煤礦專(zhuān)用自吸過(guò)濾式防塵口罩

覃小軍 龍麗佳 胡阿敏 胡凱 梁華杰

【摘要】塵肺病防治一直受到政府的高度重視，國(guó)家煤炭工業(yè)十四五規(guī)劃明確將塵肺病防治作為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)對(duì)象。因?yàn)閴m肺病具有遲期復(fù)發(fā)性和長(zhǎng)期隱匿性的發(fā)病特點(diǎn)，高粉塵工作單位普遍存在對(duì)各類(lèi)職業(yè)病污染危害防治認(rèn)識(shí)不到位的情況。國(guó)內(nèi)外礦塵防治經(jīng)驗(yàn)表明個(gè)體防塵裝備是減少人體吸入粉塵的最后一道防線。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有自吸式過(guò)濾式防塵口罩進(jìn)行改進(jìn)，增加集微米級(jí)粉塵粒子的捕捉，渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過(guò)濾技術(shù)，有效的提高了粉塵的吸附率，對(duì)塵肺病防治起到了積極的作用。

【關(guān)鍵詞】煤礦;塵肺病;職業(yè)病預(yù)防;防塵口罩

引言：口罩是一種衛(wèi)生用品，通常戴在口鼻上，過(guò)濾進(jìn)入口鼻的空氣，阻擋有害氣體、氣味、飛沫、病毒等物質(zhì)，由紗布或紙制成。口罩對(duì)進(jìn)入肺部的空氣有一定的過(guò)濾作用。當(dāng)呼吸道傳染病流行，在粉塵等污染環(huán)境中工作時(shí)，戴口罩有很好的效果。

一、我國(guó)塵肺病治理現(xiàn)狀

有研究報(bào)道，20世紀(jì)90年代某現(xiàn)代化露天煤礦粉塵濃度測(cè)定樣品超標(biāo)率為89.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。塵肺病煤礦防治治理經(jīng)費(fèi)企業(yè)投入也嚴(yán)重不足，從目前煤礦治理企業(yè)投入看，粉塵煤等危害污染防治治理費(fèi)用成本是噸炭為煤0.24元/年每月，與安全燃煤生產(chǎn)治理費(fèi)用噸炭為煤145/年每月成本相比，僅噸煤占23.2%，在治理粉塵煤等危害污染防治費(fèi)用方面企業(yè)投入防治經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，這種突出問(wèn)題確實(shí)讓煤礦塵肺病在進(jìn)行根源性的治理上很多保障措施都得不到位。另外，我國(guó)對(duì)工人的防塵教育培訓(xùn)率低，效果不理想。

目前缺乏有效治療塵肺病的藥物與方法。雖然在長(zhǎng)期治療過(guò)程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，形成了《塵肺病治療中國(guó)專(zhuān)家共識(shí)（2018年版）》，但是對(duì)塵肺病的病情評(píng)估和治療康復(fù)缺乏統(tǒng)一規(guī)范。近20年來(lái)，從國(guó)家層面缺乏專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)研究塵肺病治療的科技攻關(guān)項(xiàng)目。各研究機(jī)構(gòu)因?yàn)闆](méi)有直接經(jīng)濟(jì)效益，幾乎沒(méi)有配置從事專(zhuān)門(mén)研究的人員、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)。

二、常見(jiàn)防塵設(shè)備

目前市面上常見(jiàn)的工業(yè)用口罩主要分以下幾種類(lèi)型：自吸過(guò)濾式、動(dòng)力送風(fēng)過(guò)濾式、隔絕壓風(fēng)式。生產(chǎn)和使用的自吸濾式防塵口罩根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為簡(jiǎn)單防塵口罩和復(fù)合防塵口罩。

