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煤礦用120min自救器的研發(fā)

文檔作者：彭然李磊李鵬文檔來源： 1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 2．北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 3．神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月28日
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第24卷第7期
2015年7月
中 國 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vol_24，NO．7
Ju1． 2015
煤礦用1 20min自救器的研發(fā)
彭 然 ，李 磊 。，李 鵬。
(1． 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；2． 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京100013；
3． 神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司， 陜西榆林719315)
摘要：針對目前45min隔絕式壓縮氧自救器不能很好地滿足煤礦井下逃生和自救的需求，為了礦
難發(fā)生時更好地保證礦工的生命安全，深度剖析了現(xiàn)存自救器在供氧、使用及后期維護方面的缺點，通過
理論分析、數(shù)值計算及模擬試驗等方法研制了持續(xù)時間更長、自救效果更好、配帶方便、快捷、體積更小的
新型120min自救器，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，全面優(yōu)化了各項指標(biāo)，配備了更符合人體工學(xué)的呼吸半面
罩，使用了新型的防火材料，大大提高了自救器的整體性能指標(biāo)和“自救”成功率。并詳細闡述了自救器的
工作原理、結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特點。
關(guān)鍵詞：120min自救器；隔絕式；半面罩；阻燃抗靜電
中圖分類號：TD79 3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—4051(2015)07-0152-05
Development of 120 minutes self-rescuer in the coal m ine
PENG Ran ， LI Lei ， LI Peng。
(1．China Coal Research Institute Co．，Ltd．，Beijing 100013，China；2．Beijing Mine Safety Engineering Technology
Research Center，Beijing 100013，China；3．Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited，Yulin 719315，China)
煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，受火災(zāi)、瓦斯爆炸、煤
塵、頂板等因素的威脅，災(zāi)難事故時有發(fā)生，國家有
關(guān)部門對井下人員佩帶自救器有較高的重視，也出
臺了相關(guān)的法律規(guī)范，我國的《煤礦安全規(guī)程》第10
條規(guī)定“入井人員必須隨身攜帶自救器”，原煤炭部
于1983年專門下發(fā)了煤炭部關(guān)于下井人員裝備自
救器的文件，對礦工佩帶自救器進行了更具體的規(guī)
定[1]。通過搜集事故調(diào)查報告并查閱相關(guān)資料以及
收稿日期：2014—08—22
基金項目：“神東井工煤礦逃生通道與緊急避險技術(shù)研究”項目資
助(編號：CSIE13023750)
作者簡介：彭然(1987一)，男，漢族，河北秦皇島人，研究實習(xí)員，從
事煤礦應(yīng)急救援產(chǎn)品研發(fā)工作，工作于煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公
司。E—mail：pengran@ccrise．cn。
現(xiàn)場調(diào)研等一系列工作，分析總結(jié)得出自救器是最
