災區(qū)內(nèi)互換正壓氧氣呼吸器氧氣瓶的技術(shù)分析

嚴志強，袁 林

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司礦山救護大隊，甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

氧氣呼吸器是礦山救護隊員在有毒、缺氧的環(huán)境條件下，從事?lián)岆U救災或安全技術(shù)服務時，為保護其生命安全所佩用的一種個人防護裝備，是礦山救護隊員的第二生命。因此救護指戰(zhàn)員氧氣呼吸器有效工作時間的長短直接關(guān)系到救援人員的生命安全和搶險救災工作的成敗。

《煤礦安全規(guī)程》[1]第709條規(guī)定：“所有指戰(zhàn)員進入災區(qū)前必須檢查氧氣呼吸器，氧氣壓力不得低于18 MPa，使用過程中氧氣呼吸器的壓力不得低于5 MPa。發(fā)現(xiàn)有指戰(zhàn)員身體不適或者氧氣呼吸器發(fā)生故障難以排除時，全小隊必須立即撤出”。在搶險救災實踐中，由于復雜災區(qū)環(huán)境下，救援人員的工作強度增大，佩戴呼吸器者的呼吸強度和頻率相對增強，對氧氣的需求量也隨之增加，造成呼吸器氧氣壓力快速下降，有效工作時間大大縮短。隨著各礦井開采深度的不斷延伸，幾乎大部分氧氣消耗在往返災區(qū)的路途上，從而進一步縮短了呼吸器的救災工作時間；另外，當救災路線被堵，救災人員難以在第一時間內(nèi)返回安全地點時，需要持續(xù)不斷的供氧來維持救災人員的呼吸。因此，災區(qū)內(nèi)互換正壓氧氣呼吸器氧氣瓶，在爭取最佳救援時機、延長救災工作時間、確保救災人員的生命安全方面都有極其重要的意義。

1 正壓氧氣呼吸器的工作原理

正壓氧氣呼吸器主要分為氣囊式和呼吸艙式兩大類，二者工作原理相同，即呼吸氣路均為閉路循環(huán)系統(tǒng)。所謂閉路循環(huán)系統(tǒng)是指呼出的氣體與定量孔所供新鮮氧氣混合后進入清凈罐(混合可降低呼出氣體中CO2的濃度，使之吸收更充分)，由CO2吸收劑Ca(OH)2在清凈罐內(nèi)將CO2吸收后，進入呼吸艙，供使用者進行連續(xù)的吸氣、呼氣，整個過程與外界大氣完全隔絕，可使呼吸氣體循環(huán)使用。

當氣瓶開關(guān)被打開時，氧氣經(jīng)減壓連續(xù)供給呼吸艙，當使用者吸氣時，呼吸氣體從呼吸艙流入冷卻罐，氣體在冷卻罐里被冷卻，然后通過吸氣軟管進入面罩。當使用者呼氣時，氣體經(jīng)過呼氣軟管，再通過清凈罐吸收呼出氣體中的CO2，然后進入呼吸艙，完成一次循環(huán)。

當人們從事重體力勞動時，呼吸量較大，流量不能滿足呼吸要求時，呼吸艙內(nèi)氣體壓強不斷降低，正壓彈簧推動膜片，開啟自動補給閥補充氧氣；當人們從事輕體力勞動時，呼吸量較小，定量供給的氧氣用不完，呼吸艙內(nèi)氣體壓強不斷升高，推動膜片開啟排氣閥，排出多余氣體。正壓彈簧、自動補給閥和排氣閥的共同運作，使整個呼吸過程中系統(tǒng)內(nèi)氣體壓強總保持一定范圍的正壓值[2]。

2 正壓氧氣呼吸器供氧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和用途

2.1 供氧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

正壓氧氣呼吸器供氧由氧氣瓶、減壓器、手動補給閥、自動補給閥、定量孔組成。供氧系統(tǒng)的各個零部件是通過高壓管路連接起來的[2]。

2.2 供氧系統(tǒng)各部件的用途

1)氧氣瓶：由瓶體(鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞)、瓶閥、壓力表三部分組成。它是呼吸器唯一的供氧源，由碳纖維復合材料制成，額定工作壓力20 MPa，容積為2.7 L或2.6 L，貯氧量為540 L或520 L。

