礦用供風(fēng)式防塵口罩的研制與應(yīng)用

王寬 謝文強(qiáng)

(1.湖北交投產(chǎn)城控股集團(tuán)有限公司 武漢 430050； 2. 河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦 河南永城 476000)

0 引言

礦塵是礦山主要危害之一。防塵口罩作為礦山井下作業(yè)人員的最后一道防塵措施，擔(dān)當(dāng)著保護(hù)作業(yè)人員的身體免受粉塵侵害的重要使命。因此，佩戴防塵口罩是礦山井下作業(yè)人員預(yù)防塵肺病、矽肺病的主要措施之一[1]。

目前，礦山常用的防塵口罩主要有自吸式和送風(fēng)式兩種。自吸式防塵口罩的呼吸腔是封閉式的死腔[2]，作業(yè)人員佩戴時(shí)呼吸腔內(nèi)始終會(huì)含有一定濃度的二氧化碳，且長(zhǎng)時(shí)間在高粉塵濃度的作業(yè)環(huán)境中佩戴時(shí)，濾料上的粉塵量會(huì)隨作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，呼吸阻力也相應(yīng)增大，致使作業(yè)人員在長(zhǎng)時(shí)間佩戴的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的憋悶感；而且此類口罩具有一定的隔音效果，即使與其他作業(yè)人員近距離講話時(shí)，也常需摘除口罩，不利于個(gè)體防塵；送風(fēng)式防塵口罩主要分為動(dòng)力送風(fēng)式和壓氣送風(fēng)式，雖然送風(fēng)式防塵口罩優(yōu)于自吸式防塵口罩，口罩呼吸腔是部分敞開式的，腔內(nèi)時(shí)刻保持著新鮮風(fēng)流供給，從根本上消除了憋悶感，且傳音效果好，便于作業(yè)人員近距離交流，但其仍存在一些不足之處，如動(dòng)力送風(fēng)式口罩需要微型電機(jī)提供動(dòng)力，設(shè)備需要用電，存在一定的安全隱患，需采用好的防爆措施，價(jià)格偏高，且重量偏大，作業(yè)人員需負(fù)重作業(yè)[3]。另外，在含有一定濃度的硫化氫或瓦斯等有毒、有害氣體的全煤或半煤巖掘進(jìn)工作面作業(yè)的人員佩戴此類口罩，作業(yè)人員無可避免地會(huì)吸入少量的有毒、有害氣體，不利于身體健康。壓氣送風(fēng)式口罩由于壓風(fēng)管路中的壓縮空氣壓力過高，不適于直接供給工人呼吸，須在供風(fēng)管路中裝設(shè)專門的減壓閥對(duì)壓縮空氣進(jìn)行減壓，還須裝設(shè)濾油器和濾水器等分別對(duì)壓縮空氣從空壓機(jī)中帶出的油、水進(jìn)行有效的過濾[4]，故此類口罩整體構(gòu)造較復(fù)雜，且目前市場(chǎng)上尚未有技術(shù)較為成熟的壓氣送風(fēng)式防塵口罩。

因此，針對(duì)礦山現(xiàn)有防塵口罩的不足之處，本文提供了一種礦用供風(fēng)式防塵口罩，其安全可靠、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

1 礦用供風(fēng)式防塵口罩

1.1 工作原理

礦用供風(fēng)式防塵口罩是基于礦山掘進(jìn)工作面在設(shè)計(jì)供風(fēng)量時(shí)需要考慮供掘進(jìn)工作面作業(yè)人員正常呼吸所需最低風(fēng)量的思想而設(shè)計(jì)，將掘進(jìn)工作面供風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)的部分新鮮風(fēng)流直接配送到掘進(jìn)工作面各個(gè)定點(diǎn)作業(yè)人員，使作業(yè)人員可以直接呼吸到風(fēng)筒內(nèi)的新鮮空氣[5]。

該口罩由氣動(dòng)接頭、濾塵器、閥門、口罩主體、環(huán)口系帶、導(dǎo)風(fēng)軟管、快速接頭構(gòu)成，如圖1所示。氣動(dòng)接頭安裝于壓入式供風(fēng)風(fēng)筒的風(fēng)筒壁上，將風(fēng)筒內(nèi)的一部分新鮮風(fēng)流導(dǎo)入導(dǎo)風(fēng)軟管。新鮮風(fēng)流經(jīng)濾塵器、閥門、口罩主體的進(jìn)風(fēng)軟管，最終被導(dǎo)入口罩主體的呼吸腔內(nèi)供應(yīng)給佩戴人員?？谡种黧w下部的兩排出氣小孔，則用于排氣。佩戴人員只需適當(dāng)調(diào)節(jié)閥門，保持吸氣時(shí)口罩呼吸腔內(nèi)仍處于正壓狀態(tài)，即可有效避免粉塵及有毒、有害氣體進(jìn)入口罩呼吸腔內(nèi)。