重要、最有效、最經(jīng)濟的緊急避險裝備，自救器是一
種便攜式個體防護逃生裝備，其具有單重輕、易攜
帶的特點，也是發(fā)生災(zāi)害時的呼吸保護裝備，是礦
井緊急避險系統(tǒng)的重要一份子，煤礦井下時常會出
現(xiàn)多種突發(fā)事故，一般情況下，煤礦井下事故早期
影響范圍較小，事故的進一步發(fā)展和次生事故的發(fā)
生會波及整個礦井，井下人員要抓緊時間逃離危險
區(qū)域，到達地面，地面是最安全的，所以佩戴自救器
逃離，保護生命。
現(xiàn)存在的自救器使用復(fù)雜、佩戴時間長、有效
防護時間短，為了提高煤礦井下自救器的產(chǎn)品性能
和技術(shù)指標(biāo)，使自救器真正能在救援時發(fā)揮作用，
保障井下人員生命健康，必須研發(fā)安全有效、操作
簡單、佩戴迅速、密封性良好的新型自救器。
～～一一一～ ～一
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仔洲黧．～一嘴愛 要一～ d一二m量 mh一≥ 一 二一～詈 一
．
第7期 彭然，等：煤礦用120min自救器的研發(fā) 153
1 自救器的分類及優(yōu)缺點
1．1 自救器的分類及基本原理
目前煤礦使用的自救器其呼吸循環(huán)系統(tǒng)完全
與環(huán)境隔離，不受環(huán)境條件限制，產(chǎn)品更向安全、便
攜、小巧的方向發(fā)展，其分類主要有2種：化學(xué)氧自
救器和壓縮氧自救器。隔絕式壓縮氧自救器按照
供氧方式可以分為定量供氧、手動補給供氧、自動
補給供氧三種，按照呼吸方式分為循環(huán)式和往復(fù)式
兩種，按照防護時間分為15型、3O型、45型、6O型
等，其防護時間分別為15min、30min、45min、
60min[。 等。
化學(xué)氧自救器其循環(huán)系統(tǒng)與人的呼吸系統(tǒng)形
成封閉循環(huán)，形成了內(nèi)部氣體消耗一生成一再循環(huán)利
用的循環(huán)過程，人體呼吸后產(chǎn)生的濁氣(水汽和CO。
等)被超氧化鉀吸收，生氧劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放氧
氣提供呼吸，與不被消耗的N。等再次 昆合，供人
呼吸 。
壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循
環(huán)的自救器，將O 貯存在高壓氧氣瓶中，通過減壓
閥將高壓O 的壓力值減至人體正常呼吸所需的范
圍內(nèi)，由定量供氧以規(guī)定的流量向人體呼吸系統(tǒng)供
氧，當(dāng)呼吸系統(tǒng)內(nèi)的壓力下降到規(guī)定壓力值時，自
動補給供氧開啟向呼吸系統(tǒng)供氧，同時還具有手動
補給系統(tǒng)，按動手動補給閥直接快速大量的向呼吸
系統(tǒng)供氧，滿足缺氧需求，使用Ca(OH) 作為CO。
的吸收劑，呼出的濁氣經(jīng)Ca(OH) 凈化后再次進
入呼吸循環(huán)。
1．2 自救器的優(yōu)缺點
我國對自救器的研究起步較晚，老產(chǎn)品在使用
中時有供氧中斷、藥劑失效導(dǎo)致工作時間縮短及無
端起火等問題；自救器的使用者首次使用時必須經(jīng)
專業(yè)培訓(xùn)、講解演示，自救器本身對后期維護有嚴(yán)
格的要求，每隔3個月或者半年檢查氧氣瓶氣壓，更
換吸附劑，并要求配備專業(yè)的氧氣填充泵進行填充。
煤礦井下都建有避險設(shè)施(避難硐室或救生
艙)，發(fā)生事故以逃為主，避險為輔，人員可以佩戴
自救器逃生，遇險人員應(yīng)盡一切可能撤至地面，地
面最安全，完成自救，如果巷道被堵塞，遇險人員無
法安全撤至地面時，能夠迅速進人避險設(shè)施可在規(guī)
定防護時間內(nèi)等待救援，瓦斯爆炸等事故往往在瞬
間發(fā)生，爆炸沖擊力強，傳統(tǒng)的自救器通常先松開
自救器卡扣，取下上蓋，展開氣囊，將鼻夾夾住，咬
住呼吸嘴，開啟閥門接通氧氣，熟練人員佩戴自救
器至少需要lmin，在短時間內(nèi)根本沒有辦法實施自
救；避險設(shè)施安放相對固定，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，在
距離采掘工作面1000m范圍內(nèi)應(yīng)布設(shè)避險設(shè)施，但
隨著采掘面的不斷深入，人員逃離到避難場所的時
間會逐漸加長，45min或60min遠遠不能滿足長時
間逃跑的需求；一般發(fā)生災(zāi)難時，井下工作人員需
