彭 然，李 磊，李 鵬

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013; 2.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013； 3.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

煤礦用120min自救器的研發(fā)

彭 然1,2，李 磊1,2，李 鵬3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013; 2.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013； 3.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

針對(duì)目前45min隔絕式壓縮氧自救器不能很好地滿足煤礦井下逃生和自救的需求，為了礦難發(fā)生時(shí)更好地保證礦工的生命安全，深度剖析了現(xiàn)存自救器在供氧、使用及后期維護(hù)方面的缺點(diǎn)，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算及模擬試驗(yàn)等方法研制了持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、自救效果更好、配帶方便、快捷、體積更小的新型120min自救器，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，全面優(yōu)化了各項(xiàng)指標(biāo)，配備了更符合人體工學(xué)的呼吸半面罩，使用了新型的防火材料，大大提高了自救器的整體性能指標(biāo)和 “自救”成功率。并詳細(xì)闡述了自救器的工作原理、結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特點(diǎn)。

120min自救器；隔絕式；半面罩；阻燃抗靜電

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，受火災(zāi)、瓦斯爆炸、煤塵、頂板等因素的威脅，災(zāi)難事故時(shí)有發(fā)生，國(guó)家有關(guān)部門對(duì)井下人員佩帶自救器有較高的重視，也出臺(tái)了相關(guān)的法律規(guī)范，我國(guó)的《煤礦安全規(guī)程》第10條規(guī)定“入井人員必須隨身攜帶自救器”，原煤炭部于1983 年專門下發(fā)了煤炭部關(guān)于下井人員裝備自救器的文件， 對(duì)礦工佩帶自救器進(jìn)行了更具體的規(guī)定[1]。通過(guò)搜集事故調(diào)查報(bào)告并查閱相關(guān)資料以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等一系列工作，分析總結(jié)得出自救器是最重要、最有效、最經(jīng)濟(jì)的緊急避險(xiǎn)裝備，自救器是一種便攜式個(gè)體防護(hù)逃生裝備，其具有單重輕、易攜帶的特點(diǎn)，也是發(fā)生災(zāi)害時(shí)的呼吸保護(hù)裝備，是礦井緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的重要一份子，煤礦井下時(shí)常會(huì)出現(xiàn)多種突發(fā)事故，一般情況下，煤礦井下事故早期影響范圍較小，事故的進(jìn)一步發(fā)展和次生事故的發(fā)生會(huì)波及整個(gè)礦井，井下人員要抓緊時(shí)間逃離危險(xiǎn)區(qū)域，到達(dá)地面，地面是最安全的，所以佩戴自救器逃離，保護(hù)生命。

現(xiàn)存在的自救器使用復(fù)雜、佩戴時(shí)間長(zhǎng)、有效防護(hù)時(shí)間短，為了提高煤礦井下自救器的產(chǎn)品性能和技術(shù)指標(biāo)，使自救器真正能在救援時(shí)發(fā)揮作用，保障井下人員生命健康，必須研發(fā)安全有效、操作簡(jiǎn)單、佩戴迅速、密封性良好的新型自救器。

1 自救器的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 自救器的分類及基本原理

目前煤礦使用的自救器其呼吸循環(huán)系統(tǒng)完全與環(huán)境隔離，不受環(huán)境條件限制，產(chǎn)品更向安全、便攜、小巧的方向發(fā)展，其分類主要有2種：化學(xué)氧自救器和壓縮氧自救器。隔絕式壓縮氧自救器按照供氧方式可以分為定量供氧、手動(dòng)補(bǔ)給供氧、自動(dòng)補(bǔ)給供氧三種，按照呼吸方式分為循環(huán)式和往復(fù)式兩種，按照防護(hù)時(shí)間分為15型、30型、45型、60型等，其防護(hù)時(shí)間分別為15min、30min、45min、60min[2]等。

化學(xué)氧自救器其循環(huán)系統(tǒng)與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，形成了內(nèi)部氣體消耗-生成-再循環(huán)利用的循環(huán)過(guò)程，人體呼吸后產(chǎn)生的濁氣(水汽和CO2等)被超氧化鉀吸收，生氧劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放氧氣提供呼吸，與不被消耗的N2等再次混合，供人呼吸[3]。

壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)的自救器，將O2貯存在高壓氧氣瓶中，通過(guò)減壓閥將高壓O2的壓力值減至人體正常呼吸所需的范圍內(nèi)，由定量供氧以規(guī)定的流量向人體呼吸系統(tǒng)供氧，當(dāng)呼吸系統(tǒng)內(nèi)的壓力下降到規(guī)定壓力值時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)給供氧開啟向呼吸系統(tǒng)供氧，同時(shí)還具有手動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)，按動(dòng)手動(dòng)補(bǔ)給閥直接快速大量的向呼吸系統(tǒng)供氧，滿足缺氧需求，使用Ca(OH)2作為CO2的吸收劑，呼出的濁氣經(jīng)Ca(OH)2凈化后再次進(jìn)入呼吸循環(huán)。

1.2 自救器的優(yōu)缺點(diǎn)

我國(guó)對(duì)自救器的研究起步較晚，老產(chǎn)品在使用中時(shí)有供氧中斷、藥劑失效導(dǎo)致工作時(shí)間縮短及無(wú)端起火等問(wèn)題；自救器的使用者首次使用時(shí)必須經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)、講解演示，自救器本身對(duì)后期維護(hù)有嚴(yán)格的要求，每隔3個(gè)月或者半年檢查氧氣瓶氣壓，更換吸附劑，并要求配備專業(yè)的氧氣填充泵進(jìn)行填充。

煤礦井下都建有避險(xiǎn)設(shè)施(避難硐室或救生艙)，發(fā)生事故以逃為主，避險(xiǎn)為輔，人員可以佩戴自救器逃生，遇險(xiǎn)人員應(yīng)盡一切可能撤至地面，地面最安全，完成自救，如果巷道被堵塞，遇險(xiǎn)人員無(wú)法安全撤至地面時(shí)，能夠迅速進(jìn)人避險(xiǎn)設(shè)施可在規(guī)定防護(hù)時(shí)間內(nèi)等待救援，瓦斯爆炸等事故往往在瞬間發(fā)生，爆炸沖擊力強(qiáng)，傳統(tǒng)的自救器通常先松開自救器卡扣，取下上蓋，展開氣囊，將鼻夾夾住，咬住呼吸嘴，開啟閥門接通氧氣，熟練人員佩戴自救器至少需要1min，在短時(shí)間內(nèi)根本沒(méi)有辦法實(shí)施自救；避險(xiǎn)設(shè)施安放相對(duì)固定，根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，在距離采掘工作面1000m范圍內(nèi)應(yīng)布設(shè)避險(xiǎn)設(shè)施，但隨著采掘面的不斷深入，人員逃離到避難場(chǎng)所的時(shí)間會(huì)逐漸加長(zhǎng)，45min或60min遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足長(zhǎng)時(shí)間逃跑的需求；一般發(fā)生災(zāi)難時(shí)，井下工作人員需要通過(guò)簡(jiǎn)單地交流，互相施救才能達(dá)到救援的目的，但是傳統(tǒng)自救器呼吸氧氣采用口咬式呼吸嘴，此時(shí)嘴已經(jīng)不能再做其他用途，說(shuō)話時(shí)，呼吸嘴會(huì)脫落，造成有毒氣體流入，給施救帶來(lái)了更大的困難。

人在避險(xiǎn)逃生時(shí)呼吸量是一個(gè)變化值，其值隨人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化而改變，當(dāng)逃生時(shí)呼吸量會(huì)超過(guò)30L/min，單位時(shí)間人體耗氧量也增加，相反人體靜態(tài)最小呼吸量只有10L/min，將同批次規(guī)格型號(hào)相同的120min自救器在最大、最小及平均值呼吸量條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1，自救器防護(hù)時(shí)間由于頻繁使用手動(dòng)補(bǔ)給閥，瞬間提高供氧量，會(huì)降低整體防護(hù)時(shí)間，再加上動(dòng)態(tài)逃生時(shí)自身耗氧量的增加，傳統(tǒng)的120min自救器完全不能滿足長(zhǎng)時(shí)間的逃生需求。

表1 性能參數(shù)表

2 新型120min自救器的研制

為了解決目前市場(chǎng)上存在的自救器的種種缺點(diǎn)和不足，更好地為井下工作人員的安全提供保障，決定研制一種新型的120min自救器，防護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)、配帶更加方便、快捷、體積更小，更安全可靠的隔絕式壓縮氧氣自救器。

