彭 然，李 磊，李 鵬

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013; 2.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013； 3.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

煤礦用120min自救器的研發(fā)

彭 然1,2，李 磊1,2，李 鵬3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013; 2.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013； 3.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

針對目前45min隔絕式壓縮氧自救器不能很好地滿足煤礦井下逃生和自救的需求，為了礦難發(fā)生時更好地保證礦工的生命安全，深度剖析了現(xiàn)存自救器在供氧、使用及后期維護方面的缺點，通過理論分析、數(shù)值計算及模擬試驗等方法研制了持續(xù)時間更長、自救效果更好、配帶方便、快捷、體積更小的新型120min自救器，突破了傳統(tǒng)的設計理念，全面優(yōu)化了各項指標，配備了更符合人體工學的呼吸半面罩，使用了新型的防火材料，大大提高了自救器的整體性能指標和 “自救”成功率。并詳細闡述了自救器的工作原理、結構特征和技術特點。

120min自救器；隔絕式；半面罩；阻燃抗靜電

煤礦井下環(huán)境復雜多變，受火災、瓦斯爆炸、煤塵、頂板等因素的威脅，災難事故時有發(fā)生，國家有關部門對井下人員佩帶自救器有較高的重視，也出臺了相關的法律規(guī)范，我國的《煤礦安全規(guī)程》第10條規(guī)定“入井人員必須隨身攜帶自救器”，原煤炭部于1983 年專門下發(fā)了煤炭部關于下井人員裝備自救器的文件， 對礦工佩帶自救器進行了更具體的規(guī)定[1]。通過搜集事故調查報告并查閱相關資料以及現(xiàn)場調研等一系列工作，分析總結得出自救器是最重要、最有效、最經濟的緊急避險裝備，自救器是一種便攜式個體防護逃生裝備，其具有單重輕、易攜帶的特點，也是發(fā)生災害時的呼吸保護裝備，是礦井緊急避險系統(tǒng)的重要一份子，煤礦井下時常會出現(xiàn)多種突發(fā)事故，一般情況下，煤礦井下事故早期影響范圍較小，事故的進一步發(fā)展和次生事故的發(fā)生會波及整個礦井，井下人員要抓緊時間逃離危險區(qū)域，到達地面，地面是最安全的，所以佩戴自救器逃離，保護生命。

現(xiàn)存在的自救器使用復雜、佩戴時間長、有效防護時間短，為了提高煤礦井下自救器的產品性能和技術指標，使自救器真正能在救援時發(fā)揮作用，保障井下人員生命健康，必須研發(fā)安全有效、操作簡單、佩戴迅速、密封性良好的新型自救器。

1 自救器的分類及優(yōu)缺點

1.1 自救器的分類及基本原理

目前煤礦使用的自救器其呼吸循環(huán)系統(tǒng)完全與環(huán)境隔離，不受環(huán)境條件限制，產品更向安全、便攜、小巧的方向發(fā)展，其分類主要有2種：化學氧自救器和壓縮氧自救器。隔絕式壓縮氧自救器按照供氧方式可以分為定量供氧、手動補給供氧、自動補給供氧三種，按照呼吸方式分為循環(huán)式和往復式兩種，按照防護時間分為15型、30型、45型、60型等，其防護時間分別為15min、30min、45min、60min[2]等。

化學氧自救器其循環(huán)系統(tǒng)與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，形成了內部氣體消耗-生成-再循環(huán)利用的循環(huán)過程，人體呼吸后產生的濁氣(水汽和CO2等)被超氧化鉀吸收，生氧劑發(fā)生化學反應釋放氧氣提供呼吸，與不被消耗的N2等再次混合，供人呼吸[3]。

壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)的自救器，將O2貯存在高壓氧氣瓶中，通過減壓閥將高壓O2的壓力值減至人體正常呼吸所需的范圍內，由定量供氧以規(guī)定的流量向人體呼吸系統(tǒng)供氧，當呼吸系統(tǒng)內的壓力下降到規(guī)定壓力值時，自動補給供氧開啟向呼吸系統(tǒng)供氧，同時還具有手動補給系統(tǒng)，按動手動補給閥直接快速大量的向呼吸系統(tǒng)供氧，滿足缺氧需求，使用Ca(OH)2作為CO2的吸收劑，呼出的濁氣經Ca(OH)2凈化后再次進入呼吸循環(huán)。

