蔣　瑩（湖南煤礦安全裝備有限公司，湖南　長沙　410000）

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煤礦井下120min自救器的研發(fā)分析

蔣瑩（湖南煤礦安全裝備有限公司，湖南長沙410000）

煤礦開采過程中的安全問題始終是相關(guān)部門關(guān)注的焦點，而自救器的使用為煤礦井下工作人員提供了重要的安全防護措施。本文即針對煤礦井下120min自救器的技術(shù)要求、研發(fā)制造過程進行了探討，以供參考。

煤礦；自救器；研發(fā)

1　引言

在煤礦開采中，礦井下的環(huán)境通常復(fù)雜多變，容易發(fā)生火災(zāi)、瓦斯爆炸、煤塵等問題，威脅工作人員的生命安全。對此，自救器的開發(fā)為其提供了經(jīng)濟有效的緊急避險作用，但是現(xiàn)存自救器存在使用復(fù)雜、佩戴花費時間等問題，因此要求相關(guān)人員研發(fā)出更加安全可靠、輕便有效的新型自救器。

2　我國煤礦用自救器的生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國的煤礦用自救器生產(chǎn)技術(shù)，迄今已經(jīng)有大約50年的歷史，其生產(chǎn)技術(shù)、制造工藝方面，相較于一些發(fā)達國家，仍然存在較大的差距，行業(yè)的標準也沒有對關(guān)鍵部件和隱患部件材料及工藝做出詳盡的限制。

我國是以煤炭為主要能源的國家，在防護技術(shù)、監(jiān)管力度、煤礦地質(zhì)特點等多種因素的影響下，煤礦開采過程中安全事故頻發(fā)，嚴重的情況下甚至造成了大量的人員傷亡。通過對礦難發(fā)生、傷亡人員等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，死于礦井開采的人數(shù)中，大約有90%以上是因為發(fā)生瓦斯爆炸，吸入了一氧化碳氣體。

長期以來，礦井下所使用的大多是隔絕式的氧氣自救器，但是這種自救器的使用程序繁瑣，需要首先卸下防塵口罩，打開位于自救呼吸器上蓋處的卡口，才能夠取下上蓋，開啟閥門，從而將氧氣接通，然后使用皮囊上的鼻夾夾住鼻子，再打開氣囊塞子，用嘴咬住皮囊的呼吸嘴實現(xiàn)自救。整個過程的完成，即便是出于平靜熟練的情況下，仍然至少需要花費 90s的時間，且在此過程中，井下作業(yè)人員還需要停留下來進行其他安全操作，占用許多寶貴的逃生時間。傳統(tǒng)的化學(xué)氧氣自救器還需要通過手持，其嘴咬的呼吸方式也會給逃生造成不便，一旦發(fā)生瓦斯爆炸，所產(chǎn)生的沖擊波會導(dǎo)致作業(yè)人員摔倒，甚至昏迷，自救器就會脫離，就無法依靠自救器實現(xiàn)保護作用，最終就會被一氧化碳窒息而死。因此，對于井下自救呼吸器的研制至關(guān)重要。

3　煤礦用自救器的分類

當(dāng)前煤礦開采工程中所使用的自救器，其原理是通過呼吸循環(huán)系統(tǒng)將人與環(huán)境完全隔離，從而達到隔絕外界環(huán)境影響的作用（見圖1）。同時產(chǎn)品的研發(fā)向著更加安全、便攜、小巧的方向發(fā)展。具體來說，可將自救器分成以下兩種：

（1）隔絕式壓縮氧自救器。這種自救器的供氧方式通常有三種模式，即定量供氧、手動補給供氧和自動補給供氧；如果按照呼吸方式的不同，則可以分成兩種：循環(huán)式與往復(fù)式；而如果按照其有效防護時間來分類，則主要包括15型、30型、45型、60型等，其防護時間以此為15min、30min、45min、60min等。

（2）化學(xué)氧自救器。這種自救器的循環(huán)系統(tǒng)會連接人的呼吸系統(tǒng)，并形成一個封閉的循環(huán)過程，循環(huán)模式為：內(nèi)部氣體消耗→生成→再循環(huán)利用。該過程會對人體呼吸產(chǎn)生的濁氣進行超氧化鉀吸收，利用生氧劑，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而釋放氧氣以供呼吸，而其中不被消耗的N2等，則可以再次進行混合，供人呼吸。