按AQ1054-2008技術(shù)參數(shù)[4]。防護(hù)時(shí)間：使用時(shí)間為120min(中等勞動(dòng)強(qiáng)度)

供氧方式。定量供氧：≥1.2L/min(L/min)；自動(dòng)補(bǔ)給供氧：≥60L/min(L/min)；手動(dòng)補(bǔ)給供氧：≥60L/min(L/min)。

氧氣瓶。容積：1.2 L(L)；額定壓力：20MPa(200kg)；儲(chǔ)氣量：>240L(L)。

該自救器在AQ技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上全面提高性能參數(shù)，仍采用隔絕式壓縮氧自救器的基本原理，原理如圖1所示，采用雙回路循環(huán)的呼吸方式，即呼吸各為單向通道，與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，O2由高壓氧氣瓶供應(yīng)，使用Ca(OH)2作為CO2的吸收劑，呼出的濁氣經(jīng)Ca(OH)2凈化后再次進(jìn)入呼吸循環(huán)。吸氣時(shí)氧氣從氣囊、呼吸閥、面罩進(jìn)入人體；呼氣時(shí)氣體經(jīng)過(guò)呼吸閥、呼氣軟管進(jìn)入過(guò)濾罐，人體呼出的CO2被過(guò)濾罐內(nèi)裝的CO2吸收劑吸收，余下的氧氣進(jìn)入氣囊與減壓閥輸出的氧氣混合，如此反復(fù)完成人的呼吸循環(huán)。在核心技術(shù)、制作工藝和方便性上進(jìn)行一些列的創(chuàng)新和改進(jìn)，更好地滿足日益高要求的救援需求。

圖1 原理圖

氧氣鋼瓶作為核心部件，直接影響到自救器的使用效果，采用市場(chǎng)上比較先進(jìn)的高壓無(wú)縫焊接鋼瓶，承壓強(qiáng)度大，可在相同容積下，填充更大壓力的氣體，再配備精密減壓閥，減壓效果更好，密封性更有保障。充滿氣體后，保證在規(guī)定維護(hù)時(shí)間內(nèi)，氣體泄漏符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)了定期維護(hù)時(shí)間，減少了維護(hù)成本。

CO2過(guò)濾罐作為另一個(gè)關(guān)鍵部件，整體呈圓柱狀，不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)附有相同材質(zhì)豎管，通至罐底部，豎管底部安裝粉塵過(guò)濾塞并貼有過(guò)濾粉塵的單向膜，防止罐內(nèi)填充的CO2吸附劑反向進(jìn)入豎管，沿著豎管進(jìn)入人體，給人體造成不必要的傷害，罐內(nèi)填充滿吸附劑后，用后蓋蓋緊，進(jìn)行密封。此設(shè)計(jì)存在如在兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)便，能滿足正常使用需求，可更快的更換CO2吸附劑；②進(jìn)行防滲漏和密封處理，保證使用者安全，大大增加了使用的可靠性和穩(wěn)定性。

氣囊為橡膠制品，采用阻燃抗靜電材料制成，容積4L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)裝有呼吸管，管內(nèi)由軟質(zhì)金屬絲填充，阻止循環(huán)再生O2內(nèi)粉塵顆粒進(jìn)入口中，影響呼吸質(zhì)量。氣囊外側(cè)安有超壓排氣閥(排氣壓力150～300Pa)，氣囊內(nèi)氧氣壓力過(guò)大時(shí)，超壓排氣閥開啟，自動(dòng)泄壓，保證壓力在正常的范圍內(nèi)。氣囊與氧氣鋼瓶連接處有補(bǔ)氣壓板，完成手動(dòng)和自動(dòng)補(bǔ)養(yǎng)功能，用手指按補(bǔ)氣壓板，氧氣以平均值80L/min進(jìn)入氣囊，手指離開補(bǔ)氣壓板，供氧停止；當(dāng)氣囊為負(fù)壓時(shí)，補(bǔ)氣壓板向內(nèi)收縮，壓迫補(bǔ)氣桿打開供氧機(jī)構(gòu)，氧氣以平均值80L/min進(jìn)入氣囊，當(dāng)氣囊迅速鼓起，補(bǔ)氣壓板離開補(bǔ)氣桿，補(bǔ)氣停止。