2)減壓器：作用就是將氧氣瓶內(nèi)的高壓氧氣減為中壓，并連續(xù)不斷地供給呼吸艙氧氣。

3)定量孔：提供1.4～1.8 L/min的流量，在流量為1.6L/min時，供給的氧氣為人們“休息”時的需氧量的4～6倍。

4)手動補給閥：手動補給閥按鈕用于應急情況下使用，當供氧系統(tǒng)發(fā)生故障或使用者感到呼吸氣體不足時，可以按手動補給閥按鈕，使氧氣不經(jīng)過定量孔和自動補給閥直接流入呼吸艙內(nèi)。

5)自動補給閥：當使用者進行重體力勞動，代謝氧需求量超過1.8L/min時，呼吸艙供氧不足，膜片被推到呼吸艙頂部，開啟自補閥進行快速補氧。如果定量孔出了故障，自動補給還是一個“支援者”。

3 正壓氧氣呼吸器備用氧氣瓶互換環(huán)境分析和前提條件

3.1 正壓氧氣呼吸器備用氧氣瓶互換環(huán)境分析

1)大氣環(huán)境。因正壓呼吸器本身就是用于無氧、缺氧及有毒有害氣體，或是有毒氣、煙霧、蒸汽污染的大氣環(huán)境中工作時救災人員的個人防護，并且在卸掉原有的氧氣瓶后呼吸系統(tǒng)內(nèi)對于外界而言始終處于正壓狀態(tài)，在正壓的作用下外界空氣不能進入呼吸器及人體的呼吸系統(tǒng)，所以在互換氧氣瓶時對外界氣體成分沒有具體的要求。

2)溫度范圍。正壓呼吸器必須在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用。溫度太低，容易造成呼吸器內(nèi)塑料橡膠制品的“硬化”，密封圈會失去彈性，影響呼吸器的氣密性；溫度太高，會加速呼吸器內(nèi)塑料橡膠制品的“老化”，影響呼吸器的使用壽命。因此在更換呼吸器氧氣瓶時溫度也必須在-10℃～40℃。

3)相對濕度。正壓氧氣呼吸器可以在0%～100%的相對濕度下正常工作，呼吸器更換氧氣瓶可以在極其干燥的環(huán)境中操作，如果需要，短時間浸沒到水中也可完成更換。

4)大氣壓力。正壓呼吸器在70～125 kPa的大氣壓力下可正常工作，因此，更換氧氣瓶的操作時大氣壓力也應在此范圍內(nèi)。

5)其他外界條件。一是更換時要有足夠的空間，便于操作；二是在災區(qū)更換時要注意巷道頂板及來壓情況，防止撞擊氧氣呼吸器及氧氣瓶，造成儀器和人身傷害；三是更換時要距火區(qū)20 m之外，遠離油脂存放點，防止發(fā)生燃燒或爆炸。

3.2 正壓氧氣呼吸器備用氧氣瓶互換前提條件

1)更換前必須保證被更換呼吸器整機氣密性完好，呼吸循環(huán)系統(tǒng)工作正常。更換呼吸器前，更換操作者要詳細檢查被更換的呼吸器，通過詢問被更換者對呼吸器的了解情況和傾聽被更換呼吸器的聲音判別呼吸器整機是否氣密，呼吸循環(huán)系統(tǒng)是否完好。如果在靜止站立狀態(tài)下呼吸器自動補給閥開啟過于頻繁(間隔時間低于1 min)或聽到有“嘶嘶”的聲音，則認為該呼吸器整機不氣密，呼吸器循環(huán)系統(tǒng)漏氣，就必須更換呼吸器或采取其他措施進行救助。

