呼吸參數(shù)對化學氧自救器生氧參數(shù)的影響研究

盧建偉

（湖南煤礦安全裝備有限公司，湖南長沙 410000）

0.引言

在火災、瓦斯爆炸、煤塵爆炸等嚴重事故發(fā)生時，自救設備能夠發(fā)揮關鍵性作用，不少礦區(qū)要求井下作業(yè)人員為避免因危險氣體中毒、缺氧死亡而設置的便攜式人體呼吸安全保護器[1]。目前，煤礦采用的自救裝置主要分為化學氧氣自救裝置和壓縮氧氣自救裝置。自救器可在規(guī)定時間內為使用者的呼吸和供氧提供一定的保護時間，隔離周圍環(huán)境內的有害氣體，避免其進入呼吸道內。若自救器出現(xiàn)問題，或無法正常工作，將無法發(fā)揮保障作用，無法實現(xiàn)救援，本文主要分析自救器問題。

1.化學自救器概述

本實用新型具有體積小、攜帶方便、不受外界因素影響的特點，自救器中的顆粒逐漸轉化為藥片，增加了產生空氣的能量，從而減少了空氣粉塵對人體的影響。同時，還對氣囊結構進行了研究和改進，以減少對人體皮膚的影響。通過多項科技改進，最新產品OSR生化自救器采用了新生的片狀鉀超氧脫氧劑，提高了原有脫氧劑的硬度，從而有效降低了生化自救器在礦區(qū)人員佩戴過程中產生的粉塵含量[2]。而且料斗采用往復式氣路結構，有效擴大了藥物劑型的使用面積，降低了空氣阻力，減小了罐體體積，從而有效降低了整體承重。隔氧自救器維護量較小，只需定期檢查密封條、外包裝和氣密性即可。

2.呼吸參數(shù)對化學氧自救器生氧參數(shù)的影響

本文選擇的化學樣自救器為45min自救器，其特點：符合國家規(guī)定的救護隊員救護產品、礦工救護產品使用要求，且結構設計比較合理，性能較高，使用方便。一般要求人員在CO、CH4或多種有毒、有害氣體、缺氧環(huán)境內應用，屬于一種隔絕式的自救器，且可實現(xiàn)循環(huán)多次使用。型號包括：ZYX15、ZYX30、ZYX45、ZYX60、ZYX120礦用壓縮氧自救器，隔絕式壓縮氧自救器，化學氧自救器，正壓氧氣呼吸器，負壓氧氣呼吸器，自動蘇生器，自救器校驗儀等救生用儀器。

其詳細參數(shù)：45min自救器型號：ZYX45；供氧方式：定量供氧gt；1.2L/min；防護時間：使用時間為45min（中等勞動強度）；手動補給供氧gt；60L/min；自動補給供氧gt；60L/min；45min自救器尺寸：227mm×177mm×96mm；45min自救器氧氣瓶容積：0.38L；額定壓力：200kg；自動排氣壓力：150Pa～300Pa；儲氣量gt；76L；CO2吸收劑應裝量ge；530g；安全閥門啟壓力le；1MPa；45min自救器重量（包括CO2吸收劑及氧氣）：2.1kg。

2.1 不同社會活動強度和工作量下身體循環(huán)的基本參數(shù)

為了探索人體呼吸參數(shù)在各種工作活動下的變化，XX礦業(yè)集團和沈陽研究院采用德國DRAGER公司的人體實驗數(shù)據(jù)，借鑒其實驗內容和方法，測量了井下工人在各種工作負荷下的基本生理參數(shù)，見表1、表2。

表1 不同活動度下生理呼吸參數(shù)

表2 不同做功量下生理呼吸參數(shù)

根據(jù)表1和表2中的預壓縮值，假設工作量為W(kg·m/min)，通氣量為Q(L/min)，CO2呼出量為C，通過分析與Origin軟件系統(tǒng)擬合的數(shù)據(jù)模型，得出設計期間的工作量、通氣量與CO2呼出量的關系，如圖1～圖3所示。

