快速磨損。 出於這個原因,許多礦山仍然允許使用玻璃鏡片,即使它們不能提供聚碳酸酯所提供的抗衝擊和抗碎性,並且即使它們可能不符合特定司法管轄區內防護眼鏡的現行標準。 塑料鏡片的防霧處理和表面硬化處理都在不斷取得進展。 那些改變鏡片表面分子結構而不是簡單地塗上薄膜或塗層的處理方法通常更有效、更持久,並且有可能取代玻璃成為磨蝕性採礦環境的首選鏡片材料。
護目鏡不經常戴在地下,除非特定操作會造成化學飛濺的危險。
如果礦工需要全面保護免受焊接飛濺物、研磨殘留物或其他可能由切割、碎裂或剝落產生的大飛揚顆粒的影響,則可以佩戴面罩。 面罩可能具有特殊性質,如焊接,或者可能是透明的丙烯酸或聚碳酸酯。 雖然面罩可以配備自己的頭帶,但在採礦中它們通常會安裝在礦工安全帽的附件槽中。 面罩的設計使其可以快速輕鬆地向上鉸接以觀察工作,並在執行工作時向下鉸接在臉上以提供保護。
當還需要針對刺激眼睛的物質進行呼吸防護時,可以佩戴全面罩呼吸器來保護面部。 與地下採礦作業本身相比,此類作業在地上採礦作業中更常見。
呼吸系統防護
採礦作業中最常需要的呼吸防護是防塵。 使用廉價的四分之一面罩防塵面罩可以有效過濾煤塵和大多數其他環境灰塵。 使用彈性鼻子/嘴套和可更換過濾器的類型是有效的。 模製一次性纖維杯型呼吸器無效。
焊接、火焰切割、使用溶劑、處理燃料、爆破和其他操作會產生空氣傳播的污染物,需要使用雙筒呼吸器來清除灰塵、薄霧、煙霧、有機蒸汽和酸性氣體的組合。 在這些情況下,通過測量污染物來指示礦工是否需要保護,通常使用檢測管或便攜式儀器在當地進行。 佩戴適當的呼吸器,直到礦井通風系統清除污染物或將其降低到可接受的水平。
礦山中遇到的某些類型的微粒,例如石棉礦中發現的石棉纖維、長壁採礦中產生的煤粉和鈾礦中發現的放射性核素,可能需要使用配備高效微粒絕對 (HEPA) 的正壓呼吸器篩選。 向面罩、緊身面罩或集成頭盔面罩組件提供過濾空氣的電動空氣淨化呼吸器 (PAPR) 滿足此要求。
聽力保護
地下車輛、機械和電動工具會產生高環境噪音水平,這會對人類聽力造成長期損害。 保護通常由安裝在礦工帽上的耳罩式保護器提供。 佩戴閉孔泡沫耳塞和耳罩可提供補充保護。 耳塞,無論是一次性泡沫電池類型還是可重複使用的彈性體類型,都可以單獨使用,或者是因為偏好,或者是因為附件槽被用來攜帶面罩或其他附件。
皮膚保護
某些採礦作業可能會刺激皮膚。 在此類操作中盡可能佩戴工作手套,並提供隔離霜以提供額外保護,尤其是在無法佩戴手套時。
足部防護
採礦工作靴可能是皮革或橡膠結構,具體取決於礦井是乾的還是濕的。 靴子的最低保護要求包括一個完整的防刺穿鞋底和一個複合外層以防止打滑、一個鋼製鞋頭和一個蹠骨保護裝置。 雖然這些基本要求多年來沒有改變,但在滿足這些要求方面已經取得了進展,這種靴子比幾年前的靴子更不笨重,也更舒適。 例如,現在可以使用模製纖維製成的蹠骨護板,取代曾經常見的鋼箍和鞍座。 它們以更輕的重量和更低的絆倒風險提供同等保護。 鞋楦(腳型)在解剖學上變得更加正確,吸能中底、全防潮層和現代絕緣材料已經從運動/休閒鞋市場進入礦用靴。
服装
普通棉工作服或經過處理的阻燃棉工作服是礦山的常規工作服。 通常會添加反光材料條,以使礦工更容易被移動的地下車輛的司機看到。 使用大型鑽機或其他重型設備工作的礦工也可以在工作服外穿雨衣,以防止可能從設備噴出或洩漏的切削液、液壓油和潤滑油。
佩戴工作手套以保護手部。 通用工作手套將由皮革加固的棉帆布製成。 其他類型和样式的手套將用於特殊的工作職能。
腰帶和背帶
在大多數司法管轄區,礦工腰帶不再被認為適合或被批准用於防墜落。 然而,仍然使用織帶或皮帶,帶或不帶吊帶,帶或不帶腰部支撐以攜帶燈電池以及過濾器自救器或自給式(氧氣產生)自救器,如果需要的話。
在肩胛骨之間帶有 D 形環附件的全身式安全帶現在是唯一推薦的保護礦工免於墜落的裝置。 礦工在豎井、破碎機上方或露天集水坑或礦坑附近工作時,應將安全帶連同合適的繫索和減震裝置一起佩戴。 額外的 D 形環可以添加到安全帶或礦工腰帶上,用於工作定位或限制在安全範圍內的移動。
防熱防寒
在寒冷氣候下的露天礦山,礦工將穿上冬季服裝,包括保暖襪、內衣和手套、防風褲或罩衫褲、帶兜帽的帶襯裡的派克大衣和帶安全帽的冬季襯裡。
在地下礦井中,熱比冷更成問題。 環境溫度可能很高,因為礦山在地下很深,或者因為它位於炎熱的氣候中。 可以通過特殊的衣服或內衣來防止熱應激和潛在的中暑,這些衣服或內衣可以容納冷凍凝膠袋,或者由冷卻管網絡構成,使冷卻液在身體表面循環,然後通過外部熱交換器循環。 在岩石本身很熱的情況下,要戴耐熱手套、襪子和靴子。 必須提供飲用水,或者最好是添加了電解質的飲用水,並且必須飲用水來補充丟失的體液。
其他防護用品
根據當地法規和礦山類型,礦工可能需要攜帶自救裝置。 這是一種呼吸保護裝置,可在發生礦井火災或爆炸時幫助礦工逃離礦井,因為一氧化碳、煙霧和其他有毒污染物導致大氣無法呼吸。 自救器可以是帶有一氧化碳轉化催化劑的過濾式裝置,也可以是獨立的自救器,即從呼出的氣體中化學再生氧氣的閉式循環呼吸器。
用於檢測和測量有毒和可燃氣體的便攜式儀器(包括檢測管和檢測管泵)並非所有礦工都常規攜帶,而是由礦山安全官員或其他指定人員按照標準操作程序用於測試礦井大氣定期或入境前。
事實證明,提高與地下採礦作業人員的通信能力具有巨大的安全效益,雙向通信系統、個人尋呼機和人員定位設備正在尋找進入現代採礦作業的途徑。
火災和爆炸對礦工的安全和礦山的生產能力構成持續威脅。 礦山火災和爆炸傳統上被列為最具破壞性的工業災難。
XNUMX 世紀末,礦山火災和爆炸造成的人員傷亡和財產損失規模是其他工業部門無法比擬的。 然而,近幾十年來報告的礦山火災和爆炸事件的減少證明了在控制這些危害方面取得了明顯進展。
本文介紹了地下採礦的基本火災和爆炸危險以及將這些危險降至最低所需的保障措施。 有關露天礦的防火信息,請參見本網站的其他部分 百科全書 以及美國國家消防協會等組織頒布的標準(例如,NFPA 1996a)。
永久服務區
就其性質而言,永久服務區涉及某些危險活動,因此應採取特殊預防措施。 地下維修車間和相關設施是地下礦井中的一個特殊危險。
維修車間的移動設備經常被發現是火災的常見來源。 柴油動力採礦設備的火災通常是由高壓液壓管路洩漏引起的,高壓液壓管路會將高度易燃液體的熱霧噴到火源上,例如熱排氣歧管或渦輪增壓器 (Bickel 1987)。 此類設備上的火災會迅速蔓延。
地下礦井中使用的許多移動設備不僅包含燃料源(例如柴油和液壓系統),而且還包含點火源(例如柴油發動機和電氣設備)。 因此,該設備存在明顯的火災風險。 除此設備外,維修車間通常包含各種其他工具、材料和設備(例如,脫脂設備),這些在任何機械車間環境中都是危險的。
焊接和切割操作是礦山火災的主要原因。 預計此活動會在維護區域定期發生。 需要採取特殊的預防措施,以確保這些活動不會產生可能引發火災或爆炸的火源。 有關安全焊接實踐的防火和防爆信息可在本文檔的其他地方找到 百科全書 以及其他文件(例如,NFPA 1994a)。
應考慮使整個車間區域成為全封閉的防火結構。 這對於打算使用超過 6 個月的商店尤為重要。 如果這樣的安排是不可能的,那麼該區域應該由一個自動滅火系統來保護。 這對於煤礦尤為重要,因為在煤礦中,最大限度地減少任何潛在火源至關重要。
所有車間區域的另一個重要考慮因素是它們直接排放到回風口,從而限制任何火災燃燒產物的擴散。 NFPA 122 等文件明確概述了此類設施的要求, 地下金屬非金屬礦山火災防治標準, 和 NFPA 123, 地下煙煤礦山火災防治標準 (NFPA 1995a, 1995b)。
燃料艙和燃料儲存區
易燃和可燃液體的儲存、處理和使用對採礦業的所有部門都構成特殊的火災隱患。
在許多地下礦井中,移動設備通常是柴油動力的,很大一部分火災都與這些機器使用的燃料有關。 在煤礦中,煤、煤塵和甲烷的存在加劇了這些火災隱患。
易燃和可燃液體的儲存是一個特別重要的問題,因為這些材料比普通可燃物更容易點燃並且火勢傳播得更快。 在大多數非煤礦中,易燃和可燃液體通常都儲存在地下,數量有限。 在一些礦山中,柴油、潤滑油和油脂以及液壓油的主要儲存設施都在地下。 地下易燃和可燃液體儲存區火災的潛在嚴重性要求在儲存區的設計中格外小心,並實施和嚴格執行安全操作程序。
使用易燃和可燃液體的所有方面都存在具有挑戰性的防火問題,包括轉移到地下、儲存、分配和最終在設備中使用。 井下易燃易燃液體的危害及防護方法詳見本刊別處 百科全書 和 NFPA 標準(例如,NFPA 1995a、1995b、1996b)。
防火
地下礦井的火災和爆炸安全是基於防止火災和爆炸的一般原則。 通常,這涉及使用常識性消防安全技術,例如防止吸煙,以及提供內置防火措施以防止火勢蔓延,例如便攜式滅火器或早期火災探測系統。
礦山防火防爆措施一般分為三類:限制火源、限制燃料源和限制燃料與火源接觸。
限制火源 可能是防止火災或爆炸的最基本方法。 對採礦過程不重要的點火源應該完全禁止。 例如,應禁止吸煙和任何明火,尤其是在地下煤礦中。 所有可能會產生不必要的熱量積聚的自動化和機械化設備,例如傳送帶,都應在電動機上安裝滑動和順序開關以及熱斷路器。 炸藥具有明顯的危險性,但也可能成為有害氣體懸浮粉塵的點火源,應嚴格按照特殊爆破規定使用。
消除電點火源對於防止爆炸至關重要。 在可能存在甲烷、硫化物粉塵或其他火災危險的地方運行的電氣設備的設計、構造、測試和安裝應使其運行不會引起礦井火災或爆炸。 在危險區域應使用防爆外殼,例如插頭、插座和電路中斷裝置。 本質安全電氣設備的使用在本文檔的其他地方有更詳細的描述 百科全書 在 NFPA 70 等文件中, 國家電氣規範 (美國國家消防協會 1996c)。
限制燃料來源 從良好的內務管理開始,以防止垃圾、油布、煤塵和其他可燃材料不安全地堆積。
如果可用,危險性較小的替代品應該用於某些可燃材料,例如液壓油、傳送帶、液壓軟管和通風管(礦業局 1978 年)。 某些材料燃燒可能產生的劇毒燃燒產物通常需要危害較小的材料。 例如,聚氨酯泡沫以前曾廣泛用於地下礦井的通風密封,但最近已在許多國家被禁止使用。
對於地下煤礦爆炸,煤塵和甲烷通常是涉及的主要燃料。 甲烷也可能存在於非煤礦中,最常見的處理方法是用通風空氣稀釋和從礦井排出(Timmons、Vinson 和 Kissell 1979)。 對於煤塵,在採礦過程中千方百計地減少粉塵的產生,但煤塵爆炸所需的微量幾乎是不可避免的。 地板上一層只有0.012毫米厚的灰塵,如果懸浮在空氣中就會引起爆炸。 因此,使用惰性材料(如粉狀石灰石、白雲石或石膏(岩粉))進行岩粉處理將有助於防止煤塵爆炸。
限制燃料和火源接觸 取決於防止點火源和燃料源之間的接觸。 例如,當焊接和切割操作不能在防火外殼內進行時,重要的是要弄濕區域,並用耐火材料覆蓋附近的可燃物或重新安置。 滅火器應隨時可用,並在必要時張貼防火值守,以防止陰火。
木材儲存區、炸藥庫、易燃和可燃液體儲存區和商店等易燃材料負荷高的區域的設計應盡量減少可能的火源。 移動設備的液壓油、燃料和潤滑劑管路應改道,遠離熱表面、電氣設備和其他可能的火源。 應安裝防噴罩,使破裂的流體管路中的可燃液體噴霧遠離潛在的火源。
NFPA 文件(例如,NFPA 1992a、1995a、1995b)清楚地概述了礦山的防火和防爆要求。
火災探測和警告系統
從火災發生到檢測到火災之間經過的時間非常重要,因為火災的規模和強度可能會迅速增長。 最快速、最可靠的火災指示是通過使用靈敏的熱、火焰、煙霧和氣體分析儀的先進火災探測和警告系統 (Griffin 1979)。
氣體或煙霧探測是提供大面積或整個礦山火災探測覆蓋範圍的最具成本效益的方法(Morrow 和 Litton 1992)。 熱火災探測系統通常安裝在無人值守的設備上,例如傳送帶上。 反應更快的火災探測裝置被認為適用於某些高危險區域,例如易燃和可燃液體儲存區、加油區和商店。 這些區域通常使用光學火焰探測器來感測火災發出的紫外線或紅外線輻射。
一旦發現火災,所有礦工都應該得到警告。 有時會使用電話和信使,但礦工通常離電話很遠,而且他們往往分佈廣泛。 在煤礦中,最常見的火災報警方式是停電,隨後通過電話和信使進行通知。 這不是非煤礦的選擇,因為那裡很少有設備是電力驅動的。 惡臭警報是非煤礦井下應急通信的常用方法(Pomroy 和 Muldoon 1983)。 特殊的無線射頻通信系統也已成功地用於煤礦和非煤礦(礦業局,1988 年)。
發生地下火災時,首要關注的是井下人員的安全。 早期火災探測和預警允許在礦井中啟動應急計劃。 這樣的計劃可確保進行必要的活動,例如疏散和滅火。 為確保應急預案的順利實施,應為礦工提供全面的應急程序培訓和定期再培訓。 應經常進行消防演習,並啟動地雷警報系統,以加強培訓並找出應急計劃中的薄弱環節。
有關火災探測和警報系統的更多信息,請參見本文檔的其他部分 百科全書 以及 NFPA 文檔(例如,NFPA 1995a、1995b、1996d)。
滅火
地下礦井中最常用的滅火設備類型是便攜式手持滅火器、水管、噴水滅火系統、岩粉(手動或從岩石噴粉機施加)和泡沫發生器。 最常見的便攜式手持滅火器通常是使用多用途乾粉的滅火器。
手動或自動滅火系統在移動設備、易燃液體儲存區、傳送帶驅動器和電氣裝置中變得越來越普遍(Grannes、Ackerson 和 Green 1990)。 自動滅火對於無人值守、自動化或遠程控制設備尤其重要,在這些設備中,人員不在場以檢測火災、啟動滅火系統或啟動滅火操作。
爆炸抑制是滅火的一種變體。 一些歐洲煤礦在有限的基礎上以被動或觸發障礙的形式使用這項技術。 被動屏障由一排排裝有水或岩粉的大浴缸組成,這些大浴缸懸掛在礦井入口的屋頂上。 在爆炸中,在火焰前鋒到達之前的壓力前鋒觸發了桶中內容物的傾倒。 當火焰通過屏障系統保護的入口時,分散的抑製劑會熄滅火焰。 觸發式屏障利用電動或氣動操作的驅動裝置,該裝置由爆炸的熱量、火焰或壓力觸發,以釋放儲存在加壓容器中的抑製劑 (Hertzberg 1982)。
發展到晚期的火災只能由訓練有素和配備特殊裝備的消防隊進行撲救。 如果地下礦井中有大面積的煤炭或木材在燃燒,並且由於大範圍的屋頂塌陷、通風不確定性和爆炸性氣體積聚而使滅火變得複雜,則應採取特殊行動。 唯一可行的替代方案可能是用氮氣、二氧化碳、惰性氣體發生器的燃燒產物進行惰性化處理,或者用水淹沒或封閉部分或全部礦井(Ramaswatny 和 Katiyar 1988)。
有關滅火的更多信息,請參見本文檔的其他部分 百科全書 以及各種 NFPA 文檔(例如,NFPA 1994b、1994c、1994d、1995a、1995b、1996e、1996f、1996g)。
防火圍堵
防火是任何類型工業設施的基本控制機制。 限製或限制地下礦火的方法有助於確保更安全的礦井疏散並減少滅火的危險。
煤礦井下油、油脂應貯存在密閉、耐火的容器內,貯存場所應採用耐火結構。 變電站、電池充電站、空氣壓縮機、變電站、商店和其他設施應設在耐火區域或防火結構中。 無人值守的電氣設備應安裝在不易燃的表面上,並與煤和其他可燃物分開或由滅火系統保護。
用於建造艙壁和密封件的材料,包括木材、布料、鋸子、釘子、錘子、石膏或水泥和岩粉,應隨時可供每個工作部分使用。 在地下非煤礦山中,油、油脂和柴油應存放在防火區域的密封容器中,並與炸藥庫、電氣裝置和軸站保持安全距離。 某些區域需要通風控制屏障和防火門,以防止火災、煙霧和有毒氣體的蔓延(Ng 和 Lazzara 1990)。
試劑儲存(米爾斯)
用於加工採礦作業中生產的礦石的操作可能會導致某些危險情況。 令人擔憂的是涉及輸送機操作的某些類型的粉塵爆炸和火災。
傳送帶和驅動輥或惰輪之間的摩擦產生的熱量是一個問題,可以通過使用順序和滑動開關來解決。 這些開關可以與電動機上的熱斷路器一起有效使用。
消除電點火源可以防止可能發生的爆炸。 在可能存在甲烷、硫化物粉塵或其他危險環境的地方運行的電氣設備的設計、構造、測試和安裝應使其運行不會引起火災或爆炸。
煤和金屬硫化物礦石都可能發生放熱氧化反應(Smith 和 Thompson 1991)。 當這些反應產生的熱量沒有散去時,岩體或樁的溫度就會升高。 如果溫度變得足夠高,就會導致煤、硫化物礦物和其他可燃物快速燃燒(Ninteman 1978)。 儘管自燃火災發生的頻率相對較低,但它們通常對操作造成相當大的破壞並且難以撲滅。
煤炭的加工引起了特別的關注,因為它本質上是一種燃料來源。 有關煤炭安全處理的防火和防爆信息,請參見本文檔的其他部分 百科全書 以及 NFPA 文檔(例如,NFPA 1992b、1994e、1996h)。
所有在地下礦井工作的人都應該對礦井氣體有充分的了解,並意識到它們可能帶來的危險。 氣體檢測儀器和系統的一般知識也是必要的。 對於那些指定使用這些儀器的人來說,詳細了解它們的局限性和它們測量的氣體是必不可少的。
即使沒有儀器,人類的感官也可能能夠檢測到與自燃相關的化學和物理現象的漸進出現。 加熱使通風空氣變暖,並使表面和整體水分被加熱驅散。 當這種空氣在通風分流處遇到較冷的空氣時,會發生冷凝,從而導致回風表面出現霧霾和出汗現象。 下一個跡像是典型的油味或汽油味,最後是煙霧,最後是可見的火焰。
一氧化碳 (CO) 是無味的,在自燃的特徵氣味出現之前,在大約 50 至 60 °C 時出現可測量的濃度。 因此,大多數火災探測系統依賴於探測礦井特定部分的一氧化碳濃度是否高於正常背景。
有時,一個人首先會在一瞬間注意到微弱的氣味,從而首先檢測到暖氣。 在檢測到可測量的一氧化碳濃度持續增加之前,可能必須對該區域進行多次徹底檢查。 因此,礦山中的所有人員都不應放鬆警惕,一旦懷疑或檢測到並報告了指示劑的存在,就應立即實施預先安排的干預過程。 幸運的是,由於自 1970 世紀 XNUMX 年代以來火災探測和監測技術取得了長足進步(例如,探測器管、袖珍型電子探測器和計算機化固定係統),不再需要僅依賴人類感官。
便攜式氣體檢測儀器
氣體檢測儀器旨在檢測和監測可能導致火災、爆炸和有毒或缺氧大氣的各種氣體類型和濃度的存在,以及提供自發性氣體爆發的早期預警燃燒。 使用它們的氣體包括 CO、二氧化碳 (CO2), 二氧化氮 (NO2), 硫化氫 (H2S)和二氧化硫(SO2). 可以使用不同類型的儀器,但在決定在特定情況下使用哪種儀器之前,必須回答以下問題:
工人必須接受正確使用便攜式氣體探測器的培訓。 儀器必鬚根據製造商的規格進行維護。
通用檢測器套件
檢測器套件包括一個彈簧加載的活塞式或波紋管式泵和一系列可更換的玻璃指示管,其中包含特定氣體的特定化學物質。 該泵的容量為 100 cc,可以用一隻手操作。 這允許在傳遞到波紋管之前通過指示管抽取該尺寸的樣品。 刻度尺上的警告指示器對應於一般變色的最低水平,而不是顏色滲透的最深點。
該設備易於使用,不需要校準。 但是,某些預防措施是適用的:
催化式甲烷計
催化式甲烷計用於地下礦山測量空氣中的甲烷濃度。 它有一個基於四根電阻匹配螺旋線網絡原理的傳感器,通常是催化絲,以稱為惠斯通電橋的對稱形式排列。 通常,兩個燈絲是有源的,另外兩個是無源的。 活性絲或珠通常塗有氧化鈀催化劑,以在較低溫度下引起可燃氣體的氧化。
大氣中的甲烷通過燒結盤擴散或被吸氣器或內部泵吸入到達樣品室。 按下甲烷計的操作按鈕關閉電路,流過惠斯通電橋的電流氧化樣品室中催化(活性)絲上的甲烷。 該反應的熱量提高了催化絲的溫度,增加了它們的電阻並使電橋失去平衡。 流動的電流與元件的電阻成正比,因此與存在的甲烷量成正比。 這顯示在以甲烷百分比刻度的輸出指示器上。 惠斯通電橋電路中的參考元件用於補償環境條件的變化,例如環境溫度和大氣壓力。
該工具有許多重要的局限性:
電化學電池
使用電化學電池的儀器在地下礦井中用於測量氧氣和一氧化碳濃度。 有兩種類型可供選擇:僅對氧氣濃度變化作出反應的成分電池,以及對大氣中氧氣分壓變化作出反應的分壓電池,從而對每單位體積的氧分子數作出反應.
