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第七篇 矿山救护装备 第一章 呼吸保护装备 第一节 概述 一、 自救器的技术发展及现状 自救器是矿井发生灾害时，为防止有毒、有害气体对人体侵害，供矿工佩戴逃生用的呼吸保护器。根据工作原理不同，分为过滤式和隔离式自救器两种类型。过滤式自救器是利用过滤药罐中的一氧化碳触媒（催化剂）将矿井大气中的一氧化碳转化成无毒的二氧化碳，防护一氧化碳对人身的侵害。隔离式自救器又可分为化学氧自救器和压缩氧自救器两种。由于呼吸用的氧气由自救器自身供给，使用范围不受限制。 （一）过滤式自救器 我国自1980年起研制成功并推广AZL40型过滤式自救器，1986年研制了AZL60型，20世纪90年代初研制出AZL90型过滤式自救器，形成了防护时间为40min、60min、90min系列产品。由于过滤式自救器体积小、重量轻、价格便宜，在我国煤矿有广阔市场，目前在煤矿使用的过滤式自救器数量已达200万台，约占煤矿已配备总量的70。由于对使用过滤式自救器的环境中的氧气、一氧化碳、二氧化碳浓度有严格要求，决定了其使用局限性。自20世纪80年代以来，许多国家相继立法（如美国、前苏联、南非及澳大利亚一部分地区），禁止在矿井中使用，逐渐用化学氧自救器取代。 过滤式自救器使用的药剂是一氧化碳氧化触媒和干燥剂（均为煤炭科学研究总院抚顺分院的研究成果），经过多年的研究、改进，性能不断提高，但仍存在强度低，粉尘大问题，高强度新型CO触媒有待进一步开发。 （二）化学氧自救器 我国于1967年研制成功AZG-40型化学氧自救器，其改进型产品为AZG-40A、AZG-40B,全国共生产该系列产品70余万台，因使用不规则粒状生氧剂，强度低，长期携带产生许多粉尘，自救器存在着火、爆炸、断氧等严重问题，于1987年原煤炭部下令停止生产销售。 20世纪90年代以来，化学氧自救器又有了新发展。首先由煤炭科学研究总院抚顺分院研制成功了片状超氧化钾生氧剂，提高了生氧剂的强度，解决了粉尘着火问题（这一技术达到了国际先进水平，已经向国外出口。）。片状生氧剂的研制成功促进了我国化学氧自救器的发展，1991年以来，煤科总院抚顺分院以及湖南、抚顺、西安等煤矿安全仪器厂采用片状生氧剂开发了多种规格的化学氧自救器产品，主要产品及技术性能参数，见表7-1-1-1 近十年，我国化学氧自救器的技术进步还表现在以下方面 1、采用氧烛启动器代替硫酸瓶启动。超氧化钾生氧剂初期放氧速度慢，为了弥补初期温度低,放氧量不足，自救器必须有初期快速生氧装置。早期的初期生氧装置采用硫酸瓶，硫酸瓶易碎，存在着潜在的安全隐患。此外，酸液在药罐内反应形成较大空洞，二氧化碳易于穿透，使防护性能下降。1993年由广东惠阳太极新技术公司开发的氧烛启动装置采用氯酸盐（NaCLO3）快速生氧，克服了硫酸瓶的缺点，已经在AZH系列、OSR系列自救器中采用。 2、煤科总院抚顺分院开发出快速生氧药层用于初期生氧，代替氧烛，使自救器更加小型化。 3、等效采用国际先进标准，提高国产自救器水平。我国曾多次将国产化学氧自救器送往国外检验，美国矿业局皮兹堡采矿研究所、德国埃森矿山救护中心对AZG-40自救器一致结论是中国的自救器呼吸阻力大，吸气温度高，使用时被迫减慢速度，不能达到自救目的。为了改变国产自救器面貌，抚顺分院于1998年等效采用欧共体标准，研制出OSR30C化学氧自救器和微机监控的仿人呼吸检验装置；湖南煤矿安全仪器厂也采用欧共体标准开发出AZH30B化学氧自救器。