矿用安全帽的改进可行性分析

2014-05-12 发布在行业动态

煤炭是当今世界最重要的能源之一，由于煤炭大多都深埋于地层之中，因此煤炭的开采必须通过开挖矿井的方式进行。尽管现在机械化程度已经达到了一定高度，但在煤矿中仍然无法实现煤炭的纯机械化采掘，必须需要人员深入井下进行开采。在矿井这个复杂而充满危险的环境中，井下人员的安全防护装备就显得尤为重要。井下人员的安全防护装备包括安全帽、矿灯、自救器等，其中，安全帽作为保护人体最重要部位——头部的防护装备，显得尤为重要。

一、矿用安全帽的现状分析

矿井环境十分复杂，矿井深度从几十米到上千米不等，上面压着厚厚的岩层，尽管井下有支架进行支撑，但仍难保证绝对的安全，顶板灾害也是矿井常见灾害之一。头部是人体最关键的部位，因此在几乎每个危险场合，头部的保护都是必需的。

安全帽的主要功能是保护头部免受来自上方的冲击和缓解冲击的力度，它的防护原理是：在帽壳与头顶之间形成一定空隙，此空隙对来自上部的冲击会起到一定缓冲作用；同时，球形的光滑帽壳可以使来自上方的掉落物改变方向，从而避免对头部的冲击。

另一方面，井下的安全不仅仅来自于头部上方的威胁，矿井气体也是危害之一。井下空气中有害气体的含量较大，同时掺杂矿尘，长时间呼吸这种空气会对人身体产生极大的危害。“矽肺病”是矿工中普遍存在的一种职业病，正是由矿工长期呼入的矿井气体所造成的。

综合上述两者考虑，安全帽仅能保护头部免受冲击伤害，对于矿井中有害的气体则完全起不到任何保护作用。

二、矿用安全帽的改进角度研究

(一)呼吸过滤装置

经过上面的分析已知，安全帽主要起到保护头部免受伤害的作用。但针对井下人员中常见的职业病——“矽肺病”，目前没有任何一件装备能够起到预防该疾病的作用。因此，参考防毒面具的设计，可以在安全帽上增加呼吸过滤的功能。

在煤炭开采的过程中会产生大量矿尘，加上矿井通风的作用，使大量矿尘游离于空气中，井下人员长期在此环境中呼吸，极有形成“矽肺病”的危险。矽肺病主要是由于长期吸入含游离的二氧化硅粉尘，引起的以肺间质纤维化，及矽肺结节为主的疾病，严重者可影响肺功能，丧失劳动能力，甚至发展为肺心病、心衰及呼吸衰竭。

除了矿尘之外，矿井中的有害气体对人体也有较大危害。这些有害气体包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氨气、二氧化氮等。如长期吸入微量的一氧化碳，人的情感状态、简单反应时、数字跨度、手工敏捷度、数字译码和视觉保留等都会低于正常人水平。一氧化碳、二氧化碳之类的气体长期被人呼入后，对人的肺部影响很大，容易诱发肺癌。再如硫化氢、二氧化硫的长期呼入可引起嗅觉减退，以及出现神经衰弱综合征和植物神经功能障碍;氨气的长期呼入可诱发肺水肿、呼吸窘迫综合征等，同时可能发生呼吸道刺激症状;二氧化氮的长期呼入容易引起气管炎、支气管炎、咽喉炎等呼吸道疾病。这些都威胁着井下人员的身体健康。

综上考虑，呼吸过滤装置的引入必须具备两种功能：一是过滤矿尘，二是过滤有害气体。

(二)定位系统

井下人员的定位无论对管理还是救援都有重要作用。

目前已有的井下人员定位系统，是以现代无线电编码通讯技术为基础，应用现代无线电通讯技术中的信令技术及无线发射接收技术，结合目前流行的数据通讯、数据处理及图形展示软件等技术。系统能够及时、准确的将井下各个区域人员和移动设备情况动态反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员和移动设备的总数及分布状况;系统能跟踪干部跟班下井情况、每个矿工入井、出井时间及运动轨迹，以便于企业进行更加合理的调度和管理。