圖1 呼吸量與CO2呼出量的關系

圖2 做功量與呼吸量的關系

（1）工作功率與自然吸入、人工吸入和總呼出CO2呈線性上升趨勢。（2）人所做的工作量與廢氣中CO2含量的指數(shù)變化有關。而且，人做的功越大，單位功的人體呼吸中的CO2變化就越大。隨著一個人動作力量的增加，體內吸入的量和呼出的CO2濃度的不同都會增加，兩者的增加都可能導致自救器的產氧反應速度增加。但對于具有一定制氧機質量的化學氧氣自救裝置，其有效維護時間隨著制氧率的提高而縮短。

2.2 呼吸頻率對自救器生氧參數(shù)的影響

（1）長時間氧合時，造氧劑體溫隨持續(xù)時間的增加而急劇升高，通氣頻率越高，瓶內氧氣體溫升高越快。即吸氣頻率越高，進入的CO2量越大，反應速度越快，產生的熱能越大，空氣溫度上升越快。（2）呼吸系統(tǒng)疾病頻率越小，產氧溫度達到最大值越小，但出現(xiàn)越晚。（3）當化學試劑變成淡黃色時，立即停止吹氣，制氧溫度超過平均值。然后，由于設備的散熱大于產生熱能的散熱，開始下降，直到與環(huán)境溫度一致。（4）人體通氣頻率越低，產氧率越低，反應時間越長，有效維持時間越長。（5）停止呼氣后，瓶內空氣溫度會降低學習率，與呼吸系統(tǒng)頻率有非常明顯的相關性。呼吸頻率越高，體溫下降越快，所以實驗完成得越早。

3.改進措施

（1）氯酸鹽和堿性超氧化物兩類藥劑，后者的放氧速率、安全性均較高，進而比較合適在化學氧自救器內的應用。在堿性超氧化物內，生氧溫度對比，KO2較低，且放氧速度平穩(wěn)，比較適合應用在化學氧自救器內。（2）使用者的做功量、呼吸頻率會影響自救器生氧溫度、防護時間，為將生氧溫度降低，延長其防護時間，需要將做功量減少，并降低呼吸頻率，確保使用期間的安全與健康。（3）生氧藥劑質量會直接影響化學氧自救器的生氧溫度及防護時間，為確保自救器有效防護，維護使用者的安全，一般30min的自救器要取270gKO2；防護時間為45min的取KO2400g。（4）超前排氣的排氣方式、長方體藥罐、復合式氣路能夠在一定程度上，將自救器的生氧溫度降低，將防護時間延長，以此為后期自救器安全性能的提升奠定基礎，為后期研究提供助力。（5）GB-24502型化學氧自救器可切實滿足井下使用要求，在一段時間內，可為使用者提供氧氣。但是，在使用期間，極易出現(xiàn)生氧高溫，且吸入的氣體內雜質較多，極易出現(xiàn)鼻夾脫落現(xiàn)象，安全性與舒適性較低。針對這一問題，在自救器生氧罐、外罐之間加入吸熱材料，使用導熱性能較好的材料，將呼吸導管剔除，以此將自救器生氧期間的溫度降低。同時，在呼吸道管內可加入適量的活性炭，將部分雜質去除，將原本的經鼻夾和口具轉變?yōu)楹粑嬲?，以此實現(xiàn)自救器安全性能的提升。

4.結語

（1）隨著人體活動強度和工作量的增加，真氣氣體的人工呼吸速率和CO2的總量和濃度都會增加，真氣氣體的超臨界CO2總量和濃度的增加也會增加自救器的產氧速率。（2）通風頻率越高，進入的CO2量越大，化學產氧越快，產生的熱量越大，瓶內空氣溫度上升越快。（3）在相同的制氧藥物量下，每個吸入系統(tǒng)的發(fā)病頻率都出現(xiàn)在最高工作溫度值上，當人體的吸入頻率越來越小時，制氧國家的反應速度會越來越慢，雖然制氧國家的最高工作溫度值降低，但會導致反應維持時間的增加，為了有效提高預防效果，自救器的持續(xù)時間也可能會延長。