煤矿专用自吸过滤式防尘口罩

覃小军 龙丽佳 胡阿敏 胡凯 梁华杰

【摘要】尘肺病防治一直受到政府的高度重视，国家煤炭工业十四五规划明确将尘肺病防治作为重点技术攻关对象。因为尘肺病具有迟期复发性和长期隐匿性的发病特点，高粉尘工作单位普遍存在对各类职业病污染危害防治认识不到位的情况。国内外矿尘防治经验表明个体防尘装备是减少人体吸入粉尘的最后一道防线。通过对现有自吸式过滤式防尘口罩进行改进，增加集微米级粉尘粒子的捕捉，涡轮供风降阻，滤芯再过滤技术，有效的提高了粉尘的吸附率，对尘肺病防治起到了积极的作用。

【关键词】煤矿;尘肺病;职业病预防;防尘口罩

引言：口罩是一种卫生用品，通常戴在口鼻上，过滤进入口鼻的空气，阻挡有害气体、气味、飞沫、病毒等物质，由纱布或纸制成。口罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用。当呼吸道传染病流行，在粉尘等污染环境中工作时，戴口罩有很好的效果。

一、我国尘肺病治理现状

有研究报道，20世纪90年代某现代化露天煤矿粉尘浓度测定样品超标率为89.4%，远远超过国家职业卫生标准。尘肺病煤矿防治治理经费企业投入也严重不足，从目前煤矿治理企业投入看，粉尘煤等危害污染防治治理费用成本是吨炭为煤0.24元/年每月，与安全燃煤生产治理费用吨炭为煤145/年每月成本相比，仅吨煤占23.2%，在治理粉尘煤等危害污染防治费用方面企业投入防治经费严重不足，这种突出问题确实让煤矿尘肺病在进行根源性的治理上很多保障措施都得不到位。另外，我国对工人的防尘教育培训率低，效果不理想。

目前缺乏有效治疗尘肺病的药物与方法。虽然在长期治疗过程中积累了一定的经验，形成了《尘肺病治疗中国专家共识（2018年版）》，但是对尘肺病的病情评估和治疗康复缺乏统一规范。近20年来，从国家层面缺乏专门立项研究尘肺病治疗的科技攻关项目。各研究机构因为没有直接经济效益，几乎没有配置从事专门研究的人员、设备和经费。

二、常见防尘设备

目前市面上常见的工业用口罩主要分以下几种类型：自吸过滤式、动力送风过滤式、隔绝压风式。生产和使用的自吸滤式防尘口罩根据其结构的不同可分为简单防尘口罩和复合防尘口罩。

（一）简易防尘口罩

简单防尘口罩是一种呼吸通过过滤材料的自吸过滤式防尘口罩。而双吸式防尘罩是一种带有防尘和呼吸功能的自吸式防尘罩，可将呼吸进行分离。简单防尘口罩又称一次性口罩，不配备呼吸阀等设备，空气通过同一通道。主要的优缺点也就是：在整个佩戴过程中，气流中携带着的灰尘杂物颗粒会逐渐沉积在口罩过滤材料层上，导致佩戴口罩的空气呼吸量和阻力随着佩戴时间的不断增大而逐渐增大。当一些煤矿工人在煤气粉尘排放浓度高的工作条件下连续工作时，随着工作时间的不断推移，常常就会感到肺部呼吸困难，过滤细胞对粉尘的过滤能力差，与面部的附着力差，容易造成泄漏。但是其结构简单、携带方便并且易清洗，所以现在大规模使用。复合式防尘口罩配有防尘盒、棉滤、吸风装置。复合防尘口罩的主要优点是：防尘性高，呼吸阻力小，与面部贴合性好;它的缺点是：质量较大，对视线有一定的阻碍，不容易清洗，成本较高。目前煤矿最常用的复合防尘口罩原理：吸气时，施加负压时，吸入阀功能会主动开启。粉尘气体会通过吸入进入尘箱，过滤后的空气会通过呼吸器等装置进入口罩主体进行正常呼吸。呼气时，废气的正压会吹开呼气阀的盖子，排出面罩内的废气，降低面罩的热感，尘盒内的薄橡胶板会阻止呼气空气在正压下流出。近年来，随着工人防护要求的提高，市场上出现了双联防尘口罩。它主要与双层防尘口罩和防护眼镜一起使用，或者防尘口罩的主体可以覆盖包括眼睛在内的整个面部，可以更好地保护作业人员。