1.2 自救器的優(yōu)缺點

我國對自救器的研究起步較晚，老產品在使用中時有供氧中斷、藥劑失效導致工作時間縮短及無端起火等問題；自救器的使用者首次使用時必須經專業(yè)培訓、講解演示，自救器本身對后期維護有嚴格的要求，每隔3個月或者半年檢查氧氣瓶氣壓，更換吸附劑，并要求配備專業(yè)的氧氣填充泵進行填充。

煤礦井下都建有避險設施(避難硐室或救生艙)，發(fā)生事故以逃為主，避險為輔，人員可以佩戴自救器逃生，遇險人員應盡一切可能撤至地面，地面最安全，完成自救，如果巷道被堵塞，遇險人員無法安全撤至地面時，能夠迅速進人避險設施可在規(guī)定防護時間內等待救援，瓦斯爆炸等事故往往在瞬間發(fā)生，爆炸沖擊力強，傳統(tǒng)的自救器通常先松開自救器卡扣，取下上蓋，展開氣囊，將鼻夾夾住，咬住呼吸嘴，開啟閥門接通氧氣，熟練人員佩戴自救器至少需要1min，在短時間內根本沒有辦法實施自救；避險設施安放相對固定，根據(jù)國家相關規(guī)定，在距離采掘工作面1000m范圍內應布設避險設施，但隨著采掘面的不斷深入，人員逃離到避難場所的時間會逐漸加長，45min或60min遠遠不能滿足長時間逃跑的需求；一般發(fā)生災難時，井下工作人員需要通過簡單地交流，互相施救才能達到救援的目的，但是傳統(tǒng)自救器呼吸氧氣采用口咬式呼吸嘴，此時嘴已經不能再做其他用途，說話時，呼吸嘴會脫落，造成有毒氣體流入，給施救帶來了更大的困難。

人在避險逃生時呼吸量是一個變化值，其值隨人體運動狀態(tài)變化而改變，當逃生時呼吸量會超過30L/min，單位時間人體耗氧量也增加，相反人體靜態(tài)最小呼吸量只有10L/min，將同批次規(guī)格型號相同的120min自救器在最大、最小及平均值呼吸量條件下進行模擬試驗，結果見表1，自救器防護時間由于頻繁使用手動補給閥，瞬間提高供氧量，會降低整體防護時間，再加上動態(tài)逃生時自身耗氧量的增加，傳統(tǒng)的120min自救器完全不能滿足長時間的逃生需求。

表1 性能參數(shù)表

2 新型120min自救器的研制

為了解決目前市場上存在的自救器的種種缺點和不足，更好地為井下工作人員的安全提供保障，決定研制一種新型的120min自救器，防護時間更長、配帶更加方便、快捷、體積更小，更安全可靠的隔絕式壓縮氧氣自救器。

按AQ1054-2008技術參數(shù)[4]。防護時間：使用時間為120min(中等勞動強度)

供氧方式。定量供氧：≥1.2L/min(L/min)；自動補給供氧：≥60L/min(L/min)；手動補給供氧：≥60L/min(L/min)。

氧氣瓶。容積：1.2 L(L)；額定壓力：20MPa(200kg)；儲氣量：>240L(L)。

該自救器在AQ技術參數(shù)的基礎上全面提高性能參數(shù)，仍采用隔絕式壓縮氧自救器的基本原理，原理如圖1所示，采用雙回路循環(huán)的呼吸方式，即呼吸各為單向通道，與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，O2由高壓氧氣瓶供應，使用Ca(OH)2作為CO2的吸收劑，呼出的濁氣經Ca(OH)2凈化后再次進入呼吸循環(huán)。吸氣時氧氣從氣囊、呼吸閥、面罩進入人體；呼氣時氣體經過呼吸閥、呼氣軟管進入過濾罐，人體呼出的CO2被過濾罐內裝的CO2吸收劑吸收，余下的氧氣進入氣囊與減壓閥輸出的氧氣混合，如此反復完成人的呼吸循環(huán)。在核心技術、制作工藝和方便性上進行一些列的創(chuàng)新和改進，更好地滿足日益高要求的救援需求。

圖1 原理圖

氧氣鋼瓶作為核心部件，直接影響到自救器的使用效果，采用市場上比較先進的高壓無縫焊接鋼瓶，承壓強度大，可在相同容積下，填充更大壓力的氣體，再配備精密減壓閥，減壓效果更好，密封性更有保障。充滿氣體后，保證在規(guī)定維護時間內，氣體泄漏符合國家標準，延長了定期維護時間，減少了維護成本。

