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煤矿用120min自救器的研发

文档作者：彭然李磊李鹏文档来源： 1．煤炭科学技术研究院有限公司 2．北京市煤矿安全工程技术研究中心 3．神华神东煤炭集团有限责任公司，		点击数：	更新时间： 2021年07月28日
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第24卷第7期
2015年7月
中 国 矿 业
CHINA M INING M AGAZINE
Vol_24，NO．7
Ju1． 2015
煤矿用1 20min自救器的研发
彭 然 ，李 磊 。，李 鹏。
(1． 煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；2． 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013；
3． 神华神东煤炭集团有限责任公司， 陕西榆林719315)
摘要：针对目前45min隔绝式压缩氧自救器不能很好地满足煤矿井下逃生和自救的需求，为了矿
难发生时更好地保证矿工的生命安全，深度剖析了现存自救器在供氧、使用及后期维护方面的缺点，通过
理论分析、数值计算及模拟试验等方法研制了持续时间更长、自救效果更好、配带方便、快捷、体积更小的
新型120min自救器，突破了传统的设计理念，全面优化了各项指标，配备了更符合人体工学的呼吸半面
罩，使用了新型的防火材料，大大提高了自救器的整体性能指标和“自救”成功率。并详细阐述了自救器的
工作原理、结构特征和技术特点。
关键词：120min自救器；隔绝式；半面罩；阻燃抗静电
中图分类号：TD79 3 文献标识码：A 文章编号：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)
煤矿井下环境复杂多变，受火灾、瓦斯爆炸、煤
尘、顶板等因素的威胁，灾难事故时有发生，国家有
关部门对井下人员佩带自救器有较高的重视，也出
台了相关的法律规范，我国的《煤矿安全规程》第10
条规定“入井人员必须随身携带自救器”，原煤炭部
于1983年专门下发了煤炭部关于下井人员装备自
救器的文件，对矿工佩带自救器进行了更具体的规
定[1]。通过搜集事故调查报告并查阅相关资料以及
收稿日期：2014—08—22
基金项目：“神东井工煤矿逃生通道与紧急避险技术研究”项目资
助(编号：CSIE13023750)
作者简介：彭然(1987一)，男，汉族，河北秦皇岛人，研究实习员，从
事煤矿应急救援产品研发工作，工作于煤炭科学技术研究院有限公
司。E—mail：pengran@ccrise．cn。
现场调研等一系列工作，分析总结得出自救器是最
重要、最有效、最经济的紧急避险装备，自救器是一
种便携式个体防护逃生装备，其具有单重轻、易携
带的特点，也是发生灾害时的呼吸保护装备，是矿
井紧急避险系统的重要一份子，煤矿井下时常会出
现多种突发事故，一般情况下，煤矿井下事故早期
影响范围较小，事故的进一步发展和次生事故的发
生会波及整个矿井，井下人员要抓紧时间逃离危险
区域，到达地面，地面是最安全的，所以佩戴自救器
逃离，保护生命。
现存在的自救器使用复杂、佩戴时间长、有效
防护时间短，为了提高煤矿井下自救器的产品性能
和技术指标，使自救器真正能在救援时发挥作用，
保障井下人员生命健康，必须研发安全有效、操作
简单、佩戴迅速、密封性良好的新型自救器。
～～一一一～ ～一
～一 l一品 一Ⅲ ～ m
仔洲黧．～一嘴爱 要一～ d一二m量 mh一≥ 一 二一～詈 一
．
第7期 彭然，等：煤矿用120min自救器的研发 153
1 自救器的分类及优缺点
1．1 自救器的分类及基本原理
目前煤矿使用的自救器其呼吸循环系统完全
与环境隔离，不受环境条件限制，产品更向安全、便
携、小巧的方向发展，其分类主要有2种：化学氧自
救器和压缩氧自救器。隔绝式压缩氧自救器按照
供氧方式可以分为定量供氧、手动补给供氧、自动
补给供氧三种，按照呼吸方式分为循环式和往复式
两种，按照防护时间分为15型、3O型、45型、6O型
等，其防护时间分别为15min、30min、45min、
60min[。 等。
化学氧自救器其循环系统与人的呼吸系统形