（一）簡(jiǎn)易防塵口罩

簡(jiǎn)單防塵口罩是一種呼吸通過(guò)過(guò)濾材料的自吸過(guò)濾式防塵口罩。而雙吸式防塵罩是一種帶有防塵和呼吸功能的自吸式防塵罩，可將呼吸進(jìn)行分離。簡(jiǎn)單防塵口罩又稱(chēng)一次性口罩，不配備呼吸閥等設(shè)備，空氣通過(guò)同一通道。主要的優(yōu)缺點(diǎn)也就是：在整個(gè)佩戴過(guò)程中，氣流中攜帶著的灰塵雜物顆粒會(huì)逐漸沉積在口罩過(guò)濾材料層上，導(dǎo)致佩戴口罩的空氣呼吸量和阻力隨著佩戴時(shí)間的不斷增大而逐漸增大。當(dāng)一些煤礦工人在煤氣粉塵排放濃度高的工作條件下連續(xù)工作時(shí)，隨著工作時(shí)間的不斷推移，常常就會(huì)感到肺部呼吸困難，過(guò)濾細(xì)胞對(duì)粉塵的過(guò)濾能力差，與面部的附著力差，容易造成泄漏。但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便并且易清洗，所以現(xiàn)在大規(guī)模使用。復(fù)合式防塵口罩配有防塵盒、棉濾、吸風(fēng)裝置。復(fù)合防塵口罩的主要優(yōu)點(diǎn)是：防塵性高，呼吸阻力小，與面部貼合性好;它的缺點(diǎn)是：質(zhì)量較大，對(duì)視線有一定的阻礙，不容易清洗，成本較高。目前煤礦最常用的復(fù)合防塵口罩原理：吸氣時(shí)，施加負(fù)壓時(shí)，吸入閥功能會(huì)主動(dòng)開(kāi)啟。粉塵氣體會(huì)通過(guò)吸入進(jìn)入塵箱，過(guò)濾后的空氣會(huì)通過(guò)呼吸器等裝置進(jìn)入口罩主體進(jìn)行正常呼吸。呼氣時(shí)，廢氣的正壓會(huì)吹開(kāi)呼氣閥的蓋子，排出面罩內(nèi)的廢氣，降低面罩的熱感，塵盒內(nèi)的薄橡膠板會(huì)阻止呼氣空氣在正壓下流出。近年來(lái)，隨著工人防護(hù)要求的提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了雙聯(lián)防塵口罩。它主要與雙層防塵口罩和防護(hù)眼鏡一起使用，或者防塵口罩的主體可以覆蓋包括眼睛在內(nèi)的整個(gè)面部，可以更好地保護(hù)作業(yè)人員。

（二）主動(dòng)送風(fēng)口罩

為了克服自吸過(guò)濾防塵設(shè)備每一次呼氣和吸氣阻力特別大的缺點(diǎn)，解決其防塵率與阻力之間的問(wèn)題，這些年來(lái)開(kāi)發(fā)了很多種類(lèi)型的電動(dòng)送風(fēng)防護(hù)設(shè)備，比如過(guò)濾口罩和電動(dòng)防塵口罩。過(guò)濾式橡膠送風(fēng)口罩防塵手套口罩的主要工作作用原理主要是：首先借助小型橡膠通風(fēng)機(jī)的呼吸動(dòng)力，將含塵后的空氣快速抽入并經(jīng)過(guò)過(guò)濾料處理進(jìn)行空氣凈化，然后把經(jīng)過(guò)凈化后的潔凈含塵空氣沿小型螺旋管道輸送至小型橡膠送風(fēng)口罩內(nèi)，供手套佩帶者快速呼吸之時(shí)使用。過(guò)濾式送風(fēng)口罩的結(jié)構(gòu)原理主要包括風(fēng)流凈化系統(tǒng)主要由送風(fēng)防塵口罩主機(jī)、過(guò)濾罐、送氣管、防塵口罩等構(gòu)成。送風(fēng)防塵口罩主機(jī)包括微型電動(dòng)機(jī)、微型離心風(fēng)機(jī)、按鈕開(kāi)關(guān)、風(fēng)量調(diào)節(jié)旋鈕等。該主機(jī)要求質(zhì)輕防水，配合肩帶和腰帶使人體受力均勻，送風(fēng)量在75L /min 以上，且在一定范圍內(nèi)可調(diào)，電池的工作時(shí)間最少應(yīng)在6H以上。

（三）隔絕空氣口罩

隔絕室內(nèi)高高壓風(fēng)防塵空氣保護(hù)呼吸器的防粉塵裝置是一種新型用于制造個(gè)人防塵空氣保護(hù)呼吸器的新型防塵空氣保護(hù)裝置。這種防塵裝置包括帶呼氣閥的面罩或頭罩、導(dǎo)氣軟管（最長(zhǎng)可達(dá)100 m 以上）、小型送風(fēng)機(jī)、肩腰固定帶、流量調(diào)節(jié)器，其將進(jìn)氣端放置于無(wú)污染的環(huán)境中，如采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷或掘進(jìn)工作面壓風(fēng)風(fēng)筒出口處，利用小型送風(fēng)機(jī)通過(guò)送風(fēng)長(zhǎng)管將清潔空氣送至呼吸口罩內(nèi)供佩戴者呼吸用，具有防塵和防毒的雙重功能，動(dòng)力來(lái)源為小型蓄電池，該蓄電池具有低電壓報(bào)警和電量顯示功能。

