多功能礦用防塵面罩供給水系統設計

魏俊杰 許珂

摘 要：隨著社會的發展，每年新報告職業病病例近3萬例，塵肺病占全部職業病的90%以上。其中，煤礦行業造成的塵肺病在全部職業病中占較大比重，塵肺病防治工作迫在眉睫。在礦下，合理佩戴礦用防塵面罩是防范塵肺病的必要措施，為了解決煤礦工人飲水時需頻繁摘下面罩及摘下面罩后由于各種原因未能重新及時佩戴或佩戴不到位導致塵肺病發病率增加的問題，提出礦用防塵面罩供給水系統的設想。本文簡述了供給水系統的設計結構、原理、要求等內容，打破了喝水就要摘下面罩的現狀，從而降低粉塵吸入，為預防礦山塵肺病提供了新的途徑。

關鍵詞：塵肺病；礦用防塵面罩；供給水系統

中圖分類號：X924.4 文獻標識碼：A 文章編號：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，我國正面臨著嚴峻的職業病危害，自中華人民共和國成立以來至2014年底，報告職業病893 721例，其中，塵肺病804 329例，占比90%[1]，煤礦行業引起的塵肺病占每年新增塵肺病的44.16%，每年5.7萬人患病，6 000人死亡。而引起礦工塵肺病的原因除了煤礦生產惡劣的工作環境等客觀因素外，另一主要原因是工人在井下作業時個體防護失效，如呼吸面罩不合格，以及工人自我防護意識淡薄，隨意摘下防護罩不佩戴等[2]。目前，礦井多為深井開采，一方面礦工的勞動多為重體力勞動；另一方面，開采區域工作環境溫度較高，井下作業人員在進行打鉆、噴漿等作業時，需要頻繁補給大量水分以維持自身代謝平衡。因此，礦工不可避免地要當場頻繁摘下口罩飲水。一方面由于人自身的原因，致使摘下口罩后忘帶或者厭煩不愿意佩戴；另一方面，頻繁地摘取致使口罩佩戴不到位、不規范的現象屢見不鮮，造成工人大量吸入粉塵，從而增加罹患塵肺病的概率。

鑒于當前對塵肺病防護的迫切需求，本項目對現有礦井常用呼吸面罩進行改進優化，試圖增加多功能供給水系統，打破喝水要摘下面罩的現狀，降低煤礦工人粉塵的吸入量，從而預防煤礦工人塵肺病的發生。

2 礦用防塵面罩供給水系統方案

針對我國礦工個體防護用品存在的不足之處，對現有礦用防塵面罩加以改進，礦工無須摘下面罩即可隨時飲水的功能降低了煤礦工人粉塵的吸入量，減少了“隱形礦難”[3]。

2.1 設計結構

本次設計將礦工佩戴的專業腰帶作為口罩供給水袋承載體，對礦用呼吸面罩進行改造加工，實現礦用防塵面罩為工作人員隨時供水的目的。其結構如圖1所示。

2.2 設計原理

礦用防塵面罩供給水系統的設計原理是利用大氣壓強原理，[P1]表示出水管內的壓強，[P2]表示出水管外部的壓強即大氣壓強。不供水的情況下，[P1=P2]；當煤礦工人使用供給水系統吸水時，吸氣的動作使出水管內部的空氣流速變大，[P1]變小，而[P2]不變，出水管內外產生壓強差[ΔP=P1-P2]，使得儲水袋中的水被壓入出水帶中，使礦工輕而易舉地喝到水。通過壓強差理論，加之人工輔助動作成功實現供給水，具體流程為：手動導通流量閥，利用大氣壓強及手動給予儲水袋壓力作用，迫使水源流經出水帶輸送到呼吸面罩特定的吸嘴處，實現礦工無須摘下面罩即可隨時飲水的功能。其流程如圖2所示。

3 礦用防塵面罩供給水系統設計要求

礦下作業屬于特種作業，煤礦工人下井作業必須攜帶礦燈、自救器等裝備，并且經常要連續8h從事繁重的勞作，再加上井下環境的局限性，因此，在設計時盡量使礦用防塵面罩供給水系統安全便攜、結實耐用，實現人性化和可持續使用。設計秉承“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針，明確礦工的真實需求，綜合考慮經濟性、實用性和可行性，進而進行落實，以使礦用防塵面罩供給水系統科學合理，方便推廣應用。

3.1 儲水袋設計

儲水袋是礦用防塵面罩供給水系統的源頭，由內膽和儲水袋包兩部分組成。內膽主要是存儲飲用水，具有耐磨、防爆的特點；儲水袋包結實、防靜電，并對內膽起到保護作用。兩部分均可簡單拆卸。