OSR30C在德国DREGER公司检验证明，我国的化学氧自救器的主要性能指标已经达到国际先进水平。 表7-1-1-1 型号 技术参数 AZH20 AZH20A AZH40 OSR40 OSR30C 防护时间min 30L/min 15 15 30 30 30 吸气成份 O2 ≥21 ≥21 ≥21 ≥21 ≥21 CO2 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 ≤3 启动器 生氧量 30s内 ≥2L 无氧烛 ≥2L ≥2L ≥2L 60s内 ≥4L ≥2L ≥4L ≥4L ≥4L 呼吸阻力 Pa 用前 ≤147 ≤147 ≤147 ≤147 ≤147 用后 ≤245 ≤245 ≤245 ≤245 ≤245 吸气温度 ℃ ≤60 ≤60 ≤50 ≤50 ≤50 气路结构 往复式 往复式 循环式 往复式 往复式 整机总量 Kg 携带 1.7 1.25 2.3 1.9 2.2 佩戴 1.0 0.75 1.4 1.3 1.4 外形尺寸mm 178x98x162 125x85x170 190 x167x95 162x165x95 188x172x98 二、 矿工自救系统 矿工自救系统是指在井下临时避灾地点放置供氧装置。当井下发生瓦斯爆炸、突出灾害时，矿工佩戴的小型化学氧自救器使用时间短，逃生距离有限，利用矿工自救系统，可以延长避灾待救时间或更换防护时间较长的自救器。20世纪90年代，煤科总院重庆分院和抚顺分院分别开发出压风自救装置和化学氧集体供氧装置。 压风自救装由矿井压风管道供风，我国煤炭行业标准规定，压风管道工期压力为0.3-0.7Mpa；在0.3Mpa压力时，每个装置的排气量应在100-150L/min。抚顺分院开发的HLG-1型化学氧集体供氧装置可以同时为6名矿工提拱3h的连续供氧，其工作原理结构见图7-1-1-1。我国现有的可移动的矿工自救装置见表7-1-1-2 图7-1-1-1 HLG-1化学氧集体供氧装置 表7-1-1-2 型号名称 使用人数和时间 重量 kg 外形尺寸 mm 供氧或供气方式 可储存自救器台数 HJG-1化学氧集体供氧装置 6180min 64 950 x350 x850 化学氧、口具、呼吸导管 15 钢瓶供氧式装置 6180min 95 800 x400 x 1600 开放式口具、鼻夹 6-9 ZY-1压风自救装置 3-5人 单头重量 0.5 开放式急救袋 三、 氧气呼吸器 从20世纪50年代至今，我国矿山救护队一直使用老式的负压氧气呼吸器作为个人防护仪器。在处理煤矿灾害事故中，虽然发挥了重要作用，但据不完全统计，由于呼吸器原因造成自身伤亡事故多达116起，死亡182人（因为在负压呼吸器的吸气过程中存在着外界毒气向呼吸系统渗漏的危险性，此外，口具、鼻夹脱落以及救护队员在灾区通过口具讲话，都可能造成人员伤亡。）。20世纪80年代末期，美国、德国、日本研制成功正压式氧气呼吸器，彻底避面了由于呼吸器气密问题而导致的人员伤亡事故。1995年我国引进了美国Biopak-240正压氧气呼吸器，1997年重庆煤矿安全仪器厂引进了德国DRAGER公司散件组装了BG4正压氧气呼吸器。但这些呼吸器价格昂贵，难以在全国矿山救护队推广使用。为了彻底改变我国救护队装备的落后面貌，根据国家经贸委下达的新产品开发任务，抚顺煤矿安全仪器总厂开发了HYZ4正压氧气呼吸器；1998年，煤科总院抚顺分院救护装备开发中心用AHY-6负压氧气呼吸器改造成正压氧气呼吸器，同时等效采用欧盟标准，研制开发出新型的PB4正压氧气呼吸器；又于日本川重防灾株式会社合作开发了KF-1型4h正压呼吸器。