CO2過濾罐作為另一個關鍵部件，整體呈圓柱狀，不銹鋼材質，內附有相同材質豎管，通至罐底部，豎管底部安裝粉塵過濾塞并貼有過濾粉塵的單向膜，防止罐內填充的CO2吸附劑反向進入豎管，沿著豎管進入人體，給人體造成不必要的傷害，罐內填充滿吸附劑后，用后蓋蓋緊，進行密封。此設計存在如在兩點優(yōu)點：①設計制造簡便，能滿足正常使用需求，可更快的更換CO2吸附劑；②進行防滲漏和密封處理，保證使用者安全，大大增加了使用的可靠性和穩(wěn)定性。

氣囊為橡膠制品，采用阻燃抗靜電材料制成，容積4L，符合國家標準要求，內裝有呼吸管，管內由軟質金屬絲填充，阻止循環(huán)再生O2內粉塵顆粒進入口中，影響呼吸質量。氣囊外側安有超壓排氣閥(排氣壓力150～300Pa)，氣囊內氧氣壓力過大時，超壓排氣閥開啟，自動泄壓，保證壓力在正常的范圍內。氣囊與氧氣鋼瓶連接處有補氣壓板，完成手動和自動補養(yǎng)功能，用手指按補氣壓板，氧氣以平均值80L/min進入氣囊，手指離開補氣壓板，供氧停止；當氣囊為負壓時，補氣壓板向內收縮，壓迫補氣桿打開供氧機構，氧氣以平均值80L/min進入氣囊，當氣囊迅速鼓起，補氣壓板離開補氣桿，補氣停止。

呼吸器棄用市場上廣泛使用的呼吸嘴和鼻夾組合，而采用更為先進，符合人體工程學的半面罩，不僅配帶方便、牢固結實，而且解決了此前呼吸器佩戴過程中不能說話的弊端，半面罩上加入兩個發(fā)音膜，配帶半面罩，井下工作人員可進行簡單交流，聽話距離達到1m以上。

外套也是改進的重點之一，沒有采用工程塑料外殼，塑料外殼較大、易碎，質量較重，增加了自救器質量負擔，而采用進口優(yōu)質聚酰胺鋁箔材料，具有阻燃性、耐高溫、抗腐蝕、防靜電等優(yōu)點，非常適合井下使用，布制外套更易攜帶，包上側縫制掛袋，下側縫有腰帶，使用時可把包掛至胸前，牢靠固定，逃生時解放雙手，為逃生提供更大的方便。

在研制的基礎上，進行了大量的試驗，試驗參數(shù)見表2。

表2 性能參數(shù)表

3 自救器的技術特點

ZYX120隔絕式壓縮氧氣自救器(圖2)的研制采用了O2循環(huán)利用技術；有害氣體濾除技術；呼吸器半面罩技術；自動補氧、手動供氧、定量供氧技術；外套阻燃抗靜電技術。

3.1 O2循環(huán)利用技術

壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)的自救器，O2由高壓氧氣瓶供應，循環(huán)原理見圖3。

圖2 結構圖

圖3 循環(huán)原理圖

消耗氧氣量計算如下所述。

1)氧氣瓶容積V(L)，使用時的充氣壓力為P(MPa)，則氣瓶的儲存氧氣量應為P×V(L)。

2)使用中消耗氧氣量為1.15L/min(標準規(guī)定值)；與額定防護時間的乘積為總的理論消耗氧氣量。

3)比較總的理論消耗氧氣量與氣瓶中氧氣儲存量即可得出合理結果：要求氣瓶中氧氣儲存量必須大于總的理論消耗氧氣量。

4)實際設計情況：氧氣瓶有效容積1.2(L)，充氣壓力平均值25MPa，則氣瓶的儲氧量為300(L)；使用中每分鐘耗氧量1.15L，設計額定使用時間120min，則總的消耗氧氣量為1.15×120=138(L)；300(L)>138(L)，且有300-138=162(L)，即存有162L的氧氣余量，用于自動或手動補給氣體使用，富余系數(shù)為162/138=117%。所以供氧系統(tǒng)設計合理，安全可靠。

3.2 有害氣體濾除、氮氣循環(huán)呼吸的技術

人體呼出的CO2氣體采用鈉石灰吸附劑過濾，通過氮氣循環(huán)的模式完成高濃氧氣與N2混合，供使用人員呼吸。濾除二氧化碳能力計算如下所示。

1)使用中人體每分鐘呼出CO2量為0.9(L)(標準規(guī)定值)，設計額定使用時間120min，則CO2總的排出量為0.9(L)×120(min)=108L，CO2密度1.977g/L，總質量m=1.977×108=213.52g。

