王瑞麟，陳倬為

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030；2.國家勞動保護(hù)用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 北京 100054)

0 引言

煤礦塵肺病是我國目前最為嚴(yán)重的一種職業(yè)病,截至2018年底,全國累計報告職業(yè)病超過97萬例,其中,90%是職業(yè)性塵肺病,主要分布在采礦業(yè),并已呈現(xiàn)年輕化趨勢。煤礦的塵肺病被稱為危害礦工身體健康的“隱形殺手”,由于其不同于瓦斯、煤塵爆炸和冒頂?shù)裙鹿誓敲从|目驚心,故往往不被人們所重視,而實際上由塵肺病引發(fā)的礦工致殘和死亡人數(shù),在國內(nèi)外都遠(yuǎn)高于各類工傷事故的總和。據(jù)測算,每年有5.7萬人患上塵肺病,因塵肺病死亡的有6 000余人,是安全生產(chǎn)事故死亡人數(shù)的2倍[1-2]。因此，為有效地預(yù)防煤礦塵肺病，經(jīng)反復(fù)分析研究，開發(fā)研制一種適于煤礦井下使用的動力送風(fēng)防塵面罩至關(guān)重要。

1 國內(nèi)外個體呼吸防護(hù)裝備研究概況

從國內(nèi)外的發(fā)展情況來看,個體呼吸防護(hù)的裝備主要有自吸式防塵口罩、動力送風(fēng)防塵口罩、頭盔式空氣幕口罩等。我國目前應(yīng)用自吸式防塵口罩,是礦山應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的個體呼吸防護(hù)裝備。但自吸式防塵口罩由于結(jié)構(gòu)簡單、密合性差,若口罩與面部接觸不嚴(yán),便會導(dǎo)致漏塵,從而降低防塵效果；同時隨著濾塵量的增多,過濾棉呼吸阻力增大,使人呼吸困難,產(chǎn)生憋氣感,也影響了作業(yè)效率,降低了勞動舒適感[3-4]，尤其一線礦工,因佩戴防塵口罩進(jìn)行體力作業(yè),呼吸不順暢而增加勞累感,致使大量出汗、體力透支,不愿佩戴防塵口罩,從而加大了工人罹患塵肺病的概率。由此可見，這種傳統(tǒng)的防塵口罩在設(shè)計環(huán)節(jié),忽略了口罩對人體呼吸的影響,無法滿足體內(nèi)氧氣的快速消耗,呼吸時空氣通過過濾裝置產(chǎn)生的阻力需要由人體承擔(dān),從而增加了呼吸難度,使呼吸不順暢。

國外已較早出現(xiàn)了動力式防護(hù)口罩、頭盔式空氣幕口罩、高效防塵口罩等產(chǎn)品,但受其防塵效果與使用便捷性存在的問題，一直未得到有效地推廣[5]。

近年來,動力送風(fēng)過濾式呼吸器(Powered air-purifying respirator,即PAPR)在眾多工業(yè)生產(chǎn)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與自吸式防塵口罩相比,PAPR增加了以電為動力的送風(fēng)裝置,該裝置用于克服過濾元件的通氣阻力,降低使用者的呼吸負(fù)荷以改善舒適度,更適合較高勞動強(qiáng)度的作業(yè)需求，同時在較高送風(fēng)量條件下,可使呼吸器面罩內(nèi)維持正壓的呼吸環(huán)境,能有效阻止吸氣過程中外部污染空氣漏入面罩,從而提高了防護(hù)的可靠性。與送風(fēng)式防塵口罩相比，增加了不需要和臉部緊密貼合的松配合面罩和緩沖氣室，從根本上解決了適配性和氣流交換問題，使用者既可以輕松吸入流動的潔凈空氣，又可以順暢地排掉呼出的濁氣，提高了呼吸器與人員的適配性和使用的舒適性，真正實現(xiàn)人員在高粉塵作業(yè)環(huán)境下自由呼吸的愿望。此外,PAPR還可以將呼吸、眼、面及頭部防護(hù)結(jié)合在一起,從而實現(xiàn)綜合性職業(yè)安全防護(hù)需求[6-7]。