呼吸器棄用市場(chǎng)上廣泛使用的呼吸嘴和鼻夾組合，而采用更為先進(jìn)，符合人體工程學(xué)的半面罩，不僅配帶方便、牢固結(jié)實(shí)，而且解決了此前呼吸器佩戴過(guò)程中不能說(shuō)話的弊端，半面罩上加入兩個(gè)發(fā)音膜，配帶半面罩，井下工作人員可進(jìn)行簡(jiǎn)單交流，聽話距離達(dá)到1m以上。

外套也是改進(jìn)的重點(diǎn)之一，沒(méi)有采用工程塑料外殼，塑料外殼較大、易碎，質(zhì)量較重，增加了自救器質(zhì)量負(fù)擔(dān)，而采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)聚酰胺鋁箔材料，具有阻燃性、耐高溫、抗腐蝕、防靜電等優(yōu)點(diǎn)，非常適合井下使用，布制外套更易攜帶，包上側(cè)縫制掛袋，下側(cè)縫有腰帶，使用時(shí)可把包掛至胸前，牢靠固定，逃生時(shí)解放雙手，為逃生提供更大的方便。

在研制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 性能參數(shù)表

3 自救器的技術(shù)特點(diǎn)

ZYX120隔絕式壓縮氧氣自救器(圖2)的研制采用了O2循環(huán)利用技術(shù)；有害氣體濾除技術(shù)；呼吸器半面罩技術(shù)；自動(dòng)補(bǔ)氧、手動(dòng)供氧、定量供氧技術(shù)；外套阻燃抗靜電技術(shù)。

3.1 O2循環(huán)利用技術(shù)

壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)的自救器，O2由高壓氧氣瓶供應(yīng)，循環(huán)原理見(jiàn)圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)圖

圖3 循環(huán)原理圖

消耗氧氣量計(jì)算如下所述。

1)氧氣瓶容積V(L)，使用時(shí)的充氣壓力為P(MPa)，則氣瓶的儲(chǔ)存氧氣量應(yīng)為P×V(L)。

2)使用中消耗氧氣量為1.15L/min(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)；與額定防護(hù)時(shí)間的乘積為總的理論消耗氧氣量。

3)比較總的理論消耗氧氣量與氣瓶中氧氣儲(chǔ)存量即可得出合理結(jié)果：要求氣瓶中氧氣儲(chǔ)存量必須大于總的理論消耗氧氣量。

4)實(shí)際設(shè)計(jì)情況：氧氣瓶有效容積1.2(L)，充氣壓力平均值25MPa，則氣瓶的儲(chǔ)氧量為300(L)；使用中每分鐘耗氧量1.15L，設(shè)計(jì)額定使用時(shí)間120min，則總的消耗氧氣量為1.15×120=138(L)；300(L)>138(L)，且有300-138=162(L)，即存有162L的氧氣余量，用于自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)給氣體使用，富余系數(shù)為162/138=117%。所以供氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

3.2 有害氣體濾除、氮?dú)庋h(huán)呼吸的技術(shù)

人體呼出的CO2氣體采用鈉石灰吸附劑過(guò)濾，通過(guò)氮?dú)庋h(huán)的模式完成高濃氧氣與N2混合，供使用人員呼吸。濾除二氧化碳能力計(jì)算如下所示。

1)使用中人體每分鐘呼出CO2量為0.9(L)(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)，設(shè)計(jì)額定使用時(shí)間120min，則CO2總的排出量為0.9(L)×120(min)=108L，CO2密度1.977g/L，總質(zhì)量m=1.977×108=213.52g。

2)根據(jù)化學(xué)方程式：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

74 44

W 213.52

計(jì)算出：W =(74×213.52)÷44=181.64 (g)。

理論上需要裝填CO2吸收率為100%的氫氧化鈣359.10 (g)，才能保證吸收掉120 min內(nèi)人體排出的CO2。MT452-2008標(biāo)準(zhǔn)要求鈉石灰的吸收率應(yīng)達(dá)到35%，以此計(jì)算，需要裝量鈉石灰為359.10÷35% = 1026(g)。

