礦用本質安全型動力送風防塵面罩的設計

王瑞麟，陳倬為

(1.中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030；2.國家勞動保護用品質量監督檢驗中心, 北京 100054)

0 引言

煤礦塵肺病是我國目前最為嚴重的一種職業病,截至2018年底,全國累計報告職業病超過97萬例,其中,90%是職業性塵肺病,主要分布在采礦業,并已呈現年輕化趨勢。煤礦的塵肺病被稱為危害礦工身體健康的“隱形殺手”,由于其不同于瓦斯、煤塵爆炸和冒頂等工傷事故那么觸目驚心,故往往不被人們所重視,而實際上由塵肺病引發的礦工致殘和死亡人數,在國內外都遠高于各類工傷事故的總和。據測算,每年有5.7萬人患上塵肺病,因塵肺病死亡的有6 000余人,是安全生產事故死亡人數的2倍[1-2]。因此，為有效地預防煤礦塵肺病，經反復分析研究，開發研制一種適于煤礦井下使用的動力送風防塵面罩至關重要。

1 國內外個體呼吸防護裝備研究概況

從國內外的發展情況來看,個體呼吸防護的裝備主要有自吸式防塵口罩、動力送風防塵口罩、頭盔式空氣幕口罩等。我國目前應用自吸式防塵口罩,是礦山應用最廣、數量最多的個體呼吸防護裝備。但自吸式防塵口罩由于結構簡單、密合性差,若口罩與面部接觸不嚴,便會導致漏塵,從而降低防塵效果；同時隨著濾塵量的增多,過濾棉呼吸阻力增大,使人呼吸困難,產生憋氣感,也影響了作業效率,降低了勞動舒適感[3-4]，尤其一線礦工,因佩戴防塵口罩進行體力作業,呼吸不順暢而增加勞累感,致使大量出汗、體力透支,不愿佩戴防塵口罩,從而加大了工人罹患塵肺病的概率。由此可見，這種傳統的防塵口罩在設計環節,忽略了口罩對人體呼吸的影響,無法滿足體內氧氣的快速消耗,呼吸時空氣通過過濾裝置產生的阻力需要由人體承擔,從而增加了呼吸難度,使呼吸不順暢。

國外已較早出現了動力式防護口罩、頭盔式空氣幕口罩、高效防塵口罩等產品,但受其防塵效果與使用便捷性存在的問題，一直未得到有效地推廣[5]。

近年來,動力送風過濾式呼吸器(Powered air-purifying respirator,即PAPR)在眾多工業生產、公共安全等領域得到廣泛應用。與自吸式防塵口罩相比,PAPR增加了以電為動力的送風裝置,該裝置用于克服過濾元件的通氣阻力,降低使用者的呼吸負荷以改善舒適度,更適合較高勞動強度的作業需求，同時在較高送風量條件下,可使呼吸器面罩內維持正壓的呼吸環境,能有效阻止吸氣過程中外部污染空氣漏入面罩,從而提高了防護的可靠性。與送風式防塵口罩相比，增加了不需要和臉部緊密貼合的松配合面罩和緩沖氣室，從根本上解決了適配性和氣流交換問題，使用者既可以輕松吸入流動的潔凈空氣，又可以順暢地排掉呼出的濁氣，提高了呼吸器與人員的適配性和使用的舒適性，真正實現人員在高粉塵作業環境下自由呼吸的愿望。此外,PAPR還可以將呼吸、眼、面及頭部防護結合在一起,從而實現綜合性職業安全防護需求[6-7]。

2 礦用PAPR產品的研制

2.1 設計思路

綜合PAPR產品的關鍵技術，充分考慮了煤礦工人的作業環境復雜、勞動強度大、體力消耗快、下井時還必須佩帶礦燈、自救器等裝備因素，使礦用PAPR產品科學合理，具有安全可靠、防塵效果好、體積小、重量輕、攜帶方便、持久耐用、適配性好、舒適度高等特點，方便推廣應用，造福廣大礦工。

2.2 工作原理

由本質安全電源提供動力，帶動風機，將工作環境含粉塵的空氣吸入高效過濾器進行凈化，通過呼吸管將新鮮潔凈的氣流送到使用者的口、鼻處。

2.3 結構特征

防塵面罩的總體結構如圖1所示,主要由主機、送風管和頭盔面罩3部分組成。主機由機殼、風機、密封件、過濾組件、控制組件、蓋板、本質安全電源組成，見圖2。頭盔面罩由頭盔面罩組件和防護布罩組成。