要通過簡單地交流，互相施救才能達到救援的目
的，但是傳統(tǒng)自救器呼吸氧氣采用口咬式呼吸嘴，
此時嘴已經(jīng)不能再做其他用途，說話時，呼吸嘴會
脫落，造成有毒氣體流人，給施救帶來了更大的
困難。
人在避險逃生時呼吸量是一個變化值，其值隨
人體運動狀態(tài)變化而改變，當(dāng)逃生時呼吸量會超過
30L／min，單位時間人體耗氧量也增加，相反人體靜
態(tài)最小呼吸量只有10L／min，將同批次規(guī)格型號相
同的120min自救器在最大、最小及平均值呼吸量
條件下進行模擬試驗，結(jié)果見表1，自救器防護時間
由于頻繁使用手動補給閥，瞬間提高供氧量，會降
低整體防護時間，再加上動態(tài)逃生時自身耗氧量的
增加，傳統(tǒng)的120min自救器完全不能滿足長時間
的逃生需求。
表1 性能參數(shù)表
2 新型120rain自救器的研制
為了解決目前市場上存在的自救器的種種缺
點和不足，更好地為井下工作人員的安全提供保
障，決定研制一種新型的120min自救器，防護時間
更長、配帶更加方便、快捷、體積更小，更安全可靠
的隔絕式壓縮氧氣自救器。
按AQ1054—2008技術(shù)參數(shù) 。防護時間：使用
時間為120min(中等勞動強度)
供氧方式。定量供氧：≥1．2L／rain(L／rain)；
自動補給供氧：≥ 60L／min(L／min)；手動補給供
154 中國礦業(yè) 第24卷
氧：≥60L／min(L／min)。
氧氣瓶。容積：1．2 L(L)；額定壓力：20MPa
(200kg)；儲氣量：>240L(L)。
該自救器在AQ技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上全面提高性
能參數(shù)，仍采用隔絕式壓縮氧自救器的基本原理，
原理如圖1所示，采用雙回路循環(huán)的呼吸方式，即呼
吸各為單向通道，與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，
o 由高壓氧氣瓶供應(yīng)，使用ca(oH) 作為CO：的
吸收劑，呼出的濁氣經(jīng)Ca(OH)。凈化后再次進入
呼吸循環(huán)。吸氣時氧氣從氣囊、呼吸閥、面罩進入
人體；呼氣時氣體經(jīng)過呼吸閥、呼氣軟管進入過濾
罐，人體呼出的CO 被過濾罐內(nèi)裝的CO 吸收劑吸
收，余下的氧氣進入氣囊與減壓閥輸出的氧氣混
合，如此反復(fù)完成人的呼吸循環(huán)。在核心技術(shù)、制
作工藝和方便性上進行一些列的創(chuàng)新和改進，更好
地滿足Et益高要求的救援需求。
圖1 原理圖
氧氣鋼瓶作為核心部件，直接影響到自救器的
使用效果，采用市場上比較先進的高壓無縫焊接鋼
瓶，承壓強度大，可在相同容積下，填充更大壓力的
氣體，再配備精密減壓閥，減壓效果更好，密封性更
有保障。充滿氣體后，保證在規(guī)定維護時間內(nèi)，氣
體泄漏符合國家標(biāo)準(zhǔn)，延長了定期維護時間，減少
了維護成本。
CO 過濾罐作為另一個關(guān)鍵部件，整體呈圓柱
狀，不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)附有相同材質(zhì)豎管，通至罐底
部，豎管底部安裝粉塵過濾塞并貼有過濾粉塵的單
向膜，防止罐內(nèi)填充的CO 吸附劑反向進入豎管，
沿著豎管進入人體，給人體造成不必要的傷害，罐
內(nèi)填充滿吸附劑后，用后蓋蓋緊，進行密封。此設(shè)
計存在如在兩點優(yōu)點：① 設(shè)計制造簡便，能滿足正
常使用需求，可更快的更換c0 吸附劑；② 進行防
滲漏和密封處理，保證使用者安全，大大增加了使
用的可靠性和穩(wěn)定性。
氣囊為橡膠制品，采用阻燃抗靜電材料制成，
容積4L，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)裝有呼吸管，管內(nèi)由
軟質(zhì)金屬絲填充，阻止循環(huán)再生O 內(nèi)粉塵顆粒進
入口中，影響呼吸質(zhì)量。氣囊外側(cè)安有超壓排氣閥
(排氣壓力150～300Pa)，氣囊內(nèi)氧氣壓力過大時，
超壓排氣閥開啟，自動泄壓，保證壓力在正常的范圍
內(nèi)。氣囊與氧氣鋼瓶連接處有補氣壓板，完成手動和
自動補養(yǎng)功能，用手指按補氣壓板，氧氣以平均值
80L／min進入氣囊，手指離開補氣壓板，供氧停止；當(dāng)
氣囊為負壓時，補氣壓板向內(nèi)收縮，壓迫補氣桿打開
供氧機構(gòu)，氧氣以平均值80L／min進入氣囊，當(dāng)氣囊