基于以上三種工業(yè)防塵設(shè)備的研究，結(jié)合塵肺病防治及裝備的性價(jià)比，自吸過(guò)濾式防塵口罩成為煤礦預(yù)防塵肺病的首選。而通過(guò)對(duì)2020年中國(guó)口罩行業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)分析，可以看出工業(yè)口罩占比16%，年銷(xiāo)量約16億只，而其銷(xiāo)量的主力軍卻是以3M為首的外國(guó)梯隊(duì)。以淘寶某月的口罩銷(xiāo)量數(shù)據(jù)顯示，單月銷(xiāo)量居然高達(dá)10萬(wàn)只，逐見(jiàn)工業(yè)防塵口罩未來(lái)的市場(chǎng)潛力及發(fā)展空間。而市場(chǎng)上的防塵口罩種類(lèi)繁多，防塵效果參差不齊，其主要存在著呼吸阻力大，濾塵效果差、濾芯迭代快、負(fù)重感強(qiáng)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。所以就必須一定要充分整合國(guó)內(nèi)行業(yè)優(yōu)勢(shì)技術(shù)資源和國(guó)外專(zhuān)家技術(shù)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展專(zhuān)業(yè)科技攻關(guān)，研發(fā)出能滿足煤礦用人單位實(shí)際需求的煤礦工程除塵防護(hù)先進(jìn)裝備技術(shù)和配套裝備，開(kāi)展煤礦塵毒污染危害等煤礦工程除塵防護(hù)的專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)交流和專(zhuān)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，為廣大煤礦工作單位人員提供煤礦工程粉塵治理防護(hù)方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)咨詢服務(wù)，提升煤礦粉塵塵毒危害煤礦工程除塵防護(hù)的治理能力和技術(shù)水平，設(shè)計(jì)針對(duì)國(guó)內(nèi)煤礦單位專(zhuān)用的自動(dòng)呼吸式和過(guò)濾式工程防塵防護(hù)口罩。基于此，我們專(zhuān)門(mén)研發(fā)設(shè)計(jì)出一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)大型煤礦清除粉塵的一種專(zhuān)用自動(dòng)呼吸空氣過(guò)濾式煤礦防塵透氣口罩。

三、設(shè)計(jì)流程

為尋找阻塵效率高、吸氣阻力低的防塵口罩濾料，我們選擇了十余種濾材，以阻塵率和吸氣阻力為指標(biāo)，進(jìn)行了篩選試驗(yàn)。煤礦井下采煤、煤巷綜掘工作面等作業(yè)點(diǎn)的粉塵經(jīng)實(shí)施綜合防塵措施后，粉塵濃度低于100 mg/m，建議選用KN95的復(fù)式防塵口罩，呼吸阻力增加時(shí)應(yīng)該更換濾棉;粉塵濃度高于100 mg /m或巖巷綜工作面，建議選用 KN100的復(fù)式防塵口罩，且濾棉應(yīng)定期更換，口罩主體和濾塵盒其他部件應(yīng)定期清洗。錨噴工人應(yīng)根據(jù)粉塵濃度選用全面防塵罩或帶護(hù)目鏡的防塵口罩。對(duì)于采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)司機(jī)，建議選用隔絕壓風(fēng)式的防塵裝備。目前最常用的為復(fù)式防塵口罩3M3200型，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大范圍試驗(yàn)，該口罩具有阻塵效果好、體積小、質(zhì)量輕、佩戴方便等優(yōu)點(diǎn)，我們對(duì)此款工業(yè)級(jí)防護(hù)口罩與我們?cè)O(shè)計(jì)的煤礦專(zhuān)用自吸過(guò)濾式防塵口罩進(jìn)行對(duì)比，再加上市面上常見(jiàn)的工業(yè)級(jí)自吸過(guò)濾式防塵口罩進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)方法與結(jié)果如下：

