呼吸参数对化学氧自救器生氧参数的影响研究

卢建伟

（湖南煤矿安全装备有限公司，湖南长沙 410000）

在火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等严重事故发生时，自救设备能够发挥关键性作用，不少矿区要求井下作业人员为避免因危险气体中毒、缺氧死亡而设置的便携式人体呼吸安全保护器[1]。目前，煤矿采用的自救装置主要分为化学氧气自救装置和压缩氧气自救装置。自救器可在规定时间内为使用者的呼吸和供氧提供一定的保护时间，隔离周围环境内的有害气体，避免其进入呼吸道内。若自救器出现问题，或无法正常工作，将无法发挥保障作用，无法实现救援，本文主要分析自救器问题。

本实用新型具有体积小、携带方便、不受外界因素影响的特点，自救器中的颗粒逐渐转化为药片，增加了产生空气的能量，从而减少了空气粉尘对人体的影响。同时，还对气囊结构进行了研究和改进，以减少对人体皮肤的影响。通过多项科技改进，最新产品OSR生化自救器采用了新生的片状钾超氧脱氧剂，提高了原有脱氧剂的硬度，从而有效降低了生化自救器在矿区人员佩戴过程中产生的粉尘含量[2]。而且料斗采用往复式气路结构，有效扩大了药物剂型的使用面积，降低了空气阻力，减小了罐体体积，从而有效降低了整体承重。隔氧自救器维护量较小，只需定期检查密封条、外包装和气密性即可。

本文选择的化学样自救器为45min自救器，其特点：符合国家规定的救护队员救护产品、矿工救护产品使用要求，且结构设计比较合理，性能较高，使用方便。一般要求人员在CO、CH4或多种有毒、有害气体、缺氧环境内应用，属于一种隔绝式的自救器，且可实现循环多次使用。型号包括：ZYX15、ZYX30、ZYX45、ZYX60、ZYX120矿用压缩氧自救器，隔绝式压缩氧自救器，化学氧自救器，正压氧气呼吸器，负压氧气呼吸器，自动苏生器，自救器校验仪等救生用仪器。

其详细参数：45min自救器型号：ZYX45；
供氧方式：定量供氧gt；
1.2L/min；
防护时间：使用时间为45min（中等劳动强度）；
手动补给供氧gt；
60L/min；
自动补给供氧gt；
60L/min；
45min自救器尺寸：227mm×177mm×96mm；
45min自救器氧气瓶容积：0.38L；
额定压力：200kg；
自动排气压力：150Pa～300Pa；
储气量gt；
76L；
CO2吸收剂应装量ge；
530g；
安全阀门启压力le；
1MPa；
45min自救器重量（包括CO2吸收剂及氧气）：2.1kg。

2.1 不同社会活动强度和工作量下身体循环的基本参数

为了探索人体呼吸参数在各种工作活动下的变化，XX矿业集团和沈阳研究院采用德国DRAGER公司的人体实验数据，借鉴其实验内容和方法，测量了井下工人在各种工作负荷下的基本生理参数，见表1、表2。

表1 不同活动度下生理呼吸参数

表2 不同做功量下生理呼吸参数

根据表1和表2中的预压缩值，假设工作量为W(kg·m/min)，通气量为Q(L/min)，CO2呼出量为C，通过分析与Origin软件系统拟合的数据模型，得出设计期间的工作量、通气量与CO2呼出量的关系，如图1～图3所示。

图1 呼吸量与CO2呼出量的关系

图2 做功量与呼吸量的关系

（1）工作功率与自然吸入、人工吸入和总呼出CO2呈线性上升趋势。（2）人所做的工作量与废气中CO2含量的指数变化有关。而且，人做的功越大，单位功的人体呼吸中的CO2变化就越大。随着一个人动作力量的增加，体内吸入的量和呼出的CO2浓度的不同都会增加，两者的增加都可能导致自救器的产氧反应速度增加。但对于具有一定制氧机质量的化学氧气自救装置，其有效维护时间随着制氧率的提高而缩短。

2.2 呼吸频率对自救器生氧参数的影响

（1）长时间氧合时，造氧剂体温随持续时间的增加而急剧升高，通气频率越高，瓶内氧气体温升高越快。即吸气频率越高，进入的CO2量越大，反应速度越快，产生的热能越大，空气温度上升越快。（2）呼吸系统疾病频率越小，产氧温度达到最大值越小，但出现越晚。（3）当化学试剂变成淡黄色时，立即停止吹气，制氧温度超过平均值。然后，由于设备的散热大于产生热能的散热，开始下降，直到与环境温度一致。（4）人体通气频率越低，产氧率越低，反应时间越长，有效维持时间越长。（5）停止呼气后，瓶内空气温度会降低学习率，与呼吸系统频率有非常明显的相关性。呼吸频率越高，体温下降越快，所以实验完成得越早。

（1）氯酸盐和碱性超氧化物两类药剂，后者的放氧速率、安全性均较高，进而比较合适在化学氧自救器内的应用。在碱性超氧化物内，生氧温度对比，KO2较低，且放氧速度平稳，比较适合应用在化学氧自救器内。（2）使用者的做功量、呼吸频率会影响自救器生氧温度、防护时间，为将生氧温度降低，延长其防护时间，需要将做功量减少，并降低呼吸频率，确保使用期间的安全与健康。（3）生氧药剂质量会直接影响化学氧自救器的生氧温度及防护时间，为确保自救器有效防护，维护使用者的安全，一般30min的自救器要取270gKO2；
防护时间为45min的取KO2400g。（4）超前排气的排气方式、长方体药罐、复合式气路能够在一定程度上，将自救器的生氧温度降低，将防护时间延长，以此为后期自救器安全性能的提升奠定基础，为后期研究提供助力。（5）GB-24502型化学氧自救器可切实满足井下使用要求，在一段时间内，可为使用者提供氧气。但是，在使用期间，极易出现生氧高温，且吸入的气体内杂质较多，极易出现鼻夹脱落现象，安全性与舒适性较低。针对这一问题，在自救器生氧罐、外罐之间加入吸热材料，使用导热性能较好的材料，将呼吸导管剔除，以此将自救器生氧期间的温度降低。同时，在呼吸道管内可加入适量的活性炭，将部分杂质去除，将原本的经鼻夹和口具转变为呼吸面罩，以此实现自救器安全性能的提升。

（1）随着人体活动强度和工作量的增加，真气气体的人工呼吸速率和CO2的总量和浓度都会增加，真气气体的超临界CO2总量和浓度的增加也会增加自救器的产氧速率。（2）通风频率越高，进入的CO2量越大，化学产氧越快，产生的热量越大，瓶内空气温度上升越快。（3）在相同的制氧药物量下，每个吸入系统的发病频率都出现在最高工作温度值上，当人体的吸入频率越来越小时，制氧国家的反应速度会越来越慢，虽然制氧国家的最高工作温度值降低，但会导致反应维持时间的增加，为了有效提高预防效果，自救器的持续时间也可能会延长。