2 礦用PAPR產(chǎn)品的研制

2.1 設(shè)計思路

綜合PAPR產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，充分考慮了煤礦工人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大、體力消耗快、下井時還必須佩帶礦燈、自救器等裝備因素，使礦用PAPR產(chǎn)品科學(xué)合理，具有安全可靠、防塵效果好、體積小、重量輕、攜帶方便、持久耐用、適配性好、舒適度高等特點，方便推廣應(yīng)用，造福廣大礦工。

2.2 工作原理

由本質(zhì)安全電源提供動力，帶動風(fēng)機(jī)，將工作環(huán)境含粉塵的空氣吸入高效過濾器進(jìn)行凈化，通過呼吸管將新鮮潔凈的氣流送到使用者的口、鼻處。

2.3 結(jié)構(gòu)特征

防塵面罩的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由主機(jī)、送風(fēng)管和頭盔面罩3部分組成。主機(jī)由機(jī)殼、風(fēng)機(jī)、密封件、過濾組件、控制組件、蓋板、本質(zhì)安全電源組成，見圖2。頭盔面罩由頭盔面罩組件和防護(hù)布罩組成。

1-主機(jī)；2-送風(fēng)管；3-頭盔面罩。圖1 防塵面罩總體結(jié)構(gòu)

1-蓋板；2-過濾組件；3-密封件；4-風(fēng)機(jī)；5-控制組件；6-機(jī)殼；7-本質(zhì)安全型電源。圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)

2.4 主要技術(shù)特征及參數(shù)

在鋰電池組輸出端串接本質(zhì)安全型保護(hù)電路，并澆封在電池盒內(nèi)，構(gòu)成本質(zhì)安全型電池組的基本參數(shù)為Uo=13 V,Io=1.2 A。

PAPR產(chǎn)品的技術(shù)特征與要求，如表1所示。

表1 主要技術(shù)特征與要求

3 樣機(jī)的性能指標(biāo)試驗、檢測、驗證

3.1 試驗

在試制出樣機(jī)之后，為了驗證其各項性能是否達(dá)標(biāo)，通過試驗對樣機(jī)主要性能分別進(jìn)行了檢測，以實際送風(fēng)量為例進(jìn)行簡要說明。測試系統(tǒng)如圖3所示。試驗結(jié)果顯示，樣機(jī)的實際最小送風(fēng)量達(dá)到140 L/min，符合國標(biāo)要求。

1-微壓計；2-開放型面罩；3-空氣入口；4-電池；5-送風(fēng)機(jī)；6-流量計；7-可調(diào)轉(zhuǎn)速控制器；8-空氣出口；9-真空泵；10-可調(diào)空氣入口;11-輕質(zhì)塑料袋。圖3 實際送風(fēng)量測試系統(tǒng)

3.2 檢測

為了進(jìn)一步驗證試驗結(jié)果的真實性，樣機(jī)分別由國家勞防中心和國家安標(biāo)中心進(jìn)行各項性能指標(biāo)檢測。主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

表2 相關(guān)檢驗部門檢測結(jié)果

由檢驗結(jié)果表明，樣機(jī)的各項性能指標(biāo)均達(dá)到或超過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。目前，已經(jīng)取得了國家勞防中心的檢驗報告，這是自國標(biāo)實施以來，國內(nèi)唯一送檢并獲得檢驗合格的PAPR產(chǎn)品，同時還通過了國家安標(biāo)中心的礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志認(rèn)證，其MA(KA)安標(biāo)證號為M(K)DE190001，防爆合格證號為SHExC18.1001。