複合電池採用毛細管擴散屏障,它減緩了氧氣通過燃料電池的擴散,因此氧氣到達電極的速度完全取決於樣品中的氧氣含量。 該電池不受高度(即大氣壓力)、溫度和相對濕度變化的影響。 一氧化碳的存在2 然而,混合物中的氧氣會擾亂氧氣的擴散速度並導致錯誤的高讀數。 例如,存在 1% 的 CO2 將氧氣讀數增加 0.1%。 雖然很小,但這種增加可能仍然很重要,而且並非萬無一失。 如果要在餘潮或其他已知含有 CO 的大氣中使用該儀器,請務必了解此限制2.
分壓電池基於與濃差電池相同的電化學原理,但沒有擴散屏障。 它只對每單位體積的氧分子數量作出反應,使其依賴於壓力。 一氧化碳2 濃度低於 10% 對讀數沒有短期影響,但從長遠來看,二氧化碳會破壞電解質並縮短電池壽命。
以下條件會影響分壓電池產生的氧氣讀數的可靠性:
其他電化學電池
已經開發出能夠測量從 1 ppm 到上限 4,000 ppm 的 CO 濃度的電化學電池。 它們通過測量浸入酸性電解質中的電極之間的電流來工作。 CO在陽極氧化生成CO2 並且反應釋放與CO濃度成正比的電子。
氫氣、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫的電化學電池也可用,但存在交叉敏感性。
沒有市售的 CO 電化學電池2. 隨著包含對濃度高達 5% 的二氧化碳敏感的微型紅外電池的便攜式儀器的開發,這一缺陷已被克服。
非色散紅外探測器
非色散紅外探測器 (NDIR) 可以測量所有含有 -CO、-CO 等化學基團的氣體2 和-CH3, 吸收特定於其分子結構的紅外頻率。 這些傳感器價格昂貴,但它們可以為一氧化碳、一氧化碳等氣體提供準確的讀數2 和甲烷在其他氣體和低氧水平的變化背景中,因此非常適合監測密封件後面的氣體。 歐2,N2 和H.2 不吸收紅外輻射,不能用這種方法檢測。
其他帶有基於熱傳導和折射率檢測器的便攜式系統在採煤業中的使用有限。
便攜式氣體檢測儀器的局限性
便攜式氣體檢測儀器的有效性受到許多因素的限制:
集中監控系統
使用手持式儀器進行的檢查、通風和調查通常可以在氣體被通風系統驅散或濃度超過法定限值之前成功檢測和定位含有有限 CO 的小型供暖設備。 但是,如果已知存在重大燃燒風險、回流中的甲烷含量超過 1% 或懷疑存在潛在危險,這些還不夠。 在這種情況下,需要在戰略位置進行持續監控。 許多不同類型的中央連續監測系統正在使用中。
管束系統
管束系統於 1960 年代在德國開發,用於檢測和監控自燃的進展。 它涉及多達 20 根直徑為 1/4 或 3/8 英寸的尼龍或聚乙烯塑料管,從地面上的一組分析儀延伸到地下的選定位置。 這些管子配有過濾器、排水管和火焰收集器; 分析儀通常是紅外線的 CO, CO2 甲烷和順磁性氧氣。 清道夫泵同時通過每個管抽取樣品,順序計時器將樣品從每個管中依次引導通過分析儀。 數據記錄器記錄每個位置的每種氣體的濃度,並在超過預定水平時自動觸發警報。
這個系統有很多優點:
還有一些缺點:
遙測(電子)系統
遙測自動氣體監測系統在地面上有一個控制模塊,在戰略位置位於地下的本質安全傳感器頭通過電話線或光纖電纜連接。 傳感器可用於甲烷、CO 和空氣速度。 CO 傳感器類似於便攜式儀器中使用的電化學傳感器,並受到相同的限制。 甲烷傳感器通過甲烷催化燃燒惠斯登電橋電路的活性元件來工作,這些元件可能會被硫化合物、磷酸酯或矽化合物中毒,並且在氧氣濃度低時不工作。
該系統的獨特優勢包括:
還有一些缺點:
氣相色譜儀
氣相色譜儀是一種精密的設備,可以高精度地分析樣品,直到最近,它只能由化學家或經過專門培訓的合格人員充分使用。
來自管束式系統的氣體樣品自動注入氣相色譜儀,也可以從礦井帶出的袋樣中手動引入。 特殊填充的色譜柱用於分離不同的氣體,合適的檢測器(通常是熱導或火焰電離)用於測量從色譜柱中流出的每種氣體。 分離過程提供了高度的特異性。
氣相色譜儀具有以下特殊優勢:
它的缺點包括:
系統選擇
管束系統更適用於監測預計氣體濃度不會快速變化的位置,或者像密封區域一樣可能具有低氧環境。
遙測系統是首選位置,例如環路或在氣體濃度快速變化可能具有重要意義的工作面上。
氣相色譜法不會取代現有的監測系統,但它可以提高分析的範圍、準確性和可靠性。 當涉及確定爆炸風險或當加熱達到高級階段時,這一點尤為重要。
抽樣注意事項
塑料袋現在在行業中被廣泛用於取樣。 塑料可最大限度地減少洩漏,並可將樣品保存 5 天。 氫氣,如果存在於袋子中,會降解,每天損失其原始濃度的約 1.5%。 足球膀胱中的樣本會在半小時內改變濃度。 袋子很容易裝滿,樣品可以擠入分析儀器或用泵抽出。
通過泵在壓力下填充的金屬管可以長時間儲存樣品,但樣品的體積有限,洩漏很常見。 玻璃對氣體呈惰性,但玻璃容器易碎,不稀釋就很難取出樣品。
採集樣品時,容器應至少預沖洗XNUMX次,確保前一次樣品完全沖洗乾淨。 每個容器都應該有一個標籤,上面載有採樣日期和時間、確切位置、採樣人員姓名和其他有用信息。
採樣數據的解釋
氣體採樣和分析結果的解釋是一門要求很高的科學,只能由受過專門訓練和有經驗的人員嘗試。 這些數據在許多緊急情況下都至關重要,因為它們提供了計劃和實施糾正和預防措施所需的地下情況信息。 在地下加熱、火災或爆炸發生期間或之後,應實時監測所有可能的環境參數,使負責人員能夠準確判斷情況的狀態並衡量其進展,以便他們及時啟動任何需要的救援活動。
氣體分析結果必須符合以下標準:
解釋氣體分析結果應遵循以下規則:
計算無空氣結果
通過計算樣品中的大氣空氣獲得無空氣結果(Mackenzie-Wood 和 Strang 1990)。 這允許在消除空氣洩漏的稀釋效應後,對來自相似區域的樣品進行適當比較。
公式為:
無空氣結果 = 分析結果 / (100 - 4.776 歐2)
推導如下:
大氣 = O2 + N.2 = ○2 + 79.1歐2 / 20.9 = 4.776 歐2
當需要對結果進行趨勢分析並且採樣點和源之間存在空氣稀釋風險、採樣管線中發生漏氣或袋樣品和密封件可能吸入空氣時,無空氣結果非常有用。例如,如果加熱產生的一氧化碳濃度呈趨勢變化,那麼通風量增加導致的空氣稀釋可能會被誤解為源頭一氧化碳的減少。 無空氣濃度的趨勢將給出正確的結果。
如果採樣區域正在產生甲烷,則需要進行類似的計算:甲烷濃度的增加會稀釋存在的其他氣體的濃度。 因此,增加的二氧化碳水平實際上可能表現為減少。
無甲烷結果計算如下:
無甲烷結果 = 分析結果 /(100 - CH4%)
自燃
自燃是一種物質可以由於內部熱量而點燃的過程,這種內部熱量是由於反應釋放熱量的速度快於它向環境中散失的速度而自發產生的。 煤的自發加熱通常很慢,直到溫度達到約 70 °C,稱為“交叉”溫度。 高於此溫度,反應通常會加速。 在超過 300 °C 時,會釋放出揮發物,也稱為“煤氣”或“裂解氣”。 這些氣體(氫氣、甲烷和一氧化碳)會在大約 650 °C 的溫度下自燃(據報導,自由基的存在會導致煤在大約 400 °C 時出現火焰)。 表 1 列出了典型的自燃案例中涉及的過程(不同的煤會產生不同的圖片)。
表 1. 煤的加熱 - 溫度等級
煤吸收O的溫度2 形成絡合物並產生熱量 |
|
30°C |
複合體分解產生 CO/CO2 |
45°C |
煤真正氧化產生CO和CO2 |
70°C |
交叉溫度,升溫加速 |
110°C |
水分,H2 並釋放出特有的氣味 |
150°C |
解吸甲烷4, 釋放的不飽和烴 |
300°C |
裂化氣體(例如,H2, 一氧化碳, 甲烷4) 發布 |
400°C |
明火 |
資料來源:張伯倫等。 1970.
一氧化碳
在註意到典型的燃燒氣味之前,CO 實際上在大約 50 °C 時被釋放。 大多數設計用於檢測自燃發生的系統都是基於檢測礦井特定區域中濃度高於正常背景的一氧化碳。
一旦檢測到加熱,就必須對其進行監控以確定加熱狀態(即其溫度和程度)、加速度、有毒物質排放和大氣的爆炸性。
監控加熱
有許多指標和參數可用於幫助規劃人員確定加熱的範圍、溫度和進展速度。 這些通常基於通過可疑區域的空氣成分的變化。 多年來,文獻中描述了許多指標,但大多數指標的使用範圍非常有限,而且價值很小。 所有這些都是特定於地點的,並且因不同的煤和條件而異。 一些比較流行的包括:一氧化碳趨勢; 一氧化碳製造(Funkemeyer 和 Kock 1989); 格雷厄姆比率 (Graham 1921) 示踪氣體 (Chamberlain 1970); 莫里斯比率 (Morris 1988); 和一氧化碳/二氧化碳比率。 密封後,由於沒有規定的氣流,指示器可能難以使用。
沒有任何一種指示器能夠提供一種精確可靠的方法來測量加熱的進度。 決策必須基於收集、製表、比較和分析所有信息,並根據培訓和經驗進行解釋。
爆炸
爆炸是煤礦開採中最大的單一危險。 它有可能殺死整個地下工作人員,摧毀所有設備和服務,並阻止礦井的任何進一步工作。 而且,這一切都可以在 2 到 3 秒內發生。
必須始終監控礦井中大氣的易爆性。 當工人在瓦斯礦井中進行救援作業時,這一點尤為緊迫。
與評估加熱的指標一樣,有多種技術可用於計算地下礦井中大氣的爆炸性。 它們包括: Coward 三角 (Greuer 1974); Hughes 和 Raybold 的三角形(Hughes 和 Raybold 1960); Elicott 的圖表(Elicott 1981); 和 Trickett 比率(Jones 和 Trickett 1955)。 由於條件和環境的複雜性和多變性,沒有單一的公式可以作為保證在特定礦山的特定時間不會發生爆炸的保證。 人們必須依靠高度和不懈的警惕性、高度的懷疑指數和在可能即將發生爆炸的最輕微跡象時毫不猶豫地採取適當的行動。 為確保不會發生爆炸,暫時停產是一筆相對較小的溢價。
結論
本文總結了地下礦井可能涉及火災和爆炸的氣體檢測。 礦井氣體環境的其他健康和安全影響(例如粉塵病、窒息、毒性作用等)在本章的其他文章和本章的其他地方進行了討論 百科全書.
礦山緊急情況的發生通常是由於缺乏系統或現有系統故障來限制、控製或防止觸發事件的情況,如果管理不善,就會導致災難。 緊急情況可以定義為影響人員安全或福利或運營連續性的計劃外事件,需要有效和及時的響應以遏制、控製或緩解這種情況。
所有形式的採礦作業都有可能導致緊急情況的特殊危險和風險。 地下採煤的危害包括甲烷釋放和煤塵產生、高能採礦系統和煤的自燃傾向。 由於地層破裂(岩爆、岩崩、上盤和柱子破裂)、意外起爆炸藥和硫化礦粉塵,地下金屬礦開採可能會發生緊急情況。 露天採礦作業涉及與大型高速移動設備、意外起爆和邊坡穩定性相關的風險。 礦物加工過程中可能會發生危險化學品接觸、溢出或洩漏以及尾礦壩失效。
良好的採礦和運營實踐已經演變為包含相關措施來控製或減輕這些風險。 然而,儘管一些國家已採用正式的風險管理技術作為提高礦山安全並降低礦山緊急情況的可能性和後果的積極戰略,但礦難在世界各地繼續經常發生。
事故調查和詢問繼續發現未能吸取過去的教訓以及未能對已知的危害和風險採取有效的障礙和控制措施。 這些失敗往往因缺乏足夠的措施來干預、控制和管理緊急情況而變得更加複雜。
本文概述了一種應急準備方法,可用作控制和減輕採礦危害和風險的框架,並製定有效措施以確保對緊急情況的控制和礦山運營的連續性。
應急準備管理系統
擬議的應急準備管理系統包括一種預防和管理緊急情況的綜合系統方法。 這包括:
將應急準備納入 ISO 9000 質量管理體系框架提供了一種結構化的方法,可以及時、有效和安全地遏制和控制緊急情況。
組織意圖和承諾
很少有人會相信有必要進行應急準備,除非潛在的危險被識別出來並且被視為直接威脅,即使不是很可能也很有可能發生並且可能在相對較短的時間內發生。 然而,緊急情況的本質是這種認識通常不會在事件發生之前發生,或者被合理化為沒有威脅。 缺乏適當的系統或現有系統出現故障會導致事故或緊急情況。
對有效的應急準備計劃的承諾和投資為組織提供了能力、專業知識和系統,以提供安全的工作環境、履行道德和法律義務並增強緊急情況下業務連續性的前景。 在煤礦火災和爆炸(包括非致命事故)中,由於損壞程度、所採用的控制措施的類型和性質,甚至是礦山的損失,業務連續性損失往往是巨大的。 調查過程也有很大影響。 未能採取有效措施來管理和控制事件將進一步加劇整體損失。
有效的應急準備系統的開發和實施需要管理層的領導、承諾和支持。 因此,有必要:
必要的領導和承諾可以通過任命一名經驗豐富、有能力和備受尊敬的官員作為應急準備協調員來證明,該官員有權確保組織所有級別和所有單位的參與和合作。 在協調員的領導下成立應急準備計劃委員會,將提供必要的資源,以在整個組織內規劃、組織和實施綜合有效的應急準備能力。
風險評估
風險管理過程能夠識別和分析組織面臨的風險類型,以確定其發生的可能性和後果。 然後,該框架使風險能夠根據既定標准進行評估,以確定風險是否可接受或必須採用何種形式的處理來降低這些風險(例如,降低發生的可能性、減少發生的後果、轉移全部或部分風險)風險或規避風險)。 然後製定、實施和管理有針對性的實施計劃,以控制已識別的風險。
該框架可以類似地應用於製定應急計劃,以便在出現意外情況時能夠實施有效的控制措施。 風險的識別和分析可以高度準確地預測可能出現的情況。 然後可以確定控制措施來解決每個公認的緊急情況,然後形成應急準備戰略的基礎。
可能被識別的場景可能包括表 1 中列出的部分或全部場景。或者,國家標準,例如澳大利亞標準 AS/NZS 4360:1995—風險管理,可能會提供一般風險來源列表,其他分類的風險,以及風險影響的領域,為應急準備中的危險分析提供了一個全面的結構。
表 1. 應急準備的關鍵要素/子要素
火災
化學品溢出/洩漏
受傷
自然災害
社區疏散
|
爆炸/內爆
內亂
電源(檢測)失敗
突水
|
曝光
環境建議
塌陷
交通運輸
解救
|
資料來源:安大略省礦山事故預防協會(未註明日期)。
應急控制措施和策略
應在應急準備系統內確定、評估和製定三個級別的響應措施。 個人或主要反應 包括個人在識別危險情況或事件時採取的行動,包括:
二次反應 包括受過訓練的響應人員在收到事件通知後採取的行動,包括消防隊、搜救隊和特殊傷員救援隊 (SCAT),所有這些都使用先進的技能、能力和設備。
三級反應 包括在無法安全或有效利用主要和次要響應的情況下部署專門的系統、設備和技術,包括:
定義應急組織
允許情況持續的時間越長,緊急情況就會變得越嚴重。 現場人員必須做好適當應對緊急情況的準備。 必須協調和管理大量活動,以確保迅速有效地控制局勢。
應急組織提供了一個結構化框架,定義並整合了應急策略、管理結構(或指揮鏈)、人員資源、角色和職責、設備和設施、系統和程序。 它涵蓋緊急情況的所有階段,從最初的識別和遏制活動,到通知、動員、部署和恢復(恢復正常運作)。
應急組織應解決一些關鍵因素,包括:
應急設施、設備和材料
控制和減輕緊急情況所需的設施、設備和材料的性質、範圍和範圍將通過風險管理流程的應用和擴展以及緊急控制策略的確定來確定。 例如,高度的火災風險將需要提供足夠的消防設施和設備。 這些將根據風險狀況進行部署。 同樣,有效解決生命支持和急救或疏散、逃生和救援所需的設施、設備和材料可如表 2 所示確定。
表 2. 應急設施、設備和物資
緊急新聞 |
反應水平 |
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主 |
次要 |
第三 |
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火 |
安裝在高風險區域附近的滅火器、消防栓和軟管,例如傳送帶、加油站、變壓器和變電站,以及移動設備 |
在中心區域提供呼吸器和防護服,使“消防隊”能夠使用泡沫發生器和多根軟管等先進設備做出反應 |
提供遠程密封或惰化。 |
生命支持和急救 |
生命支持、呼吸和循環 |
急救、分診、穩定和解救 |
輔助醫療、法醫、法律 |
疏散、逃生和救援 |
提供警告或通知系統、安全逃生通道、氧氣自救器、生命線和通信系統、運輸車輛的可用性 |
提供裝備適當的避難所、訓練有素和裝備精良的地雷救援隊、人員定位裝置 |
大直徑鑽孔救援系統、惰性化、專門設計的救援車輛 |
緊急情況下可能需要的其他設施和設備包括事件管理和控制設施、員工和救援集合區、現場安全和訪問控制、近親和媒體設施、材料和消耗品、運輸和物流。 這些設施和設備是在事故發生前提供的。 最近的地雷緊急情況加強了關註三個具體基礎設施問題的必要性,即避難所、通信和大氣監測。
避難所
避難所越來越多地被用作加強地下人員逃生和救援的手段。 有些旨在允許人員進行自救並安全地與地面通信; 其他的設計用於長時間避難,以便進行輔助救援。
安裝避難室的決定取決於礦井的整體逃生和救援系統。 在考慮避難所的需要和設計時,需要評估以下因素:
通訊
通信基礎設施通常在所有礦山中都已到位,以促進運營管理和控制,並通過呼叫支持為礦山安全做出貢獻。 不幸的是,基礎設施通常不夠堅固,無法承受重大火災或爆炸,從而在最有益的時候中斷通信。 此外,傳統系統包含無法與大多數呼吸器一起安全使用的手持設備,並且通常部署在固定設備附近的主要進氣道中,而不是逃生通道中。
應密切評估事後溝通的必要性。 雖然事後通信系統最好是事前系統的一部分,但為了提高可維護性、成本和可靠性,可能需要一個獨立的應急通信系統。 無論如何,通信系統應該整合到整體逃生、救援和應急管理策略中。
大氣監測
了解事故發生後礦井中的情況對於確定和實施最適當的措施來控制情況以及協助逃生工人和保護救援人員至關重要。 應密切評估事故後大氣監測的需求,並應提供滿足特定礦山需求的系統,可能包括:
應急準備技能、能力和培訓
通過確定核心風險和應急控制措施、制定應急組織和程序以及確定必要的設施和設備,可以很容易地確定有效應對緊急情況所需的技能和能力。
應急準備技能和能力不僅包括應急計劃和管理,還包括與初級和次級響應舉措相關的各種基本技能,這些技能應納入綜合培訓戰略,包括:
應急準備系統通過確定緊急情況下特定、可預測和可靠的工作場所成果的必要性、程度和範圍以及支撐能力,為製定有效的培訓戰略提供了一個框架。 該系統包括:
表 3. 應急準備培訓矩陣
訓練反應水平 |
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教育小學 |
程序性/次要 |
功能/第三 |
旨在確保員工了解礦山緊急情況的性質以及整體應急計劃的具體方面如何涉及或影響個人,包括主要響應措施。 |
成功完成應急響應計劃中定義的特定程序的技能和能力以及與特定緊急情況相關的二級響應措施。 |
發展管理和控制緊急情況所需的技能和能力。 |
知識和能力要素 |
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審計、審查和評估
需要採用審計和審查流程來評估和評估整體應急系統、程序、設施、維護計劃、設備、培訓和個人能力的有效性。 審計或模擬的實施毫無例外地提供了改進的機會、建設性的批評和對關鍵活動令人滿意的績效水平的驗證。
每個組織都應針對每個運營班次每年至少測試一次其整體應急計劃。 計劃的關鍵要素,如應急電源或遠程報警系統,應單獨進行測試並更頻繁地進行測試。
有兩種基本的審計形式。 橫向審計 涉及測試整體應急計劃的小而具體的元素,以確定缺陷。 看似很小的缺陷在實際緊急情況下可能會變得很嚴重。 表 4 列出了此類要素和相關缺陷的示例。 垂直審計 通過模擬緊急事件同時測試計劃的多個元素。 可以通過這種方式審計遠程礦山或設施的計劃啟動、搜索和救援程序、生命支持、消防和與應急響應相關的後勤等活動。
表 4. 應急計劃橫向審計示例
元件 |
不足 |
初期事件或事件的指標 |
不承認、通知、記錄和處理 |
警報/疏散程序 |
不熟悉疏散程序的員工 |
緊急呼吸器的佩戴 |
不熟悉呼吸器的員工 |
消防設備 |
滅火器已排放,灑水噴頭被塗漆,消防栓被隱藏或掩埋 |
緊急警報 |
警報被忽略 |
氣體檢測儀器 |
未定期維護、維修或校準 |
模擬可能涉及來自多個部門的人員,也可能涉及其他公司、互助組織,甚至是警察和消防部門等緊急服務部門的人員。 外部應急服務組織的參與為各方提供了寶貴的機會來加強和整合應急準備操作、程序和設備,並針對特定地點的主要風險和危害調整響應能力。
應盡快進行正式評審,最好是在審計或模擬之後立即進行。 表彰應該擴展到那些表現出色的個人或團隊。 必須盡可能具體地描述弱點,並審查程序以在必要時納入系統改進。 必須實施必要的更改,並且必須監控性能以進行改進。
強調計劃、實踐、紀律和團隊合作的持續計劃是均衡模擬和訓練演練的必要元素。 經驗反复證明,每一次演練都是一次好演練; 每一次演習都是有益的,並且提供了展示優勢和暴露需要改進的領域的機會。
定期風險和能力重新評估
很少有風險保持不變。 因此,需要監控和評估風險以及控制和應急準備措施的能力,以確保不斷變化的環境(例如,人員、系統、流程、設施或設備)不會改變風險優先級或削弱系統能力。
結論
緊急情況通常被認為是不可預見的事件。 然而,在這個通訊和技術發達的時代,很少有事件可以真正稱為不可預見的,也很少有不幸是沒有經歷過的。 報紙、危險警報、事故統計和技術報告都為準備不足的人提供了可靠的歷史數據和未來可能發生的景象。
儘管如此,緊急情況的性質會隨著行業的變化而變化。 依靠從過去的經驗中採取的技術和應急措施並不總能為未來的事件提供相同程度的安全保障。
風險管理為了解礦山危害和風險以及開發有效的應急響應能力和系統提供了全面和結構化的方法。 必須了解並持續應用風險管理流程,尤其是在將礦山救援人員部署到具有潛在危險或爆炸性的環境中時。
支持勝任的應急準備是對所有礦工進行基本危險意識培訓、早期識別和通知初期事件和触發事件以及主要反應和逃生技能。 在高溫、潮濕、煙霧和低能見度條件下進行預期訓練也很重要。 未能對人員進行這些基本技能的充分培訓往往是事故和災難之間的區別。
培訓提供了實施應急準備組織和規劃的機制。 質量系統框架內的應急準備與例行審計和模擬相結合,提供了改進和加強應急準備的機制。
國際勞工組織 1955 年礦山安全與健康公約(第 176 號)和 1995 年建議書(第 183 號)為改善礦山安全與健康提供了一個總體框架。 擬議的應急準備系統為實現公約和建議書中確定的成果提供了一種方法。
致謝: 非常感謝煤礦技術服務經理(澳大利亞新南威爾士州礦山救援服務中心)Paul MacKenzie-Wood 先生在本文的準備和評論中提供的協助。
校長 空氣傳播的危害 在採礦業中,包括幾種類型的微粒、自然產生的氣體、發動機廢氣和一些化學蒸汽; 校長 物理危害 是噪音、分段振動、熱量、氣壓變化和電離輻射。 根據礦山或採石場、深度、礦石和周圍岩石的成分以及採礦方法,這些情況會以不同的組合出現。 在一些偏遠地區聚居的礦工群體中,還存在傳播某些傳染病的風險,例如肺結核、肝炎(乙型和戊型)和人類免疫缺陷病毒(HIV)。 礦工的接觸程度因工作、與危險源的接近程度以及危險控制方法的有效性而異。
空氣中的顆粒物危害
游離結晶二氧化矽 是地殼中最豐富的化合物,因此是礦工和採石場工人面臨的最常見的空氣粉塵。 游離二氧化矽是二氧化矽,它不與任何其他化合物化學鍵合為矽酸鹽。 二氧化矽最常見的形式是石英,但它也可能以斜石英或方英石的形式出現。 每當含二氧化矽的岩石被鑽孔、爆破、壓碎或以其他方式粉碎成細小顆粒時,就會形成可吸入顆粒。 不同種類岩石中的二氧化矽含量各不相同,但這並不是空氣樣本中可能發現多少可吸入二氧化矽粉塵的可靠指標。 例如,在岩石中發現 30% 的游離二氧化矽而在空氣樣本中發現 10% 的游離二氧化矽並不少見,反之亦然。 砂岩的二氧化矽含量最高可達 100%,花崗岩最高可達 40%,板岩最高可達 30%,其他礦物的比例較低。 暴露可能發生在任何露天或地下採礦作業中,其中在露天礦山的覆蓋層或地下礦山的天花板、地板或礦床中發現二氧化矽。 二氧化矽可以通過風、車輛交通或土方機械散佈。
充分接觸二氧化矽會導致矽肺病,這是一種典型的塵肺病,在接觸多年後會逐漸發展。 異常高的接觸量可在數月內導致急性或加速矽肺病,並在幾年內造成嚴重損害或死亡。 接觸二氧化矽還與結核病、肺癌和一些自身免疫性疾病(包括硬皮病、系統性紅斑狼瘡和類風濕性關節炎)的風險增加有關。 新破碎的二氧化矽粉塵似乎比舊的或陳舊的粉塵更具反應性和危險性。 這可能是新形成的顆粒表面電荷相對較高的結果。
採礦和採石中產生可吸入矽塵的最常見過程是鑽孔、爆破和切割含矽岩石。 大多數用於爆破的鑽孔都是通過安裝在拖拉機履帶上的氣動衝擊鑽完成的。 該孔是通過鑽頭的旋轉、衝擊和推力的組合形成的。 隨著孔的加深,添加鋼鑽桿以將鑽頭連接到電源。 空氣不僅為鑽孔提供動力,還將切屑和灰塵從孔中吹出,如果不加以控制,就會向環境中註入大量灰塵。 手持式千斤頂或沉鑽的工作原理相同,但規模較小。 該設備會向操作員傳遞大量振動,隨之而來的是振動白手指的風險。 振動白指已在印度、日本、加拿大等地的礦工中被發現。 履帶鑽機和千斤頂還用於必須鑽孔或破碎岩石以建造高速公路、為地基破碎岩石、用於道路維修工作和其他目的的建築項目。
這些演習的粉塵控制已經開發出來並且是有效的。 水霧,有時含有清潔劑,被注入吹氣中,幫助灰塵顆粒聚結並脫落。 過多的水會導致鑽鋼和孔側之間形成橋接或套環。 這些通常必須被打破才能移除鑽頭; 水太少是無效的。 這種類型的控制存在的問題包括鑽井速度降低、缺乏可靠的供水和油的置換導致潤滑部件磨損增加。
另一種鑽頭粉塵控制是局部排氣通風。 通過鑽鋼的反向氣流帶走了一些灰塵,鑽頭周圍的套環帶有管道系統和風扇以去除灰塵。 它們的性能優於上述濕式系統:鑽頭使用壽命更長,鑽孔率更高。 然而,這些方法更昂貴並且需要更多維護。
其他提供保護的控制裝置是駕駛室,為鑽機操作員、推土機操作員和車輛駕駛員提供經過過濾的空調空氣供應。 正確安裝的適當呼吸器可作為臨時解決方案用於工人保護,或者如果所有其他呼吸器都證明無效。
二氧化矽暴露也發生在必須將石頭切割成指定尺寸的採石場。 現代最常見的石材切割方法是使用以柴油和壓縮空氣為燃料的槽形燃燒器。 這會產生一些二氧化矽顆粒。 槽形燃燒器最重要的問題是噪音:當燃燒器第一次被點燃和從切口中出現時,聲級可能超過 120 dBA。 即使將其浸入切口中,噪音也約為 115 dBA。 另一種切割石頭的方法是使用高壓水。
通常附屬於或靠近採石場的是一個磨坊,在那裡將碎片雕刻成更成品。 除非有非常好的局部排氣通風,否則二氧化矽的暴露量可能很高,因為使用振動和旋轉的手動工具將石頭塑造成所需的形狀。
可吸入煤礦粉塵 是地下和露天煤礦以及煤炭加工設施中的一種危害。 它是一種混合粉塵,主要由煤組成,但也可能含有二氧化矽、粘土、石灰石和其他礦物粉塵。 煤礦粉塵的成分隨煤層、周圍地層的成分和開採方式的不同而不同。 煤礦粉塵是在煤的爆破、鑽孔、切割和運輸過程中產生的。
機械化採礦產生的粉塵比人工方法產生的粉塵多,有些機械化採礦方法產生的粉塵比其他方法多。 在機械化採礦作業中,使用裝有鎬的旋轉滾筒去除煤炭的切割機是粉塵的主要來源。 其中包括所謂的連續採礦機和長壁採礦機。 與其他採礦方法相比,長壁採礦機通常會產生更多的粉塵。 長壁採礦中盾構的移動以及煤炭從車輛或傳送帶轉移到其他運輸工具時也會發生粉塵擴散。
煤礦粉塵引起煤工塵肺(CWP),並導致慢性支氣管炎、肺氣腫等慢性氣道疾病的發生。 高級煤(例如,無菸煤等高碳含量)與 CWP 的較高風險相關。 煤礦粉塵也有一些類風濕樣反應。
改變採煤技術可以減少煤礦粉塵的產生,並可以通過充分通風和噴水來控製粉塵的擴散。 如果降低切割滾筒的旋轉速度並提高電車速度(滾筒進入煤層的速度),則可以減少粉塵的產生而不會降低生產率。 在長壁採礦中,可以通過一次(而不是兩次)工作面切割煤並在不切割的情況下返回,或通過清理切割來減少粉塵產生。 同向開採(即工作面的鍊式輸送機、刀盤和空氣都沿同一方向運行)可以減少長壁部分的粉塵擴散。 一種新穎的煤炭切割方法使用偏心刀頭連續垂直於礦床的顆粒切割,似乎比傳統的圓形切割頭產生更少的粉塵。
充分的機械通風首先流過採礦人員,然後流向並流過採礦工作面,可以減少暴露。 工作面的輔助局部通風,使用帶有管道系統和洗滌器的風扇,也可以通過提供局部排氣通風來減少暴露。
噴水,策略性地放置在刀盤附近,迫使灰塵遠離礦工並朝向工作面,也有助於減少暴露。 表面活性劑在降低煤塵濃度方面提供了一些好處。
石棉接觸 發生在石棉礦工和在礦石中發現石棉的其他礦山中。 在世界各地的礦工中,接觸石棉會增加患肺癌和間皮瘤的風險。 它還增加了患石棉沉著病(另一種肺塵埃沉著病)和呼吸道疾病的風險。
柴油機排氣 是氣體、蒸氣和顆粒物的複雜混合物。 最危險的氣體是一氧化碳、氮氧化物、二氧化氮和二氧化硫。 揮發性有機化合物 (VOC) 很多,例如醛類和未燃燒的碳氫化合物、多環芳烴 (PAH) 和硝基多環芳烴化合物 (N-PAH)。 PAH 和 N-PAH 化合物也被吸附到柴油顆粒物上。 氮氧化物、二氧化硫和醛類都是急性呼吸道刺激物。 許多 PAH 和 N-PAH 化合物具有致癌性。
柴油機顆粒物由小直徑(直徑 1 毫米)的碳顆粒組成,這些碳顆粒從廢氣中凝結,通常在空氣中聚集成團或串狀。 這些顆粒都是可吸入的。 柴油顆粒物和其他類似大小的顆粒對實驗室動物具有致癌性,並且在濃度高於約 0.1 mg/m 時似乎會增加暴露工人患肺癌的風險3. 地下礦井中的礦工會接觸到更高水平的柴油顆粒物。 國際癌症研究機構 (IARC) 認為柴油顆粒物是一種可能的致癌物。
通過發動機設計和使用優質、清潔和低硫燃料,可以減少柴油機尾氣的產生。 低十六烷值和低硫含量的降級發動機和燃料產生的顆粒物較少。 使用低硫燃料減少二氧化硫的產生2 和顆粒物。 過濾器是有效且可行的,可以從廢氣流中去除 90% 以上的柴油顆粒物。 過濾器可用於不帶洗滌器的發動機和帶水洗滌器或乾式洗滌器的發動機。 使用催化轉化器可以顯著減少一氧化碳。 每當氮氣和氧氣處於高壓和高溫條件下(即在柴油缸內)時,就會形成氮氧化物,因此,它們更難以消除。
通過充分的機械通風和限制柴油設備的使用,可以降低地下礦井中分散的柴油顆粒物的濃度。 任何柴油動力車輛或其他機器都需要最少量的通風來稀釋和去除廢氣產物。 通風量取決於發動機的大小及其用途。 如果不止一台柴油動力設備在一個風道中運行,則必須增加通風以稀釋和去除廢氣。
柴油動力設備可能會增加火災或爆炸的風險,因為它會排放熱廢氣、火焰和火花,並且其表面溫度高可能會點燃任何積聚的煤塵或其他可燃材料。 在煤礦中,柴油發動機的表面溫度必須保持在 305 °F (150 °C) 以下,以防止煤炭燃燒。 廢氣中的火焰和火花可由洗滌器控制,以防止煤塵和甲烷著火。
氣體和蒸氣
表 1 列出了礦井中常見的氣體。 最重要的自然產生的氣體是 甲烷 和 硫化氫 在煤礦和氡在鈾和其他礦山。 兩者都可能缺氧。 甲烷是可燃的。 大多數煤礦爆炸都是由甲烷點燃引起的,隨後往往會發生更猛烈的爆炸,這些爆炸是由最初爆炸的衝擊所懸浮的煤塵引起的。 在整個煤礦開採歷史中,火災和爆炸一直是成千上萬礦工死亡的主要原因。 可以通過將甲烷稀釋至低於其爆炸下限並禁止在濃度通常最高的面部區域使用潛在火源來降低爆炸風險。 用不可燃石灰石(或其他不含二氧化矽的不可燃岩粉)對礦井肋骨(牆壁)、地板和天花板進行除塵有助於防止粉塵爆炸; 如果甲烷爆炸衝擊所懸浮的粉塵不可燃,則不會發生二次爆炸。
表 1. 煤礦中產生的有害氣體的通用名稱和健康影響
氣 |
統稱 |
健康影響 |
甲烷 (CH4) |
防火防潮 |
易燃、易爆; 單純窒息 |
一氧化碳(CO) |
白潮 |
化學窒息 |
硫化氫(H2S) |
臭潮 |
眼睛、鼻子、喉嚨刺激; 急性呼吸抑制 |
缺氧 |
黑色潮濕 |
缺氧 |
爆破副產品 |
受潮後 |
呼吸道刺激物 |
柴油機排氣 |
同 |
呼吸道刺激物; 肺癌 |
氡是一種天然存在的放射性氣體,已在鈾礦、錫礦和其他一些礦山中發現。 在煤礦中尚未發現。 與氡有關的主要危害是它是電離輻射源,這將在下面討論。
其他氣體危害包括在柴油發動機尾氣和爆破副產品中發現的呼吸道刺激物。 一氧化碳 不僅存在於發動機廢氣中,而且還存在於礦山火災中。 在礦山火災期間,CO 不僅可以達到致命濃度,而且還可能成為爆炸危險。
氮氧化物 (NOx), 主要是 NO 和 NO2, 由柴油發動機形成,是爆破的副產品。 在引擎中,NOx 作為空氣的固有副產品而形成,其中 79% 是氮氣,20% 是氧氣,在高溫和高壓條件下,柴油發動機運行所必需的條件。 NO的產生x 可以通過盡可能保持發動機冷卻以及通過增加通風來稀釋和去除廢氣來在一定程度上減少。
沒有x 也是爆破的副產品。 在爆破期間,礦工被從將要進行爆破的區域移走。 避免過度接觸氮氧化物、粉塵和其他爆破產物的常規做法是等到礦井通風從礦井中清除足夠數量的爆破副產品,然後再通過進氣道重新進入該區域。
缺氧 可以以多種方式發生。 氧氣可以被一些其他氣體取代,例如甲烷,或者它可以通過燃燒或在沒有通風的空氣空間中被微生物消耗。
特定礦工群體還面臨各種其他空氣傳播的危害。 接觸汞蒸氣並因此有汞中毒的風險,是金礦工和磨坊主以及汞礦工之間的一種危害。 接觸砷和患肺癌的風險發生在金礦工和鉛礦工中。 鎳礦工人經常接觸鎳,從而面臨患肺癌和皮膚過敏的風險。
一些塑料也可用於礦山。 這些包括 脲甲醛 和 聚氨酯泡沫,兩者都是就地製造的塑料。 它們用於堵塞孔洞並改善通風,並為屋頂支撐提供更好的錨固。 甲醛和異氰酸酯是這兩種泡沫的兩種起始材料,它們是呼吸道刺激物,兩者都會引起過敏性致敏,這使得敏感的礦工幾乎不可能在任何一種成分周圍工作。 甲醛是一種人類致癌物(IARC 第 1 類)。
物理危害
Noise 在礦業中無處不在。 它是由強大的機器、風扇、礦石的爆破和運輸產生的。 地下礦井通常空間有限,因此會產生混響場。 與相同的源處於更開放的環境中相比,噪聲暴露更大。
使用傳統的採礦機械噪聲控制方法可以減少噪聲暴露。 變速箱可以靜音,發動機可以更好地靜音,液壓機械也可以靜音。 滑槽可以隔熱或襯有吸音材料。 聽力保護器與定期聽力測試相結合通常是保護礦工聽力的必要條件。
電離輻射 是採礦業的危害。 氡可以在通過爆破鬆動時從石頭中釋放出來,但它也可能通過地下溪流進入礦井。 它是一種氣體,因此它是空氣傳播的。 氡及其衰變產物會發出電離輻射,其中一些能量足以在肺部產生癌細胞。 結果,鈾礦工人中肺癌的死亡率升高了。 對於吸煙的礦工來說,死亡率要高得多。
熱 對地下和露天礦工都是一種危害。 在地下礦井中,主要的熱源來自岩石本身。 每深度 1 米,岩石的溫度升高約 100 °C。 熱應激的其他來源包括工人的體力活動量、循環空氣量、環境空氣溫度和濕度以及採礦設備(主要是柴油動力設備)產生的熱量。 非常深的礦井(深度超過 1,000 米)會造成嚴重的熱問題,礦井肋骨的溫度約為 40 °C。 對於地表工人來說,體力活動、靠近熱發動機、氣溫、濕度和陽光是主要的熱源。
可以通過冷卻高溫機器、限制體力活動和提供足量的飲用水、遮陽和充分通風來減少熱應激。 對於地面機械,空調駕駛室可以保護設備操作員。 例如,在南非的深礦,地下空調裝置用於提供一些緩解,急救用品可用於應對熱應激。
許多礦山在高海拔地區(例如,高於 4,600 米)作業,因此,礦工可能會出現高原反應。 如果他們在高海拔的礦井和更正常的大氣壓力之間來回穿梭,這可能會加劇。
概況
原油和天然氣是含有 1 到 60 個碳原子的碳氫化合物分子(碳原子和氫原子的有機化合物)的混合物。 這些碳氫化合物的性質取決於其分子中碳原子和氫原子的數量和排列。 基本的碳氫化合物分子是 1 個碳原子與 4 個氫原子(甲烷)相連。 石油烴的所有其他變體都是從該分子演變而來的。 最多含有 4 個碳原子的碳氫化合物通常是氣體; 那些有5到19個碳原子的通常是液體; 那些有20個或更多的是固體。 除碳氫化合物外,原油和天然氣還含有硫、氮和氧化合物以及微量金屬和其他元素。
