多功能矿用防尘面罩供给水系统设计

魏俊杰 许珂

摘 要：随着社会的发展，每年新报告职业病病例近3万例，尘肺病占全部职业病的90%以上。其中，煤矿行业造成的尘肺病在全部职业病中占较大比重，尘肺病防治工作迫在眉睫。在矿下，合理佩戴矿用防尘面罩是防范尘肺病的必要措施，为了解决煤矿工人饮水时需频繁摘下面罩及摘下面罩后由于各種原因未能重新及时佩戴或佩戴不到位导致尘肺病发病率增加的问题，提出矿用防尘面罩供给水系统的设想。本文简述了供给水系统的设计结构、原理、要求等内容，打破了喝水就要摘下面罩的现状，从而降低粉尘吸入，为预防矿山尘肺病提供了新的途径。

关键词：尘肺病；矿用防尘面罩；供给水系统

中图分类号：X924.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0059-04

Design of Water System for Multi-functional Dustproof Face Mask

WEI Junjie XU Ke

Abstract： With the development of society， nearly 30 thousand cases of occupational diseases have been reported every year， and pneumoconiosis accounts for more than 90% of all occupational diseases. Pneumoconiosis caused by coal mining industry accounts for a large proportion of all occupational diseases. Pneumoconiosis prevention and control work is imminent. Under the mine， it is a necessary measure to prevent the dust from the pneumoconiosis. In order to solve the problem of increasing the incidence of pneumoconiosis caused by the frequent pluck of the undercover and the undercover for the coal miners' drinking water and the increase of the incidence of pneumoconiosis due to various reasons， the supply water system of the mine dust mask was put forward. This paper briefly introduced the design structure， principle and requirements of the water supply system， and broke the current situation of drinking water to remove the undercover， thus reduced the inhalation of dust， and provided a new way for the prevention of mine pneumoconiosis.

Keywords： pneumoconiosis； mine dust-proof mask；water supply system

1 研究背景

目前，我国正面临着严峻的职业病危害，自中华人民共和国成立以来至2014年底，报告职业病893 721例，其中，尘肺病804 329例，占比90%[1]，煤矿行业引起的尘肺病占每年新增尘肺病的44.16%，每年5.7万人患病，6 000人死亡。而引起矿工尘肺病的原因除了煤矿生产恶劣的工作环境等客观因素外，另一主要原因是工人在井下作业时个体防护失效，如呼吸面罩不合格，以及工人自我防护意识淡薄，随意摘下防护罩不佩戴等[2]。目前，矿井多为深井开采，一方面矿工的劳动多为重体力劳动；另一方面，开采区域工作环境温度较高，井下作业人员在进行打钻、喷浆等作业时，需要频繁补给大量水分以维持自身代谢平衡。因此，矿工不可避免地要当场频繁摘下口罩饮水。一方面由于人自身的原因，致使摘下口罩后忘带或者厌烦不愿意佩戴；另一方面，频繁地摘取致使口罩佩戴不到位、不规范的现象屡见不鲜，造成工人大量吸入粉尘，从而增加罹患尘肺病的概率。

鉴于当前对尘肺病防护的迫切需求，本项目对现有矿井常用呼吸面罩进行改进优化，试图增加多功能供给水系统，打破喝水要摘下面罩的现状，降低煤矿工人粉尘的吸入量，从而预防煤矿工人尘肺病的发生。

