煤礦專用自吸過濾式防塵口罩

覃小軍 龍麗佳 胡阿敏 胡凱 梁華杰

【摘要】塵肺病防治一直受到政府的高度重視，國家煤炭工業(yè)十四五規(guī)劃明確將塵肺病防治作為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)對象。因為塵肺病具有遲期復(fù)發(fā)性和長期隱匿性的發(fā)病特點(diǎn)，高粉塵工作單位普遍存在對各類職業(yè)病污染危害防治認(rèn)識不到位的情況。國內(nèi)外礦塵防治經(jīng)驗表明個體防塵裝備是減少人體吸入粉塵的最后一道防線。通過對現(xiàn)有自吸式過濾式防塵口罩進(jìn)行改進(jìn)，增加集微米級粉塵粒子的捕捉，渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過濾技術(shù)，有效的提高了粉塵的吸附率，對塵肺病防治起到了積極的作用。

【關(guān)鍵詞】煤礦;塵肺病;職業(yè)病預(yù)防;防塵口罩

引言：口罩是一種衛(wèi)生用品，通常戴在口鼻上，過濾進(jìn)入口鼻的空氣，阻擋有害氣體、氣味、飛沫、病毒等物質(zhì)，由紗布或紙制成。口罩對進(jìn)入肺部的空氣有一定的過濾作用。當(dāng)呼吸道傳染病流行，在粉塵等污染環(huán)境中工作時，戴口罩有很好的效果。

一、我國塵肺病治理現(xiàn)狀

有研究報道，20世紀(jì)90年代某現(xiàn)代化露天煤礦粉塵濃度測定樣品超標(biāo)率為89.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。塵肺病煤礦防治治理經(jīng)費(fèi)企業(yè)投入也嚴(yán)重不足，從目前煤礦治理企業(yè)投入看，粉塵煤等危害污染防治治理費(fèi)用成本是噸炭為煤0.24元/年每月，與安全燃煤生產(chǎn)治理費(fèi)用噸炭為煤145/年每月成本相比，僅噸煤占23.2%，在治理粉塵煤等危害污染防治費(fèi)用方面企業(yè)投入防治經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，這種突出問題確實(shí)讓煤礦塵肺病在進(jìn)行根源性的治理上很多保障措施都得不到位。另外，我國對工人的防塵教育培訓(xùn)率低，效果不理想。

目前缺乏有效治療塵肺病的藥物與方法。雖然在長期治療過程中積累了一定的經(jīng)驗，形成了《塵肺病治療中國專家共識（2018年版）》，但是對塵肺病的病情評估和治療康復(fù)缺乏統(tǒng)一規(guī)范。近20年來，從國家層面缺乏專門立項研究塵肺病治療的科技攻關(guān)項目。各研究機(jī)構(gòu)因為沒有直接經(jīng)濟(jì)效益，幾乎沒有配置從事專門研究的人員、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)。

二、常見防塵設(shè)備

目前市面上常見的工業(yè)用口罩主要分以下幾種類型：自吸過濾式、動力送風(fēng)過濾式、隔絕壓風(fēng)式。生產(chǎn)和使用的自吸濾式防塵口罩根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為簡單防塵口罩和復(fù)合防塵口罩。

（一）簡易防塵口罩

簡單防塵口罩是一種呼吸通過過濾材料的自吸過濾式防塵口罩。而雙吸式防塵罩是一種帶有防塵和呼吸功能的自吸式防塵罩，可將呼吸進(jìn)行分離。簡單防塵口罩又稱一次性口罩，不配備呼吸閥等設(shè)備，空氣通過同一通道。主要的優(yōu)缺點(diǎn)也就是：在整個佩戴過程中，氣流中攜帶著的灰塵雜物顆粒會逐漸沉積在口罩過濾材料層上，導(dǎo)致佩戴口罩的空氣呼吸量和阻力隨著佩戴時間的不斷增大而逐漸增大。當(dāng)一些煤礦工人在煤氣粉塵排放濃度高的工作條件下連續(xù)工作時，隨著工作時間的不斷推移，常常就會感到肺部呼吸困難，過濾細(xì)胞對粉塵的過濾能力差，與面部的附著力差，容易造成泄漏。但是其結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便并且易清洗，所以現(xiàn)在大規(guī)模使用。復(fù)合式防塵口罩配有防塵盒、棉濾、吸風(fēng)裝置。復(fù)合防塵口罩的主要優(yōu)點(diǎn)是：防塵性高，呼吸阻力小，與面部貼合性好;它的缺點(diǎn)是：質(zhì)量較大，對視線有一定的阻礙，不容易清洗，成本較高。目前煤礦最常用的復(fù)合防塵口罩原理：吸氣時，施加負(fù)壓時，吸入閥功能會主動開啟。粉塵氣體會通過吸入進(jìn)入塵箱，過濾后的空氣會通過呼吸器等裝置進(jìn)入口罩主體進(jìn)行正常呼吸。呼氣時，廢氣的正壓會吹開呼氣閥的蓋子，排出面罩內(nèi)的廢氣，降低面罩的熱感，塵盒內(nèi)的薄橡膠板會阻止呼氣空氣在正壓下流出。近年來，隨著工人防護(hù)要求的提高，市場上出現(xiàn)了雙聯(lián)防塵口罩。它主要與雙層防塵口罩和防護(hù)眼鏡一起使用，或者防塵口罩的主體可以覆蓋包括眼睛在內(nèi)的整個面部，可以更好地保護(hù)作業(yè)人員。