这个定位系统是一个微型计算机系统，由数据无线采集、显示、控制、存储、红外遥控、通讯、看门狗、电源等主要功能电路组成。主要通过主板、通讯板、无线收发板和电源板等几块电路板形成有机整体。其中主板为主控电路;通讯板用于与地面中心站的数据通讯;无线收发板于分站与外部人员携带卡进行数据通信。其工作原理是：系统人员定位分站的无线收发数据板将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送;人员随身携带的标识卡进入低频的发射天线工作区域后被激活(未进入发射天线工作区域标识卡不工作)，同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去;接收天线接收到标识卡发来的载波信号，经分站主板接收处理后，提取出目标识别码通过远距离通讯线送地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理。

这种定位系统的局限性在于，信号的传播使用的是无线电，无线电的穿透性弱。我们都有过在隧道涵洞中手机失去信号的经历，正是因为隧道涵洞阻挡了外部信号的传播。若要在井下是无线电通信能够通畅，则需要多个信号中转站，一旦有某个信号站出现故障，则通信将会中断，在事故发生时，这种情况更是无法避免。另一方面，矿井越深，规模越大，需要的信号中转站也就越多，需要的费用也必然就越高。再者，井下人员需要随身携带用于发射和接受信号的识别卡，识别卡的故障和丢失也是难以避免的。

三、矿用安全帽改进方案的可行性探讨

(一)呼吸过滤装置的材料与外形

1.呼吸过滤装置的材料

消防员佩戴的防毒面具主要用来过滤火灾现场中的烟尘与有毒气体，矿井环境与这种环境有相似之处。

防毒面具主要使用一种叫做“活性炭”的材料。活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附气相、液相中的各种物质。活性炭虽然是一种很细小的炭粒，却有很大的表面积，而且炭粒中还有更细小的毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以能与气体杂质充分接触。当这些气体杂质碰到毛细管会被吸附，起净化作用。对于矿尘的过滤，活性炭可以起到的很好的作用。同时，活性炭的化学吸附特性也可以有效的过滤有害气体。活性炭的材料来源广泛，加工简单，可谓是“物美价廉”。

2.呼吸过滤装置的外形

矿井环境虽然与火灾环境类似，但其中的有害物质远没有后者多，因此矿用的防护面具不需要像防毒面具一样笨重、严密，可以设计得轻便而易摘戴，如口罩一般即可。这种外形似口罩的呼吸过滤装置要轻便、易携带，可以附着在安全帽上成为其整体的一部分;或者作为一个可装卸的部分，这样将便于清洗和更换。

上述分析可以表明，在安全帽上增加呼吸过滤装置是完全可行的。

(二)定位系统的形式与技术手段

1.定位系统的形式

上面已经分析了现有定位系统的特点，其系统庞大，需要巨大的硬件支持，则必然带来巨大的资金投入。

最理想的定位系统的形式应该是：在安全帽上安装一个很小的发射/接收装置(内部可以含有该人员的个人信息)，只需要地面上一个收发设备，即可以监测井下人员的情况。即使发生矿难，只要安全帽上的装置没有损坏，就可以向外发送信号，这个信号可以包括该人员的个人信息以及所在位置、现场情况等，这样对救援来说就方便许多了。简而言之，就是实现地面-井下的直接通讯。在安全帽上安装的发射/接收装置需要体积小而功能多，以当前的技术水平是可以实现的，但可能会产生较高的成本。

2.定位系统的技术手段

而要实现地面-井下的直接通信，以现有的技术手段则比较困难。因为目前所有的无线通讯使用的均是电磁波，电磁波只能沿直线传播，而且难以穿透地层这样厚的介质。电磁波具有电磁辐射，长期接受这种辐射也会对人体健康产生不良影响。

理论上，可以选择“中微子”传播。中微子是基本粒子的一种，具有极强的穿透能力，从太阳发射出来的中微子可以轻易的穿透地球。但中微子只参与非常微弱的弱相互作用，穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，所以中微子的检测非常困难。至今中微子仍处于很初级的研究阶段，尚有很多谜团未揭开。“中微子”虽然目前仍处于研究的低级阶段，但却有很广阔的应用前景，这为未来通讯技术的发展指明了一个研究方向。

从可行性角度来看，最理想的定位装置要想实现，还有待科学技术的进一步发展研究。

四、总结

尽管当前中国矿工在劳动上已经受到了较好的保护，但中国煤矿的事故伤亡率依旧居世界首位，这一方面与煤矿的管理制度有关，另一方面也是因为劳动装备水平低下。中国煤矿应该广泛吸收国外先进经验，利用新技术新手段，改进矿工的工作装备，保障工人的人身健康和安全，最终，使整个中国煤炭行业得以全面发展。