这些新产品为我国救护队装备更新换代奠定了基础。 第二节 系列化学氧自救器 1993年由煤炭科学研究总院抚顺分院研制成功OSR系列化学氧自救器。OSR20、OSR40、OSR60，防护时间分别为20min、40min、60min；1998年研制成功符合欧盟标准的OSR30C化学氧自救器。 一、 化学氧自救器结构及工作原理 化学氧自救器，一般是采用碱金属超氧化物，如超氧化钾（KO2）或超氧化钠（NaO2）作为生氧剂。由盛装生氧剂的药罐、储存气体的气囊、控制气流流向阀门、连接软管、口具及降温器具等组成。当人的口腔与口具连接后，人的呼吸系统与自救器构成闭路系统，与外界环境隔绝。当人呼出的水汽和二氧化碳经连接软管进入药罐与生氧剂作用时，生成氧气并吸收二氧化碳。OSR系列化学氧自救器使用超氧化钾生氧剂，其化学反应为 2KO2 H2O →2KOH1.5O2↑39.3kj 7-1-2-1 2KOHCO2 →K2CO3H2O140.9kj 7-1-2-2 2KO2CO2 →K2CO31.5O2↑ 7-1-2-3 超氧化钾的生氧量与人体呼出的二氧化碳量和水汽量有关。因此，自救器能根据逃生者的运动强度自动调节生氧量。 二、 OSR系列化学氧自救器的结构特点 （一）气路结构。根据化学氧自救器的气流路径，气路结构可分为循环式、往复式、和复合式。OSR20、OSR40、OSR60采用往复式结构，如图7-1-2-1a；OSR30C采用复合式结构，如图7-1-2-1b。 （a） b 图7-1-2-1 OSR系列化学氧自救器气路结构 在往复式结构中，因气流两次经过药罐，使已被吹到药剂下层的水汽回到上层，均匀分布在药罐中，减轻了结块，呼吸阻力上升缓和，放氧均匀，使氧的利用率增大。与循环式相比，在同样装药量的情况下，防护时间较长，对二氧化碳的吸收效果较好。但吸气通过药罐时被加热，故吸气温度较高。 在复合式气路结构中，呼气经软管、药层反应后进入气囊。吸气时，气囊中的气体一路经药层再次反应进入软管，另一路由气囊经吸气阀直接进入软管。两路气流的流量分配取决于药罐和吸气阀的阻力分配。在药剂反应初期，由于药罐阻力小，大部分气流流经药罐，接近往复式，但吸气温度低；在反应后期，由于药罐阻力增大，大部分吸气气流直接进入软管。这种结构的水气在药层内的分布和结块情况介于循环式和往复式之间，故呼、吸阻力和吸收二氧化碳效果都较好。 （二）药罐结构 药罐的结构和形状影响药层与气流的反应效果及携带。一种药罐是大截面扁圆柱形（如德国DRAGER公司的OXY-BOKS-K自救器）。这类药罐由于气流流过面积大，流经距离短，因此呼吸阻力小。但对于装入药罐内的药剂的硬度、孔隙率、和KO2含量要求严格。既要在保证药片硬度的前提下提高孔隙率，提高吸收二氧化碳效果，又要避免二氧化碳吸收过快，以至于在药罐内的药剂反应后产生塌缩现象，出现空洞，造成呼气直接穿过药罐，吸气中的二氧化碳反而急剧上升。 OSR系列化学氧自救器全部采用长方体型药罐。这种药罐使自救器宽度变窄，便于携带。由于面积小，药层高度较大，增加了气体与药剂的反应路径长度，不会因反应过程中药层塌缩，出现空洞，造成气体直接穿过，使吸气中的二氧化碳上升。但是，药剂与罐壁的非接触面积变大，呼气可从间隙中穿过，造成吸气中的二氧化碳上升。因此，OSR系列化学氧自救器设计和生产工艺中采取了以下措施1、选择适宜的片状KO2生氧剂的孔隙率和硬度，控制呼吸阻力上升；2、改变装药工艺，将药剂装实，并增加与罐壁接触面积。