（二）主動送風(fēng)口罩

為了克服自吸過濾防塵設(shè)備每一次呼氣和吸氣阻力特別大的缺點(diǎn)，解決其防塵率與阻力之間的問題，這些年來開發(fā)了很多種類型的電動送風(fēng)防護(hù)設(shè)備，比如過濾口罩和電動防塵口罩。過濾式橡膠送風(fēng)口罩防塵手套口罩的主要工作作用原理主要是：首先借助小型橡膠通風(fēng)機(jī)的呼吸動力，將含塵后的空氣快速抽入并經(jīng)過過濾料處理進(jìn)行空氣凈化，然后把經(jīng)過凈化后的潔凈含塵空氣沿小型螺旋管道輸送至小型橡膠送風(fēng)口罩內(nèi)，供手套佩帶者快速呼吸之時使用。過濾式送風(fēng)口罩的結(jié)構(gòu)原理主要包括風(fēng)流凈化系統(tǒng)主要由送風(fēng)防塵口罩主機(jī)、過濾罐、送氣管、防塵口罩等構(gòu)成。送風(fēng)防塵口罩主機(jī)包括微型電動機(jī)、微型離心風(fēng)機(jī)、按鈕開關(guān)、風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕等。該主機(jī)要求質(zhì)輕防水，配合肩帶和腰帶使人體受力均勻，送風(fēng)量在75L /min 以上，且在一定范圍內(nèi)可調(diào)，電池的工作時間最少應(yīng)在6H以上。

（三）隔絕空氣口罩

隔絕室內(nèi)高高壓風(fēng)防塵空氣保護(hù)呼吸器的防粉塵裝置是一種新型用于制造個人防塵空氣保護(hù)呼吸器的新型防塵空氣保護(hù)裝置。這種防塵裝置包括帶呼氣閥的面罩或頭罩、導(dǎo)氣軟管（最長可達(dá)100 m 以上）、小型送風(fēng)機(jī)、肩腰固定帶、流量調(diào)節(jié)器，其將進(jìn)氣端放置于無污染的環(huán)境中，如采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷或掘進(jìn)工作面壓風(fēng)風(fēng)筒出口處，利用小型送風(fēng)機(jī)通過送風(fēng)長管將清潔空氣送至呼吸口罩內(nèi)供佩戴者呼吸用，具有防塵和防毒的雙重功能，動力來源為小型蓄電池，該蓄電池具有低電壓報警和電量顯示功能。

基于以上三種工業(yè)防塵設(shè)備的研究，結(jié)合塵肺病防治及裝備的性價比，自吸過濾式防塵口罩成為煤礦預(yù)防塵肺病的首選。而通過對2020年中國口罩行業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)分析，可以看出工業(yè)口罩占比16%，年銷量約16億只，而其銷量的主力軍卻是以3M為首的外國梯隊。以淘寶某月的口罩銷量數(shù)據(jù)顯示，單月銷量居然高達(dá)10萬只，逐見工業(yè)防塵口罩未來的市場潛力及發(fā)展空間。而市場上的防塵口罩種類繁多，防塵效果參差不齊，其主要存在著呼吸阻力大，濾塵效果差、濾芯迭代快、負(fù)重感強(qiáng)、價格昂貴等問題。所以就必須一定要充分整合國內(nèi)行業(yè)優(yōu)勢技術(shù)資源和國外專家技術(shù)團(tuán)隊，開展專業(yè)科技攻關(guān)，研發(fā)出能滿足煤礦用人單位實(shí)際需求的煤礦工程除塵防護(hù)先進(jìn)裝備技術(shù)和配套裝備，開展煤礦塵毒污染危害等煤礦工程除塵防護(hù)的專業(yè)學(xué)術(shù)交流和專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，為廣大煤礦工作單位人員提供煤礦工程粉塵治理防護(hù)方面的專業(yè)技術(shù)咨詢服務(wù)，提升煤礦粉塵塵毒危害煤礦工程除塵防護(hù)的治理能力和技術(shù)水平，設(shè)計針對國內(nèi)煤礦單位專用的自動呼吸式和過濾式工程防塵防護(hù)口罩?；诖耍覀儗ｉT研發(fā)設(shè)計出一種專門針對大型煤礦清除粉塵的一種專用自動呼吸空氣過濾式煤礦防塵透氣口罩。

