矿用本质安全型动力送风防尘面罩的设计

2020-06-02王瑞麟陈倬为

煤矿机电 2020年2期

王瑞麟，陈倬为

(1.中国煤炭科工集团上海有限公司，上海 200030；2.国家劳动保护用品质量监督检验中心, 北京 100054)

0 引言

煤矿尘肺病是我国目前最为严重的一种职业病,截至2018年底,全国累计报告职业病超过97万例,其中,90%是职业性尘肺病,主要分布在采矿业,并已呈现年轻化趋势。煤矿的尘肺病被称为危害矿工身体健康的“隐形杀手”,由于其不同于瓦斯、煤尘爆炸和冒顶等工伤事故那么触目惊心,故往往不被人们所重视,而实际上由尘肺病引发的矿工致残和死亡人数,在国内外都远高于各类工伤事故的总和。据测算,每年有5.7万人患上尘肺病,因尘肺病死亡的有6 000余人,是安全生产事故死亡人数的2倍[1-2]。因此，为有效地预防煤矿尘肺病，经反复分析研究，开发研制一种适于煤矿井下使用的动力送风防尘面罩至关重要。

1 国内外个体呼吸防护装备研究概况

从国内外的发展情况来看,个体呼吸防护的装备主要有自吸式防尘口罩、动力送风防尘口罩、头盔式空气幕口罩等。我国目前应用自吸式防尘口罩,是矿山应用最广、数量最多的个体呼吸防护装备。但自吸式防尘口罩由于结构简单、密合性差,若口罩与面部接触不严,便会导致漏尘,从而降低防尘效果；同时随着滤尘量的增多,过滤棉呼吸阻力增大,使人呼吸困难,产生憋气感,也影响了作业效率,降低了劳动舒适感[3-4]，尤其一线矿工,因佩戴防尘口罩进行体力作业,呼吸不顺畅而增加劳累感,致使大量出汗、体力透支,不愿佩戴防尘口罩,从而加大了工人罹患尘肺病的概率。由此可见，这种传统的防尘口罩在设计环节,忽略了口罩对人体呼吸的影响,无法满足体内氧气的快速消耗,呼吸时空气通过过滤装置产生的阻力需要由人体承担,从而增加了呼吸难度,使呼吸不顺畅。

国外已较早出现了动力式防护口罩、头盔式空气幕口罩、高效防尘口罩等产品,但受其防尘效果与使用便捷性存在的问题，一直未得到有效地推广[5]。

近年来,动力送风过滤式呼吸器(Powered air-purifying respirator,即PAPR)在众多工业生产、公共安全等领域得到广泛应用。与自吸式防尘口罩相比,PAPR增加了以电为动力的送风装置,该装置用于克服过滤元件的通气阻力,降低使用者的呼吸负荷以改善舒适度,更适合较高劳动强度的作业需求，同时在较高送风量条件下,可使呼吸器面罩内维持正压的呼吸环境,能有效阻止吸气过程中外部污染空气漏入面罩,从而提高了防护的可靠性。与送风式防尘口罩相比，增加了不需要和脸部紧密贴合的松配合面罩和缓冲气室，从根本上解决了适配性和气流交换问题，使用者既可以轻松吸入流动的洁净空气，又可以顺畅地排掉呼出的浊气，提高了呼吸器与人员的适配性和使用的舒适性，真正实现人员在高粉尘作业环境下自由呼吸的愿望。此外,PAPR还可以将呼吸、眼、面及头部防护结合在一起,从而实现综合性职业安全防护需求[6-7]。

2 矿用PAPR产品的研制

2.1 设计思路

综合PAPR产品的关键技术，充分考虑了煤矿工人的作业环境复杂、劳动强度大、体力消耗快、下井时还必须佩带矿灯、自救器等装备因素，使矿用PAPR产品科学合理，具有安全可靠、防尘效果好、体积小、重量轻、携带方便、持久耐用、适配性好、舒适度高等特点，方便推广应用，造福广大矿工。

2.2 工作原理

由本质安全电源提供动力，带动风机，将工作环境含粉尘的空气吸入高效过滤器进行净化，通过呼吸管将新鲜洁净的气流送到使用者的口、鼻处。

2.3 结构特征

防尘面罩的总体结构如图1所示,主要由主机、送风管和头盔面罩3部分组成。主机由机壳、风机、密封件、过滤组件、控制组件、盖板、本质安全电源组成，见图2。头盔面罩由头盔面罩组件和防护布罩组成。