成封闭循环，形成了内部气体消耗一生成一再循环利
用的循环过程，人体呼吸后产生的浊气(水汽和CO。
等)被超氧化钾吸收，生氧剂发生化学反应释放氧
气提供呼吸，与不被消耗的N。等再次 昆合，供人
呼吸 。
压缩氧自救器是与人的呼吸系统形成封闭循
环的自救器，将O 贮存在高压氧气瓶中，通过减压
阀将高压O 的压力值减至人体正常呼吸所需的范
围内，由定量供氧以规定的流量向人体呼吸系统供
氧，当呼吸系统内的压力下降到规定压力值时，自
动补给供氧开启向呼吸系统供氧，同时还具有手动
补给系统，按动手动补给阀直接快速大量的向呼吸
系统供氧，满足缺氧需求，使用Ca(OH) 作为CO。
的吸收剂，呼出的浊气经Ca(OH) 净化后再次进
入呼吸循环。
1．2 自救器的优缺点
我国对自救器的研究起步较晚，老产品在使用
中时有供氧中断、药剂失效导致工作时间缩短及无
端起火等问题；自救器的使用者首次使用时必须经
专业培训、讲解演示，自救器本身对后期维护有严
格的要求，每隔3个月或者半年检查氧气瓶气压，更
换吸附剂，并要求配备专业的氧气填充泵进行填充。
煤矿井下都建有避险设施(避难硐室或救生
舱)，发生事故以逃为主，避险为辅，人员可以佩戴
自救器逃生，遇险人员应尽一切可能撤至地面，地
面最安全，完成自救，如果巷道被堵塞，遇险人员无
法安全撤至地面时，能够迅速进人避险设施可在规
定防护时间内等待救援，瓦斯爆炸等事故往往在瞬
间发生，爆炸冲击力强，传统的自救器通常先松开
自救器卡扣，取下上盖，展开气囊，将鼻夹夹住，咬
住呼吸嘴，开启阀门接通氧气，熟练人员佩戴自救
器至少需要lmin，在短时间内根本没有办法实施自
救；避险设施安放相对固定，根据国家相关规定，在
距离采掘工作面1000m范围内应布设避险设施，但
随着采掘面的不断深入，人员逃离到避难场所的时
间会逐渐加长，45min或60min远远不能满足长时
间逃跑的需求；一般发生灾难时，井下工作人员需
要通过简单地交流，互相施救才能达到救援的目
的，但是传统自救器呼吸氧气采用口咬式呼吸嘴，
此时嘴已经不能再做其他用途，说话时，呼吸嘴会
脱落，造成有毒气体流人，给施救带来了更大的
困难。
人在避险逃生时呼吸量是一个变化值，其值随
人体运动状态变化而改变，当逃生时呼吸量会超过
30L／min，单位时间人体耗氧量也增加，相反人体静
态最小呼吸量只有10L／min，将同批次规格型号相
同的120min自救器在最大、最小及平均值呼吸量
条件下进行模拟试验，结果见表1，自救器防护时间
由于频繁使用手动补给阀，瞬间提高供氧量，会降
低整体防护时间，再加上动态逃生时自身耗氧量的
增加，传统的120min自救器完全不能满足长时间
的逃生需求。
表1 性能参数表
2 新型120rain自救器的研制
为了解决目前市场上存在的自救器的种种缺
点和不足，更好地为井下工作人员的安全提供保
障，决定研制一种新型的120min自救器，防护时间
更长、配带更加方便、快捷、体积更小，更安全可靠
的隔绝式压缩氧气自救器。
按AQ1054—2008技术参数 。防护时间：使用
时间为120min(中等劳动强度)
供氧方式。定量供氧：≥1．2L／rain(L／rain)；
自动补给供氧：≥ 60L／min(L／min)；手动补给供
154 中国矿业 第24卷
氧：≥60L／min(L／min)。
氧气瓶。容积：1．2 L(L)；额定压力：20MPa
(200kg)；储气量：>240L(L)。
该自救器在AQ技术参数的基础上全面提高性
能参数，仍采用隔绝式压缩氧自救器的基本原理，
原理如图1所示，采用双回路循环的呼吸方式，即呼
吸各为单向通道，与人的呼吸系统形成封闭循环，
o 由高压氧气瓶供应，使用ca(oH) 作为CO：的
吸收剂，呼出的浊气经Ca(OH)。净化后再次进入
呼吸循环。吸气时氧气从气囊、呼吸阀、面罩进入
人体；呼气时气体经过呼吸阀、呼气软管进入过滤
罐，人体呼出的CO 被过滤罐内装的CO 吸收剂吸
收，余下的氧气进入气囊与减压阀输出的氧气混
合，如此反复完成人的呼吸循环。在核心技术、制
作工艺和方便性上进行一些列的创新和改进，更好
地满足Et益高要求的救援需求。
图1 原理图
氧气钢瓶作为核心部件，直接影响到自救器的
使用效果，采用市场上比较先进的高压无缝焊接钢
瓶，承压强度大，可在相同容积下，填充更大压力的