3.1.1 內膽設計

3.1.1.1 外觀設計。本設計選用水袋代替常用的軍用水壺，輕便易攜帶。秉承可重復利用、操作方便、使用安全的原則，在水帶的左側設有入水口，入水口蓋采用內螺牙結構，且蓋內有硅膠墊圈，使用時擰緊扣蓋即可防止漏水；右側則為出水口，可與出水帶連接，采用雙層壓邊技術，耐用、耐磨、防爆、防漏。內膽結構如圖3所示。

3.1.1.2 材料選取。為了避免煤礦工人在使用儲水袋時發生燙傷事故，且食用安全，無異味，內膽的材料采用雙面進口TPU材料。TPU是一種環保材料，抗高溫，耐壓，氣密性強，強度高，此外，TPU塑膠原料耐磨性能優異，較天然橡膠耐磨5倍以上，是耐磨制品首選的材料之一。

3.1.1.3 儲水袋容量。在高溫體力活動時，補水量不足會引起心率、脈壓及平均壓大幅度變化[4]。高溫環境下，補充70%出汗量的飲水比較適宜，所以礦下的高溫工作環境使煤礦工人相比常人更需要頻繁補充水分。美國環保局（EPA）認為，成年人每天消耗的飲用水量為2L[5]，《中國居民膳食指南（2007）》對成年人提出的每天建議飲水量是1.2L。根據《煤礦安全規程》（總局令第87號）的規定，井下各工作地點的溫度不允許超過28℃。考慮到煤礦工人的負重以及礦下溫度，筆者選用1.5L水袋。

3.1.2 儲水袋包設計

3.1.2.1 材料選取。考慮到井下復雜、惡劣的工作條件及地熱、機械發熱和氧化熱導致的高溫環境，本次設計選用錦綸防靜電牛津布。其是一種陶瓷纖維表面經過機械涂抹高溫膠而制成的，具有與火接觸不燃燒、耐摩擦、防水和柔軟等性能特點，可以對內膽起保護作用，延長其使用壽命。

3.1.2.2 外觀設計。儲水袋包設計為前后兩個包。后面的大包裝放內膽，采用拉鏈形式進行內膽的取放，簡易方便，且固定性強，不會因工人動作掉出；前面的小包設置魔術貼，主要用來盛放多余的出水帶；其背面設有與煤礦工人佩戴的專業腰帶寬度相匹配的穿插結構，使儲水袋固定在工人腰部，穩定性強且方便摘取。儲水袋包的結構如圖4所示。

3.2 出水帶設計

3.2.1 長度設計。在設計供給水系統出水帶長度時，必須考慮礦山工人性別、作業時的工作姿勢、人體靜態尺寸及動態尺寸等多方面的人機關系。基于人機工程學開展的礦用供給水系統面罩設計研究，是實現汲水便捷、佩戴舒適、供水順暢的基本前提。

礦用供給水系統出水帶長度設計的人機參數是佩戴者的使用體驗、供給水性能的決定性因素。在設計出水帶長度時，主要參考男性立姿人體部分尺寸。

本文設計的儲水袋掛在井下工作人員腰間，出水帶連接在儲水袋與礦用防塵面罩之間。出水帶過長會影響工人工作，太短則缺乏普遍實用性，所以本設計選擇平均身高最低的西南地區第5百分位和最高的東北、華北地區第95百分位之間的數據來確定出水管長度范圍。

已知中國各個地區的男性（18～60歲）身高的均值[x]及標準差[SD][6]，根據公式（1）進行計算：

[xa=x+KSD] （1）

式（1）中，a為百分位數，[K]為與a有關的變換系數[7]。于是，經查閱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，中國男性身高為1 554～1 786mm。根據我國成年人人體尺寸的比例關系可知[8]，男性眼高=0.93×身高，中指尖高=0.38×身高。由此可得出，出水管長度=（0.93-0.38）×身高，出水管長度為854.7～982.3mm。綜上所述，決定選取出水管長度為1m。

