礦用供風式防塵口罩的研制與應用

王寬 謝文強

(1.湖北交投產城控股集團有限公司 武漢 430050； 2. 河南神火集團有限公司薛湖煤礦 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人員的最后一道防塵措施，擔當著保護作業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人員預防塵肺病、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式兩種。自吸式防塵口罩的呼吸腔是封閉式的死腔[2]，作業人員佩戴時呼吸腔內始終會含有一定濃度的二氧化碳，且長時間在高粉塵濃度的作業環境中佩戴時，濾料上的粉塵量會隨作業時間的延長而增加，呼吸阻力也相應增大，致使作業人員在長時間佩戴的過程中會產生一定的憋悶感；而且此類口罩具有一定的隔音效果，即使與其他作業人員近距離講話時，也常需摘除口罩，不利于個體防塵；送風式防塵口罩主要分為動力送風式和壓氣送風式，雖然送風式防塵口罩優于自吸式防塵口罩，口罩呼吸腔是部分敞開式的，腔內時刻保持著新鮮風流供給，從根本上消除了憋悶感，且傳音效果好，便于作業人員近距離交流，但其仍存在一些不足之處，如動力送風式口罩需要微型電機提供動力，設備需要用電，存在一定的安全隱患，需采用好的防爆措施，價格偏高，且重量偏大，作業人員需負重作業[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工作面作業的人員佩戴此類口罩，作業人員無可避免地會吸入少量的有毒、有害氣體，不利于身體健康。壓氣送風式口罩由于壓風管路中的壓縮空氣壓力過高，不適于直接供給工人呼吸，須在供風管路中裝設專門的減壓閥對壓縮空氣進行減壓，還須裝設濾油器和濾水器等分別對壓縮空氣從空壓機中帶出的油、水進行有效的過濾[4]，故此類口罩整體構造較復雜，且目前市場上尚未有技術較為成熟的壓氣送風式防塵口罩。

因此，針對礦山現有防塵口罩的不足之處，本文提供了一種礦用供風式防塵口罩，其安全可靠、結構較為簡單。

1 礦用供風式防塵口罩

1.1 工作原理

礦用供風式防塵口罩是基于礦山掘進工作面在設計供風量時需要考慮供掘進工作面作業人員正常呼吸所需最低風量的思想而設計，將掘進工作面供風風筒內的部分新鮮風流直接配送到掘進工作面各個定點作業人員，使作業人員可以直接呼吸到風筒內的新鮮空氣[5]。

該口罩由氣動接頭、濾塵器、閥門、口罩主體、環口系帶、導風軟管、快速接頭構成，如圖1所示。氣動接頭安裝于壓入式供風風筒的風筒壁上，將風筒內的一部分新鮮風流導入導風軟管。新鮮風流經濾塵器、閥門、口罩主體的進風軟管，最終被導入口罩主體的呼吸腔內供應給佩戴人員?？谡种黧w下部的兩排出氣小孔，則用于排氣。佩戴人員只需適當調節閥門，保持吸氣時口罩呼吸腔內仍處于正壓狀態，即可有效避免粉塵及有毒、有害氣體進入口罩呼吸腔內。

(a)整體結構

(b)主體結構

(c)濾塵器結構1—風筒；2—氣動接頭；3—密封墊；4—快速接頭；5—導風軟管；6—濾塵器；7—閥門；8—口罩主體進風軟管；9—掛扣；10—環口系帶；11—口罩主體；12—尼龍松緊帶；13—口罩主體進風孔；14—口罩主體出氣孔；15—三通接頭；16—透明塑料管；17—螺紋結構；18—插接式快速接口；19—超細聚丙烯纖維；20—濾網；21—濾網壓片；22—風筒端頭伸縮袖口圖1 礦用供風式防塵口罩結構及應用示意