气体，再配备精密减压阀，减压效果更好，密封性更
有保障。充满气体后，保证在规定维护时间内，气
体泄漏符合国家标准，延长了定期维护时间，减少
了维护成本。
CO 过滤罐作为另一个关键部件，整体呈圆柱
状，不锈钢材质，内附有相同材质竖管，通至罐底
部，竖管底部安装粉尘过滤塞并贴有过滤粉尘的单
向膜，防止罐内填充的CO 吸附剂反向进入竖管，
沿着竖管进入人体，给人体造成不必要的伤害，罐
内填充满吸附剂后，用后盖盖紧，进行密封。此设
计存在如在两点优点：① 设计制造简便，能满足正
常使用需求，可更快的更换c0 吸附剂；② 进行防
渗漏和密封处理，保证使用者安全，大大增加了使
用的可靠性和稳定性。
气囊为橡胶制品，采用阻燃抗静电材料制成，
容积4L，符合国家标准要求，内装有呼吸管，管内由
软质金属丝填充，阻止循环再生O 内粉尘颗粒进
入口中，影响呼吸质量。气囊外侧安有超压排气阀
(排气压力150～300Pa)，气囊内氧气压力过大时，
超压排气阀开启，自动泄压，保证压力在正常的范围
内。气囊与氧气钢瓶连接处有补气压板，完成手动和
自动补养功能，用手指按补气压板，氧气以平均值
80L／min进入气囊，手指离开补气压板，供氧停止；当
气囊为负压时，补气压板向内收缩，压迫补气杆打开
供氧机构，氧气以平均值80L／min进入气囊，当气囊
迅速鼓起，补气压板离开补气杆，补气停止。
呼吸器弃用市场上广泛使用的呼吸嘴和鼻夹
组合，而采用更为先进，符合人体工程学的半面罩，
不仅配带方便、牢固结实，而且解决了此前呼吸器
佩戴过程中不能说话的弊端，半面罩上加入两个发
音膜，配带半面罩，井下工作人员可进行简单交流，
听话距离达到lm 以上。
外套也是改进的重点之一，没有采用工程塑料
外壳，塑料外壳较大、易碎，质量较重，增加了自救
器质量负担，而采用进口优质聚酰胺铝箔材料，具
有阻燃性、耐高温、抗腐蚀、防静电等优点，非常适
合井下使用，布制外套更易携带，包上侧缝制挂袋，
下侧缝有腰带，使用时可把包挂至胸前，牢靠固定，
逃生时解放双手，为逃生提供更大的方便。
在研制的基础上，进行了大量的试验，试验参
数见表2。
表2 性能参数表
第7期 彭然，等：煤矿用120min自救器的研发
3 自救器的技术特点
ZYX120隔绝式压缩氧气自救器(图2)的研制
采用了O 循环利用技术；有害气体滤除技术；呼吸
器半面罩技术；自动补氧、手动供氧、定量供氧技
术；外套阻燃抗静电技术。
3．1 O。循环利用技术
压缩氧自救器是与人的呼吸系统形成封闭循
环的自救器，o。由高压氧气瓶供应，循环原理见
图3。
T为吸气过程；』为呼气过程
1．半面膜；2．发音膜；3．头带；4．气囊；5．CO2过滤罐；
6．减压阀；7．压力表；8．夕 套；9．呼气管；10．超压排气阀
图2 结构图
8 3
T为吸气过程；』为呼气过程
1．呼吸面罩；2．呼气阀；3．超压排气阀；4．过滤罐；
5．呼吸管及竖管；6．塞盖；7．CO2吸附剂；8气囊；9．吸气阀
图3 循环原理图
消耗氧气量计算如下所述。
1)氧气瓶容积V(L)，使用时的充气压力为P
(MPa)，则气瓶的储存氧气量应为P×V(L)。
2)使用中消耗氧气量为1．15L／min(标准规定
值)；与额定防护时间的乘积为总的理论消耗氧
气量。
3)比较总的理论消耗氧气量与气瓶中氧气储
存量即可得出合理结果：要求气瓶中氧气储存量必
须大于总的理论消耗氧气量。
‘ 4)实际设计情况：氧气瓶有效容积1．2(L)，充
气压力平均值25MPa，则气瓶的储氧量为300(L)；
使用中每分钟耗氧量1．15I ，设计额定使用时间
120min，则总的消耗氧气量为1．15×120—138(L)；
300(L)>138(L)，且有300—138—162(I )，即存有
162L的氧气余量，用于自动或手动补给气体使用，
富余系数为162／138一l17 。所以供氧系统设计
合理，安全可靠。
3．2 有害气体滤除、氮气循环呼吸的技术
人体呼出的CO 气体采用钠石灰吸附剂过滤，
通过氮气循环的模式完成高浓氧气与N 混合，供
使用人员呼吸。滤除二氧化碳能力计算如下所示。
1)使用中人体每分钟呼出COz量为0．9(L)
(标准规定值)，设计额定使用时间120min，则C0
总的排出量为0．9(L)×120(min)一108L，CO。密
度1．977g／L，总质量m一1．977×108—213．52g。