控制吸气中二氧化碳上升；3、 在OSR30C自救器中，设计了一个气流分配器（已申报国家专利），增大气体过流面积，减少药剂塌缩和气流经过药层路径，使呼吸阻力、吸气中二氧化碳含量和吸气温度降低。 三、OSR系列自救器性能与同类产品的比较 与国产AZH系列自救气相比，OSR系列自救气的主要技术性能参数有明显的提高，特别是OSR30C，由于等效采用欧盟标准，在气路、药罐结构方面的改进，以及片状生氧剂制作工艺的提高，使其主要性能参数达到国外同类产品先进水平。煤科总院抚顺分院在OSR30C研究过程中，还依据欧盟标准开发了一套微机控制仿人呼吸检验装置。使用该装置，试验考察了OSR系列自救器，并与国内外有关自救器进行了比较，试验结果见表7-1-2-1。 表7-1-2-1 型号 呼吸量L/min 气路方式 药罐结 构 防护时间min KO2生氧药剂 吸气温度 ℃ 呼吸阻力（pa） 吸气CO2 氧放出率 （） 片径 装药量g 呼气 吸气 AZH 35 循环 长方 31 Ф9 540 58.3 2000 -449 1.46 96.69 OSR40 35 往复 长方 34 Ф9 540 62.4 673 -419 0.38 98.04 OSR30C 35 复合 长方 36 Ф9 540 54.9 536 - 288 0.3 98.30 BOKS-K 德 35 往复 扁圆 34.1 Ф9 540 53.0 612 - 395 0.3 98.26 第三节 正压氧气呼吸器 我国矿山救护队长期使用负压式氧气呼吸器。20世纪90年代以来，国内一小部分救护队引进了德国DRAGER公司的BG4型和美国BIOMARINE公司的Biopak240型4h正压氧气呼吸器。近年来，我国自主开发以及与国外厂商合作开发的正压氧气呼吸器也已经推广使用。下面仅就PB4、KF1、HYZ4三种型号的正压式氧气呼吸器技术原理及产品特点进行介绍 一、PB4正压氧气呼吸器 PB4正压氧气呼吸器由三部分组成（1）低压呼吸循环再生部分；（2）正压自动调节部分；（3）高中压联合供氧部分。PB4呼吸器产品结构如图7-1-3-1所示 图7-1-3-1 PB4正压氧气呼吸器结构 系统工作时，由人的呼吸口1 → 呼气单向阀2 → 二氧化碳吸收罐3→ 呼吸袋19。此时呼气终了。吸气时，由呼吸袋19→ 冷却器21→ 吸气单向阀22→ 吸气口1。这就是低压循环再生系统。 正压自动调节部分，由呼吸袋19、支撑板6、调节弹簧7、承板8、排气阀5、摇杆供气阀18组成。当氧气瓶处于关闭状态时，供气源切断，此时弹簧7的压力作用将承板下压，呼吸袋被压瘪，减少了气袋积氮。当人佩戴或堵住接口1时，摇杆阀18被承板8下压力打开，自动打开氧气瓶开关向气袋内瞬间充氧，将弹簧7顶起，在呼吸袋内形成350Pa的压力，摇杆阀18自动关闭。该预压值即为克服吸气管路阻力的下限阈值。在打开氧气瓶开关12的同时，通过定量孔17以1.4L/min的流量向呼吸袋供氧，供氧量相当于人的呼吸量为30L/min的氧耗。当呼吸量小于30L/min时，呼吸袋承板8上移，压缩弹簧7，积累压力到700Pa时排气阀开始排气。如果呼吸量大于30L/min（即氧耗量大于1.4L/min）时，承板8会自动下降，下降到下限阈值（350Pa）时，摇杆阀18启动自动供氧，完成自动调节过程，从而保证呼吸系统压力始终大于大气压力。 PB4供氧系统仍采用联合供氧方式，即定量供氧、自动供氧和手动供氧。 在PB4产品开发设计中，解决了以下关键技术问题，确保产品安全可靠。 （一） 等效采用国际先进的欧盟EN145-96标准设计。其特点是考虑了极限呼吸量工作 条件（即在人的极强负荷劳动可达呼吸量50L/min，呼吸频率25N/min）时，呼吸系统必须保持正压值。