(a)整體結(jié)構(gòu)

(b)主體結(jié)構(gòu)

(c)濾塵器結(jié)構(gòu)1—風(fēng)筒；2—?dú)鈩?dòng)接頭；3—密封墊；4—快速接頭；5—導(dǎo)風(fēng)軟管；6—濾塵器；7—閥門；8—口罩主體進(jìn)風(fēng)軟管；9—掛扣；10—環(huán)口系帶；11—口罩主體；12—尼龍松緊帶；13—口罩主體進(jìn)風(fēng)孔；14—口罩主體出氣孔；15—三通接頭；16—透明塑料管；17—螺紋結(jié)構(gòu)；18—插接式快速接口；19—超細(xì)聚丙烯纖維；20—濾網(wǎng)；21—濾網(wǎng)壓片；22—風(fēng)筒端頭伸縮袖口圖1 礦用供風(fēng)式防塵口罩結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意

1.2 主要構(gòu)件

(1)氣動(dòng)接頭

氣動(dòng)接頭固定于供風(fēng)風(fēng)筒的風(fēng)筒壁上，接頭的一端在風(fēng)筒內(nèi)，另一端在風(fēng)筒外，采用插接式快速接口，可與導(dǎo)風(fēng)軟管快速連接；氣動(dòng)接頭內(nèi)部采用連通結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)軟管一端的快速接頭插入氣動(dòng)接頭時(shí)，可使風(fēng)筒和導(dǎo)氣軟管連通，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)軟管端頭的快速接頭從氣動(dòng)接頭內(nèi)拔出時(shí)，氣動(dòng)接頭內(nèi)的連通結(jié)構(gòu)密閉，避免了風(fēng)筒從此處漏風(fēng)。

(2)濾塵器

濾塵器的主體由硬質(zhì)透明塑料管制成，內(nèi)部填充適量的經(jīng)靜電處理過的超細(xì)聚丙烯纖維，可對(duì)新鮮風(fēng)流內(nèi)微量粉塵進(jìn)行凈化。塑料管內(nèi)部的兩端有濾網(wǎng)壓片，壓裝著一定目數(shù)的濾網(wǎng)，防止超細(xì)聚丙烯纖維進(jìn)入導(dǎo)氣軟管。濾塵器兩端為插接式快速接口。塑料管與插接式快速接口采用螺紋結(jié)構(gòu)連接，使得濾塵器便于拆卸，更換內(nèi)部濾料，且二者連接處裝有密封墊，保證濾塵器具有良好的氣密性。

(3)口罩主體

口罩主體采用無毒、無味、不刺激皮膚的高級(jí)有機(jī)硅膠材料模壓制成，重量輕，佩戴舒適，貼合人的臉型，密閉性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于清洗?？谡种黧w下部有兩排出氣孔，用于排氣；上部?jī)蓚?cè)各有一個(gè)進(jìn)風(fēng)孔，進(jìn)風(fēng)孔外側(cè)與進(jìn)風(fēng)軟管相連，內(nèi)部裝有呼吸閥片，用于分散風(fēng)流，避免風(fēng)流直接吹向人臉引起的不適感。沿風(fēng)流方向，閥門后方的導(dǎo)風(fēng)軟管經(jīng)過一個(gè)具有快速接口結(jié)構(gòu)的三通接頭分成兩路進(jìn)風(fēng)軟管，分別與口罩主體的兩個(gè)進(jìn)風(fēng)孔連接?？谡种黧w外側(cè)有兩條彈性較好的尼龍松緊帶分別用于固定兩路進(jìn)風(fēng)軟管，使兩路進(jìn)風(fēng)軟管緊貼于口罩主體外側(cè)，以防止影響佩戴人員的視線。

1.3 口罩特點(diǎn)

該口罩具有以下特點(diǎn)：

(1)適用于礦山壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)機(jī)司機(jī)及指揮人員、風(fēng)鉆工、錨噴作業(yè)工等定點(diǎn)作業(yè)人員佩戴。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。無需減壓閥、濾油器，拆卸、操作方便。