3.2.2 材料選取。出水帶類似于人們生活中經常使用的吸管。現在普遍使用的是一次性塑料吸管，材質多為聚乙烯。很多報道表明，塑料在生產過程中會添加各種加工助劑增塑或使其更加穩定，但往往會導致其可能含有重金屬或塑化劑殘留[9]。本文設計的出水帶初步備選方案有聚乙烯材料及食品級硅膠管兩種，聚乙烯材料具有耐低溫性能優良、化學穩定性好、常溫下不溶于一般溶劑、吸水性小和電絕緣性能優良等優點，但也存在耐熱老化性差、對環境應力（化學與機械作用）較為敏感等缺點；食品級硅膠管具有聚乙烯材料的上述優點，且充分避免了其耐熱老化性差、對環境應力較為敏感的缺點。相較之下，最終采用經科學配方、先進工藝加工而成的進口硅膠為原材料。

3.2.3 安裝使用設計。出水帶連接儲水袋的出水口與礦用呼吸面罩中的吸嘴。根據每個煤礦工人的身高及個人喜好，可適當調節出水管長度，將多余的出水管折疊起來，收放在儲水袋包外側的小包中，并在外側用卡子將其與儲水袋包卡在一塊，保證出水帶長度不會隨意變化。出水帶中間位置有一個掛鉤（可以手動移動），方便把出水帶固定在衣服上，這樣工人在井下工作時就可以避免因出水管懸空搖晃給工作帶來的不必要麻煩。

3.3 吸嘴處設計

3.3.1 外觀設計。外觀設計從安全人體工程學的角度出發，結合實用、美觀、便攜等基本要求，采用人體工程學男性百分位數在5%～95%的數據，以滿足絕大部分井下工作人員的基本需求。

面罩外側設有連接吸嘴的滑動開關裝置以控制其動作，達到煤礦工人無須摘下面罩即可隨時飲水的目的。材料選取與出水帶一致。吸嘴結構設計詳見圖5。

3.3.2 吸嘴的內徑設計。根據人體生理要求及世界衛生組織的調查顯示，成年男性每天進水量為2.2L左右，一名成年男性飲一口水的水量為30～35mL，每口水飲水時間約為5s[7]，根據式（4）進行計算：

[V=QT] （4）

從上式可得出，[V]為7mL/s，此飲水流速相對來說較為舒適、恰當。又因為：

[A=Q/VA=πR2] （5）

得出：

[R=Q/Vπ1/2] （6）

其中，Q為成年人平均每口飲水量，[A]為吸水管的面積，V為吸水時每秒的流速，[R]為設計吸嘴處內徑。通過計算可知，[R]為8mm。因此，設計吸嘴處內徑為8mm，既能滿足工人飲水時對飲水流速的需要，也適合人體工程學的要求，絲毫不妨礙工人們正常工作和休息。

3.3.3 吸嘴的長度設計。根據礦用防塵面罩的設計，佩戴面罩時，其下側的硅膠處緊貼工人的頦下點。吸嘴設計從安全人體工程學的角度出發，根據人體工程學的數據要求，成年男性百分位數在5%～95%的頦下點到口角點的距離為55～65mm[10]，這里選取60mm作為參考數據。經測量，口罩距最下側60mm處其側面寬度約為46mm。由圖5可知，吸嘴在自然狀態下呈120°夾角。又經多次試驗，最終確定面罩內吸嘴的位置如圖6所示，根據解直角三角形，可以得到a=32sin30°=16mm。

當礦工帶上面罩后，面罩內剩余空間更加狹小。考慮到人嘴凸出的距離約為15mm，由此筆者將吸嘴長b設計為15mm，方便絕大部分在礦井下工作的礦工正常飲水。

3.3.4 開關安裝部位選擇。根據圖6中正視圖可得c=32sin30°=16mm。通常情況下，成年男性頦下點到口角點的距離選為60mm。綜上所述，d=c+60mm，d為吸嘴開關安裝部位距防塵面罩正下方的距離，選在面罩的左側，既符合人體構造學的要求，也符合防塵面罩的結構要求。

在礦用防塵面罩左測的硅膠處設有滑動式開關，主要用于控制吸嘴的動作，使煤礦工人完成喝水。具體操作為：向后滑動開關，口罩內吸嘴在力的作用下向人嘴處移動；當工人飲水完畢后，再次滑動開關，使吸嘴在力的作用下向外移動，完成喝水，不影響工人的正常工作。

4 結語

本文介紹了礦用防塵面罩供給水系統的結構、原理及設計要求。在目前塵肺病發病率和病死率逐年上升，對煤礦工人的身心健康造成嚴重威脅的情況下，為預防礦山塵肺病提供了一條新的門徑。礦用防塵面罩供給水系統功能的實現，可以減少或避免煤礦工人因為頻繁飲水造成的呼吸面具摘戴，在需要時能直接補給水分，從而降低罹患塵肺病的風險。

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