據信,原油和天然氣是在數百萬年的時間裡由植被和海洋生物的腐爛形成的,在沉積物的重壓下被壓縮。 由於石油和天然氣比水輕,它們會上升以填充這些上覆地層中的空隙。 當石油和天然氣到達緻密、覆蓋、不透水的地層或無孔岩石時,這種向上運動就停止了。 石油和天然氣充滿了多孔岩層和天然地下儲層(例如飽和砂)的空間,較輕的氣體位於較重的石油之上。 這些空間最初是水平的,但地殼的移動形成了被稱為斷層、背斜、鹽丘和地層圈閉的口袋,石油和天然氣聚集在這些地方的儲層中。
頁岩油
頁岩油或乾酪根是固體碳氫化合物和其他含有氮、氧和硫的有機化合物的混合物。 它是通過加熱從稱為油頁岩的岩石中提取的,每噸岩石可產生 15 至 50 加侖的石油。
勘探和生產是石油工業中負責勘探和發現新的原油和天然氣田、鑽井並將產品帶到地面的那部分通用術語。 歷史上,自然滲入地表的原油被收集起來用作藥物、保護塗層和燈的燃料。 天然氣滲漏被記錄為地球表面燃燒的大火。 直到 1859 年,才開發出鑽探和獲取大量商業原油的方法。
原油和天然氣遍布世界各地,在陸地和水下,如下所示:
圖 1 和圖 2 顯示了 1995 年世界原油和天然氣產量。
圖 1. 1995 年世界原油產量
原油的名稱通常可以識別原油的類型和最初發現它們的地區。 例如,第一種商業原油賓夕法尼亞原油就是以其產地美國命名的。 其他例子是沙特輕型和委內瑞拉重型。 用於設定世界原油價格的兩種基準原油是德克薩斯輕質低硫原油和北海布倫特原油。
原油的分類
原油是複雜的混合物,包含許多不同的、單獨的碳氫化合物; 它們在一個油田和另一個油田的外觀和成分上不同,有時甚至與彼此相對較近的油井不同。 原油的稠度範圍從水狀到焦油狀固體,顏色從透明到黑色。 “平均”原油含有約 84% 的碳; 14%氫; 1% 至 3% 的硫磺; 以及少於 1% 的氮、氧、金屬和鹽。 見表 1 和表 2。
表 1. 各種典型原油的典型近似特徵和性能以及汽油潛力。
原始來源和名稱 * |
石蠟 |
芳烴 |
環烷烴 |
硫 |
API引力 |
環烷烴收率 |
辛烷值 |
尼日利亞之光 |
37 |
9 |
54 |
0.2 |
36 |
28 |
60 |
沙特之光 |
63 |
19 |
18 |
2 |
34 |
22 |
40 |
沙特重型 |
60 |
15 |
25 |
2.1 |
28 |
23 |
35 |
委內瑞拉重型 |
35 |
12 |
53 |
2.3 |
30 |
2 |
60 |
委內瑞拉之光 |
52 |
14 |
34 |
1.5 |
24 |
18 |
50 |
美國Midcontinental Sweet |
- |
- |
- |
0.4 |
40 |
- |
- |
美國西德州酸 |
46 |
22 |
32 |
1.9 |
32 |
33 |
55 |
北海布倫特 |
50 |
16 |
34 |
0.4 |
37 |
31 |
50 |
* 代表性平均數。
碳氫化合物
石蠟: 原油中的鏈烷烴飽和鏈型烴(脂肪族)分子具有式CnH2n + 2,並且可以是碳原子的直鏈(正常)或支鏈(異構體)。 較輕的直鏈石蠟分子存在於氣體和石蠟中。 支鍊鍊烷烴通常存在於原油的較重餾分中,其辛烷值高於正鏈烷烴。
芳香劑: 芳烴是不飽和環型烴(環狀)化合物。 萘是稠合的雙環芳族化合物。 最複雜的芳烴,多核(三個或更多稠合芳環)存在於原油的較重餾分中。
環烷烴: 環烷烴是飽和環狀烴基,分子式為
CnH2n,以閉環(環狀)的形式排列,存在於原油的所有餾分中,除了最輕的。 具有 5 個和 6 個碳原子的單環環烷烴(單環烷烴)占主導地位,在石腦油的較重端發現了雙環環烷烴(雙環烷烴)。
非碳氫化合物
硫和硫化合物: 硫以硫化氫(H2S),作為化合物(硫醇、硫醇、硫化物、多硫化物等)或作為元素硫。 每種天然氣和原油都含有不同數量和類型的硫化合物,但通常情況下,重質原油餾分中化合物的比例、穩定性和復雜性更大。
在天然氣、石油原油和餾出物中發現了稱為硫醇的硫化合物,在非常低的濃度下可檢測到明顯的氣味。 最常見的是甲基和乙基硫醇。 硫醇通常添加到商業氣體(液化天然氣和液化石油氣)中以提供用於洩漏檢測的氣味。
暴露於有毒水平的 H 的可能性2S存在於原油和天然氣的鑽井、生產、運輸和加工過程中。 含硫石油烴的燃燒會產生硫酸和二氧化硫等有害物質。
氧化合物: 含氧化合物,例如酚類、酮類和羧酸,在原油中的含量各不相同。
氮化合物: 氮以鹼性化合物的形式存在於原油的較輕餾分中,更常見於原油的較重餾分中,以非鹼性化合物的形式存在,其中可能還包括痕量金屬。
痕量金屬: 痕量或少量金屬,包括銅、鎳、鐵、砷和釩,通常少量存在於原油中。
無機鹽: 原油通常含有懸浮在原油中或溶解在夾帶水(鹽水)中的無機鹽,例如氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣。
二氧化碳: 二氧化碳可能來自存在於原油中或添加到原油中的碳酸氫鹽的分解,或來自蒸餾過程中使用的蒸汽。
環烷酸: 一些原油含有環烷(有機)酸,當原油的酸值超過一定水平時,環烷(有機)酸可能在 232 °C 以上的溫度下變得具有腐蝕性。
通常存在的放射性物質: 通常存在的放射性物質 (NORM) 通常存在於原油、鑽井沉積物和鑽井泥漿中,並且可能會因低水平的放射性而造成危害。
相對簡單的原油分析用於根據相似碳氫化合物分子的主要比例將原油分類為鏈烷烴、環烷烴、芳香烴或混合原油。 混合基礎原油含有不同數量的每種碳氫化合物。 一種分析方法(美國礦業局)基於蒸餾,另一種方法(UOP“K”因子)基於重力和沸點。 進行更全面的原油分析以確定原油的價值(即有用產品的產量和質量)和加工參數。 原油通常根據產量結構進行分組,高辛烷值汽油是更受歡迎的產品之一。 煉油廠原油原料通常由兩種或多種不同原油的混合物組成。
原油也根據 API(比重)定義。 例如,重質原油具有低 API 比重(和高比重)。 低 API 比重原油可能具有高閃點或低閃點,具體取決於其最輕的末端(更易揮發的成分)。 由於精煉過程中溫度和壓力的重要性,原油根據粘度、傾點和沸程進一步分類。 還考慮了其他物理和化學特性,例如顏色和殘碳量。 高碳、低氫、低API比重的原油通常富含芳烴; 而那些低碳、高氫、高API比重的通常富含石蠟。
含有大量硫化氫或其他活性硫化合物的原油被稱為“含硫原油”。 那些含硫較少的被稱為“甜”。 該規則的一些例外是西德克薩斯原油(無論其 H2S 含量)和阿拉伯高硫原油(不被認為是“酸性”原油,因為它們的硫化合物不具有高活性)。
壓縮天然氣和液化烴氣體
天然存在的碳氫化合物氣體的成分與原油相似,因為它們包含不同碳氫化合物分子的混合物,具體取決於其來源。 它們可以作為天然氣(幾乎不含液體)從氣田中提取; 從氣田和油田中提取石油的石油伴生氣; 和來自凝析氣田的氣體,當壓力很高(10 至 70 mPa)時,石油的一些液態成分會轉化為氣態。 當壓力降低(至 4 至 8 mPa)時,含有較重碳氫化合物的冷凝物通過冷凝從氣體中分離出來。 天然氣從深達 4 英里(6.4 公里)或更深的井中提取,煤層壓力從 3 mPa 到高達 70 mPa 不等。 (見圖 3。)
圖 3. 南加州聖巴巴拉海峽 Pitas Point 地區 87.5 米深的海上天然氣井
美國石油協會
天然氣含有 90% 到 99% 的碳氫化合物,主要由甲烷(最簡單的碳氫化合物)和少量的乙烷、丙烷和丁烷組成。 天然氣還含有微量的氮氣、水蒸氣、二氧化碳、硫化氫和偶爾出現的惰性氣體,如氬氣或氦氣。 天然氣含量超過 50 g/m3 具有三個或更多碳原子分子的碳氫化合物(C3 或更高)被歸類為“貧”氣。
根據其用作燃料的方式,天然氣可以被壓縮或液化。 來自天然氣和天然氣凝析油田的天然氣在被壓縮並輸送到天然氣管道之前在現場進行處理以滿足特定的運輸標準。 該準備工作包括使用乾燥器(脫水器、分離器和加熱器)去除水分、使用聚結過濾器去除油以及通過過濾去除固體。 硫化氫和二氧化碳也從天然氣中去除,因此它們不會腐蝕管道以及運輸和壓縮設備。 存在於天然氣中的丙烷、丁烷和戊烷也在傳輸前被去除,因此它們不會在系統中凝結並形成液體。 (參見“天然氣生產和加工操作”部分。)
天然氣通過管道從氣田輸送到液化廠,在那裡被壓縮並冷卻至大約 –162 ºC 以生產液化天然氣 (LNG)(見圖 4)。 由於在液化過程中去除了一些雜質和成分,LNG的成分不同於天然氣。 液化天然氣主要用於在需求高峰期增加天然氣供應,以及在遠離主要管道的偏遠地區供應天然氣。 它通過添加氮氣和空氣進行再氣化,使其與天然氣相當,然後被送入供氣管線。 液化天然氣還用作機動車輛燃料,作為汽油的替代品。
圖 4. 位於阿爾及利亞阿爾澤的世界上最大的液化天然氣工廠
美國石油協會
石油伴生氣和凝析氣被歸類為“富”氣,因為它們含有大量的乙烷、丙烷、丁烷和其他飽和碳氫化合物。 石油相關氣體和凝析氣在石油和天然氣加工廠通過壓縮、吸附、吸收和冷卻進行分離和液化以生產液化石油氣 (LPG)。 這些天然氣廠還生產天然汽油和其他碳氫化合物餾分。
與天然氣、石油伴生氣和凝析氣不同,石油加工氣體(作為煉油廠加工的副產品產生)含有大量的氫氣和不飽和烴(乙烯、丙烯等)。 石油加工氣體的成分取決於每個特定的過程和使用的原油。 例如,熱裂化產生的氣體通常含有大量烯烴,而催化裂化產生的氣體則含有更多的異丁烷。 熱解氣體含有乙烯和氫氣。 天然氣和典型石油加工氣體的成分見表3。
表 3. 天然氣和石油加工氣體的典型近似成分(體積百分比)
類型氣體 |
H2 |
CH4 |
C2H6 |
C3H4 |
C3H8 |
C3H6 |
C4H10 |
C4H8 |
N2+CO2 |
C5+ |
天然氣 |
N / A |
98 |
0.4 |
N / A |
0.15 |
N / A |
0.05 |
N / A |
1.4 |
N / A |
石油- |
N / A |
42 |
20 |
N / A |
17 |
N / A |
8 |
N / A |
10 |
3 |
石油加工氣體 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
可燃天然氣,熱值35.7~41.9MJ/mXNUMX3 (8,500 至 10,000 大卡/米3),主要用作家庭、農業、商業和工業應用中產生熱量的燃料。 天然氣碳氫化合物也用作石化和化學過程的原料。 合成氣 (CO + H2) 由甲烷經氧化或水蒸氣轉化加工而成,用於生產氨、酒精和其他有機化學品。 壓縮天然氣 (CNG) 和液化天然氣 (LNG) 均用作內燃機的燃料。 石油加工液化石油氣 (LPG) 的熱值較高,為 93.7 MJ/m3 (丙烷)(22,400 大卡/立方米3) 和 122.9 MJ/m3 (丁烷)(29,900 大卡/立方米3) 用作家庭、企業和工業以及機動車輛的燃料 (NFPA 1991)。 從石油加工氣體中提取的不飽和烴(乙烯、丙烯等)可轉化為高辛烷值汽油或用作石化和化學加工工業的原料。
烴類氣體的性質
根據美國國家消防協會的說法,易燃(可燃)氣體是指在空氣中通常存在的氧氣濃度下燃燒的氣體。 易燃氣體的燃燒類似於易燃碳氫化合物液態蒸汽的燃燒,因為需要特定的點火溫度來啟動燃燒反應,並且每種氣體只會在特定的氣體-空氣混合物範圍內燃燒。 易燃液體具有 閃點 (它們發出足夠的蒸汽進行燃燒的溫度(總是低於沸點))。 易燃氣體沒有明顯的閃點,因為它們通常處於高於其沸點的溫度,即使在液化時也是如此,因此始終處於遠遠超過其閃點的溫度。
美國國家消防協會 (1976) 對壓縮氣體和液化氣體的定義如下:
決定容器內壓力的主要因素是儲存液體的溫度。 當暴露在大氣中時,液化氣體會非常迅速地蒸發,沿著地面或水面移動,除非通過風或機械空氣運動散佈到空氣中。 在正常大氣溫度下,容器中大約三分之一的液體會蒸發。
易燃氣體又分為燃氣和工業氣體。 燃氣,包括天然氣和液化石油氣(丙烷和丁烷),與空氣一起燃燒以在烤爐、熔爐、熱水器和鍋爐中產生熱量。 易燃工業氣體,如乙炔,用於加工、焊接、切割和熱處理操作。 液化天然氣 (LNG) 和液化石油氣 (LPG) 的特性差異如表 3 所示。
尋找石油和天然氣
尋找石油和天然氣需要地理學、地質學和地球物理學知識。 原油通常存在於某些類型的地質構造中,例如背斜、斷層圈閉和鹽丘,這些構造位於各種地形和廣泛的氣候條件下。 選擇感興趣的區域後,將進行許多不同類型的地球物理調查和測量,以獲得對地下地層的精確評估,包括:
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當勘探和測量表明存在可能含有石油的地層或地層時,將鑽探探井以確定是否實際存在石油或天然氣,如果存在,是否可以商業上可行的數量獲得。
離岸業務
雖然第一口海上油井是在 1900 年代初期在加利福尼亞海岸外鑽探的,但現代海洋鑽探的開始是在 1938 年,在距美國海岸線 1 英里(1.6 公里)的墨西哥灣發現了油井。 第二次世界大戰後,海上鑽探迅速擴大,首先是在已知陸上生產區附近的淺水區,然後是世界其他淺水區和深水區,以及從北極到波斯灣的不同氣候。 最初,海上鑽探只能在約 91 m 的水深進行; 然而,現代平台現在能夠在超過 3.2 公里深的水域中鑽孔。 海上石油活動包括勘探、鑽井、生產、加工、水下施工、維護和修理,以及通過船舶或管道將石油和天然氣運輸到岸上。
海上平台
鑽井平台支持海上或內陸水域作業的鑽井平台、供應品和設備,範圍從浮動或潛水駁船和船舶,到淺水區使用的鋼腿固定平台,再到大型浮力鋼筋混凝土、重力型平台用於深水。 鑽井完成後,利用海洋平台支撐生產設備。 最大的生產平台可容納 250 多名船員和其他支持人員、直升機場、加工廠以及原油和凝析油儲存能力(見圖 6)。
圖 6. 鑽井船; 鑽探船 Ben Ocean Laneer
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通常,在深水浮動平台鑽井中,井口設備被降低到海底並與井套管密封。 光纖技術的使用允許大型中央平台遠程控制和操作較小的衛星平台和海底模板。 大型平台上的生產設施處理來自衛星設施的原油、天然氣和凝析油,然後再運到岸上。
水下鑽井所用平台的類型通常取決於要鑽井的類型(勘探井或生產井)和水深(見表 4)。
表 4. 水下鑽井平台類型
平台類型 |
深度(米) |
產品描述 |
潛水駁船和平台 |
15-30 |
駁船或平台,被拖到現場並沉沒在底部。 較低的浮力柱使鑽井平台保持漂浮 |
自升式(腿上) |
30-100 |
移動式、自升式漂浮平台,其支腿被頂起以便牽引。 在現場,腿被降低到 |
浮動平台 |
100–3,000 + |
大型、獨立、多層、鋼筋混凝土重力結構,拖到現場,淹沒 |
較小的浮動平台,類似懸掛,僅支撐鑽機並由浮動平台提供服務 |
||
鑽井駁船 |
30-300 |
自航式、浮式或半潛式駁船。 |
鑽井船 |
120–3,500 + |
高度精密、特別設計的漂浮或半潛船。 |
固定在站點平台上 |
0-250 |
下沉固定在鋼支架(夾克)上的平台,以及用作 |
海底模板 |
N / A |
水下生產裝置。 |
井的類型
探井。
在分析地質數據和地球物理調查之後,在陸地或海上鑽探探井。 在先前未發現石油或天然氣的地區鑽探的探井被稱為“野貓”。 那些發現石油或天然氣的井稱為“發現井”。 其他勘探井,稱為“分級井”或“評估井”,用於確定發現後的油田範圍,或在已知油氣層附近或下方尋找新的含油氣層包含產品。 沒有發現任何石油或天然氣,或發現的太少而無法經濟地生產的井稱為“幹井”。
開發井。
發現後,通過一系列分級井或評價井粗略確定儲層面積。 然後鑽探開發井以生產天然氣和石油。 要鑽探的開發井的數量取決於新油田的預期定義,包括規模和生產力。 由於儲層是如何形成或限制的不確定性,一些開發井可能變成乾井。 有時,鑽井和生產同時發生。
地壓/地熱井。
地壓井/地熱井是指產生可能含有碳氫化合物的極高壓力 (7,000 psi) 和高溫 (149 ºC) 水的井。 當水從洩漏或破裂釋放到大氣中時,水會變成快速膨脹的熱蒸汽雲。
汽提井。
汽提井是那些每天從儲層中生產少於 XNUMX 桶石油的井。
多口完井。
當在鑽單個井時發現多個生產地層時,可以將單獨的管柱下入每個單獨的地層的單個井中。 來自每個地層的石油和天然氣被引導到各自的管道中,並通過封隔器相互隔離,封隔器密封管柱和套管之間的環形空間。 這些井被稱為多完井井。
注水井。
注水井將空氣、水、氣體或化學品泵入生產油田的儲層,以保持壓力或通過水力或增加壓力將石油輸送到生產井。
服務井。
服務井包括用於打魚和電纜作業、封隔器/塞子放置或移除和返工的井。 還鑽了一些服務井,用於地下處理從原油和天然氣中分離出來的鹽水。
鑽孔方法
鑽機。
基本鑽機包括一個井架(塔)、一根鑽桿、一個用於降低和提升鑽桿的大絞車、一個旋轉鑽桿和鑽頭的鑽台、一個泥漿混合器和泵以及一個驅動台和發動機的發動機絞車(見圖 7)。 用於鑽勘探井或地震井的小型鑽機可以安裝在卡車上以便從一個地點移動到另一個地點。 較大的鑽機要么在現場架設,要么配備便攜式鉸接(千斤頂刀)井架,以便於操作和架設。
圖 7. 加拿大北極地區 Elf Ringnes 島上的鑽井平台
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衝擊或電纜鑽孔。
最古老的鑽井技術是衝擊鑽井或電纜鑽井。 這種很少使用的緩慢、深度有限的方法涉及通過在電纜末端升降重型鑿子鑽頭和桿來破碎岩石。 每隔一段時間,鑽頭就會被移除,鑽屑會懸浮在水中,然後通過沖洗或泵送到地面來移除。 隨著孔的加深,它襯有鋼套管,以防止塌陷並防止地下水受到污染。 即使是鑽一口淺井也需要大量工作,而且一旦發現石油或天然氣,就無法控制產品立即流向地面。
旋挖。
旋轉鑽井是最常用的方法,用於鑽探深度超過 5 英里(7,000 米)的勘探井和生產井。 安裝在卡車上的輕型鑽機用於在陸地上鑽探低深度地震井。 中型和重型旋轉移動和浮動鑽機用於鑽探勘探和生產井。 旋挖鑽井設備安裝在具有30至40米高井架的鑽井平台上,包括轉盤、發動機、泥漿攪拌器和注入泵、鋼絲繩捲揚機或絞車以及多段管道,每個長約 27 m。 轉盤轉動連接到鑽桿的方形方鑽桿。 方形方鑽桿頂部有一個泥漿轉環,與防噴器相連。 鑽桿以 40 至 250 rpm 的速度旋轉,轉動帶有帶固定鑿狀切削刃的刮刀鑽頭的鑽頭或帶有帶硬化齒的滾刀的鑽頭。