三、設(shè)計流程

為尋找阻塵效率高、吸氣阻力低的防塵口罩濾料，我們選擇了十余種濾材，以阻塵率和吸氣阻力為指標(biāo)，進(jìn)行了篩選試驗。煤礦井下采煤、煤巷綜掘工作面等作業(yè)點(diǎn)的粉塵經(jīng)實(shí)施綜合防塵措施后，粉塵濃度低于100 mg/m，建議選用KN95的復(fù)式防塵口罩，呼吸阻力增加時應(yīng)該更換濾棉;粉塵濃度高于100 mg /m或巖巷綜工作面，建議選用 KN100的復(fù)式防塵口罩，且濾棉應(yīng)定期更換，口罩主體和濾塵盒其他部件應(yīng)定期清洗。錨噴工人應(yīng)根據(jù)粉塵濃度選用全面防塵罩或帶護(hù)目鏡的防塵口罩。對于采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)司機(jī)，建議選用隔絕壓風(fēng)式的防塵裝備。目前最常用的為復(fù)式防塵口罩3M3200型，經(jīng)現(xiàn)場大范圍試驗，該口罩具有阻塵效果好、體積小、質(zhì)量輕、佩戴方便等優(yōu)點(diǎn)，我們對此款工業(yè)級防護(hù)口罩與我們設(shè)計的煤礦專用自吸過濾式防塵口罩進(jìn)行對比，再加上市面上常見的工業(yè)級自吸過濾式防塵口罩進(jìn)行對比。

試驗方法與結(jié)果如下：

濾料的阻塵率，是以自己組裝的濾料阻塵李測定裝置，采用濾膜計重法進(jìn)行測定的。測定裝置是由發(fā)塵箱、采樣器濾頭、啟齒壓力計、轉(zhuǎn)子流量計和抽氣機(jī)等組成。發(fā)塵箱是自制的方形木箱。箱的前壁中央啟齒并安裝一個緩沖盒。緩沖盒的前壁設(shè)兩個平行采樣孔，用縱嵌入采樣器濾頭。采樣器濾頭系利用武安一班型粉塵采樣器的濾頭。濾頭與開口壓力計、轉(zhuǎn)子流量計和抽氣機(jī)等串連。組裝后漏氣實(shí)驗，在壓力大于200mm的條件下各部位均不漏氣。試驗用塵源為醫(yī)用滑石粉，用測微計數(shù)法測定粉塵分散度為小于5mm。試驗時，在發(fā)塵箱中央放一個發(fā)塵杯，為保持必需的粉塵濃度，每隔5分鐘向發(fā)塵杯內(nèi)加入滑石粉，并用吹風(fēng)機(jī)揚(yáng)塵。而后，將裝有測塵濾膜的采樣器濾頭嵌入采樣孔，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法，以30L/min的流量抽氣15分鐘，取下載塵濾膜、稱重，并按標(biāo)準(zhǔn)公式計算濾料阻塵率。

濾料的吸氣阻力，是利用自己組裝的試驗裝置側(cè)定的。試驗裝置是以自制的紙殼濾筒和采樣器濾頭、開口壓力計、轉(zhuǎn)子流量計、抽氣機(jī)等組成。紙殼濾筒的內(nèi)徑為5cm，通氣面積19.6cm2。組裝時，先將紙殼濾筒套在采樣器濾頭上，使濾筒和濾頭鋒觸面在壓力大于200mm的條件下不漏氣。而后，再將裝有濾筒的采樣器濾頭與開口壓力計、轉(zhuǎn)子流量計和抽氣機(jī)等連接，組成實(shí)驗拭置。測定時，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和條件，以30L/min的流量抽氣，測量抽氣所形成的負(fù)壓值與管線的負(fù)壓值之差，即吸氣阻力。不同濾料吸氣阻力的測定結(jié)果表明：螺紋錦綸彈力布和聚酯泡沫吸氣阻力最低。

