煤矿井下120min自救器的研发分析

蒋　莹（湖南煤矿安全装备有限公司，湖南　长沙　410000）



煤矿井下120min自救器的研发分析

蒋莹（湖南煤矿安全装备有限公司，湖南长沙410000）

煤矿开采过程中的安全问题始终是相关部门关注的焦点，而自救器的使用为煤矿井下工作人员提供了重要的安全防护措施。本文即针对煤矿井下120min自救器的技术要求、研发制造过程进行了探讨，以供参考。

煤矿；自救器；研发

1　引言

在煤矿开采中，矿井下的环境通常复杂多变，容易发生火灾、瓦斯爆炸、煤尘等问题，威胁工作人员的生命安全。对此，自救器的开发为其提供了经济有效的紧急避险作用，但是现存自救器存在使用复杂、佩戴花费时间等问题，因此要求相关人员研发出更加安全可靠、轻便有效的新型自救器。

2　我国煤矿用自救器的生产现状

我国的煤矿用自救器生产技术，迄今已经有大约50年的历史，其生产技术、制造工艺方面，相较于一些发达国家，仍然存在较大的差距，行业的标准也没有对关键部件和隐患部件材料及工艺做出详尽的限制。

我国是以煤炭为主要能源的国家，在防护技术、监管力度、煤矿地质特点等多种因素的影响下，煤矿开采过程中安全事故频发，严重的情况下甚至造成了大量的人员伤亡。通过对矿难发生、伤亡人员等相关数据的分析可以发现，死于矿井开采的人数中，大约有90%以上是因为发生瓦斯爆炸，吸入了一氧化碳气体。

长期以来，矿井下所使用的大多是隔绝式的氧气自救器，但是这种自救器的使用程序繁琐，需要首先卸下防尘口罩，打开位于自救呼吸器上盖处的卡口，才能够取下上盖，开启阀门，从而将氧气接通，然后使用皮囊上的鼻夹夹住鼻子，再打开气囊塞子，用嘴咬住皮囊的呼吸嘴实现自救。整个过程的完成，即便是出于平静熟练的情况下，仍然至少需要花费 90s的时间，且在此过程中，井下作业人员还需要停留下来进行其他安全操作，占用许多宝贵的逃生时间。传统的化学氧气自救器还需要通过手持，其嘴咬的呼吸方式也会给逃生造成不便，一旦发生瓦斯爆炸，所产生的冲击波会导致作业人员摔倒，甚至昏迷，自救器就会脱离，就无法依靠自救器实现保护作用，最终就会被一氧化碳窒息而死。因此，对于井下自救呼吸器的研制至关重要。

3　煤矿用自救器的分类

当前煤矿开采工程中所使用的自救器，其原理是通过呼吸循环系统将人与环境完全隔离，从而达到隔绝外界环境影响的作用（见图1）。同时产品的研发向着更加安全、便携、小巧的方向发展。具体来说，可将自救器分成以下两种：

（1）隔绝式压缩氧自救器。这种自救器的供氧方式通常有三种模式，即定量供氧、手动补给供氧和自动补给供氧；如果按照呼吸方式的不同，则可以分成两种：循环式与往复式；而如果按照其有效防护时间来分类，则主要包括15型、30型、45型、60型等，其防护时间以此为15min、30min、45min、60min等。

（2）化学氧自救器。这种自救器的循环系统会连接人的呼吸系统，并形成一个封闭的循环过程，循环模式为：内部气体消耗→生成→再循环利用。该过程会对人体呼吸产生的浊气进行超氧化钾吸收，利用生氧剂，使其发生化学反应，从而释放氧气以供呼吸，而其中不被消耗的N2等，则可以再次进行混合，供人呼吸。

图1　自救器原理图

4　煤矿井下自救器的研制技术分析

4.1 120min压缩氧自救器研制

为更好地为煤矿井下工作人员提供安全保障，需要研制新型120min自救器，这种自救器的防护时间更长，配带也更加方便、快捷，体积也更小，更加安全可靠。

4.1.1参数要求

按照相关规定的技术参数，设计该自救器的有效防护使用时间为 120min，具备中等的劳动强度；设计题定量供氧量在1.2L/min以上；其自动补给供氧量高于60L/min；而手动补给的供氧量为60L/min以上。对于自救器的氧气瓶，设计其容积达到 1.2L；其额定压力为20MPa（200kg）；其中所存储的气量应当高于240L。

4.1.2基本原理

该自救器的研发运用的是隔绝式压缩氧自救原理，采用的是双回路循环呼吸模式，其呼吸通道为单向的，可以与人的呼吸系统构成封闭式循环。其中的O2是由高压氧气瓶来供应的，对于CO2的吸收剂则采用Ca（OH）2，将人呼出的浊气进行净化，然后再次利用。在人吸气的过程中，O2会从气囊、呼吸阀以及面罩等各个存储设备中进入人体；而人的呼气过程，其气体会通过呼吸阀、软管被通入过滤罐中，并在过滤罐中得到必要的吸附吸收处理，处理过后所余下的O2则会重新进入气囊等，和输出氧气混合，以供人的循环呼吸与利用。

4.1.3各个部件的制造

（1）氧气钢瓶

在自救器中，氧气钢瓶是核心部件，用于主要的氧气提供，因此其质量将直接关系到自救器本身的使用效果。在该自救器的研制中，决定采用的是市场上较为先进的高压无缝焊接钢瓶，这种钢瓶的优点在于其承压强度较大，处于相同的容积条件下，可以填充入具有更大压力的气体。同时，还要为该钢瓶配备非常精密的减压阀，保证其钢瓶的密封性。在钢瓶中充满气体后，还需要进行检测，以确保在规定的维护时间范围内，气体的泄漏量能够符合国家对自救器钢瓶泄露的相关规定与标准，从而延长定期维护时间，减少成本。