1-主機；2-送風管；3-頭盔面罩。圖1 防塵面罩總體結構

1-蓋板；2-過濾組件；3-密封件；4-風機；5-控制組件；6-機殼；7-本質安全型電源。圖2 主機結構

2.4 主要技術特征及參數

在鋰電池組輸出端串接本質安全型保護電路，并澆封在電池盒內，構成本質安全型電池組的基本參數為Uo=13 V,Io=1.2 A。

PAPR產品的技術特征與要求，如表1所示。

表1 主要技術特征與要求

3 樣機的性能指標試驗、檢測、驗證

3.1 試驗

在試制出樣機之后，為了驗證其各項性能是否達標，通過試驗對樣機主要性能分別進行了檢測，以實際送風量為例進行簡要說明。測試系統如圖3所示。試驗結果顯示，樣機的實際最小送風量達到140 L/min，符合國標要求。

1-微壓計；2-開放型面罩；3-空氣入口；4-電池；5-送風機；6-流量計；7-可調轉速控制器；8-空氣出口；9-真空泵；10-可調空氣入口;11-輕質塑料袋。圖3 實際送風量測試系統

3.2 檢測

為了進一步驗證試驗結果的真實性，樣機分別由國家勞防中心和國家安標中心進行各項性能指標檢測。主要性能指標檢測結果如表2所示。

表2 相關檢驗部門檢測結果

由檢驗結果表明，樣機的各項性能指標均達到或超過相關國家標準。目前，已經取得了國家勞防中心的檢驗報告，這是自國標實施以來，國內唯一送檢并獲得檢驗合格的PAPR產品，同時還通過了國家安標中心的礦用產品安全標志認證，其MA(KA)安標證號為M(K)DE190001，防爆合格證號為SHExC18.1001。

3.3 現場驗證

樣機經國家能源集團神東公司上灣煤礦和中煤集團大屯公司徐莊煤礦的掘進與采煤工作面的現場試驗中表明，礦工對試用過的樣機的防塵效果、舒適性和實用性等方面給予了充分的肯定。使用后的過濾組件實樣如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

4 關鍵技術須知

1) 最小送風量。PAPR產品的防護能力與使用者的口鼻部空氣環境是否為“正壓”密切相關,而正壓與否與使用者的實際呼吸量,即勞動強度直接相關,不同的勞動強度對應于不同的呼吸流量。送風量可歸納為輔助送風(即“負壓”)和強制送風(即“正壓”)兩種模式。輔助送風量著重改善使用者的呼吸負荷,較適于低強度作業使用,強制送風量著重降低使用者的呼吸負荷并同時提升防護的可靠性,較適合中等及以上作業的使用[8-10]。GB 30864—2014明確規定：“使用開放型面罩的PAPR最小送風量應不低于120 L/min?！?/p>

2) 持續使用時間。對使用電池驅動風機的PAPR,在滿足最小送風量條件下,國標規定制造商設計持續使用時間不得低于4 h。

3) 過濾效率。在規定測試條件下,P95級防顆粒物過濾元件濾除顆粒物的過濾效率不應低于95%,P100級過濾元件的過濾效率不應低于99.97%。

4) 泄漏率。在實驗室規定測試條件下,受試者吸氣時，從呼吸器過濾元件以外的所有其他部件泄漏入面罩的模擬劑濃度的比值，應不超過0.5%。

5) 死腔。從前一次呼氣中被重新吸入空氣中二氧化碳的平均含量體積分數,應不超過1%。

6) 可燃性。暴露于火焰的所有PAPR裸露部件，由火焰移開后，不應燃燒,續燃時間宜不超過5 s。

7) 安全性能。煤炭行業對礦用設備有其特殊行業性能的要求，GB 3836—2010和GB 30864—2014中明確規定，對裝有電池的礦用設備,用于易燃易爆環境中，應具備本質安全性能。

當普通塑料作為煤礦設備外殼及安全帽材料使用時,由于其塑料材料表面電阻率極高(通常高于1×1012Ω),易造成表面靜電積聚,容易因表面放電引起火災或爆炸，而且絕大部分的塑料屬易燃材料,火焰傳播速度極快，且燃燒時會釋放出大量有毒煙霧。因此,礦用設備在煤礦井下環境中使用時,應具有可靠的安全性能(即抗靜電和阻燃性能)和良好的高、低溫沖擊性,須滿足GB 3836—2010、GB/T 11020—2005、GB 30864—2014和GB 2811—2007等標準規定要求[11]。

5 結論

通過對PAPR關鍵技術和礦工作業環境的研究，研制了一種適合于煤礦井下使用的本質安全型動力送風防塵面罩。由國家相關檢驗部門的檢測結果和現場驗證結果表明，該產品解決了目前防塵口罩存在防塵效果不好、有憋氣感、氣流交換不暢等問題,并將呼吸、眼、面及頭部防護結合在一起,從而實現了綜合性職業安全防護需求。