旋轉衝擊鑽孔。
旋轉衝擊鑽孔是一種組合方法,旋轉鑽孔機使用循環液壓流體來操作類似錘子的機構,從而產生一系列快速沖擊波,使鑽頭能夠同時鑽孔和敲擊地下。
電動和渦輪鑽孔。
大多數重型鑽機的轉台、絞車和泵通常由電動機或渦輪機驅動,這可以提高操作和遠程控制鑽井的靈活性。 電鑽和渦輪鑽是較新的方法,通過在孔底的鑽頭上方連接鑽孔電機,為鑽頭提供更直接的動力。
定向鑽井。
定向鑽井是一種旋轉鑽井技術,隨著孔的加深,它沿著彎曲的路徑引導鑽柱。 定向鑽井用於到達垂直鑽井無法到達的礦床。 它還降低了成本,因為可以從單個平台沿不同方向鑽探多口井。 大位移鑽井允許從岸上開採海底儲層。 通過使用計算機控制自動鑽孔機和撓性管(連續油管),可以在不連接和斷開部分的情況下升高和降低這些技術中的許多技術。
其他鑽孔方法。
磨料鑽孔在壓力下使用磨料(而不是使用鑽桿和鑽頭)來切穿底層。 其他鑽孔方法包括爆炸鑽孔和火焰穿孔。
放棄。
當油氣藏不再生產時,通常會用水泥堵塞油井,以防止流動或洩漏到地表,並保護地下岩層和水。 拆除設備,清理廢棄井場,恢復正常。
鑽井作業
鑽孔技術
鑽井平台為工人提供了連接和解耦用於增加鑽井深度的鑽桿部分的基礎。 隨著孔的加深,增加了額外長度的管道並且鑽柱懸掛在井架上。 當需要更換一個鑽頭時,將整個鑽柱的管子從孔中拉出,並將每一節分離並垂直堆疊在井架內。 新鑽頭安裝到位後,過程相反,將管道返回孔中繼續鑽進。
需要小心確保鑽柱管不會分開並掉入孔中,因為打撈起來可能很困難且成本很高,甚至可能導致井漏失。 另一個潛在的問題是鑽孔停止時鑽孔工具是否卡在孔中。 因此,一旦鑽井開始,它通常會一直持續到井完工。
鑽井泥漿
鑽井泥漿是由水或油和粘土與化學添加劑(例如甲醛、石灰、酰肼鈉、重晶石)組成的流體。 通常添加苛性鈉以控制鑽井泥漿的 pH(酸度)併中和具有潛在危險的泥漿添加劑和完井液。 鑽井泥漿在鑽井平台上的混合罐的壓力下被泵入井中,沿著鑽桿內部向下到達鑽頭。 然後,它在鑽桿外側和孔壁之間上升,返回到地面,在那裡被過濾和再循環。
鑽井泥漿用於冷卻和潤滑鑽頭、潤滑管道和沖洗鑽孔中的岩屑。 鑽井泥漿還用於通過襯砌孔的側面並抵抗鑽頭遇到的任何氣體、油或水的壓力來控制從井中流出。 可以在孔底壓力下施加泥漿射流以幫助鑽井。
套管和膠結
套管是襯在井眼上的特製重型鋼管。 它用於防止鑽井孔壁塌陷並通過防止鑽井作業期間泥漿回流洩漏來保護淡水層。 套管還密封了滲水砂層和高壓氣體層。 套管最初在地表附近使用,並用水泥固定到位以引導鑽桿。 水泥漿被泵入鑽管,並通過套管和井壁之間的間隙被迫返回。 一旦水泥凝固並放置套管,鑽孔將繼續使用較小直徑的鑽頭。
將表層套管放入井中後,將防噴器(大型閥門、袋子或閘板)連接到套管頂部,即所謂的疊層。 發現石油或天然氣後,將套管放入井底,以防止泥土、岩石、鹽水和其他污染物進入井孔,並為原油和天然氣提取管線提供管道。
完井、強化採收和修井作業
完成
完井描述了在鑽井到預計發現石油或天然氣的深度後將井投入生產的過程。 完井涉及多項操作,包括穿透套管和清除管道中的水和沈積物,以便暢通無阻。 特殊取芯鑽頭用於鑽取長達 50 米的岩心,以便在鑽孔作業期間進行分析,以確定何時應該進行穿透。 首先移除鑽桿和鑽頭,然後將最後一串套管用水泥固定到位。 然後將射孔槍放入井中,該金屬管包含裝有子彈或聚能炸藥的套筒。 電荷通過電脈衝通過套管釋放到儲層中,從而為石油和天然氣流入井中和地面創造開口。
原油和天然氣的流動由一系列閥門控制,稱為“聖誕樹”,這些閥門位於井口頂部。 安裝監控器和控制器以在壓力變化、火災或其他危險情況發生時自動或手動操作地面和地下安全閥。 一旦石油和天然氣被生產出來,它們就會被分離,水和沈積物會從原油中去除。
原油和天然氣的生產和保護
生產石油基本上是水或氣置換的問題。 在最初鑽探時,幾乎所有的原油都處於壓力之下。 在儲層生命週期的三個階段中,隨著油氣從儲層中抽出,這種自然壓力會降低。
最初,人們對影響石油和天然氣生產的力量知之甚少。 對油氣儲層行為的研究始於 20 世紀初,當時人們發現將水泵入儲層可以提高產量。 當時,該行業恢復了 10% 到 20% 的儲層容量,而最近在油井停產之前的恢復率超過 60%。 控制的概念是,更快的生產率可以更快地消散油藏中的壓力,從而減少最終可以採收的石油總量。 用於保護油藏的兩個措施是單元化和井間距。
回收額外產品的方法
通過多種採收方法提高油氣藏的產能。 一種方法是通過化學或物理方式打開地層中的通道,讓石油和天然氣更自由地通過儲層到達油井。 通過自然驅替將水和氣注入儲層以維持工作壓力。 二次採油方法,包括壓力驅替、人工舉升和驅替,可改善和恢復儲層壓力。 強化採收是以多種不同的組合使用各種二次採收方法。 提高采收率還包括從枯竭油藏中獲取額外產品的更先進的方法,例如熱採,它使用熱量而不是水或氣體來迫使更多的原油從油藏中流出。
酸化
酸化是一種通過將酸直接泵入生產儲層以通過化學物質和礦物質的反應打開流動通道來增加油井產量的方法。 鹽酸(或普通)酸首先用於溶解石灰岩地層。 它仍然是最常用的; 然而,現在在鹽酸中加入了多種化學物質以控制其反應並防止腐蝕和形成乳化液。
根據儲層中岩石或礦物的類型,還使用氫氟酸、甲酸和乙酸,以及鹽酸。 氫氟酸總是與其他三種酸中的一種結合,最初用於溶解砂岩。 它通常被稱為“泥酸”,因為它現在被用來清洗被鑽井泥漿堵塞的射孔,並恢復井眼附近受損的滲透率。 甲酸和乙酸用於深層、超熱的石灰岩和白雲巖儲層,並用作射孔前的分解酸。 乙酸也作為中和緩沖劑添加到井中,以控制井增產液的 pH 值。 幾乎所有的酸都有添加劑,例如防止與金屬外殼反應的抑製劑和防止形成淤泥和乳化液的表面活性劑。
壓裂
壓裂 描述了通過力或壓力增加油氣通過儲層並進入井中的流量的方法。 產量可能會下降,因為油藏地層的滲透性不足以讓石油自由流向油井。 壓裂力通過在高壓下將經過特殊支撐劑(包括沙子、金屬、化學顆粒和貝殼)處理的流體泵入儲層以打開裂縫來打開地下通道。 可以將氮氣添加到流體中以刺激膨脹。 當壓力釋放時,流體撤出,支撐劑留在原處,使裂縫保持打開狀態,使油可以更自由地流動。
大規模壓裂 (質量壓裂)涉及將大量流體泵入井中,以液壓方式產生數千英尺長的裂縫。 大規模壓裂通常用於打開氣井,在這些氣井中,儲層非常緻密,甚至氣體都無法通過。
保壓
兩種常見的壓力維持技術是將水和氣體(空氣、氮氣、二氧化碳和天然氣)注入自然壓力降低或不足以進行生產的儲層中。 這兩種方法都需要在指定位置鑽輔助注入井,以達到最佳效果。 為維持井的工作壓力而注水或註氣稱為 自然位移。 使用加壓氣體來增加儲層中的壓力稱為 人工(氣體)升降機。
水驅
最常用的二次強化採收方法是將水泵入油藏,將產品推向生產井。 在 五點注水, 以生產井為中心打四口注水井,形成一個正方形。 控制注入以保持水前緣通過儲層向生產井均勻推進。 所用的一些水是從原油中獲得的鹽水。 在 低壓水驅, 將表面活性劑添加到水中,通過減少油與岩石的粘附力來幫助油流過儲層。
混相驅
混相流體和混相聚合物驅是通過降低原油表面張力來改善注水的提高采收率方法。 將可混溶的流體(一種可以溶解在原油中的流體)注入儲層。 隨後注入另一種流體,將原油和可混溶的流體混合物推向生產井。 混相聚合物驅 涉及使用清潔劑從地層中清洗原油。 在洗滌劑後面注入凝膠或增稠水,使原油流向生產井。
消防水浸
火災水浸,或 現場 (就地)燃燒是一種昂貴的熱採方法,其中將大量空氣或含氧氣體注入儲層並點燃一部分原油。 火的熱量降低了重質原油的粘度,使其更容易流動。 大火產生的熱氣會增加儲層中的壓力並產生狹窄的燃燒前沿,將較稀薄的原油從注入井推向生產井。 較重的原油留在原地,在火焰前鋒緩慢向前移動時提供額外的燃料。 通過調節注入的空氣或氣體來密切監測和控制燃燒過程。
蒸汽注入
注蒸汽或蒸汽驅是一種熱採方法,它通過向相對較淺的油藏的最下層注入超熱蒸汽來加熱重質原油並降低其粘度。 蒸汽注入時間為 10 到 14 天,然後將油井關閉一周左右,讓蒸汽徹底加熱儲層。 同時,增加的熱量使儲層氣體膨脹,從而增加儲層中的壓力。 然後重新打開油井,加熱的粘性較低的原油向上流入油井。 一種更新的方法是將較低壓力的低熱蒸汽同時注入兩個、三個或更多區域的較大部分,形成一個“蒸汽箱”,在每個區域中擠壓石油。 這提供了更大的油流到表面,同時使用更少的蒸汽。
天然氣生產和加工業務
生產天然氣的井有兩種類型。 濕氣井產出含有溶解液體的氣體,乾氣井產出不易液化的氣體
天然氣從生產井中抽出後,被送到天然氣廠進行加工。 氣體處理需要了解溫度和壓力如何相互作用並影響流體和氣體的特性。 幾乎所有的氣體加工廠處理的氣體都是各種碳氫化合物分子的混合物。 氣體加工的目的是將這些氣體通過吸收、分餾和循環等各種過程分離成成分相近的成分,以便於運輸和消費者使用。
吸收過程
吸收涉及三個處理步驟:回收、去除和分離。
恢復。
通過從天然氣中吸收去除不需要的殘餘氣體和一些甲烷。 吸收發生在逆流容器中,井氣進入容器底部並向上流過向下流動的吸收油。 吸收油在進入容器頂部時是“貧”的,而在它從底部吸收氣體中所需的碳氫化合物後離開底部時是“富”的。 離開裝置頂部的氣體稱為“殘餘氣體”。
吸收也可以通過冷藏來完成。 殘餘氣體用於預冷入口氣體,然後在 0 至 –40 ºC 的溫度下通過氣體冷卻裝置。 在接觸吸收器單元中的冷氣體之前,將貧吸收器油泵送通過油冷卻器。 大多數工廠使用丙烷作為冷卻器裝置中的製冷劑。 將乙二醇直接注入入口氣流中,與氣體中的任何水混合,以防止凍結和形成水合物。 乙二醇-水混合物在乙二醇分離器中與碳氫化合物蒸汽和液體分離,然後通過在再生器單元中蒸發水而重新濃縮。
刪除。
吸收過程的下一步是去除或脫甲烷。 剩餘的甲烷在乙烷回收裝置中從富油中去除。 這通常是一個兩階段過程,首先通過減壓和升高溫度從富油中去除至少一半的甲烷。 剩餘的富油通常含有足夠的乙烷和丙烷以進行重吸收。 如果不出售,塔頂氣體用作工廠燃料或預飽和器,或循環到主吸收器的入口氣體中。
分離。
吸收過程的最後一步,即蒸餾,使用蒸汽作為介質從富含吸收油中提取所需的碳氫化合物。 濕式蒸餾器使用蒸汽作為汽提介質。 在乾式蒸餾器中,通過泵送通過蒸餾器再沸器的熱油的部分汽化獲得的碳氫化合物蒸汽用作汽提介質。 蒸餾器控制貧油的最終沸點和分子量,以及最終碳氫化合物產品混合物的沸點。
其他流程
分餾。
是將來自吸收裝置的所需碳氫化合物混合物分離成特定的、單獨的、相對純淨的產品。 當稱為頂部產品和底部產品的兩種液體具有不同的沸點時,分餾是可能的。 分餾過程包括三個部分:分離產品的塔、加熱進料的再沸器和除熱的冷凝器。 該塔有大量的塔板,因此會發生大量的蒸汽和液體接觸。 再沸器溫度決定底部產物的組成。
硫磺回收。
在運輸銷售之前,必須從氣體中去除硫化氫。 這是在硫磺回收廠中完成的。
氣體循環。
氣體循環既不是壓力維持手段,也不是二次採收方法,而是一種用於提高“濕氣”儲層天然氣液體產量的強化採收方法。 在循環裝置中從“濕氣”中去除液體後,剩餘的“乾氣”通過注入井返回到儲層。 當“乾燥氣體”通過儲層再循環時,它會吸收更多的液體。 重複生產、加工和再循環循環,直到所有可回收液體都已從儲層中移除,只剩下“乾氣”。
生產油氣田的現場開發
需要進行廣泛的場地開發才能使新的油氣田投入生產。 網站訪問可能會受到氣候和地理條件的限製或制約。 要求包括運輸; 建造; 維護、住房和行政設施; 油氣水分離設備; 原油和天然氣運輸; 水和廢物處理設施; 以及許多其他服務、設施和設備。 其中大部分在現場不容易獲得,必須由鑽井或生產公司或外部承包商提供。
承包商活動
石油和天然氣勘探和生產公司通常使用承包商來提供鑽探和開發生產領域所需的以下部分或全部支持服務:
實用
無論勘探、鑽探和生產作業是在陸地還是海上進行,都需要電力、輕型電力和其他輔助公用事業,包括:
工作條件、健康和安全
鑽井平台上的工作通常至少需要 6 名船員(主要和次要人員 司鑽, 三名助理司鑽或助手 (鑽工)和a 貓頭鷹 人)向現場主管或工頭報告(工具推進器) 誰負責鑽井進度。 主要和次要司鑽在各自輪班期間全面負責鑽井作業和監督鑽井隊。 鑽工應該熟悉他們的船員的能力和局限性,因為工作進展速度只能與最慢的船員一樣快。
助理鑽工駐守在平台上,負責操作設備、讀取儀表和進行日常維護和修理工作。 當鑽桿被送入或拉出井孔並協助將管段移入和移出堆垛時,吊頂人員需要爬到靠近井架頂部的位置。 在鑽井過程中,貓頭人還操作泥漿泵並為鑽井隊提供一般協助。
組裝、放置、卸下和收回射孔槍的人員應經過培訓,熟悉爆炸物的危害,並有資格處理爆炸物、引爆索和雷管。 在油田和周圍工作的其他人員包括地質學家、工程師、機械師、司機、維護人員、電工、管道操作員和勞工。
鑽井以 8 小時或 12 小時輪班的形式全天候進行,工人們需要豐富的經驗、技能和耐力才能滿足工作對身心的嚴格要求。 船員過度伸展可能會導致嚴重事故或傷害。 鑽井需要密切的團隊合作和協調,以便安全及時地完成任務。 由於這些和其他要求,必須考慮工人的士氣、健康和安全。 充足的休息和放鬆時間、營養豐富的食物以及適當的衛生和生活區,包括在炎熱潮濕氣候中使用空調和在寒冷地區使用暖氣,都是必不可少的。
與勘探和生產作業相關的主要職業危害包括因暴露於地理和氣候因素而導致的疾病、在水上或崎嶇地形上長途旅行帶來的壓力以及人身傷害。 心理問題可能是由於勘探地點的物理隔離、它們遠離大本營以及海上鑽井平台和偏遠陸上地點所需的延長工作時間造成的。 許多其他海上作業特有的危險,例如水下潛水,都在本手冊的其他地方進行了介紹 百科全書.
離岸工作在任何時候都是危險的,無論是在工作還是下班。 一些工人無法承受以苛刻的速度、長時間、相對封閉和不斷變化的環境條件在海上工作的壓力。 工人的壓力跡象包括異常煩躁、精神痛苦的其他跡象、過度飲酒或吸煙以及吸毒。 站台上的工人報告說,失眠問題可能會因高水平的振動和噪音而加劇。 工人之間的友誼和頻繁的上岸休假可能會減輕壓力。 暈船和溺水,以及暴露在惡劣的天氣條件下,是海上工作的其他危險。
呼吸道疾病等疾病是由於在這些疾病流行的地區暴露於惡劣的氣候、感染或寄生蟲病引起的。 儘管其中許多疾病仍需要在鑽井工人中進行流行病學研究,但據了解,石油工人曾經歷過肩周炎、肩胛骨周圍炎、肱骨上髁炎、頸椎關節病和上肢多發性神經炎。 鑽井作業中也存在因接觸噪音和振動而導致疾病的可能性。 這些鑽井相關疾病的嚴重程度和頻率似乎與服務年限和暴露於不利工作條件下的程度成正比(Duck 1983;Ghosh 1983;Montillier 1983)。
在鑽井和生產活動中受傷可能由多種原因造成,包括滑倒和跌倒、管道搬運、提升管道和設備、工具使用不當和炸藥處理不當。 蒸汽、火、酸或含有氫氧化鈉等化學物質的泥土可能會導致灼傷。 接觸原油和化學品可能導致皮炎和皮膚損傷。
存在急性和慢性接觸石油和天然氣鑽探和生產中存在的各種不健康材料和化學品的可能性。 表 2 列出了一些可能以潛在危險量存在的化學品和材料,包括:
安全指引
從熱帶叢林和沙漠到冰凍的北極,從旱地到北海,鑽井和生產發生在所有類型的氣候和不同的天氣條件下。 鑽井人員必須在困難的條件下工作,受到噪音、振動、惡劣天氣、物理危害和機械故障的影響。 平台、轉台和設備通常很滑,並且由於發動機和鑽孔操作而振動,需要工人進行謹慎和小心的動作。 攀登鑽井平台和井架時存在滑倒和高處墜落的危險,並且存在接觸原油、天然氣、泥漿和發動機廢氣的風險。 快速斷開然後重新連接鑽桿的操作需要工人經過培訓、技能和精度,以便一次又一次地安全完成。
在海上工作的建築、鑽井和生產人員必須應對與在陸地上工作的人員相同的危險,以及海上工作特有的額外危險。 其中包括平台在海上倒塌的可能性以及在緊急情況下提供專門的疏散程序和救生設備。 離岸工作時的另一個重要考慮因素是需要深海和淺水潛水來安裝、維護和檢查設備。
火災和爆炸
鑽井時總是存在井噴的風險,會釋放氣體或蒸汽雲,然後發生爆炸和火災。 氣體加工操作中存在著火和爆炸的額外可能性。
海上平台和鑽井平台工人應在進行全面體檢後仔細評估。 選擇具有肺部、心血管或神經系統疾病、癲癇、糖尿病、心理障礙和藥物或酒精成癮病史或證據的離岸船員需要仔細考慮。 由於工作人員需要使用呼吸防護設備,尤其是經過培訓和配備消防設備的人員,因此必須對他們執行這些任務的能力進行身心評估。 體檢應包括反映特定工作要求的心理評估。
海上鑽井平台和生產平台上的緊急醫療服務應包括提供小型藥房或診所,並始終由合格的醫生在船上工作。 提供的醫療服務類型將取決於可用陸上服務的可用性、距離和質量。 疏散可以通過輪船或直升機進行,或者醫生可以前往平台或在需要時通過無線電向船上醫生提供醫療建議。 醫療船可以駐紮在一些大型平台在一個小區域運行的地方,例如北海,以便更容易獲得併快速為生病或受傷的工人提供服務。
實際不在鑽井平台或平台上工作的人員也應接受就業前和定期體檢,特別是如果他們受僱在異常氣候或惡劣條件下工作。 這些檢查應考慮到工作的特殊生理和心理需求。
個人防護
應實施職業衛生監測和取樣計劃,並結合醫學監測計劃,以系統地評估工人接觸危險的程度和影響。 在勘探、鑽井和生產作業期間,應監測易燃蒸氣和有毒物質(如硫化氫)的暴露情況。 幾乎沒有暴露於 H2應該允許 S,尤其是在海上平台上。 控制暴露的有效方法是使用適當比重的鑽井泥漿以保持 H2S 進入井中,並通過向泥漿中添加化學物質來中和任何夾帶的 H2S. 所有工人都應接受培訓以識別 H 的存在2S 並立即採取預防措施,以減少接觸有毒物質和爆炸的可能性。
從事勘探和生產活動的人員應備有並使用適當的個人防護裝備,包括:
大型海上平台上的控制室、生活區和其他空間通常會加壓,以防止有害氣體進入,例如在滲透或緊急情況下可能釋放的硫化氫氣體。 如果壓力失效,並且在加壓區域外工作時可能接觸有毒氣體(硫化氫)、窒息劑(氮氣、二氧化碳)、酸(氟化氫)或其他大氣污染物,則可能需要呼吸保護.