濾料的阻塵率，是以自己組裝的濾料阻塵李測(cè)定裝置，采用濾膜計(jì)重法進(jìn)行測(cè)定的。測(cè)定裝置是由發(fā)塵箱、采樣器濾頭、啟齒壓力計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和抽氣機(jī)等組成。發(fā)塵箱是自制的方形木箱。箱的前壁中央啟齒并安裝一個(gè)緩沖盒。緩沖盒的前壁設(shè)兩個(gè)平行采樣孔，用縱嵌入采樣器濾頭。采樣器濾頭系利用武安一班型粉塵采樣器的濾頭。濾頭與開(kāi)口壓力計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和抽氣機(jī)等串連。組裝后漏氣實(shí)驗(yàn)，在壓力大于200mm的條件下各部位均不漏氣。試驗(yàn)用塵源為醫(yī)用滑石粉，用測(cè)微計(jì)數(shù)法測(cè)定粉塵分散度為小于5mm。試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)塵箱中央放一個(gè)發(fā)塵杯，為保持必需的粉塵濃度，每隔5分鐘向發(fā)塵杯內(nèi)加入滑石粉，并用吹風(fēng)機(jī)揚(yáng)塵。而后，將裝有測(cè)塵濾膜的采樣器濾頭嵌入采樣孔，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法，以30L/min的流量抽氣15分鐘，取下載塵濾膜、稱(chēng)重，并按標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算濾料阻塵率。

濾料的吸氣阻力，是利用自己組裝的試驗(yàn)裝置側(cè)定的。試驗(yàn)裝置是以自制的紙殼濾筒和采樣器濾頭、開(kāi)口壓力計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、抽氣機(jī)等組成。紙殼濾筒的內(nèi)徑為5cm，通氣面積19.6cm2。組裝時(shí)，先將紙殼濾筒套在采樣器濾頭上，使濾筒和濾頭鋒觸面在壓力大于200mm的條件下不漏氣。而后，再將裝有濾筒的采樣器濾頭與開(kāi)口壓力計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和抽氣機(jī)等連接，組成實(shí)驗(yàn)拭置。測(cè)定時(shí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和條件，以30L/min的流量抽氣，測(cè)量抽氣所形成的負(fù)壓值與管線的負(fù)壓值之差，即吸氣阻力。不同濾料吸氣阻力的測(cè)定結(jié)果表明：螺紋錦綸彈力布和聚酯泡沫吸氣阻力最低。

為提高阻塵率，我們將聚醋泡沫塑料和羅紋錦綸等組合，做成組合濾料，并對(duì)其阻塵率和吸氣阻力進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明組合濾料的阻塵率可提高到99%以上，吸氣阻力仍在1.5mm以下。

根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合一定新興科技的運(yùn)用，本次設(shè)計(jì)煤礦專(zhuān)用自吸過(guò)濾式防塵口罩采用的是集微米級(jí)粉塵粒子的捕捉，渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過(guò)濾技術(shù)一體化設(shè)計(jì)而成的，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有工業(yè)級(jí)口罩防塵的不足，通過(guò)運(yùn)用靜電除塵原理制成的帶電性活性碳纖維刷圓孔板，在微電流的作用下，碳纖維毛刷將帶上電荷而產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附矩陣，能夠主動(dòng)捕捉0.3um～5um之間的粉塵粒子，該部件過(guò)濾過(guò)后的空氣將被渦輪風(fēng)機(jī)增壓送入碳纖維濾芯元件，進(jìn)行二次過(guò)濾，讓使用者呼吸到更干凈的空氣。

四、測(cè)試流程

我們對(duì)于此款針對(duì)煤礦專(zhuān)用自吸過(guò)濾式防塵口罩進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，對(duì)比測(cè)試流程及結(jié)果如下：

我們通過(guò)購(gòu)買(mǎi)并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了國(guó)內(nèi)模具市場(chǎng)上和銷(xiāo)量較大的4個(gè)知名品牌的10種工業(yè)級(jí)自動(dòng)手吸防塵過(guò)濾口罩防塵防護(hù)口罩的自吸過(guò)濾空氣效率和防塵吸阻，測(cè)試了國(guó)內(nèi)代表性各種頭部防護(hù)模具的適用性。同時(shí)，我們要求他們的主觀感受來(lái)綜合評(píng)估他們的保護(hù)性能。所有通過(guò)測(cè)試的專(zhuān)用防塵罩和口罩都已經(jīng)取得了德國(guó)生產(chǎn)商的合格證和產(chǎn)品la，防護(hù)等級(jí)為KN95。