迅速鼓起，補氣壓板離開補氣桿，補氣停止。
呼吸器棄用市場上廣泛使用的呼吸嘴和鼻夾
組合，而采用更為先進，符合人體工程學(xué)的半面罩，
不僅配帶方便、牢固結(jié)實，而且解決了此前呼吸器
佩戴過程中不能說話的弊端，半面罩上加入兩個發(fā)
音膜，配帶半面罩，井下工作人員可進行簡單交流，
聽話距離達到lm 以上。
外套也是改進的重點之一，沒有采用工程塑料
外殼，塑料外殼較大、易碎，質(zhì)量較重，增加了自救
器質(zhì)量負擔(dān)，而采用進口優(yōu)質(zhì)聚酰胺鋁箔材料，具
有阻燃性、耐高溫、抗腐蝕、防靜電等優(yōu)點，非常適
合井下使用，布制外套更易攜帶，包上側(cè)縫制掛袋，
下側(cè)縫有腰帶，使用時可把包掛至胸前，牢靠固定，
逃生時解放雙手，為逃生提供更大的方便。
在研制的基礎(chǔ)上，進行了大量的試驗，試驗參
數(shù)見表2。
表2 性能參數(shù)表
第7期 彭然，等：煤礦用120min自救器的研發(fā)
3 自救器的技術(shù)特點
ZYX120隔絕式壓縮氧氣自救器(圖2)的研制
采用了O 循環(huán)利用技術(shù)；有害氣體濾除技術(shù)；呼吸
器半面罩技術(shù)；自動補氧、手動供氧、定量供氧技
術(shù)；外套阻燃抗靜電技術(shù)。
3．1 O。循環(huán)利用技術(shù)
壓縮氧自救器是與人的呼吸系統(tǒng)形成封閉循
環(huán)的自救器，o。由高壓氧氣瓶供應(yīng)，循環(huán)原理見
圖3。
T為吸氣過程；』為呼氣過程
1．半面膜；2．發(fā)音膜；3．頭帶；4．氣囊；5．CO2過濾罐；
6．減壓閥；7．壓力表；8．夕 套；9．呼氣管；10．超壓排氣閥
圖2 結(jié)構(gòu)圖
8 3
T為吸氣過程；』為呼氣過程
1．呼吸面罩；2．呼氣閥；3．超壓排氣閥；4．過濾罐；
5．呼吸管及豎管；6．塞蓋；7．CO2吸附劑；8氣囊；9．吸氣閥
圖3 循環(huán)原理圖
消耗氧氣量計算如下所述。
1)氧氣瓶容積V(L)，使用時的充氣壓力為P
(MPa)，則氣瓶的儲存氧氣量應(yīng)為P×V(L)。
2)使用中消耗氧氣量為1．15L／min(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
值)；與額定防護時間的乘積為總的理論消耗氧
氣量。
3)比較總的理論消耗氧氣量與氣瓶中氧氣儲
存量即可得出合理結(jié)果：要求氣瓶中氧氣儲存量必
須大于總的理論消耗氧氣量。
‘ 4)實際設(shè)計情況：氧氣瓶有效容積1．2(L)，充
氣壓力平均值25MPa，則氣瓶的儲氧量為300(L)；
使用中每分鐘耗氧量1．15I ，設(shè)計額定使用時間
120min，則總的消耗氧氣量為1．15×120—138(L)；
300(L)>138(L)，且有300—138—162(I )，即存有
162L的氧氣余量，用于自動或手動補給氣體使用，
富余系數(shù)為162／138一l17 。所以供氧系統(tǒng)設(shè)計
合理，安全可靠。
3．2 有害氣體濾除、氮氣循環(huán)呼吸的技術(shù)
人體呼出的CO 氣體采用鈉石灰吸附劑過濾，
通過氮氣循環(huán)的模式完成高濃氧氣與N 混合，供
使用人員呼吸。濾除二氧化碳能力計算如下所示。
1)使用中人體每分鐘呼出COz量為0．9(L)
(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)，設(shè)計額定使用時間120min，則C0
總的排出量為0．9(L)×120(min)一108L，CO。密
度1．977g／L，總質(zhì)量m一1．977×108—213．52g。
2)根據(jù)化學(xué)方程式：
Ca(OH)2+ CO2一CaCO3+ H2O
74 44
W 213．52
計算出：W 一(74×213．52)÷44—181．64(g)。
理論上需要裝填CO 吸收率為100％的氫氧化
鈣359．10(g)，才能保證吸收掉12o rain內(nèi)人體排
出的CO 。MT452—2008標(biāo)準(zhǔn)要求鈉石灰的吸收率
應(yīng)達到35 ，以此計算，需要裝量鈉石灰為359．10
÷35％ 一1026(g)。
3)實際設(shè)計裝量為1500(g)，保險系數(shù)為15oo／
1026：==146 ，完全能夠滿足需要。
3．3 呼吸器半面罩技術(shù)
自救器采用半面罩技術(shù)，設(shè)計符合生理結(jié)構(gòu)，
低鼻梁，低輪廓設(shè)計，采用高級橡膠材質(zhì)，質(zhì)輕舒
適，不刺激皮膚，面具內(nèi)襯表面經(jīng)特殊處理，與臉部