（二）主动送风口罩

为了克服自吸过滤防尘设备每一次呼气和吸气阻力特别大的缺点，解决其防尘率与阻力之间的问题，这些年来开发了很多种类型的电动送风防护设备，比如过滤口罩和电动防尘口罩。过滤式橡胶送风口罩防尘手套口罩的主要工作作用原理主要是：首先借助小型橡胶通风机的呼吸动力，将含尘后的空气快速抽入并经过过滤料处理进行空气净化，然后把经过净化后的洁净含尘空气沿小型螺旋管道输送至小型橡胶送风口罩内，供手套佩带者快速呼吸之时使用。过滤式送风口罩的结构原理主要包括风流净化系统主要由送风防尘口罩主机、过滤罐、送气管、防尘口罩等构成。送风防尘口罩主机包括微型电动机、微型离心风机、按钮开关、风量调节旋钮等。該主机要求质轻防水，配合肩带和腰带使人体受力均匀，送风量在75L /min 以上，且在一定范围内可调，电池的工作时间最少应在6H以上。

（三）隔绝空气口罩

隔绝室内高高压风防尘空气保护呼吸器的防粉尘装置是一种新型用于制造个人防尘空气保护呼吸器的新型防尘空气保护装置。这种防尘装置包括带呼气阀的面罩或头罩、导气软管（最长可达100 m 以上）、小型送风机、肩腰固定带、流量调节器，其将进气端放置于无污染的环境中，如采煤工作面进风巷或掘进工作面压风风筒出口处，利用小型送风机通过送风长管将清洁空气送至呼吸口罩内供佩戴者呼吸用，具有防尘和防毒的双重功能，动力来源为小型蓄电池，该蓄电池具有低电压报警和电量显示功能。

基于以上三种工业防尘设备的研究，结合尘肺病防治及装备的性价比，自吸过滤式防尘口罩成为煤矿预防尘肺病的首选。而通过对2020年中国口罩行业产值数据分析，可以看出工业口罩占比16%，年销量约16亿只，而其销量的主力军却是以3M为首的外国梯队。以淘宝某月的口罩销量数据显示，单月销量居然高达10万只，逐见工业防尘口罩未来的市场潜力及发展空间。而市场上的防尘口罩种类繁多，防尘效果参差不齐，其主要存在着呼吸阻力大，滤尘效果差、滤芯迭代快、负重感强、价格昂贵等问题。所以就必须一定要充分整合国内行业优势技术资源和国外专家技术团队，开展专业科技攻关，研发出能满足煤矿用人单位实际需求的煤矿工程除尘防护先进装备技术和配套装备，开展煤矿尘毒污染危害等煤矿工程除尘防护的专业学术交流和专业技术培训，为广大煤矿工作单位人员提供煤矿工程粉尘治理防护方面的专业技术咨询服务，提升煤矿粉尘尘毒危害煤矿工程除尘防护的治理能力和技术水平，设计针对国内煤矿单位专用的自动呼吸式和过滤式工程防尘防护口罩。基于此，我们专门研发设计出一种专门针对大型煤矿清除粉尘的一种专用自动呼吸空气过滤式煤矿防尘透气口罩。

三、设计流程

为寻找阻尘效率高、吸气阻力低的防尘口罩滤料，我们选择了十余种滤材，以阻尘率和吸气阻力为指标，进行了筛选试验。煤矿井下采煤、煤巷综掘工作面等作业点的粉尘经实施综合防尘措施后，粉尘浓度低于100 mg/m，建议选用KN95的复式防尘口罩，呼吸阻力增加时应该更换滤棉;粉尘浓度高于100 mg /m或岩巷综工作面，建议选用 KN100的复式防尘口罩，且滤棉应定期更换，口罩主体和滤尘盒其他部件应定期清洗。锚喷工人应根据粉尘浓度选用全面防尘罩或带护目镜的防尘口罩。对于采煤机、掘进机司机，建议选用隔绝压风式的防尘装备。目前最常用的为复式防尘口罩3M3200型，经现场大范围试验，该口罩具有阻尘效果好、体积小、质量轻、佩戴方便等优点，我们对此款工业级防护口罩与我们设计的煤矿专用自吸过滤式防尘口罩进行对比，再加上市面上常见的工业级自吸过滤式防尘口罩进行对比。

试验方法与结果如下：

滤料的阻尘率，是以自己组装的滤料阻尘李测定装置，采用滤膜计重法进行测定的。测定装置是由发尘箱、采样器滤头、启齿压力计、转子流量计和抽气机等组成。发尘箱是自制的方形木箱。箱的前壁中央启齿并安装一个缓冲盒。缓冲盒的前壁设两个平行采样孔，用纵嵌入采样器滤头。采样器滤头系利用武安一班型粉尘采样器的滤头。滤头与开口压力计、转子流量计和抽气机等串连。组装后漏气实验，在压力大于200mm的条件下各部位均不漏气。试验用尘源为医用滑石粉，用测微计数法测定粉尘分散度为小于5mm。试验时，在发尘箱中央放一个发尘杯，为保持必需的粉尘浓度，每隔5分钟向发尘杯内加入滑石粉，并用吹风机扬尘。而后，将装有测尘滤膜的采样器滤头嵌入采样孔，按国家标准规定的测试方法，以30L/min的流量抽气15分钟，取下载尘滤膜、称重，并按标准公式计算滤料阻尘率。