2 矿用防尘面罩供给水系统方案

针对我国矿工个体防护用品存在的不足之处，对现有矿用防尘面罩加以改进，矿工无须摘下面罩即可随时饮水的功能降低了煤矿工人粉尘的吸入量，减少了“隐形矿难”[3]。

2.1 设计结构

本次设计将矿工佩戴的专业腰带作为口罩供给水袋承载体，对矿用呼吸面罩进行改造加工，实现矿用防尘面罩为工作人员随时供水的目的。其结构如图1所示。

2.2 设计原理

矿用防尘面罩供给水系统的设计原理是利用大气压强原理，[P1]表示出水管内的压强，[P2]表示出水管外部的压强即大气压强。不供水的情况下，[P1=P2]；当煤矿工人使用供给水系统吸水时，吸气的动作使出水管内部的空气流速变大，[P1]变小，而[P2]不变，出水管内外产生压强差[ΔP=P1-P2]，使得储水袋中的水被压入出水带中，使矿工轻而易举地喝到水。通过压强差理论，加之人工辅助动作成功实现供给水，具体流程为：手动导通流量阀，利用大气压强及手动给予储水袋压力作用，迫使水源流经出水带输送到呼吸面罩特定的吸嘴处，实现矿工无须摘下面罩即可随时饮水的功能。其流程如图2所示。

3 矿用防尘面罩供给水系统设计要求

矿下作业属于特种作业，煤矿工人下井作业必须携带矿灯、自救器等装备，并且经常要连续8h从事繁重的劳作，再加上井下环境的局限性，因此，在设计时尽量使矿用防尘面罩供给水系统安全便携、结实耐用，实现人性化和可持续使用。設计秉承“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，明确矿工的真实需求，综合考虑经济性、实用性和可行性，进而进行落实，以使矿用防尘面罩供给水系统科学合理，方便推广应用。

3.1 储水袋设计

储水袋是矿用防尘面罩供给水系统的源头，由内胆和储水袋包两部分组成。内胆主要是存储饮用水，具有耐磨、防爆的特点；储水袋包结实、防静电，并对内胆起到保护作用。两部分均可简单拆卸。

3.1.1 内胆设计

3.1.1.1 外观设计。本设计选用水袋代替常用的军用水壶，轻便易携带。秉承可重复利用、操作方便、使用安全的原则，在水带的左侧设有入水口，入水口盖采用内螺牙结构，且盖内有硅胶垫圈，使用时拧紧扣盖即可防止漏水；右侧则为出水口，可与出水带连接，采用双层压边技术，耐用、耐磨、防爆、防漏。内胆结构如图3所示。

3.1.1.2 材料选取。为了避免煤矿工人在使用储水袋时发生烫伤事故，且食用安全，无异味，内胆的材料采用双面进口TPU材料。TPU是一种环保材料，抗高温，耐压，气密性强，强度高，此外，TPU塑胶原料耐磨性能优异，较天然橡胶耐磨5倍以上，是耐磨制品首选的材料之一。

3.1.1.3 储水袋容量。在高温体力活动时，补水量不足会引起心率、脉压及平均压大幅度变化[4]。高温环境下，补充70%出汗量的饮水比较适宜，所以矿下的高温工作环境使煤矿工人相比常人更需要频繁补充水分。美国环保局（EPA）认为，成年人每天消耗的饮用水量为2L[5]，《中国居民膳食指南（2007）》对成年人提出的每天建议饮水量是1.2L。根据《煤矿安全规程》（总局令第87号）的规定，井下各工作地点的温度不允许超过28℃。考虑到煤矿工人的负重以及矿下温度，笔者选用1.5L水袋。

3.1.2 储水袋包设计

3.1.2.1 材料选取。考虑到井下复杂、恶劣的工作条件及地热、机械发热和氧化热导致的高温环境，本次设计选用锦纶防静电牛津布。其是一种陶瓷纤维表面经过机械涂抹高温胶而制成的，具有与火接触不燃烧、耐摩擦、防水和柔软等性能特点，可以对内胆起保护作用，延长其使用寿命。

3.1.2.2 外观设计。储水袋包设计为前后两个包。后面的大包装放内胆，采用拉链形式进行内胆的取放，简易方便，且固定性强，不会因工人动作掉出；前面的小包设置魔术贴，主要用来盛放多余的出水带；其背面设有与煤矿工人佩戴的专业腰带宽度相匹配的穿插结构，使储水袋固定在工人腰部，稳定性强且方便摘取。储水袋包的结构如图4所示。