1-主机；2-送风管；3-头盔面罩。图1 防尘面罩总体结构

1-盖板；2-过滤组件；3-密封件；4-风机；5-控制组件；6-机壳；7-本质安全型电源。图2 主机结构

2.4 主要技术特征及参数

在锂电池组输出端串接本质安全型保护电路，并浇封在电池盒内，构成本质安全型电池组的基本参数为Uo=13 V,Io=1.2 A。

PAPR产品的技术特征与要求，如表1所示。

表1 主要技术特征与要求

3 样机的性能指标试验、检测、验证

3.1 试验

在试制出样机之后，为了验证其各项性能是否达标，通过试验对样机主要性能分别进行了检测，以实际送风量为例进行简要说明。测试系统如图3所示。试验结果显示，样机的实际最小送风量达到140 L/min，符合国标要求。

1-微压计；2-开放型面罩；3-空气入口；4-电池；5-送风机；6-流量计；7-可调转速控制器；8-空气出口；9-真空泵；10-可调空气入口;11-轻质塑料袋。图3 实际送风量测试系统

3.2 检测

为了进一步验证试验结果的真实性，样机分别由国家劳防中心和国家安标中心进行各项性能指标检测。主要性能指标检测结果如表2所示。

表2 相关检验部门检测结果

由检验结果表明，样机的各项性能指标均达到或超过相关国家标准。目前，已经取得了国家劳防中心的检验报告，这是自国标实施以来，国内唯一送检并获得检验合格的PAPR产品，同时还通过了国家安标中心的矿用产品安全标志认证，其MA(KA)安标证号为M(K)DE190001，防爆合格证号为SHExC18.1001。

3.3 现场验证

样机经国家能源集团神东公司上湾煤矿和中煤集团大屯公司徐庄煤矿的掘进与采煤工作面的现场试验中表明，矿工对试用过的样机的防尘效果、舒适性和实用性等方面给予了充分的肯定。使用后的过滤组件实样如图4所示。

(a)

(b)

(c)

4 关键技术须知

1) 最小送风量。PAPR产品的防护能力与使用者的口鼻部空气环境是否为“正压”密切相关,而正压与否与使用者的实际呼吸量,即劳动强度直接相关,不同的劳动强度对应于不同的呼吸流量。送风量可归纳为辅助送风(即“负压”)和强制送风(即“正压”)两种模式。辅助送风量着重改善使用者的呼吸负荷,较适于低强度作业使用,强制送风量着重降低使用者的呼吸负荷并同时提升防护的可靠性,较适合中等及以上作业的使用[8-10]。GB 30864—2014明确规定：“使用开放型面罩的PAPR最小送风量应不低于120 L/min。”

2) 持续使用时间。对使用电池驱动风机的PAPR,在满足最小送风量条件下,国标规定制造商设计持续使用时间不得低于4 h。

3) 过滤效率。在规定测试条件下,P95级防颗粒物过滤元件滤除颗粒物的过滤效率不应低于95%,P100级过滤元件的过滤效率不应低于99.97%。

4) 泄漏率。在实验室规定测试条件下,受试者吸气时，从呼吸器过滤元件以外的所有其他部件泄漏入面罩的模拟剂浓度的比值，应不超过0.5%。

5) 死腔。从前一次呼气中被重新吸入空气中二氧化碳的平均含量体积分数,应不超过1%。

6) 可燃性。暴露于火焰的所有PAPR裸露部件，由火焰移开后，不应燃烧,续燃时间宜不超过5 s。

7) 安全性能。煤炭行业对矿用设备有其特殊行业性能的要求，GB 3836—2010和GB 30864—2014中明确规定，对装有电池的矿用设备,用于易燃易爆环境中，应具备本质安全性能。

当普通塑料作为煤矿设备外壳及安全帽材料使用时,由于其塑料材料表面电阻率极高(通常高于1×1012Ω),易造成表面静电积聚,容易因表面放电引起火灾或爆炸，而且绝大部分的塑料属易燃材料,火焰传播速度极快，且燃烧时会释放出大量有毒烟雾。因此,矿用设备在煤矿井下环境中使用时,应具有可靠的安全性能(即抗静电和阻燃性能)和良好的高、低温冲击性,须满足GB 3836—2010、GB/T 11020—2005、GB 30864—2014和GB 2811—2007等标准规定要求[11]。