（2）CO2过滤罐

CO2过滤罐通常整体设计为圆柱体，采用的材质为不锈钢。过滤罐的内部附有不锈钢竖管，通至罐的底部。在竖管的底部，需要安装粉尘过滤塞，并在上面贴有用于粉尘过滤的单向膜，用以防止罐内所填充的CO2吸附剂发生反向渗入，甚至沿管道进入人体，伤害人体健康。在罐内填充吸附剂之后，应当用后盖盖紧密封。

（3）气囊

自救器的气囊材料通常选择橡胶，该材料的优势在于具有阻燃、抗静电的性能。气囊的容积设计为国家标准4L，气囊的内部安装有呼吸管，管内则使用软质的金属丝进行填充，用以阻止循环系统中的粉尘颗粒等进入人的呼吸系统，降低呼吸质量。在气囊的外侧，安装有超压排气阀，设计其排气的压力为150～300Pa，如果气囊内部出现氧气压力过大的情况，即可开启超压排气阀，通过自动泄压功能，以保证气囊内的压力恢复正常。在气囊和氧气钢瓶之间的连接处，设置有补气压板，用以完成手动或自动的补氧功能，可通过手指的按补操作，让氧气以80L/min的平均值进入气囊；如果气囊呈现负压，则补气压板会向内收缩，从而压迫其中的补气杆打开供氧。

（4）面罩

该自救器的面罩采用了变面罩的设计，这种设计不仅佩戴方便、牢固，还有效避免了全面罩会笼气的问题。同时，还在面罩上加入了发音膜设计，用于工作人员之间的交流，其听话的距离可达到1m的范围。

（5）外套

外套采用的是进口的优质聚酰胺铝箔材料，该材料阻燃性、耐高温、抗腐蚀、防静电。背包则采用布制材料，在上侧缝制挂袋，下侧缝有腰带，逃生时可以将其放在胸前，解放双手，从而逃生提供便利。

4.2化学氧自救器的研制

4.2.1外罐研制

外罐部分由上罐、中罐、下罐三部分组成，三部分用封口带连接在一起。为了保证气密，在两罐的接口处设有密封圈。上、中、下外罐的材质均为不锈钢，在中间外罐的外面还包着一层耐高温塑料，一方面减少外界可能对药罐产生的冲击；另一方面可达到隔热的目的。

①上外罐的每部安装呼吸软管、口具塞、鼻夹、脖带以及干燥袋；而在下外罐的内部安装气囊、压缩氧气瓶启动带、腰带与防护镜；②中外罐是生氧要罐，一般有上下两层，上层通常装有585g的KO2和120g的LiOH混合而成的不规则颗粒物；下层则装有50g的LiOH吸收剂颗粒。

4.2.2初期生氧装置

该自救器初期的生氧装置，使用的是一种小压缩氧气钢瓶，放置于生氧剂药罐的内部，同时在钢瓶下端设置启动带，以便在拉下压缩氧气启动带时，小钢瓶就能够向气囊中提供约6～8L的氧气，以供佩戴者进行呼吸。通常设计小钢瓶的直径是31.8mm，长是92.1mm，额定压力达到15.5×106Pa。小钢瓶阀的一端应当设置安全面，以防止在钢瓶内的压力达到额定压力的约125%（即19.4×106Pa）时发生破裂，或者由于受热增压而发生爆炸危险。

4.2.3呼吸气路

该呼吸气路采用的是往复式呼吸气路，呼吸气体能够两次通过生氧药罐。其主要优势在于吸气中的CO2能够被被药层吸收两次，而缺陷在于呼吸的气体在第二次通过药层时会被加热，从而导致吸气温度升高。该呼吸器采用超前排气阀，但是在使用的过程中，容易出现过排气阀杆被卡住的问题，导致排气阀适中处于开启的状态中，而佩戴者呼出的气体则直接从排气阀排出，进而会造成中断生氧。所以，在采用超前排气方式时，对排气阀结构的设计尤为重要，应确保其安全可靠。

4.2.4气囊

气囊和隔热垫是化学氧自救器内主要可燃物，为了降低化学氧自救器着火的可能性，可采取以下措施：

（1）制作气囊、隔热垫、头带、腰带及脖带时，建议选用阻燃材料。

（2）在生产饿过程中，应当严格禁止超氧化钾生氧剂中可燃物的混入。

（3）因为超氧化钾生氧剂具有很强的吸湿能力，并且吸湿后强度迅速降低，在自救器的携带过程中会产生大量的粉尘，所以应严格控制装药室湿度，保证超氧化钾生氧剂不受潮。

（4）选择强度大，二氧化碳吸收能力好，反应过程中不易熔化的超氧化钾生氧剂。

（5）禁止矿工在非应急的情况下打开自救器，防止可燃物或水分进入化学氧自救器。

5　结语

120min自救器的研制以原有的技术为基础，融入新技术，新型120min自救器的使用更加简便，更加适合井下人员的使用条件，能够迅速完成防护动作，且配带牢固，自救时效长，大大提高了“自救”的成功率，为我国煤矿井下的紧急避险系统提供了保证。

［1］毛 欣，聂雅玲，许开立.救生舱用自救器选型研究［J］.煤矿安全，2012，43（6）：84～86.

［2］聂雅玲，毛 欣，杨 进，等.符合国际标准自救器的研制［J］.建井技术，2011，32（2）：51～54.

［3］何廷梅.隔绝式压缩氧长时自救器的设计及试验研究［J］.煤炭科学技术，2015，43（8）：36～37.

蒋 莹（1972-），男，工程师，本科，主要从事机械制造方面的工作。

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