1.2 主要構件

(1)氣動接頭

氣動接頭固定于供風風筒的風筒壁上，接頭的一端在風筒內，另一端在風筒外，采用插接式快速接口，可與導風軟管快速連接；氣動接頭內部采用連通結構，當導風軟管一端的快速接頭插入氣動接頭時，可使風筒和導氣軟管連通，當導風軟管端頭的快速接頭從氣動接頭內拔出時，氣動接頭內的連通結構密閉，避免了風筒從此處漏風。

(2)濾塵器

濾塵器的主體由硬質透明塑料管制成，內部填充適量的經靜電處理過的超細聚丙烯纖維，可對新鮮風流內微量粉塵進行凈化。塑料管內部的兩端有濾網壓片，壓裝著一定目數的濾網，防止超細聚丙烯纖維進入導氣軟管。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構連接，使得濾塵器便于拆卸，更換內部濾料，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、不刺激皮膚的高級有機硅膠材料模壓制成，重量輕，佩戴舒適，貼合人的臉型，密閉性好，穩定性強，易于清洗?？谡种黧w下部有兩排出氣孔，用于排氣；上部兩側各有一個進風孔，進風孔外側與進風軟管相連，內部裝有呼吸閥片，用于分散風流，避免風流直接吹向人臉引起的不適感。沿風流方向，閥門后方的導風軟管經過一個具有快速接口結構的三通接頭分成兩路進風軟管，分別與口罩主體的兩個進風孔連接?？谡种黧w外側有兩條彈性較好的尼龍松緊帶分別用于固定兩路進風軟管，使兩路進風軟管緊貼于口罩主體外側，以防止影響佩戴人員的視線。

1.3 口罩特點

該口罩具有以下特點：

(1)適用于礦山壓入式通風掘進工作面的掘進機司機及指揮人員、風鉆工、錨噴作業工等定點作業人員佩戴。

(2)結構簡單。無需減壓閥、濾油器，拆卸、操作方便。

(3)實用性強。重量輕，便于攜帶。

(4)安全系數高。無需壓風、電力，安全可靠，適合于高瓦斯礦井煤巷、半煤巷掘進工作面定點作業人員佩戴。

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

2 現場應用

2.1 礦井概況

薛湖煤礦位于河南省永城市薛湖鎮，屬于煤與瓦斯突出礦井，2004年12月建井，2009年6月投產。礦井設計生產能力100萬t/a。礦井保有可采儲量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。實測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，堅固性系數0.22～0.4，煤層透氣性系數0.086 1 mD，2016年測定礦井絕對瓦斯涌出量52.5 m3/min，相對瓦斯涌出量19.89 m3/t。

25040風巷位于25采區，設計長度1 800 m，目前已掘進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，正常掘進期間絕對瓦斯涌出量1.07 m3/min，回風流瓦斯體積分數約0.2%。該風巷使用EBZ-160H型綜掘機掘進，工作面采用壓入式通風方式，利用2臺2×37 kW軸流式通風機(1用1備)和直徑為1 000 mm的帆布柔性風筒供風，供風量為533 m3/min。

因該風巷瓦斯偏高，故掘進工作面配備的風量偏大，又由于掘進工作面煤質較軟，且機械化掘進程度高、強度大，導致掘進工作面推進時粉塵濃度極大，最高質量濃度可達1 600 mg/m3左右，工作面10 m范圍內能見度不到2 m。該掘進工作面采取防降塵措施后，掘進時粉塵質量濃度仍有400 mg/m3左右。鑒于該礦瓦斯濃度偏高，礦方管理人員基于安全和成本的考慮，并未采用動力送風式防塵口罩，為井下作業人員配備的是自吸式的3M防塵口罩。但這種自吸式的3M防塵口罩因掘進工作面粉塵濃度較大，口罩內的濾料在短時間內即被大量粉塵堵塞，尤其是綜掘機司機及指揮人員的防塵口罩內的濾料堵塞更為嚴重。由于作業人員在作業過程中不便及時更換濾料，導致工人呼吸困難，不得不時常脫下口罩；即使在作業人員方便更換濾料時，更換過程中作業人員也會吸入大量的粉塵。為了在這種高瓦斯、高粉塵濃度的作業環境中更好地保護井下一線作業人員的身體健康，礦方管理人員選擇了在該掘進工作面首先為綜掘機司機及指揮人員配備礦用供風式防塵口罩。