(3)實(shí)用性強(qiáng)。重量輕，便于攜帶。

(4)安全系數(shù)高。無需壓風(fēng)、電力，安全可靠，適合于高瓦斯礦井煤巷、半煤巷掘進(jìn)工作面定點(diǎn)作業(yè)人員佩戴。

(5)防塵效果理想。死腔內(nèi)可保持正壓狀態(tài)，避免了含有粉塵及有毒、有害氣體的外界空氣進(jìn)入口罩呼吸腔內(nèi)，有效保護(hù)佩戴人員的身體健康。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 礦井概況

薛湖煤礦位于河南省永城市薛湖鎮(zhèn)，屬于煤與瓦斯突出礦井，2004年12月建井，2009年6月投產(chǎn)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力100萬t/a。礦井保有可采儲(chǔ)量8 674萬t，主采二2煤層為煤與瓦斯突出煤層，煤層平均厚度為2.23 m。實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯壓力最大1.35 MPa，瓦斯含量1.15～13.73 m3/t。煤層破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類，堅(jiān)固性系數(shù)0.22～0.4，煤層透氣性系數(shù)0.086 1 mD，2016年測(cè)定礦井絕對(duì)瓦斯涌出量52.5 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量19.89 m3/t。

25040風(fēng)巷位于25采區(qū)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 800 m，目前已掘進(jìn)840 m。該巷道高3.4 m，寬4.6 m，斷面15.64 m2。煤層平均厚度2.5 m，原始瓦斯含量7.41～8.71 m3/t、原始瓦斯壓力0.772～0.919 MPa，正常掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量1.07 m3/min，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)約0.2%。該風(fēng)巷使用EBZ-160H型綜掘機(jī)掘進(jìn)，工作面采用壓入式通風(fēng)方式，利用2臺(tái)2×37 kW軸流式通風(fēng)機(jī)(1用1備)和直徑為1 000 mm的帆布柔性風(fēng)筒供風(fēng)，供風(fēng)量為533 m3/min。

因該風(fēng)巷瓦斯偏高，故掘進(jìn)工作面配備的風(fēng)量偏大，又由于掘進(jìn)工作面煤質(zhì)較軟，且機(jī)械化掘進(jìn)程度高、強(qiáng)度大，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面推進(jìn)時(shí)粉塵濃度極大，最高質(zhì)量濃度可達(dá)1 600 mg/m3左右，工作面10 m范圍內(nèi)能見度不到2 m。該掘進(jìn)工作面采取防降塵措施后，掘進(jìn)時(shí)粉塵質(zhì)量濃度仍有400 mg/m3左右。鑒于該礦瓦斯?jié)舛绕?，礦方管理人員基于安全和成本的考慮，并未采用動(dòng)力送風(fēng)式防塵口罩，為井下作業(yè)人員配備的是自吸式的3M防塵口罩。但這種自吸式的3M防塵口罩因掘進(jìn)工作面粉塵濃度較大，口罩內(nèi)的濾料在短時(shí)間內(nèi)即被大量粉塵堵塞，尤其是綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員的防塵口罩內(nèi)的濾料堵塞更為嚴(yán)重。由于作業(yè)人員在作業(yè)過程中不便及時(shí)更換濾料，導(dǎo)致工人呼吸困難，不得不時(shí)常脫下口罩；即使在作業(yè)人員方便更換濾料時(shí)，更換過程中作業(yè)人員也會(huì)吸入大量的粉塵。為了在這種高瓦斯、高粉塵濃度的作業(yè)環(huán)境中更好地保護(hù)井下一線作業(yè)人員的身體健康，礦方管理人員選擇了在該掘進(jìn)工作面首先為綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員配備礦用供風(fēng)式防塵口罩。

2.2 應(yīng)用過程

在該掘進(jìn)工作面作業(yè)范圍內(nèi)，風(fēng)筒工在距每節(jié)風(fēng)筒末端2 m處剪出一個(gè)直徑適當(dāng)大小的圓口，安裝氣動(dòng)接頭，旋緊氣動(dòng)接頭兩端的螺母，將密封墊和接頭周邊的風(fēng)筒布?jí)壕o，保證不漏風(fēng)。為了整齊、美觀，將氣動(dòng)接頭統(tǒng)一安裝在風(fēng)筒下部。隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，后續(xù)增接的每節(jié)風(fēng)筒按以上方法繼續(xù)安裝氣動(dòng)接頭。

綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員作業(yè)前，首先用兩端帶有快速接頭的導(dǎo)風(fēng)軟管依次連接濾塵器、閥門和三通接頭，并檢查閥門是否為關(guān)閉狀態(tài)，如處開通狀態(tài)，則調(diào)至關(guān)閉狀態(tài)再連接。待以上構(gòu)件連接完好后，將導(dǎo)風(fēng)軟管端頭的快速接頭插入風(fēng)筒下部就近的氣動(dòng)接頭，并吊掛好導(dǎo)風(fēng)軟管，留出適于其作業(yè)范圍的長(zhǎng)度(3 m左右)。濾塵器和閥門的外側(cè)裝有掛扣，作業(yè)人員先將二者掛扣在腰帶上，再佩戴口罩主體，并將環(huán)口系帶調(diào)節(jié)到舒適的松緊度，打開閥門，調(diào)至適當(dāng)?shù)某鲲L(fēng)量。當(dāng)綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員需要移動(dòng)作業(yè)位置時(shí)，若導(dǎo)風(fēng)軟管長(zhǎng)度不夠，便將導(dǎo)風(fēng)軟管端頭的快速接頭從原來的氣動(dòng)接頭上取下，插入距離作業(yè)地點(diǎn)更近的氣動(dòng)接頭上繼續(xù)使用。綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員完成作業(yè)后，可將導(dǎo)風(fēng)軟管取下，并將濾塵器、閥門、口罩主體等放入專用包中收好，以便下次作業(yè)繼續(xù)使用。

2.3 應(yīng)用效果

在導(dǎo)風(fēng)軟管末端，即口罩主體進(jìn)風(fēng)軟管前，接入轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì)，并將導(dǎo)風(fēng)軟管上的閥門調(diào)節(jié)到最大，檢測(cè)出口罩的供風(fēng)流量為390 L/min。又經(jīng)測(cè)試，綜掘機(jī)司機(jī)或指揮人員的肺活量為3 500～4 000 mL，正常作業(yè)時(shí)呼吸次數(shù)為16～20次/min，則綜掘機(jī)司機(jī)或指揮人員正常作業(yè)時(shí)需要吸入的空氣量為56～80 L/min。經(jīng)計(jì)算，檢測(cè)出的口罩供風(fēng)流量約是綜掘機(jī)司機(jī)或指揮人員每分鐘吸入空氣體積的5～7倍。因此，綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員佩戴該口罩時(shí)，由風(fēng)筒導(dǎo)出的新鮮風(fēng)流，可以滿足其正常作業(yè)時(shí)呼吸的需要。同時(shí)，也可說明在口罩主體呼吸腔內(nèi)產(chǎn)生的壓力是大于呼吸腔外部環(huán)境空氣壓力的，該壓力足以排開口罩外部環(huán)境內(nèi)的粉塵及瓦斯等有毒、有害氣體，防止作業(yè)人員吸入體內(nèi)，從而有效地保護(hù)了綜掘機(jī)司機(jī)及指揮人員的身體健康。隨后，該口罩在該巷道內(nèi)錨噴工、上料工等其他定點(diǎn)作業(yè)人員中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，均取得了良好的防塵效果，并獲得礦方管理人員及一線定點(diǎn)作業(yè)人員的一致認(rèn)可。

2.4 改進(jìn)措施

當(dāng)隨著作業(yè)面的推進(jìn)，供風(fēng)風(fēng)筒的長(zhǎng)度增加，氣動(dòng)接頭處風(fēng)筒內(nèi)的壓力也隨之降低。當(dāng)風(fēng)筒導(dǎo)入供風(fēng)口罩內(nèi)的新鮮風(fēng)流流量不足時(shí)，可在適風(fēng)筒端頭加裝一節(jié)伸縮袖口，并適當(dāng)收緊袖口，減小風(fēng)筒出風(fēng)口的面積，以此增加風(fēng)筒內(nèi)新鮮風(fēng)流的壓力，從而可提高風(fēng)筒導(dǎo)入供風(fēng)口罩內(nèi)的新鮮風(fēng)流的流量，解決風(fēng)筒導(dǎo)入口罩內(nèi)新鮮風(fēng)流流量不足的問題。

3 結(jié)語

該礦用供風(fēng)式防塵口罩在薛湖煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后證實(shí)：該口罩較自吸式或送風(fēng)式防塵口罩，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，且無需壓風(fēng)、電力，更安全可靠；在作業(yè)過程中佩戴，呼吸更輕松，所呼吸的都是由壓入式供風(fēng)風(fēng)筒提供的新鮮風(fēng)流，從根本上解決了壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面定點(diǎn)作業(yè)人員的防塵問題，防塵效果更理想；同時(shí)有效地防止了定點(diǎn)作業(yè)人員吸入有毒、有害氣體，更好地保護(hù)了其身體健康。