在地壓井/地熱井周圍工作時,應考慮使用隔熱手套和全套熱蒸汽防護服並提供呼吸空氣,因為接觸熱蒸汽和蒸汽會導致皮膚和肺部灼傷。
在過道和舷梯上,尤其是在海上平台上和惡劣天氣下,應使用安全帶和救生索。 攀登鑽井平台和吊桿時,應使用帶有配重的安全帶和救生索。 載有四到五名佩戴個人漂浮裝置的工人的人員籃通常用於在船隻和海上平台或鑽井平台之間轉移船員。 另一種轉移方式是“鞦韆繩”。 用於從船上擺動到平台的繩索直接懸掛在船平台邊緣上方,而從平台到船上的繩索應懸掛在距離外緣 3 或 4 英尺的地方。
為工人和衣服提供洗滌設施並遵循適當的衛生習慣是控制皮炎和其他皮膚病的基本措施。 如有需要,應考慮使用緊急洗眼站和安全淋浴設施。
安全防護措施
石油和天然氣平台安全關閉系統使用各種設備和監視器來檢測洩漏、火災、破裂和其他危險情況,激活警報並按計劃的邏輯順序關閉操作。 如果由於氣體或原油的性質需要,應使用無損檢測方法,如超聲波、射線照相術、磁粉、液體染料滲透劑或目視檢查,以確定管道、加熱器管、處理器的腐蝕程度以及用於原油、凝析油和天然氣生產和加工的容器。
地面和地下安全關斷閥保護陸上設施、淺水單井和多井海上深水鑽井和生產平台,並在發生火災、臨界壓力變化、井口災難性故障或其他緊急情況。 它們還用於保護小型注入井和氣舉井。
檢查和維護起重機、絞車、捲筒、鋼絲繩和相關附件是鑽井中的重要安全考慮因素。 將管柱掉入井內是嚴重的事故,可能會導致井漏失。 當人員被在張力下斷裂的鋼絲繩擊中時,可能會造成傷害,有時甚至是死亡。 鑽機的安全操作還取決於平穩運行、維護良好的絞車,以及適當調整的貓頭和製動系統。 在陸地上工作時,請使起重機與電力線保持安全距離。
勘探和鑽井作業期間爆炸物的處理應在具有特定資格的人員的控制下。 使用射孔槍時需要考慮的一些安全預防措施包括:
應急準備計劃和演習對於石油和天然氣鑽井和生產鑽井平台以及海上平台上工人的安全非常重要。 應對每種不同類型的潛在緊急情況(例如,火災或爆炸、易燃或有毒氣體釋放、異常天氣條件、工人落水以及需要放棄平台)進行評估,並製定具體的響應計劃。 工人需要接受在緊急情況下採取正確行動的培訓,並熟悉要使用的設備。
直升機墜水時的安全和生存是海上平台運營和應急準備的重要考慮因素。 飛行員和乘客在飛行期間應係好安全帶,並在需要時佩戴救生裝備。 應始終穿著救生衣,無論是在飛行期間還是從直升機轉移到平台或船隻時。 進入、離開直升機或在直升機周圍工作時,需要小心將身體和材料保持在旋翼葉片路徑下方。
陸上和海上工人的培訓對於安全操作至關重要。 應要求工人參加定期安排的安全會議,涵蓋強制性和其他主題。 政府機構制定了法定法規,包括美國職業安全與健康管理局、美國海岸警衛隊海上作業,以及英國、挪威和其他地方的同等機構,這些法規規範了勘探和生產工人的安全與健康,陸上和海上。 國際勞工組織行為守則 石油工業海上固定設施建設的安全與健康 (1982) 在這方面提供了指導。 美國石油協會制定了多項標準和推薦做法,涵蓋與勘探和生產活動相關的安全和健康。
消防及預防措施
火災預防和保護,尤其是海上鑽井平台和生產平台,是保障工人安全和持續運營的重要因素。 應培訓和教育工人認識火災三角,正如在 火 章,因為它適用於易燃和可燃的碳氫化合物液體、氣體和蒸氣以及火災和爆炸的潛在危險。 防火意識是必不可少的,包括了解焊接、明火、高溫、電能、靜電火花、爆炸物、氧化劑和不相容材料等火源。
陸上和海上都使用被動和主動防火系統。
從初期階段的小火到封閉空間(例如海上平台)中的大火,預計要撲滅火災的員工必須經過適當的培訓和裝備。 被指定為消防隊領導和事故指揮官的工人需要領導能力和高級消防和火控技術方面的額外專業培訓。
環境保護
石油和天然氣生產中空氣、水和地面污染的主要來源是陸地或海上的石油洩漏或天然氣洩漏,石油和天然氣中的硫化氫逸出到大氣中,鑽井泥漿中的危險化學品污染水或土地和油井火災的燃燒產物。 自1991年海灣戰爭期間科威特發生油井大火以來,吸入大規模油田火災煙霧顆粒物對公眾健康的潛在影響一直備受關注。
污染控制通常包括:
進行氣體擴散建模以確定可能會受到逸出的有毒或易燃氣體或蒸氣雲影響的區域。 進行地下水位研究以預測如果發生石油污染,水污染的最大程度。
工作人員應經過培訓並具備資格,能夠對介質溢出和洩漏提供急救響應。 專門從事污染修復的承包商通常負責管理大型洩漏響應和修復項目。
1993 年,全球發電量為 12.3 萬億千瓦時(聯合國 1995)。 (一千瓦時是點亮 100 個 1 瓦燈泡 25 小時所需的電量。)可以通過美國的數據來判斷這項努力的規模,美國僅產生了總能源的 3.1%。 美國電力行業是公有和私有實體的混合體,1993 年產生了 10,000 萬億千瓦時,使用了 1995 多台發電機組(美國能源部 430,000)。 該行業中私人投資者擁有的部分僱用了 200 名電力運營和維護人員,年收入為 XNUMX 億美元。
發電廠使用化石燃料(石油、天然氣或煤炭)或使用核能或水力發電。 例如,在 1990 年,法國 75% 的電力來自核電站。 1993 年,全球 62% 的電力來自化石燃料,19% 來自水力發電,18% 來自核能。 風能、太陽能、地熱能或生物質能等其他可重複使用的能源僅佔世界電力生產的一小部分。 然後,電力從發電站通過互連的網絡或電網傳輸到本地配電系統,然後再傳輸給消費者。
使所有這一切成為可能的勞動力往往主要是男性,並且擁有高度的技術技能和“系統”知識。 這些工人承擔的任務非常多樣化,與建築、製造、材料處理、運輸和通信行業具有共同點。 接下來的幾篇文章將詳細介紹其中的一些操作。 有關電力維護標準和環境問題的文章還強調了影響電力行業的主要美國政府監管舉措。
幾千年前,人類就學會了利用自來水的能量。 一個多世紀以來,一直使用水力發電。 大多數人將水力的使用與河流築壩聯繫起來,但水力發電也可以通過利用潮汐來產生。
水力發電業務跨越廣闊的地形和多種氣候,從北極永久凍土到赤道雨林。 發電廠的地理位置將影響可能存在的危險條件,因為侵襲性昆蟲和動物,甚至有毒植物等職業危害因地點而異。
加氫站一般由 壩 捕獲大量的水,一個 溢洪道 以可控的方式釋放多餘的水 發電廠. 堤防 和其他水容器和控制結構也可能是水力發電站的一部分,儘管它們不直接參與發電。 動力室包含引導水通過渦輪機的導電通道,渦輪機將水的線性流動轉換為旋轉流動。 水要么通過渦輪機的葉片落下,要么水平地流過它們。 渦輪機和發電機相互連接。 因此,渦輪機的旋轉引起發電機轉子的旋轉。
水流產生的電勢是水的質量、水下落的高度和重力加速度的乘積。 質量是可用水量及其流速的函數。 電站的設計將決定水的高度。 大多數設計從大壩頂部附近吸水,然後在底部將水排放到現有的下游河床中。 這優化了高度,同時保持合理和可控的流量。
在大多數現代水力發電站中,渦輪發電機都是垂直放置的。 這些是這些車站主樓層上方突出的熟悉結構。 然而,幾乎所有的結構都位於主樓層可見的下方。 這包括發電機坑,下面是渦輪機坑和進氣管和排氣管。 這些建築物和導水通道有時會進入。
在老式車站中,渦輪發電機是水平放置的。 渦輪機的軸從牆上伸出到發電廠,在那裡它連接到發電機。 發電機類似於一個非常大的老式開箱式電動機。 為了證明該設備的設計和建造質量,一些世紀之交的設施仍在運行。 一些現代車站採用了舊車站設計的更新版本。 在這樣的站中,水道完全包圍渦輪發電機並且通過穿過水道的管狀外殼獲得入口。
發電機轉子的繞組中保持磁場。 該領域的電力由鉛酸電池組或充滿苛性鹼的鎳鎘電池組提供。 轉子的運動及其繞組中存在的磁場會在定子繞組中感應出電磁場。 感應電磁場提供提供給電網的電能。 電壓是由流動的水產生的電壓。 為了將電壓(即電壓)保持在恆定水平,需要改變流經渦輪機的水流。 這將在需求或條件發生變化時完成。
電流會導致電弧,例如在轉子中的勵磁器組件中。 電弧會產生臭氧,即使濃度很低也會對消防水帶中的橡膠和其他材料產生不利影響。
水力發電機產生非常高的電流和高壓。 發電機的導線連接到單元變壓器,並從該單元變壓器連接到電源變壓器。 電力變壓器提高電壓並降低遠距離傳輸的電流。 低電流最大限度地減少了傳輸過程中因發熱而造成的能量損失。 一些系統使用六氟化硫氣體代替傳統的油作為絕緣體。 電弧會產生比六氟化硫危險得多的擊穿產物。
電路包括可以快速且不可預測地將發電機從電網中切斷的斷路器。 一些裝置利用一股壓縮空氣來斷開連接。 當這樣一個單元啟動時,它會產生極高水平的脈衝噪音。
行政和車站運作
大多數人都熟悉水力發電的管理和電站運營方面,這通常會創建該組織的公眾形象。 電廠管理部門力求確保電廠提供可靠的服務。 管理包括涉及業務和技術職能以及管理的辦公室人員。 站操作人員包括工廠經理和主管,以及過程操作員。
加氫是一種過程操作,但與化學工業等其他過程操作不同,許多加氫站沒有操作人員。 發電設備由遠程控制操作,有時需要遠距離操作。 幾乎所有的工作活動都發生在工廠和設備的維護、修理、改造和升級過程中。 這種運行模式需要有效的系統,可以將控制從能源生產轉移到維護,以防止意外啟動。
危害和管理結構
傳統上,電力公司作為“自下而上”的組織進行管理。 也就是說,組織結構傳統上提供了一條從入門級職位開始到高級管理層的向上流動路徑。 橫向進入組織的人相對較少。 這意味著電力公司的監督和管理人員可能會經歷與目前擔任初級職位的個人相同的工作條件。 這樣的組織結構可能會影響潛在的工人接觸危險因素,尤其是那些具有慢性累積影響的因素。 例如,考慮噪聲。 目前擔任管理職位的員工在從事有職業性噪音暴露的工作時,他們自己可能會遭受嚴重的聽力損失。 他們的聽力損失可能不會在公司的聽力測試計劃中被發現,因為此類計劃通常只包括那些目前在工作中暴露於高噪音環境中的員工。
發電設備維護
發電設備的維護分為兩種主要類型的活動:電氣維護和機械維護。 雖然這兩種類型的工作可能同時並肩進行,但執行這些工作所需的技能和工作是完全不同的。
維護可能需要關閉和拆除一個單元。 進水口的水流由閘門控制。 Headgates 是鋼結構,被降低到進水通道中以阻止水流。 阻塞流動允許水從內部通道排出。 水輪機出口處的靜止水位(導流管)低於渦殼和水輪機轉輪葉片的水位。 這允許訪問這些結構。 蝸殼是一種錐形的螺旋形結構,它以均勻的方式引導水流圍繞渦輪轉輪流動。 水從蝸殼流出,通過引導水流的導向葉片和控制體積的活動葉片(導葉)。
需要時,可以將發電機和渦輪機從它們的正常位置移除並放置在發電廠的主樓層上。 重新塗漆或脫脂以及修理和更換繞組、軸承、制動器或液壓系統可能需要拆除。
有時,轉輪的葉片、導葉、導流葉片以及蝸殼和尾水管中的導水結構都會因氣蝕而受到損壞。 當水中的壓力低於其蒸氣壓時,就會發生氣穴現象。 發生這種情況時,會形成氣泡,這些氣泡引起的湍流會侵蝕水接觸到的材料。 可能需要通過焊接或通過修復和重塗鋼材和混凝土表面來修復損壞的材料。
如果鋼結構被腐蝕,也可能需要維修和重新塗漆。
危害性
水力發電存在多種危害。 其中一些危害是該行業所有員工共有的,而其他危害僅限於從事電氣或機械維護活動的人員。 表 1 和表 2 總結了可能出現的大部分危險,其中還總結了預防措施。
表 1. 控制水力發電中選定的化學和生物危害的暴露
曝光 |
在哪裡可以找到 |
受影響的工人 |
控制方法 |
研磨粉塵 |
粉塵可能含有噴砂材料和油漆粉塵。 1971 年之前使用的油漆可能含有多氯聯苯。 |
機構 |
-粉塵控制系統 |
石棉 |
石棉可能存在於發電機制動器、管道和電氣絕緣、噴塗塗料、石棉水泥和其他產品中; 暴露取決於易碎性和接近來源。 |
電氣維護 |
-採用當前涉及石棉的工作的最佳實踐- |
電池 |
電池組中端子之間的短路可能會導致爆炸和火災以及暴露於電解液的液體和氣溶膠中。 |
電氣維護 |
- 電池端子和非絕緣導體的屏蔽 |
塗層 |
排放物可能包括:一氧化碳、含鉛的無機顏料和其他鉻酸鹽以及油漆樹脂的分解產物。 多氯聯苯可能在 1971 年之前被用作增塑劑。多氯聯苯在加熱時會形成呋喃和二噁英。 |
機構 |
-局部排氣通風 |
氯 |
在水和廢水處理系統中連接/斷開氯氣瓶時可能會發生氯氣暴露。 |
運營商 |
- 在使用氯氣鋼瓶時遵循氯氣行業指南 |
脫脂 |
電氣設備的脫脂需要溶劑具有易燃、溶劑化和快速揮發而不留殘留物的特殊性能; 符合這些特性的溶劑具有揮發性,可能造成吸入危害。 |
電氣維護 |
-局部排氣通風 |
柴油機 |
排放物主要包括二氧化氮、一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和來自動力室中運行的車輛或發動機的含有多環芳烴 (PAH) 的微粒。 |
所有工人 |
- 禁止汽車和卡車在建築物內行駛。 |
昆蟲遺骸 |
一些昆蟲在車站周圍的快速水域繁殖; 交配後,成蟲死亡,屍體腐爛變乾; 有些人會出現過敏性呼吸道
排水後,生活在水道中的昆蟲幼蟲可能會試圖通過產生線狀繩索將其身體降低到剩餘的水中; 由於這些材料變乾,一些人可能會對粉塵產生過敏性呼吸道敏感性。 |
所有工人
|
- 在快速流動的水域中度過部分生命的昆蟲由於建造了一個 |
油和潤滑劑 |
油和液壓油塗在轉子和定子的繞組上; 與熱表面接觸的碳氫化合物分解會產生多環芳烴 (PAH)。 暴露可以通過吸入和皮膚接觸發生。 皮膚接觸可引起皮炎。 |
電氣維護 |
- 個人防護裝備(視情況而定) |
臭氧 |
轉子和其他電氣設備中的電弧產生的臭氧可能會造成暴露問題,具體取決於與源的接近程度。 |
所有工人 |
-維護電氣設備以防止拉弧 |
油漆煙霧 |
油漆氣溶膠含有噴漆和稀釋劑; 液滴和蒸氣中的溶劑可形成易燃混合物; 樹脂體係可包括異氰酸酯、環氧樹脂、胺、過氧化物和其他反應性中間體。 |
旁觀者、畫家 |
-噴漆房 |
多氯 |
直到 1970 年代初,多氯聯苯才被用於電絕緣液; 原始液體或殘留物可能仍存在於電纜、電容器、變壓器或其他設備中; 接觸可通過吸入或皮膚接觸發生。 使用過程中的火或極端高溫會將多氯聯苯轉化為呋喃和二噁英。 |
電氣維護 |
-個人保護設備 |
六氟化硫 |
六氟化硫的電弧擊穿會產生毒性相當大的氣態和固態物質。 |
電氣維護 |
-局部排氣通風 |
焊接和釬焊 |
焊料中的鎘、鉛、銀 |
電器類
機構 |
-局部排氣通風 |
曝光 |
在哪裡可以找到 |
受影響的工人 |
控制方法 |
尷尬的工作 |
長時間以尷尬的姿勢工作會導致肌肉骨骼損傷。 |
所有工人 |
- 設計反映人體工程學原理的設備 |
密閉空間 |
大壩、控制結構、控制閘門、導水通道、發電機和渦輪機械包含許多坑、污水坑、水箱和其他封閉和部分封閉的空間,這些空間可能會缺氧,可能會限制危險氣氛,或可能包含其他危險條件。 |
所有工人 |
-空氣檢測裝置 |
溺死 |
溺水可能發生在前池(進水區)或尾水道(排水區)或其他區域快速流動的水中。 在春季、秋季和冬季的幾個月裡,高緯度地區會出現極冷的水。 |
所有工人 |
-人員收容屏障 |
電刑 |
車站內的區域包含通電的非屏蔽導體; 移除屏蔽層後,包含屏蔽導體的設備可能帶電。 故意進入未經授權的區域或保護系統意外失效會導致觸電風險。 |
所有工人 |
- 建立實踐和程序以確保電氣設備的安全工作條件。 |
電磁 |
發電和其他電氣設備產生直流和 60 赫茲(及更高)交流場; 暴露取決於與源的接近程度和結構提供的屏蔽。 磁場特別難以通過屏蔽衰減。 暴露的重要性尚未確定。 無線電頻率:對人類的影響尚未完全確定。 |
所有工人 |
- 未確定低於當前限值的危險 |
熱 |
發電機會產生大量熱量; 發電機和熱交換器可能會將熱空氣排入發電廠; 動力屋結構可以吸收和輻射太陽能進入建築物; 熱損傷可能發生在溫暖的月份,這取決於氣候和勞累程度。 |
室內工人 |
- 將熱空氣偏向屋頂、屏蔽、工程控制 |
Noise |
來自發電機和其他來源和任務的穩態噪聲可能會超過規定的限值; 鼓風破碎機產生非常高的衝擊噪音; 這些可以隨時放電。 |
所有工人 |
-應用噪聲控制技術。 |
換崗 |
輪班作業會產生生理和社會心理壓力; 對於這些行動往往所在的小型和孤立社區中的少數人來說,社會心理壓力尤其嚴重。 |
運營商 |
-採用反映當前關於晝夜節律知識的工作時間表。 |
振動,手臂 |
電動手動工具和手持設備產生的振動通過手柄傳遞。 |
電氣維護 |
- 使用符合當前手臂振動標準的工具。 |
振動,全身 |
源自發電機旋轉運動和水流湍流的結構振動通過地板和牆壁傳播。 |
所有工人 |
- 監控和維修旋轉設備以盡量減少振動。 |
視覺顯示單元 |
計算機化工作站的有效使用取決於視覺和辦公室人體工程學原理的應用。 |
上班族 |
- 將辦公室人體工程學原理應用於視頻顯示器的選擇和使用 |
天氣相關 |
紫外線能量會導致曬傷、皮膚癌和白內障。 寒冷會導致冷應激和凍傷。 |
戶外工人 |
- 防寒工作服 |
環境影響
水力發電已被推廣為對環境友好的。 當然,它確實通過提供能源和穩定水流為社會帶來巨大利益。 但這種能源的產生並非沒有環境成本,近年來已經得到越來越多的公眾認可和關注。 例如,現在已知用酸性水淹沒大面積的地球和岩石會導致金屬從這些材料中浸出。 在從這些洪水氾濫的地區捕獲的魚中發現了汞的生物蓄積。
洪水還會改變水中的湍流模式以及氧化水平。 這兩者都會產生嚴重的生態影響。 例如,鮭魚在築壩的河流上消失了。 這種消失的發生,部分原因是魚無法定位或無法穿越通往更高水位的路徑。 此外,水變得更像一個湖而不是一條河,湖的靜止水與鮭魚的奔跑不相容。
洪水還會破壞魚類棲息地,並可能破壞魚類和其他生物賴以生存的昆蟲繁殖區。 在某些情況下,洪水摧毀了多產的農田和林地。 大面積洪水也引起了人們對氣候變化和生態平衡其他變化的關注。 原本注定要流入鹹水體的淡水受阻也引起了人們對鹽度變化的擔憂。
燃煤發電站的運營涉及一系列步驟,可能會使工人遭受外傷和危險的化學和物理因素。 這些危害可以通過良好的設計、知識淵博的工人和工作規劃的結合來控制。 良好的設計將確保所有組件都符合完整性和安全操作的必要規範。 它還將確保設備佈局通過方便的訪問實現持續的安全操作性和可維護性。 知識淵博的員工會意識到工作場所的危險,並能夠制定計劃來解決他們遇到的危險。 這些計劃將識別危險並應用適當的控制措施,其中可能涉及斷電、物理屏障和個人防護設備的組合。 事故經驗分析表明,現代電站具有可與其他重型機械行業相媲美的安全性能。 在電站員工中,失時工傷最多的是維修人員。 受傷通常涉及身體軟組織的扭傷和拉傷,最常見的是背部拉傷。 還發現了與長期接觸噪音和偶爾接觸石棉有關的工業疾病。
可以通過一系列步驟來考慮現代動力裝置的運行。
煤炭處理