為提高阻塵率，我們將聚醋泡沫塑料和羅紋錦綸等組合，做成組合濾料，并對其阻塵率和吸氣阻力進(jìn)行了測定，結(jié)果表明組合濾料的阻塵率可提高到99%以上，吸氣阻力仍在1.5mm以下。

根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗結(jié)果，再結(jié)合一定新興科技的運(yùn)用，本次設(shè)計煤礦專用自吸過濾式防塵口罩采用的是集微米級粉塵粒子的捕捉，渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過濾技術(shù)一體化設(shè)計而成的，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有工業(yè)級口罩防塵的不足，通過運(yùn)用靜電除塵原理制成的帶電性活性碳纖維刷圓孔板，在微電流的作用下，碳纖維毛刷將帶上電荷而產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附矩陣，能夠主動捕捉0.3um～5um之間的粉塵粒子，該部件過濾過后的空氣將被渦輪風(fēng)機(jī)增壓送入碳纖維濾芯元件，進(jìn)行二次過濾，讓使用者呼吸到更干凈的空氣。

四、測試流程

我們對于此款針對煤礦專用自吸過濾式防塵口罩進(jìn)行了對比測試，對比測試流程及結(jié)果如下：

我們通過購買并實(shí)驗測試了國內(nèi)模具市場上和銷量較大的4個知名品牌的10種工業(yè)級自動手吸防塵過濾口罩防塵防護(hù)口罩的自吸過濾空氣效率和防塵吸阻，測試了國內(nèi)代表性各種頭部防護(hù)模具的適用性。同時，我們要求他們的主觀感受來綜合評估他們的保護(hù)性能。所有通過測試的專用防塵罩和口罩都已經(jīng)取得了德國生產(chǎn)商的合格證和產(chǎn)品la，防護(hù)等級為KN95。

在排氣流量為85 L /min時，口罩材料的過濾效率>95%，均達(dá)到了N95口罩的過濾能力?？谡值牧髁课钄?shù)值測試分析結(jié)果顯示，在85l/min立式抽取泵的流量下，吸阻數(shù)值低于70pa，符合國標(biāo)（gb2626-2006）吸阻小于350pa的流量要求。測試材料面罩的使用材料必須符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

當(dāng)根據(jù)臉型選擇的受試者實(shí)際戴上這些口罩時，他們的結(jié)果并不好。本研究組設(shè)計的煤礦專用自吸過濾式防塵口罩獲得一致性好評。

進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析表明，自動手吸防塵過濾式口罩防塵過吸口罩與杯形口罩的面部形狀和其對受試者的吸煙頭口罩面部開孔大小都具有密切的交互相關(guān)性，尤其特別是口罩面部開孔長度和口罩面部開口寬度分別對杯形自吸防塵過濾口罩的實(shí)際適用性都具有很大量的影響。需要特別注意的一點(diǎn)是，要有效提高這種防塵噴霧口罩的實(shí)際適用性，就要用我們自己的個人臉型柱。根據(jù)一些科學(xué)研究，西方人自行設(shè)計的這種口罩不能完全滿足現(xiàn)代韓國人的使用需求，口罩的在設(shè)計上還應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)代韓國人的不同臉型特征進(jìn)行不斷改進(jìn)。此外，在防塵口罩的臉型得到改善后，口罩的適用性大大提高。

五、結(jié)語

綜上所述，我國目前市場上的防護(hù)口罩設(shè)計方案主要根據(jù)阻塵率來設(shè)計，以提高佩戴防護(hù)罩的效果。

（一）口罩效果主要在于佩戴臉型是否符合口罩設(shè)計模型，所以我們研究團(tuán)隊設(shè)計的煤礦用自吸過濾防塵口罩是專門針對中國臉型設(shè)計的，可以保證口罩的效果不打折扣。

（二）阻塵率作為衡量口罩防塵效果的關(guān)鍵指標(biāo)，我們通過渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過濾技術(shù)對阻塵率進(jìn)行提升。

（三）口罩的佩戴舒適性是重要的指標(biāo)，我們通過選用羅紋無紡布來降低呼吸時的阻力，提升佩戴舒適性。

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本文為六盤水師范學(xué)院大學(xué)生學(xué)科競賽重點(diǎn)培育訓(xùn)練項目《智能化送風(fēng)防塵口罩》的部分研究成果。

作者簡介：覃小軍（1997年10月6日），性別：男，民族：漢族，籍貫：貴州省銅仁市，學(xué)歷：本科，主要研究方向：采礦工程。

通訊作者：梁華杰，1988年7月生，碩士，教授，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè)，研究方向：礦山壓力與控制，六盤水師范學(xué)院采礦工程系教師。