2)更換前必須保證備用氧氣瓶壓力在18 MPa以上且完好。更換操作者觀看氧氣瓶壓力表，確定氧氣壓力是否正常，隨后迅速開關(guān)一次氧氣瓶閥門，確定瓶閥和供氧接口是否暢通和完好。

3)上述兩個條件必須同時滿足方可進行更換氧氣瓶操作。

4 正壓氧氣呼吸器氧氣瓶互換的實驗和安全性分析

基于對正壓氧氣呼吸器工作原理和供氧系統(tǒng)的研究，并通過實踐操作，可以得出以下結(jié)論。

1)在關(guān)閉氧氣瓶后，短時間內(nèi)減壓膛室壓力為1.9 MPa(190個大氣壓力量對比)，而外界壓力遠小于其膛室壓力值，因此外界氣體不能進入減壓器至呼吸循環(huán)系統(tǒng)。

2)在按下手動補給閥使呼吸倉內(nèi)充滿氧氣后(排氣閥開啟)，關(guān)閉氧氣瓶并將其卸下， 1 min內(nèi)呼吸倉及呼吸循環(huán)系統(tǒng)仍處于正壓狀態(tài)，所以外界氣體也不能進入呼吸循環(huán)系統(tǒng)。

3)雖然關(guān)閉氧氣瓶后，在加載彈簧的作用下會使呼吸艙容積減小，但由于呼吸器呼吸循環(huán)系統(tǒng)屬閉路循環(huán)系統(tǒng)，所以也不會造成氧氣外泄。

4)我國煤炭行業(yè)標準MT867-2000《隔絕式正壓氧氣呼吸器》規(guī)定，正壓氧氣呼吸器的呼吸艙或氣囊的有效容積應不小于5 L。而在實際應用中，額定工作時間不小于4 h的正壓氧氣呼吸器呼吸艙或氣囊有效容積均大于5 L，例如進口BG4型正壓氧氣呼吸器的氣囊有效容積就達到了5.5 L。

5)正常成年男子在不同活動強度下，其所需的氧氣量有所不同(見表1)。以佩戴一個呼吸艙有效容積為5.0 L正壓氧氣呼吸器進行強體力勞動的狀態(tài)下為例，假設其氧耗量為2.7 L/min，在按下手動補給，使呼吸艙(氣囊)充滿氧氣，關(guān)閉氧氣瓶，可供佩戴者正常呼吸的時間為：

5.0 L÷2.7 L/min=1.85 min=111.6 s

表1 佩戴者在不同強度體力負荷下所需的氧氣量[2]

根據(jù)多次互換實驗，在按動手動補給使呼吸艙充滿氧氣后，關(guān)閉、卸下氧氣瓶，再更換備用氧氣瓶，最快時間為28 s，最慢時間為37 s，實驗數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 地面環(huán)境條件下 (O2：20%、CH4：0、CO：0 mg/L、T：18℃)

表3 模擬巷道高溫巷環(huán)境條件下 (O2：9%、CH4：0.4%、CO：400 mg/L、T：36℃)

5 正壓氧氣呼吸器備用氧氣瓶互換操作程序

5.1 更換前的檢查工作

1)檢查更換環(huán)境是否正常(由更換操作者完成)。①更換地點前后20 m范圍內(nèi)空氣溫必須在-10℃～40℃。②更換地點必須有可以正常操作的足夠空間。③更換地點前后20 m范圍內(nèi)支護完好，無片幫、冒頂?shù)任ｋU。④更換地點前后20 m范圍內(nèi)無明火、無油脂等可燃物體存放。

2)檢查被更換呼吸器和備用氧氣瓶的完好狀況(由被更換者和更換操作者共同完成)。①檢查被更換的呼吸器整體是否氣密，呼吸循環(huán)系統(tǒng)工作是否正常，否則不得更換。②檢查備用氧氣瓶壓力是否在18 MPa以上，氣瓶閥門和供養(yǎng)接口是否暢通，否則不得進行更換操作。