3.2 出水带设计

3.2.1 长度设计。在设计供给水系统出水带长度时，必须考虑矿山工人性别、作业时的工作姿势、人体静态尺寸及动态尺寸等多方面的人机关系。基于人机工程学开展的矿用供给水系统面罩设计研究，是实现汲水便捷、佩戴舒适、供水顺畅的基本前提。

矿用供给水系统出水带长度设计的人机参数是佩戴者的使用体验、供给水性能的决定性因素。在设计出水带长度时，主要参考男性立姿人体部分尺寸。

本文设计的储水袋挂在井下工作人员腰间，出水带连接在储水袋与矿用防尘面罩之间。出水带过长会影响工人工作，太短则缺乏普遍实用性，所以本设计选择平均身高最低的西南地区第5百分位和最高的东北、华北地区第95百分位之间的数据来确定出水管长度范围。

已知中国各个地区的男性（18～60岁）身高的均值[x]及标准差[SD][6]，根据公式（1）进行计算：

[xa=x+KSD] （1）

式（1）中，a为百分位数，[K]为与a有关的变换系数[7]。于是，经查阅表格并借助上式便得到：

x5=（1 647-1.645×56.7）mm=1 554mm （2）

x95=（1 693+1.645×56.6）mm=1 786mm （3）

由此可知，中国男性身高为1 554～1 786mm。根据我国成年人人体尺寸的比例关系可知[8]，男性眼高=0.93×身高，中指尖高=0.38×身高。由此可得出，出水管长度=（0.93-0.38）×身高，出水管长度为854.7～982.3mm。综上所述，决定选取出水管长度为1m。

3.2.2 材料选取。出水带类似于人们生活中经常使用的吸管。现在普遍使用的是一次性塑料吸管，材质多为聚乙烯。很多报道表明，塑料在生产过程中会添加各种加工助剂增塑或使其更加稳定，但往往会导致其可能含有重金属或塑化剂残留[9]。本文设计的出水带初步备选方案有聚乙烯材料及食品级硅胶管两种，聚乙烯材料具有耐低温性能优良、化学稳定性好、常温下不溶于一般溶剂、吸水性小和电绝缘性能优良等优点，但也存在耐热老化性差、对环境应力（化学与机械作用）较为敏感等缺点；食品级硅胶管具有聚乙烯材料的上述优点，且充分避免了其耐热老化性差、对环境应力较为敏感的缺点。相较之下，最终采用经科学配方、先进工艺加工而成的进口硅胶为原材料。

3.2.3 安装使用设计。出水带连接储水袋的出水口与矿用呼吸面罩中的吸嘴。根据每个煤矿工人的身高及个人喜好，可适当调节出水管长度，将多余的出水管折叠起来，收放在储水袋包外侧的小包中，并在外侧用卡子将其与储水袋包卡在一块，保证出水带长度不会随意变化。出水带中间位置有一个挂钩（可以手动移动），方便把出水带固定在衣服上，这样工人在井下工作时就可以避免因出水管悬空摇晃给工作带来的不必要麻烦。

3.3 吸嘴处设计

3.3.1 外观设计。外观设计从安全人体工程学的角度出发，结合实用、美观、便携等基本要求，采用人体工程学男性百分位数在5%～95%的数据，以满足绝大部分井下工作人员的基本需求。

面罩外侧设有连接吸嘴的滑动开关装置以控制其动作，达到煤矿工人无须摘下面罩即可随时饮水的目的。材料选取与出水带一致。吸嘴结构设计详见图5。

3.3.2 吸嘴的内径设计。根据人体生理要求及世界卫生组织的调查显示，成年男性每天进水量为2.2L左右，一名成年男性饮一口水的水量为30～35mL，每口水饮水时间约为5s[7]，根据式（4）进行计算：