這包括煤炭接收(通過鐵路或水路)、儲存和回收為渦輪發電機組提供燃料。 重型設備(拖拉機鏟運機和推土機)用於製造壓實的儲存堆,如果要避免自燃火災,這是必要的。 進一步的處理是通過輸送機到發電站。 煤塵暴露(導致可能的塵肺病)可以通過對煤堆噴水和使用裝有濾塵器的封閉控制室來控制。 與高煤塵水平相關的某些任務需要帶有高效微粒吸收器 (HEPA) 的呼吸器。 噪音水平導致該工作區的大多數工人暴露在大於 85 dBA 的環境中(導致聽力損失),應通過使用耳塞和耳罩以及聽力保護計劃來控制這種情況。
在工廠的這個區域發現了幾個常規的安全隱患。 在水邊工作需要仔細注意程序以及使用救生衣。 夜間在凹凸不平的堆場上行駛重型設備需要大面積照明,而輸送煤溜槽(容易堵塞,尤其是冬季嚴寒時)人工清運帶來的提升和推動危險最好通過可拆卸溜槽來控制蓋子,提供方便的訪問。 擴展輸送機系統的操作和維護需要保護驅動和末端滑輪、張緊器和其他咬合點。
汽輪機運行
高壓鍋爐-渦輪組合的運行應包括一套嚴格的控制以確保安全運行。 這些控制包括設備的物理完整性以及操作人員的技能、知識和經驗。 高壓部件的完整性是通過結合現代工程標準中包含的適當規範,以及使用視覺和非破壞性成像技術(X 射線和熒光鏡方法)對焊接接頭進行例行檢查來確保的。 此外,定期測試的減壓閥可確保鍋爐不會超壓。 工作人員的必要技能和知識可以通過內部人員發展過程加上政府認證持續數年來培養。
發電廠的環境是複雜的工程系統的集合,用於將燃料、助燃空氣、脫礦質鍋爐水和冷卻水輸送到鍋爐。 除了高壓蒸汽危害外,它還包含各種必須認識和控制的其他常規和化學/物理危害。 在運行中,最普遍的危害是噪音。 調查顯示,所有操作和維護人員的時間加權平均暴露量超過 85 dBA,這需要在大部分發電廠佩戴聽力保護裝置(插頭或耳罩)並定期進行聽力測試以確保聽力不會惡化。 主要的噪聲源包括磨煤機、渦輪發電機組和車站服務空氣壓縮機。 運行期間動力室中的粉塵水平取決於對隔熱狀況的維護關注。 這是特別值得關注的,因為更舊的絕緣材料含有高含量的石棉。 仔細注意控制(主要是粘合和控制損壞的絕緣)可以使空氣中的石棉濃度達到檢測不到的水平(<0.01 纖維/cc)。
產生潛在危險的操作過程的最後階段是灰分收集和處理。 通常位於發電站外,灰收集通常使用大型靜電除塵器完成,儘管近年來越來越多地使用織物過濾器。 在這兩種情況下,灰燼都從煙道氣中提取出來並保留在儲存筒倉中。 儘管在工程上努力控制水平,但任何後續處理過程本質上都是多塵的。 這種類型的灰燼(飛灰,與鍋爐底部積聚的底灰相反)含有相當大比例(30% 至 50%)的可吸入物質,因此可能對接觸工人的健康造成潛在影響. 灰燼中的兩種成分具有潛在意義:結晶二氧化矽,與硅肺病和可能隨後的肺癌有關,以及砷,與皮膚癌和肺癌有關。 在這兩種情況下,都需要進行暴露評估以確定是否超過規定限值以及是否需要特定的控製程序。 這些評估涉及對個人取樣員的調查,應包括所有可能受影響的工人,包括在檢查集塵系統以及鍋爐的研磨和加熱表面(已知砷沉積)期間可能接觸到砷的工人。 如有必要,控制計劃應包括向工人提供有關避免攝入灰燼的重要性(在灰燼處理區不得進食、飲水或吸煙)以及接觸灰燼後需要仔細清洗的信息。 在這些調查中遇到的粉塵水平通常是這樣的,即良好的安全實踐表明針對暴露於總有害粉塵的呼吸控制計劃。 例如,由美國國家職業安全與健康研究所維護的工業死亡率數據庫不包含美國電力行業因接觸二氧化矽或砷而死亡的條目。
保養
正是在維護階段,對常規和化學/物理製劑的暴露程度最高。 鑑於現代發電站的複雜性,至關重要的是要有一個有效的隔離設備的過程,這樣在進行維修時就不會通電。 這通常是通過鎖和標籤的受控系統來實現的。
在維護過程中會遇到範圍廣泛的常規危險。 它們涉及:
在所有情況下,危害都可以通過逐步分析過程來管理,該過程可以識別危害和相應的控制措施。
在日常維護活動中使用和遇到各種各樣的危險商業產品。 石棉很常見,因為它已被廣泛用作隔熱材料,並且是許多商業產品的組成部分。 控制流程應到位,以確保通過顯微分析正確識別所有含石棉材料(現場能力大大縮短響應時間)。 用於任務的實際控制方法取決於活動的規模。 對於大規模工作,這將涉及構建在略微降低的壓力下運行的外殼(以防止洩漏),並確保按照謹慎的程序為工人配備呼吸保護裝置以避免外部污染。 在任何情況下,含石棉材料都應完全潤濕,裝袋並貼上標籤以備處置。 必須仔細檢查以確保在繼續之前清除所有石棉。 應記錄工人的接觸情況,並定期進行胸部 X 光檢查和肺功能測試,以確定任何疾病的發作。 這些檢查的陽性結果應立即將工人從進一步暴露中移除。 目前的做法反映了電力行業對石棉暴露的高度關注。
對於工作場所使用的絕大多數其他有害物質,涉及的數量很少,使用頻率也不高,因此總體影響不大。 接觸有害物質的最重要類別是與特定操作相關的那些,而不是特定產品。
例如,焊接是一項常見的活動,可能會導致一系列可能的不良健康後果。 暴露於電弧的紫外線會導致暫時性失明和嚴重的眼睛刺激(“電弧眼”); 吸入金屬氧化物煙霧可能導致“金屬煙霧熱”; 電弧高溫下形成的氮氧化物和臭氧可能導致化學性肺炎和可能的慢性呼吸系統疾病。 要應用的控制措施包括保護附近工人免受散射光傷害的眼罩、局部排氣通風或呼吸保護(通過空氣淨化呼吸器)。
一項類似的常見活動是打磨和噴砂處理,其中涉及吸入可吸入金屬氧化物和磨料顆粒。 在這種情況下,控制通常是通過選擇研磨劑(現在已經放棄沙子,轉而使用植物殼等更溫和的研磨劑)以及適當的高局部排氣通風。
導致顯著暴露的另一項活動是在金屬表面應用保護塗層。 塗層可能含有多種釋放到工作環境中的溶劑。 工人的暴露可以通過局部排氣通風來控制,或者,如果這不切實際,可以通過呼吸保護來控制。
在所有核反應堆中,能量都是通過原子核裂變的鍊式反應在燃料中產生的。 最常見的核燃料是鈾 235。 每次裂變都會將一個燃料原子分裂成兩個新的裂變產物原子,並從其原子核中放出中子,從而導致原子進一步裂變。 裂變釋放的大部分能量被裂變產物帶走,並在相鄰燃料原子停止這些快速移動的裂變產物並吸收它們的輻射時轉化為熱能。 中子帶走了大約 3% 的裂變能量。
液態或氣態冷卻劑可防止反應堆堆芯變得過熱,這也會產生蒸汽(直接或間接)來驅動渦輪機。 中子吸收材料被納入控制棒,控制棒可以移入和移出反應堆堆芯的空腔,以將裂變反應速率控制在電站操作員所需的水平。 在壓水反應堆中,吸收材料可以通過可溶性吸收劑放入反應堆冷卻劑系統中。
大多數裂變產物不穩定,因此具有放射性。 它們衰變,以每種裂變產物元素的特徵類型和速率釋放輻射,以及可能也具有放射性的新子產物。 這種衰變順序一直持續到最終產生穩定(無放射性)的子產物。 其他放射性產物是通過吸收非裂變材料(例如鈾 238)和結構材料(例如導軌、支架和燃料包殼)的原子核中的中子而在反應堆中形成的。
在已經運行一段時間的反應堆中,裂變產物的衰變和新裂變產物的產生接近平衡。 此時,放射性產物衰變產生的輻射和由此產生的能量幾乎是反應堆中產生的所有能量的十分之一。
正是這種大量的放射性物質造成了核電站特有的風險。 在操作條件下,大多數這些放射性物質表現得像固體,但有些表現得像氣體,或者在反應堆的高溫下變得易揮發。 其中一些放射性物質很容易被生物體吸收,並對生物過程產生重大影響。 因此,如果釋放或分散到環境中,它們是危險的。
核電站類型和特點
熱反應器使用稱為 版主 減緩裂變產生的快中子,以便它們更容易被易裂變的鈾 235 原子捕獲。 普通水常被用作緩和劑。 其他使用的減速劑是石墨和氘,氫的一種同位素,以氧化氘(重水)的形式使用。 普通水主要是氧化氫,並含有少量(0.015%)的重水。
冷卻劑從燃料中帶走熱量,冷卻劑直接或間接產生蒸汽來驅動渦輪機,還控制反應堆堆芯的溫度,防止其變得過熱而損壞燃料或結構材料。 熱反應堆常用的冷卻劑包括普通水、重水和二氧化碳。 水俱有良好的傳熱特性(比熱高、粘度低、易於泵送),是核電站最常用的冷卻劑。 用加壓水或沸水冷卻反應堆堆芯可實現高堆芯功率密度,因此大型動力裝置可以內置在相對較小的反應堆容器中。 然而,使用水的反應堆冷卻劑系統必須在高壓下運行,以便達到蒸汽渦輪發電機有效運行所需的有用蒸汽壓力和溫度。 因此,反應堆冷卻系統邊界的完整性對於所有水冷核電站都非常重要,因為它是保護工作人員、公眾和環境安全的屏障。
所有水冷動力反應堆和大多數其他反應堆中的燃料都是陶瓷二氧化鈾,包裹在金屬——不銹鋼或鋯合金中。 燒結的二氧化鈾提供了一種不可燃的燃料,可以長時間運行並在高溫下保留其裂變產物而不會發生明顯的變形或失效。 唯一使用除二氧化鈾燃料以外的運行中的熱電反應堆是 Magnox 站(用二氧化碳冷卻),這些反應堆在使用壽命結束時逐漸停止使用。
以各種形式使用的中子吸收材料(例如硼、鎘、鉿和钆),例如在鋼包控制棒中或在冷卻劑或減速劑中的溶液中,可以移入和移出反應堆堆芯,以便控制任何指定水平的裂變反應速率。 與化石燃料發電相比,無需增加燃料量即可提高裂變鍊式反應產生的功率水平。
一旦開始增加裂變能量產生的速率,它就會一直持續到通過向核心中插入適量的中子吸收材料和減速劑而停止為止。 這種功率增加是由於裂變鍊式反應中的中子超過了僅收支平衡的鍊式反應所需的中子。 因此,可以通過添加或去除非常少量的中子吸收材料來非常靈敏地控制裂變速率和由此產生的能量產生。 如果需要突然降低功率水平,則將相對大量的中子吸收材料注入堆芯。 每個反應堆概念都有自己的反應特性,這決定了控制和停堆中子吸收裝置的設計,以確保有效的功率控制以及在需要時安全快速地停堆。 然而,相同的基本控制和安全原則適用於所有人。
圖 1 顯示了目前在役的主要熱電反應堆類型,表 1 給出了主要特性。在圖 1 的簡化圖示中,混凝土防護罩顯示在反應堆和主冷卻劑系統周圍。 護罩包括多種設計,通常既能屏蔽來自反應堆的直接輻射,又能容納反應堆冷卻或減速劑系統的任何洩漏,並且通常設計成能夠承受在發生以下情況時可能導致的巨大壓力:冷卻系統的重大故障。
圖 1. 核電站類型
反應釜類型 |
汽油 |
主持人 |
冷卻液及其約。 壓力 |
蒸汽發生 |
數量 |
淨產量 |
PWR |
濃縮二氧化鈾 |
淡水 |
淡水 |
間接 |
251 |
223,717 |
PHWR(CANDU 型) |
未濃縮的二氧化鈾 |
重水 |
重水 |
間接 |
34 |
18,927 |
水堆 |
濃縮二氧化鈾 |
淡水 |
淡水 |
直接 |
93 |
78,549 |
GCR(MAGNOX 型) |
未濃縮鈾金屬 |
石墨黑色 |
二氧化碳 |
間接 |
21 |
3,519 |
年增長率 |
濃縮二氧化鈾 |
石墨黑色 |
二氧化碳 |
間接 |
14 |
8,448 |
LWGR(RBMK型) |
濃縮二氧化鈾 |
石墨黑色 |
淡水 |
直接 |
18 |
13,644 |
胎牛血清 |
混合氧化物钚 |
與機身相同顏色 |
鈉 |
間接 |
3 |
928 |
在 壓水反應堆 (PWR) 發電站中,反應堆一次冷卻劑和慢化劑是相同的——淨化普通水,通過蒸汽發生器(有時稱為鍋爐)中的金屬邊界將其與二次給水/蒸汽迴路分開,熱量通過傳導傳遞。 因此,供給渦輪發電機的蒸汽不具有放射性,蒸汽渦輪發電機可以像傳統發電廠一樣運行。 由於一次冷卻劑/慢化劑水中的氫吸收了很大一部分中子,因此有必要將燃料的易裂變鈾 235 同位素含量濃縮到 2% 至 5% 之間,以維持長期發電的實際鍊式反應。
在所有運行中的核電站中 加壓重水反應堆 (PHWR), 反應堆減速劑和主冷卻劑是重水,同位素氘含量非常高(>99%)。 在裡面 坎杜 PHWR, 它構成了幾乎所有運行中的 PHWR,慢化劑與主冷卻劑分離並保持在相對較低的溫度和壓力下,這為放置監測和控制儀器提供了便利的環境,並在事件發生時提供了內置的備用冷卻能力一次冷卻劑管道故障。 CANDU 中的燃料和初級冷卻劑位於反應堆堆芯的水平壓力管中。 與壓水堆一樣,一次冷卻劑和二次給水/蒸汽迴路在蒸汽發生器中被金屬邊界隔開,熱量通過金屬邊界從一次重水傳遞到普通水蒸汽給水系統。 因此,供給渦輪發電機組的蒸汽是普通的水蒸汽,不具有放射性(除了由於洩漏導致的少量蒸汽),渦輪發電機組可以像傳統火力發電廠一樣運行。 重水慢化劑和冷卻劑僅吸收裂變過程中產生的一小部分中子,從而允許使用天然鈾(0.071% 鈾 235)進行長期發電的實用鍊式反應。 現有的 PHWR 可以使用略濃縮的鈾 235 燃料運行,這導致從燃料中提取的總能量成比例地增加。
在 沸水反應堆 (BWR) 核電站中,一次冷卻水在反應堆堆芯本身部分蒸發,那裡產生的蒸汽直接送入渦輪發電機。 反應堆中的運行壓力低於壓水堆中的運行壓力,但供給渦輪機的蒸汽壓力相似。 供給渦輪機的蒸汽具有輕微放射性,需要採取一些預防措施,因為渦輪機/給水系統可能受到低水平污染。 然而,這還沒有被證明是 BWR 運行和維護的重要因素。 在 BWR 中,反應堆功率的控制受堆芯中蒸汽量的影響,隨著反應堆功率水平的變化,這必須通過適當控製冷卻劑流量或反應性插入來抵消。
氧化鎂反應器,也被稱為 氣冷反應堆 (GLR),以包覆鎂的天然鈾金屬為燃料。 它們在適度壓力下被二氧化碳冷卻,但會產生相對高溫的蒸汽,從而提供良好的熱效率。 它們具有低功率密度的大核心,因此壓力容器(也是唯一的安全殼結構)也很大。 早期 Magnox 反應堆中的壓力容器是鋼製的。 在後來的 Magnox 反應堆中,預應力混凝土容器包含反應堆堆芯和蒸汽提升熱交換器。
先進氣冷反應堆 (AGR) 使用濃縮氧化鈾燃料 (2.3% U-235)。 它們在比 Magnox 反應堆更高的壓力下被二氧化碳冷卻,並提高了傳熱和熱效率。 與 Magnox 反應堆相比,AGR 中更大的核心功率密度允許 AGR 反應堆更小和更強大。 包含反應堆堆芯和蒸汽提升熱交換器的預應力混凝土壓力容器也充當安全殼結構。
輕水石墨反應堆 (LWGR) 是不同核動力系統的混合體。 今天唯一運行的這種類型的發電站是位於前蘇聯,即俄羅斯、烏克蘭和立陶宛的 RBMK 反應堆。 在 RBMK 反應堆中,普通水冷卻劑向上流過包含燃料的垂直冷卻劑通道(管),並在堆芯內沸騰。 與 BWR 一樣,堆芯中產生的蒸汽直接送入渦輪發電機。 圍繞冷卻劑通道的石墨減速劑在充分高於冷卻劑溫度的溫度下運行,使得石墨中通過減速中子而產生的熱量被冷卻劑通道帶走。 RBMK 反應堆很大並且有許多冷卻劑通道 (>1,500)。
快中子增殖反應堆 (FBR)需要裂變材料富集 20%,主要通過吸收裂變過程中產生的快中子來維持裂變鍊式反應。 這些反應堆不需要減速劑來減慢中子的速度,並且可以使用多餘的中子來培育钚 239,钚 XNUMX 是一種潛在的反應堆燃料。 他們可以生產比消耗更多的燃料。 雖然世界上有 XNUMX 個國家建造了許多這樣的反應堆來發電,但與液態金屬冷卻劑(鈉)的使用和極高的熱耗率相關的技術和實際困難導致興趣減弱。 現在只有三四個比較小 液態金屬快中子增殖反應堆 (LMFBR) 作為世界上的電力生產商提供服務,總發電量不到 1,000 兆瓦 (MWe),並且它們正在逐步退出服務。 然而,繁殖反應堆的技術已經得到相當大的發展和記錄,以備將來需要時使用。
燃料和燃料處理
從開採含鈾礦石開始到最終處置用過的燃料和所有燃料加工廢物結束的過程通常稱為 核燃料循環. 燃料循環有很多變化,這取決於所涉及的反應堆類型和反應堆堆芯中排熱裝置的設計。
基本的 PWR 和 BWR 燃料循環幾乎相同,僅在富集程度和燃料元件的詳細設計方面有所不同。 通常在不同地點和設施中涉及的步驟是:
在這些過程中需要採取預防措施,以確保任何位置的濃縮燃料的量都少於可能導致顯著裂變鍊式反應的量,當然,在反應堆中除外。 這導致製造、運輸和儲存中的材料空間限制。
相比之下,CANDU 反應堆使用天然鈾,從開採礦石到燃料處理的燃料循環很簡單,不包括提供濃縮和後處理的步驟。 CANDU 的燃料是半自動製造的,由 28 或 37 根含有 UO 的燃料棒組成的半米長的圓形束2 顆粒。 製造天然鈾燃料、運輸或儲存新燃料或用過的燃料都沒有空間限制。 用過的 CANDU 燃料的固定化和處置在加拿大已經進行了 17 年的開發,目前處於概念批准階段。
在所有運行中的動力反應堆中,除 Magnox 型外,反應堆燃料的基本成分是圓柱形燃料芯塊,由二氧化鈾 (UO2) 壓實然後燒結以獲得所需密度和陶瓷特性的粉末。 這些燒結顆粒密封在無縫鋯合金或不銹鋼管中以生產 燃料棒或元件, 在正常的反應堆溫度和壓力下,相對於它們的包殼是化學惰性的。 即使包層損壞或破裂並且冷卻劑與 UO 接觸2,這種陶瓷材料保留了大部分放射性裂變產物,抵抗高溫水造成的劣化。
Magnox 反應堆使用包裹在鎂中的天然鈾金屬燃料,並在相對較高的溫度下成功運行,因為冷卻劑二氧化碳在乾燥條件下不會與這些金屬發生反應。
核反應堆中燃料棒設計的基本目標是將燃料中產生的裂變熱傳遞給冷卻劑,同時即使在最嚴酷的瞬態條件下也能保持燃料棒的完整性。 對於所有運行中的反應堆,在傳熱實驗室對模擬燃料進行的廣泛測試表明,為應用設計和許可的特定燃料可以滿足預期的最大反應堆內熱瞬態條件,並具有足夠的安全裕度。
從製造廠運送到發電站的新燃料沒有顯著放射性,可以在沒有屏蔽的情況下手動或通過手動操作的起重/裝卸工具進行處理。 一個典型的 燃料組件 對於 PWR 或 BWR 反應堆,是大約 200 根燃料棒的方形陣列,長約 4 m,重約 450 kg。 大型 PWR 或 BWR 反應堆需要大約 200 個這樣的組件。 燃料由橋式起重機搬運,並放置在新燃料儲存區乾燥的垂直架子上。 為了在 PWR 或 BWR 等在役輕水反應堆中安裝新燃料,所有操作都在足夠深的水下進行,以便為反應堆上方的任何人提供屏蔽。 必須首先拆下反應堆容器的法蘭蓋,並通過高架起重機和燃料裝卸電梯取出一些用過的燃料(通常是三分之一到二分之一的反應堆堆芯)。
用過的燃料被放置在充滿水的儲藏室中。 堆芯中其他用過的燃料組件可能會重新排列位置(通常移向堆芯的中心),以調整反應堆中的發電量。 然後將新的燃料組件安裝在所有空置的燃料場地位置。 為更大的反應堆補充燃料可能需要 2 到 6 週,具體取決於勞動力和要更換的燃料量。
CANDU 反應堆和一些氣冷反應堆由遠程操作設備提供燃料,該設備移除用過的燃料並安裝新的燃料元件或束。 對於 CANDU,燃料是半米長的燃料棒束,直徑約 10 厘米,重約 24 千克。 從製造商處收到的燃料裝在紙板包裝箱中,並儲存在指定的新燃料儲存區,準備裝入反應堆。 通常每天將燃料裝入運行中的反應堆以維持反應堆的反應性。 在大型 CANDU 反應堆中,每天 12 束是典型的換料速度。 這些束被手工裝載到一個新的燃料裝載裝置上,該裝置又將束裝載到一個 加油機 這是從車站控制室遠程控制的。 為了將新燃料裝載到反應堆中,需要通過遙控操作兩台遙控加油機,並將其連接到水平燃料通道的末端進行加油。 當冷卻系統處於工作壓力和溫度時,通道兩端的加油機打開,新燃料從通道的一端推入,用過的燃料從通道的另一端抽出。 當安裝完所需數量的燃料束後,由加油機重新安裝通道密封,加油機可以繼續向另一通道加油或將使用過的燃料排放到使用過的燃料充水儲存艙中.