5.2 兩者的配合

更換前，被更換者必須停止一切工作，保持呼吸均勻，積極主動的與更換操作者配合。

5.3 更換步驟

1)更換操作者迅速拿出備用氧氣瓶，被更換者迅速背向更換操作人員蹲下或跪下。

2)更換操作人員迅速打開需要更換者的呼吸器上殼體下部扣鎖，并卸下上殼體。

3)更換操作人員按下需要更換者的呼吸器手動補給閥，直至排氣閥打開，使呼吸倉內(nèi)充滿足夠的氧氣。

4)更換者迅速關(guān)閉需要更換的氧氣瓶瓶閥。

5)更換者再次按下被更換者呼吸器的手動補給閥，使被更換氧氣瓶瓶閥與高壓管路之間卸壓。

6)更換者一只手迅速轉(zhuǎn)動需要更換呼吸器固定氧氣瓶的“T”型螺釘，一只手迅速撕開氧氣瓶固定帶。

7)當“T”型螺釘絲扣下端松到與氧氣瓶固定座對齊，氧氣瓶固定帶完全被打開后，兩手迅速卸下氧氣瓶。

8)更換者迅速將卸下的氧氣瓶放在一邊，將完好的氧氣瓶充氧接口對準氧氣瓶固定座上的供養(yǎng)接口并輕輕推入，一只手扶住氧氣瓶，一只手迅速旋動“T”型螺釘并快速上緊。

9)“T”型螺釘上緊后迅速打開瓶閥，同時按下手動補給閥門，直至排氣閥打開，使呼吸倉內(nèi)供養(yǎng)正常。

10)更換操作者將更換好的氧氣瓶固定帶拉緊并固定好，迅速安裝好呼吸器上殼體，并扣好扣鼻。

5.4 更換結(jié)束

更換結(jié)束后，更換操作者必須詳細檢查更換后的呼吸器工作狀況，觀察被更換呼吸器的氧氣瓶壓力表和肩掛壓力表，兩者壓力顯示值相同或相似說明更換成功，否則必須立即更換呼吸器或采取其他措施進行處理。

5.5 更換時的注意事項

1)在災區(qū)更換氧氣瓶必須在撤離路線被堵且氧氣瓶壓力不足，不能安全撤離災區(qū)時更換，否則不得操作。

2)更換前必須詳細檢查備用氧氣瓶的壓力和完好狀況，當氧氣壓力不足或接口不完好時嚴禁更換。

3)被更換氧氣瓶者必須保持心態(tài)平靜，呼吸均勻，維系最低限度的供氧要求。

4)更換操作者保持良好的心理素質(zhì)，嚴防在拆卸和安裝上殼體、氧氣瓶時造成相關(guān)部件的人為損壞。

5)在松動“T”型螺釘時松到氧氣瓶能自如地卸下和安裝為止，不可全部卸掉或掉落丟失，以免浪費時間。

6)安裝備用氧氣瓶時動作要輕、要快，等氧氣瓶的充氧接頭和呼吸器的供養(yǎng)接頭完全對準后推入，否則極有可能造成抗靜電密封圈掉落或破裂，致使更換失敗。

7)氧氣瓶安裝到位后要迅速按下手動補給閥，爭取在最短時間內(nèi)供給被更換者的氧氣需要。

8)更換結(jié)束后要及時觀察氧氣壓力及其變化情況，若氧氣壓力不足或迅速下降時，要及時更換呼吸器或采取其他必要措施救助。

6 結(jié)語

通過實驗和研究表明，只要按照災區(qū)內(nèi)互換正壓氧氣呼吸器氧氣瓶操作程序操作，且待換正壓氧氣呼吸器本身完好，能夠在40 s內(nèi)完成互換氧氣瓶的操作，其技術(shù)上是可行的，也是安全的。在災區(qū)距離長、救援任務緊的情況下，能在災區(qū)內(nèi)互換正壓氧氣呼吸器氧氣瓶，可以最大限度地延長救援時間，確保救援人員安全，提高應急救援效率。