而美国联邦规则F30C规定呼吸量40L/min,呼吸频率24N/min。经在仿人呼吸机上检验证明PB4产品能满足这一要求，其呼吸压力与呼吸量关系，如图 7-1-3-3a所示，7-1-3-3b为负压呼吸器压力图，很明显，由于吸气时为负压，呼吸量越大，外界毒气向系统渗漏危险性越大。 图7-1-3-2 氧气呼吸器的呼吸压力与呼吸量关系 （二）设计了可靠的自动供氧调节摇杆阀。这是保证在大呼吸量下，系统维持正压的关键器件，同时在中等呼吸量下系统能确保4h的防护时间。 （三）在联合供氧部分，将自动补给供氧和定量供氧，分两路单独工作。P30型负压式呼吸器是将定量供氧和自动供氧集中在一个组件上，其缺点是当定量孔堵塞时，自动阀没有动力来源造成两路供气源失效。PB4呼吸器克服了P30缺点，提高了安全可靠程度。 （四）设计了安全可靠的排气阀及合理地安装位置，排气阀的气密性及排气可靠性提高。 （五）结构设计充分考虑了使用后清洗消毒、换药拆卸及组装的方便性。 （六）开发了半罩式防护面具，这是国内同类产品所独有的。救护队员佩戴半面罩,视野开阔、舒适。 （七）开发了闪光压力报警装置，当氧气瓶压力降至3MPa时，闪光报警，救护队员可以利用剩余氧气撤离灾区，保证救护队员安全。 （八）开发了防雾药剂，在灾区连续佩带4h，全面罩玻璃上无水蒸气。 二、KF-1正压氧气呼吸器 KF-1正压氧气呼吸器系统结构见图7-1-3-3 图7-1-3-3 KF-1正压氧气呼吸器结构 KF-1呼吸器由煤科总院抚顺分院与日本川重防灾株式会社共同开发。产品借鉴川重防灾正压氧气呼吸器技术，保留了川重OXY-GEM11正压氧气呼吸器供氧充足、运行可靠、呼吸阻力小、重量轻、体积小等特点，结合中国矿山救护队的实际需要开发的4h呼吸器。为了保证产品技术性能指标，使呼吸器安全可靠运行，产品设计考虑了如下关键技术 （一）供氧方式的确定 产品的供氧系统仍采用联合供氧方式，既定量供氧、自动供氧和手动补给。减压器集成化程度较高、结构及工艺先进，定量供氧1.4 L/min以上。 （二）自动供氧需求阀的设计 自动供氧需求阀是正压氧气呼吸器的核心部件。当佩戴人呼吸量达到50 L/min时，呼吸系统应处于正压状态。此时，需求阀应自动开启，供氧充足。KF-1呼吸器的需求阀原理结构如图7-1-3-4所示。需求阀的开动弹簧对膜片的弹力根据气囊内的最小压力足以克服吸气管路的阻力来设定。当气囊内压力达到95Pa时即可向右移动，将阀门关闭。当气囊内压力一旦有小于95Pa的趋势时，即可将阀门打开，由中压向气囊内供氧，以维持气囊内压力始终不低于95Pa。 图7-1-3-4 自动供氧需求阀结构 （三）CO2吸收剂充填量的计算 CO2吸收剂采用氢氧化钙。按煤炭行业标准要求，氢氧化钙吸收率为30以上。中等功量时，CO2呼出量按1.2 L/min计算。四小时呼出总量为288L，重量为44/22.4288566g。所需的氢氧化钙为566/301887g，考虑使用时外界因素的影响，将氢氧化钙增加10的余量，确定氢氧化钙总量为2.1Kg。由于清净罐可装氢氧化钙2.1 Kg。清净罐通气两端装有金属过滤网和过滤垫，可以很好的将氢氧化钙粉末加以过滤，解决了充填氢氧化钙时需要筛选的问题。 为了确保产品的可靠性能，在产品设计中对正压弹簧、气囊容积等都进行了精确的计算。 三、HYZ4正压式氧气呼吸器 （一）适用范围主要用于矿山救护队员在从事救护工作时对其呼吸器官的保护，也可用于消防、石油、化工、冶金、交通等部门，受过专门培训人员在有毒有害气体环境中，从事预防或事故处理工作时使用。