圖1　自救器原理圖

4　煤礦井下自救器的研制技術(shù)分析

4.1 120min壓縮氧自救器研制

為更好地為煤礦井下工作人員提供安全保障，需要研制新型120min自救器，這種自救器的防護時間更長，配帶也更加方便、快捷，體積也更小，更加安全可靠。

4.1.1參數(shù)要求

按照相關(guān)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計該自救器的有效防護使用時間為 120min，具備中等的勞動強度；設(shè)計題定量供氧量在1.2L/min以上；其自動補給供氧量高于60L/min；而手動補給的供氧量為60L/min以上。對于自救器的氧氣瓶，設(shè)計其容積達到 1.2L；其額定壓力為20MPa（200kg）；其中所存儲的氣量應(yīng)當(dāng)高于240L。

4.1.2基本原理

該自救器的研發(fā)運用的是隔絕式壓縮氧自救原理，采用的是雙回路循環(huán)呼吸模式，其呼吸通道為單向的，可以與人的呼吸系統(tǒng)構(gòu)成封閉式循環(huán)。其中的O2是由高壓氧氣瓶來供應(yīng)的，對于CO2的吸收劑則采用Ca（OH）2，將人呼出的濁氣進行凈化，然后再次利用。在人吸氣的過程中，O2會從氣囊、呼吸閥以及面罩等各個存儲設(shè)備中進入人體；而人的呼氣過程，其氣體會通過呼吸閥、軟管被通入過濾罐中，并在過濾罐中得到必要的吸附吸收處理，處理過后所余下的O2則會重新進入氣囊等，和輸出氧氣混合，以供人的循環(huán)呼吸與利用。

4.1.3各個部件的制造

（1）氧氣鋼瓶

在自救器中，氧氣鋼瓶是核心部件，用于主要的氧氣提供，因此其質(zhì)量將直接關(guān)系到自救器本身的使用效果。在該自救器的研制中，決定采用的是市場上較為先進的高壓無縫焊接鋼瓶，這種鋼瓶的優(yōu)點在于其承壓強度較大，處于相同的容積條件下，可以填充入具有更大壓力的氣體。同時，還要為該鋼瓶配備非常精密的減壓閥，保證其鋼瓶的密封性。在鋼瓶中充滿氣體后，還需要進行檢測，以確保在規(guī)定的維護時間范圍內(nèi)，氣體的泄漏量能夠符合國家對自救器鋼瓶泄露的相關(guān)規(guī)定與標準，從而延長定期維護時間，減少成本。

（2）CO2過濾罐

CO2過濾罐通常整體設(shè)計為圓柱體，采用的材質(zhì)為不銹鋼。過濾罐的內(nèi)部附有不銹鋼豎管，通至罐的底部。在豎管的底部，需要安裝粉塵過濾塞，并在上面貼有用于粉塵過濾的單向膜，用以防止罐內(nèi)所填充的CO2吸附劑發(fā)生反向滲入，甚至沿管道進入人體，傷害人體健康。在罐內(nèi)填充吸附劑之后，應(yīng)當(dāng)用后蓋蓋緊密封。

（3）氣囊

自救器的氣囊材料通常選擇橡膠，該材料的優(yōu)勢在于具有阻燃、抗靜電的性能。氣囊的容積設(shè)計為國家標準4L，氣囊的內(nèi)部安裝有呼吸管，管內(nèi)則使用軟質(zhì)的金屬絲進行填充，用以阻止循環(huán)系統(tǒng)中的粉塵顆粒等進入人的呼吸系統(tǒng)，降低呼吸質(zhì)量。在氣囊的外側(cè)，安裝有超壓排氣閥，設(shè)計其排氣的壓力為150～300Pa，如果氣囊內(nèi)部出現(xiàn)氧氣壓力過大的情況，即可開啟超壓排氣閥，通過自動泄壓功能，以保證氣囊內(nèi)的壓力恢復(fù)正常。在氣囊和氧氣鋼瓶之間的連接處，設(shè)置有補氣壓板，用以完成手動或自動的補氧功能，可通過手指的按補操作，讓氧氣以80L/min的平均值進入氣囊；如果氣囊呈現(xiàn)負壓，則補氣壓板會向內(nèi)收縮，從而壓迫其中的補氣桿打開供氧。

（4）面罩

該自救器的面罩采用了變面罩的設(shè)計，這種設(shè)計不僅佩戴方便、牢固，還有效避免了全面罩會籠氣的問題。同時，還在面罩上加入了發(fā)音膜設(shè)計，用于工作人員之間的交流，其聽話的距離可達到1m的范圍。