從所有運行中的反應堆中排出的乏燃料都具有很強的放射性,需要冷卻以防止過熱,並需要屏蔽以防止對附近任何敏感的生物體或設備的直接輻射。 通常的程序是將用過的燃料排放到蓄水池中,蓄水池的水至少覆蓋燃料 4 m,以進行屏蔽。 這樣可以通過水安全地觀察燃料,並可以將其在水下移動到更長期的存儲位置。
從反應堆排放一年後,用過的燃料產生的總放射性和熱量將下降到排放時初始值的 1% 左右,並在 10 年內下降到排放時初始值的 0.1% 左右。 排放後約 5 到 10 年,熱量產生減少到可以從水池中取出燃料並將其以乾燥形式儲存在容器中,燃料容器周圍只有空氣自然循環。 然而,它仍然具有很強的放射性,幾十年來都需要屏蔽其直接輻射。 防止生物體攝入燃料材料需要更長的時間。
動力堆乏燃料的實際處置仍處於開發和批准階段。 許多國家正在對各種地質結構中動力反應堆的乏燃料的處置進行深入研究,但尚未在世界任何地方獲得批准。 在穩定的岩石結構中儲存在地下深處的概念目前正在加拿大批准過程中,作為最終處置這些高放射性廢物的一種安全實用的方法。 然而,預計即使概念在 2000 年之前獲得批准,乏燃料的實際處置也要到 2025 年左右才會發生。
廠內運作
在擁有核電計劃的所有 33 個國家中,都有製定和執行與核設施運行相關的安全法規的監管機構。 然而,通常是擁有和運營核電設施的電力公司對其核電廠的安全運行負責。 操作員的角色實際上是一項信息收集、計劃和決策制定的管理任務,只是在日常操作中斷時偶爾才包括更主動的控制。 操作員不是主要保護系統。
所有現代核電站都具有高度可靠的自動、反應靈敏的控制和安全系統,可以持續保護反應堆和其他核電站部件,並且通常設計為在斷電時具有故障安全功能。 運營商不應複製或替代這些自動控制和保護系統。 然而,操作員必須能夠在必要時幾乎立即關閉反應堆,並且應該能夠識別和響應工廠運行的任何方面,從而增加保護的多樣性。 操作者需要能夠從自動化數據信息系統提供的大量數據中了解、診斷和預測全局的發展。
運營商應:
操作員執行此操作的能力取決於機器的設計以及操作員的能力和培訓。
每個核電站都必須有稱職、穩定和訓練有素的操作人員隨時值班。 潛在的核運營商將接受全面的培訓計劃,通常包括科學、設備和電力系統、輻射防護以及運營政策和原則方面的課堂和在職培訓。 美國公用事業核電廠運行中始終使用培訓模擬器,為操作員提供電廠運行、異常和異常條件下的實際操作經驗。 操作員和電力系統之間的接口是通過控制室儀表進行的。 設計良好的儀表系統可以提高操作員的理解力和正確的反應。
通常在建設中的核電站就任命主要的運營人員,這樣他們就可以從運營的角度提出建議,並可以召集人員來調試和運營電站。 他們還準備了一套全面的操作程序,然後才啟用該站並允許其運營。 設計專家和監管人員檢查這些程序以確保設計意圖和操作實踐的一致性。
要求工作人員按照操作規程和工作授權,系統、嚴格地操作站點。 操作人員通過執行全面的安全系統和防護屏障測試和監控計劃,並保持處理任何工廠緊急情況的能力,不斷努力確保公共安全。 如果操作員可能必須針對電廠狀態的變化採取行動,則有書面的、系統的程序來指導他們並提供控制電廠所需的詳細信息。 這些程序由車站和監管安全委員會審查。
一個深思熟慮的操作安全管理計劃包括:
除了正常運行的程序外,每個核電站都有一個事件報告系統,用於調查和記錄設備的任何故障和劣化、設計或施工中的缺陷以及監測系統或定期測試和檢查發現的運行錯誤。 確定每個事件的基本原因,以便可以製定適當的糾正或預防措施。 事件報告,包括分析結果和建議,由車站管理人員以及安全和人為因素方面的專家進行審查,這些專家通常不在車站現場。
國際原子能機構 (IAEA) 的事故報告系統在世界各地運作,以補充國家系統並確保信息在所有參與國之間共享。 世界核運營商協會 (WANO) 也在運營層面提供詳細的信息交流。
核反應堆及其所有輔助和安全相關係統均根據質量保證要求按計劃的時間間隔進行維護和測試,以確保其在整個使用壽命期間的可靠性。 除了自動監控外,還有系統的手動測試和調查設備系統損壞或故障的證據。 其中包括定期現場監測、預防性維護、定期測試和工廠條件變化研究。
為過程和安全系統設定了非常苛刻的性能目標,以將對公眾和車站工作人員的風險保持在可接受的低水平。 對於在發電時主動運行的過程系統,將故障率與性能目標進行比較,這可能會導致性能不合格的設計更改。 安全系統需要一種不同的方法,因為它們只有在過程系統發生故障時才會運行。 綜合測試程序監控這些系統及其組件,結果用於確定每個系統可能停止服務的時間。 將計算出的安全系統停止運行的總時間與非常高的性能標准進行比較。 如果在安全系統中檢測到缺陷,則會立即糾正或關閉反應堆。
在定期計劃停機期間,還有廣泛的測試和維護計劃。 例如,所有承壓容器、部件及其焊縫均根據安全規範規定,通過非破壞性方法進行系統檢查。
安全原則和相關的安全設計特點
裂變鍊式反應有四個方面可能是危險的,並且離不開利用核能發電,因此需要採取安全措施:
這些特性所要求的安全要求是核電站與使用化石燃料的發電站安全設備和運行策略的主要區別所在。 不同類型的核電站如何滿足這些安全要求有所不同,但所有核電站的基本安全原則都是相同的。
在許可程序中,每個核裝置都必須證明放射性釋放將低於規定的監管限值,無論是在正常運行條件下還是在故障或事故條件下。 優先考慮的是防止故障,而不是簡單地減輕故障的後果,但設計必須能夠處理故障,儘管採取了所有預防措施,但故障確實發生了。 這需要最高程度的質量保證和控制,適用於所有設備、施工功能和操作。 固有安全特性和工程安全措施旨在預防和控制事故,並控制和盡量減少放射性物質的釋放。
特別是,發熱量和冷卻能力必須始終匹配。 在運行期間,冷卻劑從反應堆帶走熱量,冷卻劑通過連接到反應堆的管道泵送,並流過燃料包殼表面。 如果泵斷電或連接管道突然失效,燃料的冷卻將中斷,這可能導致燃料溫度迅速升高,燃料包殼可能失效,並導致燃料洩漏。從燃料到反應堆容器的放射性物質。 裂變鍊式反應的快速停止,並可能啟動備用或緊急冷卻系統作為支持,將防止燃料損壞。 所有核電站都提供了這些安全措施。
即使反應堆已經關閉,冷卻損失和備用或緊急冷卻能力失效也可能導致燃料過熱,因為燃料中持續產生裂變產物衰變熱,如圖 2 所示。雖然衰變熱量僅佔全功率熱量產生的 1% 或 2%,如果不去除熱量,燃料溫度可能會在完全失去冷卻後的幾分鐘內達到故障水平。 核電站安全設計原則要求對所有可能導致燃料過熱、損壞和放射性物質從燃料中釋放的情況進行仔細評估,並通過工程控制和保護系統加以預防。
圖 2. 反應堆停堆後的衰變熱
保護核電站的安全特性有固有特性、非能動系統和能動系統三種。 這些在運行的核電站中以各種組合使用。
固有的安全特性 利用自然法則來保證發電廠的安全。 一些核燃料具有固有的安全特性,隨著它們的溫度升高,鍊式裂變反應速度會減慢。 一些冷卻系統的設計具有固有的安全特性,冷卻劑將通過自然循環在燃料上循環,以在不運行任何泵的情況下充分去除衰變熱。 大多數金屬結構具有固有的安全特性,這些特性會導致在重載下屈服或拉伸,而不是爆裂或失效。
被動安全功能 包括通過要釋放的流體壓力提升自重(重力)安全閥,或在緊急冷卻劑注入系統中使用儲存的能量,或在一些設計用於容納管道故障能量的安全殼中系統和隨後的衰變熱。
主動安全系統 包括所有需要激活信號和某種形式的電源的系統。 與固有系統和被動系統相比,主動系統通常可以控制更廣泛的環境,並且可以在反應堆運行期間不受限制地進行測試。
核電站的安全設計基於固有、被動和主動系統的選定組合,以滿足核電站所在轄區的監管安全要求。 安全相關係統的高度自動化對於盡可能減輕操作人員在壓力下快速決策和採取行動的需要是必要的。 核動力反應堆系統旨在自動調整所需功率輸出的變化,並且通常變化是漸進的。 尤其重要的是,安全相關係統能夠在需要時持續迅速、有效和可靠地做出響應。 為了滿足這種高水平的性能,這些系統必須符合最高的質量保證標準,並按照冗餘、多樣性和物理分離等公認的安全設計原則進行設計。
冗餘 是提供比僅使系統正常工作所需的組件或子系統更多的組件或子系統——例如,提供三個或四個組件,而係統正常運行只需要兩個組件或子系統。
多樣性 是提供兩個或多個基於不同設計或功能原理的系統來執行相同的安全功能。
物理分離 設計用於執行相同安全功能的組件或系統的組合,提供保護以防止可能損害安全系統性能的局部損壞。
這些安全設計原則應用的一個重要例證是核電站的電力供應,它基於與主電力系統的多個連接,由多台自動啟動柴油機和/或燃氣輪機在現場提供支持,以及電池組和電動發電機組,以確保為重要的安全相關係統提供可靠的電力供應。
防止核電站放射性物質釋放的基本預防措施原則上非常簡單:在放射性物質和環境之間設置一系列防漏屏障,以提供對直接輻射的屏蔽和放射性物質的包容。 最裡面的屏障是陶瓷或金屬燃料本身,它將大部分放射性物質結合在其基質中。 第二道屏障是防漏、耐腐蝕的包層。 第三道屏障是冷卻系統的主要承壓邊界。 最後,大多數核電系統都封閉在耐壓安全殼結構中,該結構設計用於承受內部最大管道系統的故障並容納釋放到安全殼中的任何放射性物質。
核電站安全設計的基本目標是通過縱深防禦方法保持這些多重屏障的完整性,縱深防禦方法的特點是三個級別的安全措施:預防、保護和緩解措施。
預防措施 包括: 在設計、施工和運營過程中滿足最高水平的質量保證; 接受過定期再培訓的訓練有素的操作員; 利用固有的安全特性; 提供適當的設計餘量; 進行仔細的預防性維護、持續測試和檢查以及糾正缺陷; 持續監控; 必要時進行徹底的安全評估和重新評估; 對事件和故障進行評估和原因分析,並做出適當的修改。
保護措施 包括:快速關閉系統; 反應靈敏的自動減壓閥/系統; 互鎖電路以防止誤操作; 自動監控重要的安全功能; 連續測量和控制輻射水平和流出物的放射性,以免超過允許的限度。
緩解措施 包括:應急反應堆冷卻系統; 高度可靠的應急給水系統; 多樣化和冗餘的應急電源系統; 防止任何放射性物質從站洩漏的容器,該站設計用於應對各種自然和人為壓力,例如地震、強風、洪水或飛機撞擊; 最後,應急計劃和事故管理,包括輻射監測、通知安全部門和向公眾提供建議、控制污染和分發緩解材料。
核安全不僅取決於技術和科學因素; 人為因素起著非常重要的作用。 監管控制提供了對核電站所有安全方面的獨立驗證。 然而,核安全主要不是靠法律法規來確保,而是靠負責任的設計、運營和公用事業管理,其中包括由有知識和權威的人進行適當的審查和批准。
唯一一次對公眾造成非常嚴重後果的核電站事故發生在 1986 年烏克蘭切爾諾貝利 RBMK 核電站以不尋常配置進行冷卻能力測試期間。在這次嚴重事故中,反應堆被毀,大量放射性物質材料逃逸到環境中。 隨後發現反應堆沒有足夠的關閉系統,並且在低功率下不穩定。 設計缺陷、人為錯誤和缺乏適當的公用事業管理都是造成事故的原因。 對剩餘運行中的 RBMK 反應堆進行了修改,以消除嚴重的設計缺陷,並改進了操作說明,以確保不會再次發生這一不幸事故。
從 RBMK 事故和其他不太嚴重的核電站事故(如 1978 年美國的三哩島事故)以及核電站運行 30 多年的許多小事故和事件中,我們學到了很多東西。 核界的目標是確保沒有核電站事故危及工人、公眾或環境。 在 IAEA 事件報告系統和 WANO 等計劃下的密切合作、行業團體和監管機構的審查以及核電站所有者和運營商的警惕,使這一目標更容易實現。
致謝:編輯感謝 Tim Meadler 和鈾研究所為表 1 提供的信息。
發電、輸電和配電
電力供應分為三個階段; 產生、傳輸和分配。 每個階段都涉及不同的生產過程、工作活動和危害。
大多數電力產生於 13,200 至 24,000 伏特。 發電過程中的危險包括設備意外故障導致的爆炸和燃燒。 如果未遵循正確的上鎖/掛牌程序,也可能發生事故。 這些程序用於控制能源。 在對可能發生意外通電、啟動或釋放存儲能量並造成傷害的設備進行維護之前,必須將設備與能源隔離並使其停止運行。 未能正確隔離這些能源(上鎖/掛牌)可能導致嚴重傷害或死亡。
電力產生後,使用傳輸線進行遠距離傳輸。 輸電線路建在位於發電站的輸電變電站之間。 輸電線路可以架在塔頂上,也可以在地下。 它們在高壓下運行。 它們發出大量電能並延伸相當遠的距離。 當電力從發電站出來時,位於那裡的輸變電站將電壓升高到 138,000–765,000 伏的範圍。 在作業區內,輸電變電站將傳輸電壓降至 34,500–138,000 伏。 然後,該電力通過線路傳輸到位於本地服務區域的配電系統。 傳輸過程中存在的主要危險是電氣。 未能保持適當的接近距離或使用適當的防護設備(橡膠手套和袖子)可能導致嚴重傷害或死亡。 跌倒也是嚴重事故的一個來源,可能發生在架空線路的維護工作期間以及在電線桿或斗式卡車上工作時。
配電系統將傳輸系統連接到客戶的設備。 配電變電站將傳輸的電壓降低至 2,400–19,920 伏。 配電變壓器進一步降低電壓。 與配電工作相關的危險本質上也是電氣的。 然而,在處理地下配電系統時,在封閉空間(檢修孔和拱頂)工作會帶來額外的危險。
輸配電變電站是在最終配電過程中改變電能的電壓、相位或其他特性的設施。 觸電是變電站的主要安全隱患。 此類事故通常是由於未能與帶電電氣設備保持適當的接近距離和/或未能使用適當的個人防護設備(包括橡膠絕緣手套和袖套)造成的。
發電、輸電和配電的安全隱患
美國職業安全與健康管理局 (OSHA) 於 29 年 1910.269 月 31 日頒布了美國職業安全與健康管理局 (OSHA) 頒布的發電、輸電和配電標準,也稱為 1994 CFR 1910.269 的電力維護標準。發電、輸電和配電設備及相關設備的操作和維護。 此外,XNUMX 的規定還涵蓋合同線路工人、合同線路清理樹木修剪工和獨立電力生產商。 其他國家和地區也有類似規定。
OSHA 標准直接針對的危險是那些具有電氣性質的危險,這些危險會導致觸電死亡和電擊造成的傷害。 不慎接觸高壓電的後果往往是二度、三度燒傷、截肢、內臟器官損傷、神經損傷等死亡或重傷。
該標準還涉及與其他四種事故相關的傷亡事故——撞擊或撞擊; 從梯子、腳手架、桿子或其他高處墜落; 在例行維護工作中因機械意外啟動而卡在或夾在中間; 接觸極端溫度,這可能發生在鍋爐維護工作期間無意中釋放高壓蒸汽時。 東方研究小組 (ERG) 為擬議的 OSHA 法規準備了經濟影響研究,報告說“與輸電和配電線路相關的事故多於與變電站或發電裝置相關的事故”。 ERG 報告稱,在輸配電線路類別中,線路工人、見習線路工人和工作線路主管經歷了最致命和最嚴重的誤工事故。 在變電站和發電類別中,變電站電工和通用機械師遇到的事故最多。
減少事故
OSHA 估計,在美國,發電、輸電和配電員工每年平均發生 12,976 起誤工傷事故。 他們還報告說,這些工人每年有 86 人死亡。 OSHA 估計,通過遵守本標準的規定和最終規則中引用的其他標準,每年可以避免 1,633 起誤工傷和 61 起死亡。 OSHA 將誤工工傷和死亡人數的減少分為兩類。 電力公用事業有望獲得最大的收益,約佔死亡人數的 80%。 公用事業承包商,包括電氣承包商和線路清理樹木修剪機,以及非公用事業機構佔另外 20%。 OSHA 還預計電力公司將最大程度地減少誤工工傷。 第二類減少與 1910.269 中現有標準的引用有關。 例如,OSHA 希望雇主提供 1910.151 中指定的醫療服務和急救。
挖掘作業應符合 1926 年 P 子部分; 個人防護設備應符合 1910 年第 I 子部分的要求; 個人防墜落設備應符合 1926 部分 E 子部分的要求; 和梯子應符合 1910 年的子部分 D。這些是發電、輸電和配電標準中引用的許多其他 OSHA 標準的幾個例子。 OSHA 認為,這些參考資料將促進對各種適用安全標準的更多認可,並且通過員工培訓和通過工作簡報強調危險識別,每年將額外避免 2 起死亡事故和 1,310 起誤工工傷事故。
總則
發電、輸電和配電標準為控制電力行業中發現的危害提供了綜合方法。 這被認為是基於績效的標準,雇主有機會實施替代方案,前提是他或她可以證明它們提供的安全水平與標準中規定的水平相當。 該標準的一般規定包括:培訓要求、發電、輸電和配電的危險能源控制(上鎖/掛牌)程序; 封閉空間進入程序和在地下設施中安全工作的程序; 在暴露的帶電部件上或附近工作的要求; 在架空線路上工作的要求; 接地要求; 行間樹木修剪; 在變電站工作的程序; 帶電工具、手持和便攜式電動工具、梯子和個人防護設備的要求。
該標準內容全面,涉及發電、輸電和配電設備運行和維護的各個方面。
重要條款
該標準的一些最重要的規定包括要求員工接受緊急救援培訓、工作簡報以及安全相關工作實踐、安全程序和應急程序(包括檢修孔和桿頂救援)的培訓。 在帶電設備上工作、進入地下結構以及危險能源控制方面也有特定的著裝要求。 該標準的另一個重要要素要求雇主證明員工已經過適當的培訓,並且能夠證明其熟練掌握標準中規定的工作實踐。 下面將更詳細地討論其中的一些要素。
OSHA 要求在 50 伏或以上通電的裸露線路或設備上或與之相關的員工接受急救和心肺復蘇 (CPR) 方面的培訓。 對於在一個工作地點涉及兩名或兩名以上員工的現場工作,至少應培訓兩名員工。 對於發電站等固定工作地點,必須培訓足夠數量的員工,確保在4分鐘內能夠到達觸電員工。
工作組中的領導員工必須進行 工作簡報 在開始每項工作之前,與參與工作的員工進行溝通。 簡報必須涵蓋與工作相關的危險、涉及的工作程序、特殊預防措施、能源控制和個人防護設備。 對於重複性和類似的工作,必須在每天或輪班的第一份工作開始前進行一次工作簡報。 當發生重大變化時,必須進行另一次簡報。 回顧手頭的任務需要工作規劃,而工作規劃有助於減少事故。
OSHA 還要求雇主證明每個僱員都接受了合格和勝任所需的培訓。 當僱員表現出對工作實踐的熟練程度時,應進行認證,並應在僱員受僱期間予以保留。 光靠訓練是不夠的。 必須證明熟練程度,通常是通過測試員工的知識和對手頭主題的理解來證明。 這將有助於確保只有合格的工人才能在帶電設備上工作。
暴露於火焰或電弧危險的工人有服裝要求。 該部分要求雇主確保每個暴露在火焰或電弧危險中的僱員不穿在暴露在火焰或電弧中時可能增加僱員受傷程度的衣服。 禁止使用由醋酸纖維、尼龍、聚酯或人造絲製成的服裝,無論是單獨還是混紡,除非雇主可以證明織物已經過處理,可以承受可能遇到的條件。 員工可以選擇棉質、羊毛或阻燃服裝,但雇主必鬚根據接觸情況確定是否可以接受天然纖維,例如棉質或羊毛。 棉花或羊毛在某些情況下可能會燃燒。 儘管該標準的這一部分在整個行業引起了很大爭議,但禁止使用合成材料是減少電工傷害的重要一步。
OSHA 在其發電、輸電和配電標準(29 CFR Part 1910.269)的序言中指出,“電力服務行業(即電力行業,SIC-491)的總體事故發生率略低於相應的私營部門作為一個整體的費率”和“除了電氣和墜落危險外,電力公司員工面臨的危險在性質和程度上與許多其他行業遇到的危險相似”(OSHA 1994)。序言繼續引用美國勞工統計局 (BLS) 文件確定了電力公司的主要傷害來源:
序言特別指出,電擊不構成重大(或經常報告的)傷害類別。 然而,勞工、行業和 OSHA 文件顯示,電氣事故是電力行業中最常見的致命或嚴重傷害類型,其次是機動車事故、墜落和“被撞/壓碎”。
電力公司工人在執行雇主要求的各種任務時面臨許多其他危險。 本章中個別文章的作者詳細說明了其中的許多內容; 在這裡,我將簡單地提及一些危險的暴露。
肌肉骨骼損傷是這種體力活動勞動力中最常見的傷害,包括:
電氣工人可以在各種各樣的環境中工作:他們爬上農村輸電塔的頂部,在繁忙的城市街道下的檢修孔中拼接電纜; 夏天,他們在發電站的頂層悶熱難耐,在修理被暴風雪吹倒的架空配電線路時渾身發抖。 工人面臨的體力是巨大的。 例如,發電廠在如此大的壓力下推動蒸汽,管道破裂可能意味著燙傷和窒息。 除了熱之外,工廠中的物理危害還包括噪音、電磁場 (EMF)、核設施中的電離輻射和密閉空間中的窒息。 石棉暴露一直是發病率和訴訟的主要來源,並且人們對其他絕緣材料提出了擔憂。 苛性鹼、腐蝕劑和溶劑等化學品被廣泛使用。 工廠還僱用工人從事專業工作,如消防或水肺潛水(檢查進水和排水系統),他們暴露在這些工作固有的獨特危險中。
雖然現代核電站在正常運行期間減少了工人的輻射暴露,但在維護和加油停堆期間可能會發生大量暴露。 需要出色的輻射監測能力才能妥善保護在此期間進入輻射區域的工作人員。 事實上,許多合同工可能會在關閉期間進入核電站,然後轉移到另一家工廠,這就需要監管機構和行業當局密切協調,以監測單個工人的年度總暴露量。
輸電和配電系統與發電站有一些共同的危險,但也具有獨特的工作暴露特徵。 當工人忽視安全程序或保護不足時,系統固有的巨大電壓和電流容易導致致命的電擊和嚴重燒傷。 當變壓器過熱時,它們可能會著火和爆炸,釋放出油和可能的 PCB 及其分解產物。 變電站與發電站一樣,都可能面臨絕緣、EMF 和密閉空間危害。 在配電系統中,電纜的切割、燃燒和拼接使工人暴露在鉛和其他金屬的粉塵和煙霧中。 支撐該系統的地下結構也必須被視為潛在的密閉空間危險。 五氯苯酚是一種用於保護木製電線桿的殺蟲劑,是一種對配電系統來說有些獨特的暴露。
最後,抄表員和戶外工作者可能會遭受街頭暴力; 搶劫未遂過程中的死亡對這支隊伍來說並不陌生。
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