2)根據(jù)化學方程式：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

74 44

W 213.52

計算出：W =(74×213.52)÷44=181.64 (g)。

理論上需要裝填CO2吸收率為100%的氫氧化鈣359.10 (g)，才能保證吸收掉120 min內人體排出的CO2。MT452-2008標準要求鈉石灰的吸收率應達到35%，以此計算，需要裝量鈉石灰為359.10÷35% = 1026(g)。

3)實際設計裝量為1500(g)，保險系數(shù)為1500/1026=146%，完全能夠滿足需要。

3.3 呼吸器半面罩技術

自救器采用半面罩技術，設計符合生理結構，低鼻梁，低輪廓設計，采用高級橡膠材質，質輕舒適，不刺激皮膚，面具內襯表面經特殊處理，與臉部更粘合，不易滑動，帶有語音傳遞同時防止全面罩因呼吸的濕氣凝結導致的視線受阻的問題。

3.4 定量供氧、自動補氧技術

采用了手、自動補氣閥門，由于使用人員正?；顒訒r呼吸量基本恒定，恒量供給閥可以自動維持1.2L/min 的氧氣供給量，而當使用人員呼吸量增加時，常態(tài)供氧量已不能滿足供氧需求，氣囊萎縮會自動觸及自動補氣閥，即時釋放流量平均值80L/min的氧氣，提供人員呼吸，該操作簡單，不需要學習演練，安全可靠，試驗數(shù)據(jù)見表3。

3.5 外殼阻燃抗靜電技術

自救器外殼采用進口優(yōu)質聚酰胺鋁箔材料，具有耐高溫、抗腐蝕、防靜電、開啟方便等優(yōu)點，非常適合井下使用，阻燃試驗參數(shù)見表4。

表3 試驗參數(shù)表

表4 阻燃試驗參數(shù)表

從外套在空氣中阻燃實驗結果可以明顯看出，采用阻燃聚酰胺鋁箔布，不僅在材料的燃燒速率上，也在材料點燃的難易程度和擴展長度上可以改善自救器的使用安全性和可靠性。

4 結論

研制的120min自救器在原有技術特點基礎上，采用了新的技術理論，突破了傳統(tǒng)的設計理念，全面優(yōu)化了各項指標，配備了更符合人體工學的呼吸半面罩，使用了新型的防火材料，提高了自救器的整體性能指標。新型的120min自救器使用簡便，經簡單培訓后，井下人員都能在較短時間內完成防護動作，使用過程中配帶牢固，能進行長時間的自救逃生，大大提高了自救器的“自救”成功率，為我國煤礦井下緊急避險系統(tǒng)提供可靠的保證。

[1] 李衛(wèi)成.自救器在礦井應急救援中的作用與應用現(xiàn)狀[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008(S1)：95-96.

[2] 于翔，陳紹楠.我國煤礦用自救器生產現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[C].中國職業(yè)安全健康協(xié)會2011年學術年會論文集，2011.

[3] 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(6)：84-86.

[4] 國家安全生產監(jiān)督管理總局.AQ1054-2008隔絕式壓縮氧自救器[M].北京： 煤炭工業(yè)出版社，2008：1-16.

Development of 120 minutes self-rescuer in the coal mine

PENG Ran1,2，LI Lei1,2,LI Peng3

(1.China Coal Research Institute Co.，Ltd.， Beijing 100013，China;2.Beijing Mine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China;3.Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Yulin 719315，China)

The prevailing 45-minute compressed oxygen self-rescuer cannot meet the demand of coal mine escape and self-help in the market.Through the contrast of old and new，theoretical analysis，numerical calculation and simulation test method，a longer duration and better self-help function’s 120 minutes self-rescuer is developed.The new self-rescuer，which has new design concept，outstanding performance，a more ergonomic half mask and fire-proof material，could play a great role in the emergency coal mine rescue.This thesis mainly introduces the working principle，the technical characteristic of self-rescuer.

120-minute self-rescuer；isolation type；half mask；flame-retardant and anti-static

2014-08-22

“神東井工煤礦逃生通道與緊急避險技術研究”項目資助(編號：CSIE13023750)

彭然(1987-)，男，漢族，河北秦皇島人，研究實習員，從事煤礦應急救援產品研發(fā)工作，工作于煤炭科學技術研究院有限公司。E-mail：pengran@ccrise.cn。

TD79+3

A

1004-4051(2015)07-0152-05