[V=QT] （4）

从上式可得出，[V]为7mL/s，此饮水流速相对来说较为舒适、恰当。又因为：

[A=Q/VA=πR2] （5）

得出：

[R=Q/Vπ1/2] （6）

其中，Q为成年人平均每口饮水量，[A]为吸水管的面积，V为吸水时每秒的流速，[R]为设计吸嘴处内径。通过计算可知，[R]为8mm。因此，设计吸嘴处内径为8mm，既能满足工人饮水时对饮水流速的需要，也适合人体工程学的要求，丝毫不妨碍工人们正常工作和休息。

3.3.3 吸嘴的长度设计。根据矿用防尘面罩的设计，佩戴面罩时，其下侧的硅胶处紧贴工人的颏下点。吸嘴设计从安全人体工程学的角度出发，根据人体工程学的数据要求，成年男性百分位数在5%～95%的颏下点到口角点的距离为55～65mm[10]，这里选取60mm作为参考数据。经测量，口罩距最下侧60mm处其侧面宽度约为46mm。由图5可知，吸嘴在自然状态下呈120°夹角。又经多次试验，最终确定面罩内吸嘴的位置如图6所示，根据解直角三角形，可以得到a=32sin30°=16mm。

当矿工带上面罩后，面罩内剩余空间更加狭小。考虑到人嘴凸出的距离约为15mm，由此笔者将吸嘴长b设计为15mm，方便绝大部分在矿井下工作的矿工正常饮水。

3.3.4 开关安装部位选择。根据图6中正视图可得c=32sin30°=16mm。通常情况下，成年男性颏下点到口角点的距离选为60mm。综上所述，d=c+60mm，d为吸嘴开关安装部位距防尘面罩正下方的距离，选在面罩的左侧，既符合人体构造学的要求，也符合防尘面罩的结构要求。

在矿用防尘面罩左测的硅胶处设有滑动式开关，主要用于控制吸嘴的动作，使煤矿工人完成喝水。具体操作为：向后滑动开关，口罩内吸嘴在力的作用下向人嘴处移动；当工人饮水完毕后，再次滑动开关，使吸嘴在力的作用下向外移动，完成喝水，不影响工人的正常工作。

4 结语

本文介绍了矿用防尘面罩供给水系统的结构、原理及设计要求。在目前尘肺病发病率和病死率逐年上升，对煤矿工人的身心健康造成严重威胁的情况下，为预防矿山尘肺病提供了一条新的门径。矿用防尘面罩供给水系统功能的实现，可以减少或避免煤矿工人因为频繁饮水造成的呼吸面具摘戴，在需要时能直接补给水分，从而降低罹患尘肺病的风险。

参考文献：

[1]张丹丹，刘贝贝.我国矿山职业病的统计与展望分析[J]. 能源与环保，2017（9）：173-178.

[2]蔡红波，赵前刚，候玉亭.浅谈预防煤矿职业病的三种途径[J].科技信息，2010（17）：288-289.

[3]赵恩彪，邓楠，隋金君，等.煤矿用送风式防尘口罩的设计与实现[J].中国安全科学学报，2013（7）：104-108.

[4]肖叶.高温体力活动时不同饮水量对人体耐热能的影响[J].重庆科技学院学（社会科学版），2009（S1）：56-58.

[5]徐鹏，黄圣彪，王子健，等.北京和上海市居民冬夏两季饮用水消费习惯（英文）[J].生态毒理学报，2008（3）：224-230.

[6]王保国，王新泉，刘淑艳，等.安全人机工程学[M].北京：机械工业出版社，2016.

[7]郑婵娟，赵秀阁，黄楠，等.我国成人饮水摄入量研究[J].环境与健康杂志，2014（11）：967-970.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标準化管理委员会.用于技术设计的人体测量基础项目：GB/T 5703—2010[S].北京：中国标准出版社，1999.

[9]任郑骅，胡晓露，谢文缄，等.一次性塑料吸管的安全风险分析[J].辽宁化工，2017（3）：264-265.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.中国成年人人体尺寸：GB/T 10000—1988[S].北京：中国标准出版社，1999.