亦可用于短时间浅水的应急潜水。 （二）工作原理、结构 该呼吸器是仓储式正压式氧气呼吸器。当气瓶开关打开时，氧气连续流到呼吸仓内。当使用者吸气时，气体由呼吸仓流到冷却罐内，在经吸气软管、吸气阀进入面罩的口鼻罩被吸入；当使用者呼气时，呼出的气体经呼气阀、呼气软管进入清净罐，在罐内将二氧化碳吸收后，进人呼吸仓，便完成了整个呼吸循环。呼出气体进人呼吸仓后与来自氧气瓶的纯净氧气混合成丰富的含氧气体，以接续再次吸气、呼气，依此反复循环下去。本呼吸器的呼吸系统是一种密闭回路，与外界大气完全隔绝。由于加载弹簧的作用，使系统内部始终保持略高于外界大气压力的正压状态，外界气体不会渗入。 四、主要技术参数 上述三种产品的主要技术性能参数见表7-1-3-1。 表7-1-3-1 产品型号 KF1 HYZ4 PB4 呼吸压力 正压 正压 防护时间 4h 4h 4h 标准呼吸量 30L/min、20次/min 30L/min 20n/min 极重呼吸量 50L/min、25次/min 50L/min 25n/min 呼吸正压范围 0700Pa 0－588Pa 0-700Pa 自动排气压力 460Pa 700-800Pa 定量供氧量 1.40.1 L/min 1.4－1.7L／min 1.40.1L/min 自动补给量 80 L/min ≥100L/min 160L/min 手动补给量 80 L/min ≥80L/min 80L/min 氧气瓶压力 20MPa 20MPa 20MPa 储氧量 400L 440L 596L CO2吸收剂重量 2.1Kg 2Kg 1.76 Kg 使用全重 12 Kg 14.5Kg 17.8 Kg 外形尺寸 550380160mm 530403170mm 630401178mm 五、应用情况 煤科总院抚顺分院于1998年研制成PB4正压氧气呼吸器，1999年,国家经贸委下达技术改造专项措施项目计划和经费，在平顶山矿务局矿山救护大队进行扩大性试验。试验内容包括 一 技术性能测试对PB4呼吸器进行了52台次测试，测试项目包括气密性、定量供氧流量、排气压力、自动补气压力等，52台次全部满足标准要求。 （二）地面佩戴试验。模拟救灾工作，安排相应的中等和强重体力活动，考察有效防护时间、大功量时的供氧及系统压力、防雾性能等指标。组织40名救护队员，连续进行4d的地面佩戴试验，普遍认为，供氧充足，呼吸阻力小，保明效果好，防护时间可达4h以上。 三演习巷道高温浓烟佩戴试验 该试验是考核呼吸器在高温浓烟环境下的综合性能指标。在巷道内点燃木材，关闭火源两侧风门，制造高温浓烟环境。巷道内底部温度达45℃，顶部温度高达70-80℃，能见度小于0.5m。试验人员在环境中2h，仪器性能稳定，面罩清晰。 四井下佩戴试验 考察井下高温高湿环境试验在平煤（集团公司四矿已16-17-23040综放工作面进行。采面上隅角温度达35℃，一氧化碳浓度达25ppm,行走3小时，呼吸气供氧充足，性能稳定。扩大试验结论为PB4型正压氧气呼吸器符合欧共体标准，中等劳动强度可连续佩戴4h。呼吸阻力小，供氧充足，可满足强重体力救护工作需要；保明效果好，在高温、高湿、浓烟环境中保明时间达4h以上；结构简单，便于操作和维护；性能价格比高，经济实用，符合国情，易于推广。现已向平顶山、鹤壁、焦作、辽源、通化、沈阳、七台河等19个局矿救护队提供500余台PB4正压氧气呼吸器，在抢险救灾中发挥作用。HYZ4呼吸器也在国内许多局矿救护队推广使用。KF-1呼吸器开发较晚，也在南票、沈阳及大雁矿务局救护大队使用。 9