2)根据化学方程式：
Ca(OH)2+ CO2一CaCO3+ H2O
74 44
W 213．52
计算出：W 一(74×213．52)÷44—181．64(g)。
理论上需要装填CO 吸收率为100％的氢氧化
钙359．10(g)，才能保证吸收掉12o rain内人体排
出的CO 。MT452—2008标准要求钠石灰的吸收率
应达到35 ，以此计算，需要装量钠石灰为359．10
÷35％ 一1026(g)。
3)实际设计装量为1500(g)，保险系数为15oo／
1026：==146 ，完全能够满足需要。
3．3 呼吸器半面罩技术
自救器采用半面罩技术，设计符合生理结构，
低鼻梁，低轮廓设计，采用高级橡胶材质，质轻舒
适，不刺激皮肤，面具内衬表面经特殊处理，与脸部
更粘合，不易滑动，带有语音传递同时防止全面罩
因呼吸的湿气凝结导致的视线受阻的问题。
3．4 定量供氧、自动补氧技术
采用了手、自动补气阀门，由于使用人员正常
活动时呼吸量基本恒定，恒量供给阀可以自动维持
1．2L／min的氧气供给量，而当使用人员呼吸量增
加时，常态供氧量已不能满足供氧需求，气囊萎缩
中国矿业 第24卷
会自动触及自动补气阀，即时释放流量平均值
80L／min的氧气，提供人员呼吸，该操作简单，不需
要学习演练，安全可靠，试验数据见表3。
3．5 外壳阻燃抗静电技术
自救器外壳采用进口优质聚酰胺铝箔材料，具
有耐高温、抗腐蚀、防静电、开启方便等优点，非常
适合井下使用，阻燃试验参数见表4。
表3 试验参数表
有焰燃烧时间 无焰燃烧时间 燃烧后试件
参数 (平均值≤3s) (平均值≤ 10s) 火焰扩展长度
(单值≤ 10s) (单值≤30s) (扩展长度≤280mm)
从外套在空气中阻燃实验结果可以明显看出，
采用阻燃聚酰胺铝箔布，不仅在材料的燃烧速率
上，也在材料点燃的难易程度和扩展长度上可以改
善自救器的使用安全性和可靠性。
4 结论
研制的120min自救器在原有技术特点基础
上，采用了新的技术理论，突破了传统的设计理念，
全面优化了各项指标，配备了更符合人体工学的呼
吸半面罩，使用了新型的防火材料，提高了自救器的
整体性能指标。新型的120min自救器使用简便，经
简单培训后，井下人员都能在较短时间内完成防护动
作，使用过程中配带牢固，能进行长时间的自救逃生，
大大提高了自救器的“自救”成功率，为我国煤矿井下
紧急避险系统提供可靠的保证。 I
参考文献
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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页)
(TMEIC)MVe2提升机专用高压变频器对矿井提
升机进行调速，完全满足提升机频繁正、反转启动／
停止特性及过载冲击要求。启动、停车及加、减速
平稳。
2)MVe2系列高性能变频器采用IGBT器件
PWM 整流，减速时可将电机和负载的动能变成电
能回馈电网，使提升机的加、减速过程平滑可靠，提
高了设备运行的可靠性和稳定性且节约了电能。
3)TMEIC变频器采用带速度反馈的矢量控制
技术，特别适合于矿井提升机的低速大启动转矩负
载，使矿井提升机的运行更加安全可靠。
4)系统对提升机的运行状态进行多画面实时
监控，对系统故障做到准确显示，实时报警，实现提
升全过程的位置、速度监视，具备齐全的人机对话
及记录显示功能 J。
从该项目的实际应用情况看，TMEIC 的
TMdrive—MVe2提升机专用变频器是一款性能极其
优异的高压变频器，非常适合矿井提升机驱动。而
且MVe2提升机专用变频器具有双机功能，即两台
变频器并联拖一台双绕组电机，即使两台变频器中
的一台故障时，也可以全载半速运行。采用MVe2
提升机专用变频器双机并联驱动的提升机功率可
以覆盖至lOOOOkVA。MVe2提升机专用变频器还
可采用先进的主从控制功能，可以在多机驱动的负
载中，保证各负载间转矩误差小于1 。
总之，东芝三菱(TMEIC)MVe2提升机专用变
频器是一款性能优异、质量可靠、体积小、效率高、
适用性广泛的具有极高性价比的高压四象限变频
器，非常适合重载启动的提升机负载及其他恒转矩
负载。
■■■
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