在排氣流量為85 L /min時(shí)，口罩材料的過(guò)濾效率>95%，均達(dá)到了N95口罩的過(guò)濾能力。口罩的流量吸阻數(shù)值測(cè)試分析結(jié)果顯示，在85l/min立式抽取泵的流量下，吸阻數(shù)值低于70pa，符合國(guó)標(biāo)（gb2626-2006）吸阻小于350pa的流量要求。測(cè)試材料面罩的使用材料必須符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

當(dāng)根據(jù)臉型選擇的受試者實(shí)際戴上這些口罩時(shí)，他們的結(jié)果并不好。本研究組設(shè)計(jì)的煤礦專(zhuān)用自吸過(guò)濾式防塵口罩獲得一致性好評(píng)。

進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析表明，自動(dòng)手吸防塵過(guò)濾式口罩防塵過(guò)吸口罩與杯形口罩的面部形狀和其對(duì)受試者的吸煙頭口罩面部開(kāi)孔大小都具有密切的交互相關(guān)性，尤其特別是口罩面部開(kāi)孔長(zhǎng)度和口罩面部開(kāi)口寬度分別對(duì)杯形自吸防塵過(guò)濾口罩的實(shí)際適用性都具有很大量的影響。需要特別注意的一點(diǎn)是，要有效提高這種防塵噴霧口罩的實(shí)際適用性，就要用我們自己的個(gè)人臉型柱。根據(jù)一些科學(xué)研究，西方人自行設(shè)計(jì)的這種口罩不能完全滿足現(xiàn)代韓國(guó)人的使用需求，口罩的在設(shè)計(jì)上還應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)代韓國(guó)人的不同臉型特征進(jìn)行不斷改進(jìn)。此外，在防塵口罩的臉型得到改善后，口罩的適用性大大提高。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)目前市場(chǎng)上的防護(hù)口罩設(shè)計(jì)方案主要根據(jù)阻塵率來(lái)設(shè)計(jì)，以提高佩戴防護(hù)罩的效果。

（一）口罩效果主要在于佩戴臉型是否符合口罩設(shè)計(jì)模型，所以我們研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的煤礦用自吸過(guò)濾防塵口罩是專(zhuān)門(mén)針對(duì)中國(guó)臉型設(shè)計(jì)的，可以保證口罩的效果不打折扣。

（二）阻塵率作為衡量口罩防塵效果的關(guān)鍵指標(biāo)，我們通過(guò)渦輪供風(fēng)降阻，濾芯再過(guò)濾技術(shù)對(duì)阻塵率進(jìn)行提升。

（三）口罩的佩戴舒適性是重要的指標(biāo)，我們通過(guò)選用羅紋無(wú)紡布來(lái)降低呼吸時(shí)的阻力，提升佩戴舒適性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉步升.J—Ⅲ型自吸過(guò)濾式防塵口罩的研制[J].鐵道勞動(dòng)衛(wèi)生通訊，1983（02）：39-41.

[2]陳衛(wèi)紅，史廷明.自吸過(guò)濾式防塵口罩的適合性與防護(hù)效果研究進(jìn)展[J].公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)，2014，25（06）：1-4.

[3]樊晶光，張建芳，王海椒，王雪濤，唐艾華，劉其才.我國(guó)煤礦塵肺病防治現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策建議[J].職業(yè)衛(wèi)生與應(yīng)急救援，2021，39（01）：1-5.

[4]王昕妍，史廷明，盧瑋，覃紹先，劉躍偉，陶瑩，張洪歌，陳衛(wèi)紅.常用N95型自吸過(guò)濾式防塵口罩阻力與過(guò)濾效率及影響因素[J].中華勞動(dòng)衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2015，33（01）：3-6.

本文為六盤(pán)水師范學(xué)院大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽重點(diǎn)培育訓(xùn)練項(xiàng)目《智能化送風(fēng)防塵口罩》的部分研究成果。

作者簡(jiǎn)介：覃小軍（1997年10月6日），性別：男，民族：漢族，籍貫：貴州省銅仁市，學(xué)歷：本科，主要研究方向：采礦工程。

通訊作者：梁華杰，1988年7月生，碩士，教授，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：礦山壓力與控制，六盤(pán)水師范學(xué)院采礦工程系教師。