（5）外套

外套采用的是進口的優(yōu)質(zhì)聚酰胺鋁箔材料，該材料阻燃性、耐高溫、抗腐蝕、防靜電。背包則采用布制材料，在上側(cè)縫制掛袋，下側(cè)縫有腰帶，逃生時可以將其放在胸前，解放雙手，從而逃生提供便利。

4.2化學(xué)氧自救器的研制

4.2.1外罐研制

外罐部分由上罐、中罐、下罐三部分組成，三部分用封口帶連接在一起。為了保證氣密，在兩罐的接口處設(shè)有密封圈。上、中、下外罐的材質(zhì)均為不銹鋼，在中間外罐的外面還包著一層耐高溫塑料，一方面減少外界可能對藥罐產(chǎn)生的沖擊；另一方面可達到隔熱的目的。

①上外罐的每部安裝呼吸軟管、口具塞、鼻夾、脖帶以及干燥袋；而在下外罐的內(nèi)部安裝氣囊、壓縮氧氣瓶啟動帶、腰帶與防護鏡；②中外罐是生氧要罐，一般有上下兩層，上層通常裝有585g的KO2和120g的LiOH混合而成的不規(guī)則顆粒物；下層則裝有50g的LiOH吸收劑顆粒。

4.2.2初期生氧裝置

該自救器初期的生氧裝置，使用的是一種小壓縮氧氣鋼瓶，放置于生氧劑藥罐的內(nèi)部，同時在鋼瓶下端設(shè)置啟動帶，以便在拉下壓縮氧氣啟動帶時，小鋼瓶就能夠向氣囊中提供約6～8L的氧氣，以供佩戴者進行呼吸。通常設(shè)計小鋼瓶的直徑是31.8mm，長是92.1mm，額定壓力達到15.5×106Pa。小鋼瓶閥的一端應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全面，以防止在鋼瓶內(nèi)的壓力達到額定壓力的約125%（即19.4×106Pa）時發(fā)生破裂，或者由于受熱增壓而發(fā)生爆炸危險。

4.2.3呼吸氣路

該呼吸氣路采用的是往復(fù)式呼吸氣路，呼吸氣體能夠兩次通過生氧藥罐。其主要優(yōu)勢在于吸氣中的CO2能夠被被藥層吸收兩次，而缺陷在于呼吸的氣體在第二次通過藥層時會被加熱，從而導(dǎo)致吸氣溫度升高。該呼吸器采用超前排氣閥，但是在使用的過程中，容易出現(xiàn)過排氣閥桿被卡住的問題，導(dǎo)致排氣閥適中處于開啟的狀態(tài)中，而佩戴者呼出的氣體則直接從排氣閥排出，進而會造成中斷生氧。所以，在采用超前排氣方式時，對排氣閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要，應(yīng)確保其安全可靠。

4.2.4氣囊

氣囊和隔熱墊是化學(xué)氧自救器內(nèi)主要可燃物，為了降低化學(xué)氧自救器著火的可能性，可采取以下措施：

（1）制作氣囊、隔熱墊、頭帶、腰帶及脖帶時，建議選用阻燃材料。

（2）在生產(chǎn)餓過程中，應(yīng)當(dāng)嚴格禁止超氧化鉀生氧劑中可燃物的混入。

（3）因為超氧化鉀生氧劑具有很強的吸濕能力，并且吸濕后強度迅速降低，在自救器的攜帶過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，所以應(yīng)嚴格控制裝藥室濕度，保證超氧化鉀生氧劑不受潮。

（4）選擇強度大，二氧化碳吸收能力好，反應(yīng)過程中不易熔化的超氧化鉀生氧劑。

（5）禁止礦工在非應(yīng)急的情況下打開自救器，防止可燃物或水分進入化學(xué)氧自救器。

5　結(jié)語

120min自救器的研制以原有的技術(shù)為基礎(chǔ)，融入新技術(shù)，新型120min自救器的使用更加簡便，更加適合井下人員的使用條件，能夠迅速完成防護動作，且配帶牢固，自救時效長，大大提高了“自救”的成功率，為我國煤礦井下的緊急避險系統(tǒng)提供了保證。

［1］毛 欣，聶雅玲，許開立.救生艙用自救器選型研究［J］.煤礦安全，2012，43（6）：84～86.

［2］聶雅玲，毛 欣，楊 進，等.符合國際標準自救器的研制［J］.建井技術(shù)，2011，32（2）：51～54.

［3］何廷梅.隔絕式壓縮氧長時自救器的設(shè)計及試驗研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（8）：36～37.

蔣 瑩（1972-），男，工程師，本科，主要從事機械制造方面的工作。

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2095-2066（2016）11-0027-02

2016-2-20