3.3 現(xiàn)場驗證

樣機(jī)經(jīng)國家能源集團(tuán)神東公司上灣煤礦和中煤集團(tuán)大屯公司徐莊煤礦的掘進(jìn)與采煤工作面的現(xiàn)場試驗中表明，礦工對試用過的樣機(jī)的防塵效果、舒適性和實用性等方面給予了充分的肯定。使用后的過濾組件實樣如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

4 關(guān)鍵技術(shù)須知

1) 最小送風(fēng)量。PAPR產(chǎn)品的防護(hù)能力與使用者的口鼻部空氣環(huán)境是否為“正壓”密切相關(guān),而正壓與否與使用者的實際呼吸量,即勞動強(qiáng)度直接相關(guān),不同的勞動強(qiáng)度對應(yīng)于不同的呼吸流量。送風(fēng)量可歸納為輔助送風(fēng)(即“負(fù)壓”)和強(qiáng)制送風(fēng)(即“正壓”)兩種模式。輔助送風(fēng)量著重改善使用者的呼吸負(fù)荷,較適于低強(qiáng)度作業(yè)使用,強(qiáng)制送風(fēng)量著重降低使用者的呼吸負(fù)荷并同時提升防護(hù)的可靠性,較適合中等及以上作業(yè)的使用[8-10]。GB 30864—2014明確規(guī)定：“使用開放型面罩的PAPR最小送風(fēng)量應(yīng)不低于120 L/min?！?/p>

2) 持續(xù)使用時間。對使用電池驅(qū)動風(fēng)機(jī)的PAPR,在滿足最小送風(fēng)量條件下,國標(biāo)規(guī)定制造商設(shè)計持續(xù)使用時間不得低于4 h。

3) 過濾效率。在規(guī)定測試條件下,P95級防顆粒物過濾元件濾除顆粒物的過濾效率不應(yīng)低于95%,P100級過濾元件的過濾效率不應(yīng)低于99.97%。

4) 泄漏率。在實驗室規(guī)定測試條件下,受試者吸氣時，從呼吸器過濾元件以外的所有其他部件泄漏入面罩的模擬劑濃度的比值，應(yīng)不超過0.5%。

5) 死腔。從前一次呼氣中被重新吸入空氣中二氧化碳的平均含量體積分?jǐn)?shù),應(yīng)不超過1%。

6) 可燃性。暴露于火焰的所有PAPR裸露部件，由火焰移開后，不應(yīng)燃燒,續(xù)燃時間宜不超過5 s。

7) 安全性能。煤炭行業(yè)對礦用設(shè)備有其特殊行業(yè)性能的要求，GB 3836—2010和GB 30864—2014中明確規(guī)定，對裝有電池的礦用設(shè)備,用于易燃易爆環(huán)境中，應(yīng)具備本質(zhì)安全性能。

當(dāng)普通塑料作為煤礦設(shè)備外殼及安全帽材料使用時,由于其塑料材料表面電阻率極高(通常高于1×1012Ω),易造成表面靜電積聚,容易因表面放電引起火災(zāi)或爆炸，而且絕大部分的塑料屬易燃材料,火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，且燃燒時會釋放出大量有毒煙霧。因此,礦用設(shè)備在煤礦井下環(huán)境中使用時,應(yīng)具有可靠的安全性能(即抗靜電和阻燃性能)和良好的高、低溫沖擊性,須滿足GB 3836—2010、GB/T 11020—2005、GB 30864—2014和GB 2811—2007等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求[11]。

5 結(jié)論

通過對PAPR關(guān)鍵技術(shù)和礦工作業(yè)環(huán)境的研究，研制了一種適合于煤礦井下使用的本質(zhì)安全型動力送風(fēng)防塵面罩。由國家相關(guān)檢驗部門的檢測結(jié)果和現(xiàn)場驗證結(jié)果表明，該產(chǎn)品解決了目前防塵口罩存在防塵效果不好、有憋氣感、氣流交換不暢等問題,并將呼吸、眼、面及頭部防護(hù)結(jié)合在一起,從而實現(xiàn)了綜合性職業(yè)安全防護(hù)需求。