滤料的吸气阻力，是利用自己组装的试验装置侧定的。试验装置是以自制的纸壳滤筒和采样器滤头、开口压力计、转子流量计、抽气机等组成。纸壳滤筒的内径为5cm，通气面积19.6cm2。组装时，先将纸壳滤筒套在采样器滤头上，使滤筒和滤头锋触面在压力大于200mm的条件下不漏气。而后，再将装有滤筒的采样器滤头与开口压力计、转子流量计和抽气机等连接，组成实验拭置。测定时，根据国家标准规定的方法和條件，以30L/min的流量抽气，测量抽气所形成的负压值与管线的负压值之差，即吸气阻力。不同滤料吸气阻力的测定结果表明：螺纹锦纶弹力布和聚酯泡沫吸气阻力最低。

为提高阻尘率，我们将聚醋泡沫塑料和罗纹锦纶等组合，做成组合滤料，并对其阻尘率和吸气阻力进行了测定，结果表明组合滤料的阻尘率可提高到99%以上，吸气阻力仍在1.5mm以下。

根据基础实验结果，再结合一定新兴科技的运用，本次设计煤矿专用自吸过滤式防尘口罩采用的是集微米级粉尘粒子的捕捉，涡轮供风降阻，滤芯再过滤技术一体化设计而成的，可以弥补现有工业级口罩防尘的不足，通过运用静电除尘原理制成的带电性活性碳纤维刷圆孔板，在微电流的作用下，碳纤维毛刷将带上电荷而产生较强的吸附矩阵，能够主动捕捉0.3um～5um之间的粉尘粒子，该部件过滤过后的空气将被涡轮风机增压送入碳纤维滤芯元件，进行二次过滤，让使用者呼吸到更干净的空气。

四、测试流程

我们对于此款针对煤矿专用自吸过滤式防尘口罩进行了对比测试，对比测试流程及结果如下：

我们通过购买并实验测试了国内模具市场上和销量较大的4个知名品牌的10种工业级自动手吸防尘过滤口罩防尘防护口罩的自吸过滤空气效率和防尘吸阻，测试了国内代表性各种头部防护模具的适用性。同时，我们要求他们的主观感受来综合评估他们的保护性能。所有通过测试的专用防尘罩和口罩都已经取得了德国生产商的合格证和产品la，防护等级为KN95。

在排气流量为85 L /min时，口罩材料的过滤效率>95%，均达到了N95口罩的过滤能力。口罩的流量吸阻数值测试分析结果显示，在85l/min立式抽取泵的流量下，吸阻数值低于70pa，符合国标（gb2626-2006）吸阻小于350pa的流量要求。测试材料面罩的使用材料必须符合相关国家标准的相关要求。

当根据脸型选择的受试者实际戴上这些口罩时，他们的结果并不好。本研究组设计的煤矿专用自吸过滤式防尘口罩获得一致性好评。

进一步数据分析表明，自动手吸防尘过滤式口罩防尘过吸口罩与杯形口罩的面部形状和其对受试者的吸烟头口罩面部开孔大小都具有密切的交互相关性，尤其特别是口罩面部开孔长度和口罩面部开口宽度分别对杯形自吸防尘过滤口罩的实际适用性都具有很大量的影响。需要特别注意的一点是，要有效提高这种防尘喷雾口罩的实际适用性，就要用我们自己的个人脸型柱。根据一些科学研究，西方人自行设计的这种口罩不能完全满足现代韩国人的使用需求，口罩的在设计上还应该根据现代韩国人的不同脸型特征进行不断改进。此外，在防尘口罩的脸型得到改善后，口罩的适用性大大提高。

五、结语

综上所述，我国目前市场上的防护口罩设计方案主要根据阻尘率来设计，以提高佩戴防护罩的效果。

（一）口罩效果主要在于佩戴脸型是否符合口罩设计模型，所以我们研究团队设计的煤矿用自吸过滤防尘口罩是专门针对中国脸型设计的，可以保证口罩的效果不打折扣。

（二）阻尘率作为衡量口罩防尘效果的关键指标，我们通过涡轮供风降阻，滤芯再过滤技术对阻尘率进行提升。

（三）口罩的佩戴舒适性是重要的指标，我们通过选用罗纹无纺布来降低呼吸时的阻力，提升佩戴舒适性。

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本文为六盘水师范学院大学生学科竞赛重点培育训练项目《智能化送风防尘口罩》的部分研究成果。

作者简介：覃小军（1997年10月6日），性别：男，民族：汉族，籍贯：贵州省铜仁市，学历：本科，主要研究方向：采矿工程。

通讯作者：梁华杰，1988年7月生，硕士，教授，毕业于中国矿业大学矿业工程专业，研究方向：矿山压力与控制，六盘水师范学院采矿工程系教师。