2.2 應用過程

在該掘進工作面作業范圍內，風筒工在距每節風筒末端2 m處剪出一個直徑適當大小的圓口，安裝氣動接頭，旋緊氣動接頭兩端的螺母，將密封墊和接頭周邊的風筒布壓緊，保證不漏風。為了整齊、美觀，將氣動接頭統一安裝在風筒下部。隨著掘進工作面的推進，后續增接的每節風筒按以上方法繼續安裝氣動接頭。

綜掘機司機及指揮人員作業前，首先用兩端帶有快速接頭的導風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閉狀態，如處開通狀態，則調至關閉狀態再連接。待以上構件連接完好后，將導風軟管端頭的快速接頭插入風筒下部就近的氣動接頭，并吊掛好導風軟管，留出適于其作業范圍的長度(3 m左右)。濾塵器和閥門的外側裝有掛扣，作業人員先將二者掛扣在腰帶上，再佩戴口罩主體，并將環口系帶調節到舒適的松緊度，打開閥門，調至適當的出風量。當綜掘機司機及指揮人員需要移動作業位置時，若導風軟管長度不夠，便將導風軟管端頭的快速接頭從原來的氣動接頭上取下，插入距離作業地點更近的氣動接頭上繼續使用。綜掘機司機及指揮人員完成作業后，可將導風軟管取下，并將濾塵器、閥門、口罩主體等放入專用包中收好，以便下次作業繼續使用。

2.3 應用效果

在導風軟管末端，即口罩主體進風軟管前，接入轉子氣體流量計，并將導風軟管上的閥門調節到最大，檢測出口罩的供風流量為390 L/min。又經測試，綜掘機司機或指揮人員的肺活量為3 500～4 000 mL，正常作業時呼吸次數為16～20次/min，則綜掘機司機或指揮人員正常作業時需要吸入的空氣量為56～80 L/min。經計算，檢測出的口罩供風流量約是綜掘機司機或指揮人員每分鐘吸入空氣體積的5～7倍。因此，綜掘機司機及指揮人員佩戴該口罩時，由風筒導出的新鮮風流，可以滿足其正常作業時呼吸的需要。同時，也可說明在口罩主體呼吸腔內產生的壓力是大于呼吸腔外部環境空氣壓力的，該壓力足以排開口罩外部環境內的粉塵及瓦斯等有毒、有害氣體，防止作業人員吸入體內，從而有效地保護了綜掘機司機及指揮人員的身體健康。隨后，該口罩在該巷道內錨噴工、上料工等其他定點作業人員中進行了推廣應用，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作業人員的一致認可。

2.4 改進措施

當隨著作業面的推進，供風風筒的長度增加，氣動接頭處風筒內的壓力也隨之降低。當風筒導入供風口罩內的新鮮風流流量不足時，可在適風筒端頭加裝一節伸縮袖口，并適當收緊袖口，減小風筒出風口的面積，以此增加風筒內新鮮風流的壓力，從而可提高風筒導入供風口罩內的新鮮風流的流量，解決風筒導入口罩內新鮮風流流量不足的問題。

3 結語

該礦用供風式防塵口罩在薛湖煤礦現場應用后證實：該口罩較自吸式或送風式防塵口罩，結構更簡單，且無需壓風、電力，更安全可靠；在作業過程中佩戴，呼吸更輕松，所呼吸的都是由壓入式供風風筒提供的新鮮風流，從根本上解決了壓入式通風掘進工作面定點作業人員的防塵問題，防塵效果更理想；同時有效地防止了定點作業人員吸入有毒、有害氣體，更好地保護了其身體健康。