煤礦井下120min自救器的研發分析

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部門關注的焦點，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自救器的技術要求、研發制造過程進行了探討，以供參考。

煤礦；自救器；研發

1　引言

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

2　我國煤礦用自救器的生產現狀

我國的煤礦用自救器生產技術，迄今已經有大約50年的歷史，其生產技術、制造工藝方面，相較于一些發達國家，仍然存在較大的差距，行業的標準也沒有對關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、監管力度、煤礦地質特點等多種因素的影響下，煤礦開采過程中安全事故頻發，嚴重的情況下甚至造成了大量的人員傷亡。通過對礦難發生、傷亡人員等相關數據的分析可以發現，死于礦井開采的人數中，大約有90%以上是因為發生瓦斯爆炸，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。傳統的化學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，一旦發生瓦斯爆炸，所產生的沖擊波會導致作業人員摔倒，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重要。

3　煤礦用自救器的分類

當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系統將人與環境完全隔離，從而達到隔絕外界環境影響的作用（見圖1）。同時產品的研發向著更加安全、便攜、小巧的方向發展。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：循環式與往復式；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）化學氧自救器。這種自救器的循環系統會連接人的呼吸系統，并形成一個封閉的循環過程，循環模式為：內部氣體消耗→生成→再循環利用。該過程會對人體呼吸產生的濁氣進行超氧化鉀吸收，利用生氧劑，使其發生化學反應，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。

4.1.1參數要求

按照相關規定的技術參數，設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當高于240L。

4.1.2基本原理

該自救器的研發運用的是隔絕式壓縮氧自救原理，采用的是雙回路循環呼吸模式，其呼吸通道為單向的，可以與人的呼吸系統構成封閉式循環。其中的O2是由高壓氧氣瓶來供應的，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，因此其質量將直接關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，以確保在規定的維護時間范圍內，氣體的泄漏量能夠符合國家對自救器鋼瓶泄露的相關規定與標準，從而延長定期維護時間，減少成本。

（2）CO2過濾罐

CO2過濾罐通常整體設計為圓柱體，采用的材質為不銹鋼。過濾罐的內部附有不銹鋼豎管，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，用以防止罐內所填充的CO2吸附劑發生反向滲入，甚至沿管道進入人體，傷害人體健康。在罐內填充吸附劑之后，應當用后蓋蓋緊密封。

（3）氣囊

自救器的氣囊材料通常選擇橡膠，該材料的優勢在于具有阻燃、抗靜電的性能。氣囊的容積設計為國家標準4L，氣囊的內部安裝有呼吸管，管內則使用軟質的金屬絲進行填充，用以阻止循環系統中的粉塵顆粒等進入人的呼吸系統，降低呼吸質量。在氣囊的外側，安裝有超壓排氣閥，設計其排氣的壓力為150～300Pa，如果氣囊內部出現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，以保證氣囊內的壓力恢復正常。在氣囊和氧氣鋼瓶之間的連接處，設置有補氣壓板，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；如果氣囊呈現負壓，則補氣壓板會向內收縮，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計，這種設計不僅佩戴方便、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音膜設計，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質聚酰胺鋁箔材料，該材料阻燃性、耐高溫、抗腐蝕、防靜電。背包則采用布制材料，在上側縫制掛袋，下側縫有腰帶，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，在兩罐的接口處設有密封圈。上、中、下外罐的材質均為不銹鋼，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部，同時在鋼瓶下端設置啟動帶，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。小鋼瓶閥的一端應當設置安全面，以防止在鋼瓶內的壓力達到額定壓力的約125%（即19.4×106Pa）時發生破裂，或者由于受熱增壓而發生爆炸危險。

4.2.3呼吸氣路

該呼吸氣路采用的是往復式呼吸氣路，呼吸氣體能夠兩次通過生氧藥罐。其主要優勢在于吸氣中的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，容易出現過排氣閥桿被卡住的問題，導致排氣閥適中處于開啟的狀態中，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，對排氣閥結構的設計尤為重要，應確保其安全可靠。

4.2.4氣囊

氣囊和隔熱墊是化學氧自救器內主要可燃物，為了降低化學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）在生產餓過程中，應當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生大量的粉塵，所以應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，反應過程中不易熔化的超氧化鉀生氧劑。

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

5　結語

120min自救器的研制以原有的技術為基礎，融入新技術，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，2011，32（2）：51～54.

［3］何廷梅.隔絕式壓縮氧長時自救器的設計及試驗研究［J］.煤炭科學技術，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