更粘合，不易滑動，帶有語音傳遞同時防止全面罩
因呼吸的濕氣凝結(jié)導(dǎo)致的視線受阻的問題。
3．4 定量供氧、自動補氧技術(shù)
采用了手、自動補氣閥門，由于使用人員正常
活動時呼吸量基本恒定，恒量供給閥可以自動維持
1．2L／min的氧氣供給量，而當(dāng)使用人員呼吸量增
加時，常態(tài)供氧量已不能滿足供氧需求，氣囊萎縮
中國礦業(yè) 第24卷
會自動觸及自動補氣閥，即時釋放流量平均值
80L／min的氧氣，提供人員呼吸，該操作簡單，不需
要學(xué)習(xí)演練，安全可靠，試驗數(shù)據(jù)見表3。
3．5 外殼阻燃抗靜電技術(shù)
自救器外殼采用進口優(yōu)質(zhì)聚酰胺鋁箔材料，具
有耐高溫、抗腐蝕、防靜電、開啟方便等優(yōu)點，非常
適合井下使用，阻燃試驗參數(shù)見表4。
表3 試驗參數(shù)表
有焰燃燒時間 無焰燃燒時間 燃燒后試件
參數(shù) (平均值≤3s) (平均值≤ 10s) 火焰擴展長度
(單值≤ 10s) (單值≤30s) (擴展長度≤280mm)
從外套在空氣中阻燃實驗結(jié)果可以明顯看出，
采用阻燃聚酰胺鋁箔布，不僅在材料的燃燒速率
上，也在材料點燃的難易程度和擴展長度上可以改
善自救器的使用安全性和可靠性。
4 結(jié)論
研制的120min自救器在原有技術(shù)特點基礎(chǔ)
上，采用了新的技術(shù)理論，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，
全面優(yōu)化了各項指標(biāo)，配備了更符合人體工學(xué)的呼
吸半面罩，使用了新型的防火材料，提高了自救器的
整體性能指標(biāo)。新型的120min自救器使用簡便，經(jīng)
簡單培訓(xùn)后，井下人員都能在較短時間內(nèi)完成防護動
作，使用過程中配帶牢固，能進行長時間的自救逃生，
大大提高了自救器的“自救”成功率，為我國煤礦井下
緊急避險系統(tǒng)提供可靠的保證。 I
參考文獻
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救器[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2008：1—16．
米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米
(上接第151頁)
(TMEIC)MVe2提升機專用高壓變頻器對礦井提
升機進行調(diào)速，完全滿足提升機頻繁正、反轉(zhuǎn)啟動／
停止特性及過載沖擊要求。啟動、停車及加、減速
平穩(wěn)。
2)MVe2系列高性能變頻器采用IGBT器件
PWM 整流，減速時可將電機和負載的動能變成電
能回饋電網(wǎng)，使提升機的加、減速過程平滑可靠，提
高了設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性且節(jié)約了電能。
3)TMEIC變頻器采用帶速度反饋的矢量控制
技術(shù)，特別適合于礦井提升機的低速大啟動轉(zhuǎn)矩負
載，使礦井提升機的運行更加安全可靠。
4)系統(tǒng)對提升機的運行狀態(tài)進行多畫面實時
監(jiān)控，對系統(tǒng)故障做到準(zhǔn)確顯示，實時報警，實現(xiàn)提
升全過程的位置、速度監(jiān)視，具備齊全的人機對話
及記錄顯示功能 J。
從該項目的實際應(yīng)用情況看，TMEIC 的
TMdrive—MVe2提升機專用變頻器是一款性能極其
優(yōu)異的高壓變頻器，非常適合礦井提升機驅(qū)動。而
且MVe2提升機專用變頻器具有雙機功能，即兩臺
變頻器并聯(lián)拖一臺雙繞組電機，即使兩臺變頻器中
的一臺故障時，也可以全載半速運行。采用MVe2
提升機專用變頻器雙機并聯(lián)驅(qū)動的提升機功率可
以覆蓋至lOOOOkVA。MVe2提升機專用變頻器還
可采用先進的主從控制功能，可以在多機驅(qū)動的負
載中，保證各負載間轉(zhuǎn)矩誤差小于1 。
總之，東芝三菱(TMEIC)MVe2提升機專用變
頻器是一款性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠、體積小、效率高、
適用性廣泛的具有極高性價比的高壓四象限變頻
器，非常適合重載啟動的提升機負載及其他恒轉(zhuǎn)矩
負載。
■■■
參考文獻
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