3)實(shí)際設(shè)計(jì)裝量為1500(g)，保險(xiǎn)系數(shù)為1500/1026=146%，完全能夠滿足需要。

3.3 呼吸器半面罩技術(shù)

自救器采用半面罩技術(shù)，設(shè)計(jì)符合生理結(jié)構(gòu)，低鼻梁，低輪廓設(shè)計(jì)，采用高級(jí)橡膠材質(zhì)，質(zhì)輕舒適，不刺激皮膚，面具內(nèi)襯表面經(jīng)特殊處理，與臉部更粘合，不易滑動(dòng)，帶有語(yǔ)音傳遞同時(shí)防止全面罩因呼吸的濕氣凝結(jié)導(dǎo)致的視線受阻的問(wèn)題。

3.4 定量供氧、自動(dòng)補(bǔ)氧技術(shù)

采用了手、自動(dòng)補(bǔ)氣閥門，由于使用人員正?；顒?dòng)時(shí)呼吸量基本恒定，恒量供給閥可以自動(dòng)維持1.2L/min 的氧氣供給量，而當(dāng)使用人員呼吸量增加時(shí)，常態(tài)供氧量已不能滿足供氧需求，氣囊萎縮會(huì)自動(dòng)觸及自動(dòng)補(bǔ)氣閥，即時(shí)釋放流量平均值80L/min的氧氣，提供人員呼吸，該操作簡(jiǎn)單，不需要學(xué)習(xí)演練，安全可靠，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

3.5 外殼阻燃抗靜電技術(shù)

自救器外殼采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)聚酰胺鋁箔材料，具有耐高溫、抗腐蝕、防靜電、開啟方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合井下使用，阻燃試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)參數(shù)表

表4 阻燃試驗(yàn)參數(shù)表

從外套在空氣中阻燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，采用阻燃聚酰胺鋁箔布，不僅在材料的燃燒速率上，也在材料點(diǎn)燃的難易程度和擴(kuò)展長(zhǎng)度上可以改善自救器的使用安全性和可靠性。

4 結(jié)論

研制的120min自救器在原有技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用了新的技術(shù)理論，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，全面優(yōu)化了各項(xiàng)指標(biāo)，配備了更符合人體工學(xué)的呼吸半面罩，使用了新型的防火材料，提高了自救器的整體性能指標(biāo)。新型的120min自救器使用簡(jiǎn)便，經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，井下人員都能在較短時(shí)間內(nèi)完成防護(hù)動(dòng)作，使用過(guò)程中配帶牢固，能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的自救逃生，大大提高了自救器的“自救”成功率，為我國(guó)煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)提供可靠的保證。

[1] 李衛(wèi)成.自救器在礦井應(yīng)急救援中的作用與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008(S1)：95-96.

[2] 于翔，陳紹楠.我國(guó)煤礦用自救器生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[C].中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2011.

[3] 毛欣，聶雅玲，許開立.救生艙用自救器選型研究[J].煤礦安全，2012(6)：84-86.

[4] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ1054-2008隔絕式壓縮氧自救器[M].北京： 煤炭工業(yè)出版社，2008：1-16.

Development of 120 minutes self-rescuer in the coal mine

PENG Ran1,2，LI Lei1,2,LI Peng3

(1.China Coal Research Institute Co.，Ltd.， Beijing 100013，China;2.Beijing Mine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China;3.Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Yulin 719315，China)

The prevailing 45-minute compressed oxygen self-rescuer cannot meet the demand of coal mine escape and self-help in the market.Through the contrast of old and new，theoretical analysis，numerical calculation and simulation test method，a longer duration and better self-help function’s 120 minutes self-rescuer is developed.The new self-rescuer，which has new design concept，outstanding performance，a more ergonomic half mask and fire-proof material，could play a great role in the emergency coal mine rescue.This thesis mainly introduces the working principle，the technical characteristic of self-rescuer.

120-minute self-rescuer；isolation type；half mask；flame-retardant and anti-static

2014-08-22

“神東井工煤礦逃生通道與緊急避險(xiǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目資助(編號(hào)：CSIE13023750)

彭然(1987-)，男，漢族，河北秦皇島人，研究實(shí)習(xí)員，從事煤礦應(yīng)急救援產(chǎn)品研發(fā)工作，工作于煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司。E-mail：pengran@ccrise.cn。

TD79+3

A

1004-4051(2015)07-0152-05