礦用密閉空間內(nèi)亞硝酸鹽的檢測

礦用密閉空間內(nèi)亞硝酸鹽的檢測

根據(jù)研究，在大多數(shù)礦工事故中，在影響礦山事故的全過程中，只有少數(shù)事故發(fā)生時(shí)受傷死亡的礦工，其中大多數(shù)人在事故發(fā)生后無法立即升井或逃離有害藥物的場所，導(dǎo)致窒息和中毒。因此在煤礦發(fā)生事故時(shí),為無法及時(shí)撤離的礦工提供一個(gè)安全的密閉空間——救生艙,成為臨時(shí)避難、等待救援的有效手段。救生艙對外可抵御爆炸沖擊、高溫?zé)煔?隔絕有毒、有害氣體,對內(nèi)可為被困礦工提供氧氣、食物、水,去除有毒有害氣體,贏得較長的生存時(shí)間,同時(shí)通過艙內(nèi)通訊監(jiān)測設(shè)備,引導(dǎo)外界救援。礦工在救生艙中長時(shí)間生存時(shí),其自身新陳代謝產(chǎn)物積累會對救生艙氣體組分造成顯著影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),人體代謝產(chǎn)物多達(dá)400多種。呼吸時(shí)排出的氣體約有100多種,健康人排出的尿液中約有200多種化合物、30多種電解質(zhì)、近40種分泌物、10種酶、大量蛋白質(zhì)和脂肪的代謝產(chǎn)物、0.02%～0.16%的氨。人體經(jīng)過皮膚排出的汗和皮脂,其中含有有機(jī)物和無機(jī)物10多種。皮膚表面在進(jìn)行呼吸的過程中也產(chǎn)生一些污染性氣體。健康人一晝夜在腸道內(nèi)產(chǎn)生氣體約800～1000mL。在密閉環(huán)境中人員生存最重要的問題是氧氣的供應(yīng)與二氧化碳的去除,但是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明,人體在密閉空間會自身代謝一氧化碳,檢出率為100%。其中一氧化碳被人體吸入之后會和血液中的血紅蛋白結(jié)合,進(jìn)而使血紅蛋白不能與氧氣結(jié)合,從而引起機(jī)體組織出現(xiàn)缺氧,導(dǎo)致人體窒息死亡,在救生艙中具有極大的危害。經(jīng)分析,一氧化碳的產(chǎn)生主要來自于人體的呼吸代謝及皮膚代謝,本文就救生艙內(nèi)人體代謝一氧化碳進(jìn)行了檢測和分析,確定了一氧化碳的產(chǎn)生規(guī)律。1預(yù)備考試1.1氣調(diào)與所需環(huán)境參數(shù)濃度監(jiān)控系統(tǒng)kj60為了模擬井下實(shí)際環(huán)境,試驗(yàn)在某職業(yè)技術(shù)學(xué)校模擬巷道礦用救生艙(圖1)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)用救生艙為分體組裝式雙層鋼結(jié)構(gòu),內(nèi)設(shè)高效隔溫材料,以便有效阻隔艙外熱量傳遞以及有毒有害氣體侵入。艙體為雙層門結(jié)構(gòu),內(nèi)部空間體積約為8m3。艙內(nèi)為保障人體生存設(shè)有供氧系統(tǒng)、有毒有害氣體處理系統(tǒng)、溫度和濕度控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、動力供應(yīng)系統(tǒng)及附屬設(shè)備。監(jiān)測用KJ70型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),可在監(jiān)控室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測艙內(nèi)各環(huán)境參數(shù)濃度變化情況,具有實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)及曲線生成的功能。前端監(jiān)測設(shè)備包括氧氣、一氧化碳、二氧化碳、溫度、甲烷、硫化氫傳感器,同時(shí)為保證艙內(nèi)人體生存健康,還設(shè)有壓差計(jì)、溫濕度計(jì)、血壓脈搏計(jì)、體溫計(jì)、攝像機(jī)等,并與艙外環(huán)境參數(shù)監(jiān)控設(shè)備組成救生艙監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)測救生艙內(nèi)人員長時(shí)間生存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,首先對艙體本身做了系列的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),包括靜場試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)、人體呼吸模擬試驗(yàn),之后做了4次真人生存實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)方法如下。1.2.1呼吸模擬實(shí)驗(yàn)靜場實(shí)驗(yàn)主要為確定艙內(nèi)傳感器準(zhǔn)確度、重復(fù)性等,以及救生艙基本特性,作為其他實(shí)驗(yàn)中艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)曲線的參照依據(jù)。氣密性試驗(yàn)為測試救生艙本身的密封情況,具體方法為將救生艙水平放置在試驗(yàn)室的中央,然后在艙體合適部位安裝測壓管和充氣管,關(guān)閉救生艙所有的門窗孔口;啟動高壓風(fēng)機(jī)或接通貯氣罐,通過充氣管向艙內(nèi)送入空氣,調(diào)節(jié)空氣節(jié)流閥,使救生艙內(nèi)外的壓差達(dá)到1000Pa,艙內(nèi)保持正壓時(shí)間不應(yīng)少于1min;記錄數(shù)據(jù),計(jì)算出每分鐘的空氣泄漏量。人體呼吸模擬實(shí)驗(yàn)主要是通過模擬人體代謝產(chǎn)生的二氧化碳及熱濕狀況,觀察艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化情況。具體方法為以4人呼出CO2量為標(biāo)準(zhǔn),以1.5L/min向艙內(nèi)通入CO2,同時(shí)開啟加濕器、恒溫箱。艙內(nèi)凈化裝置呈間歇式工作狀態(tài),即在艙內(nèi)CO2濃度上升至0.8%時(shí)開啟凈化裝置,在艙內(nèi)CO2濃度降低至0.3%時(shí),關(guān)閉凈化裝置,完全模擬真人實(shí)驗(yàn)情況,觀察艙內(nèi)是否有CO的產(chǎn)生。1.2.2室內(nèi)試驗(yàn)人員為了驗(yàn)證救生艙內(nèi)人體代謝一氧化碳情況,做了6組真人生存實(shí)驗(yàn)。前3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自同一次實(shí)驗(yàn)。在本次實(shí)驗(yàn)中,4名實(shí)驗(yàn)人員在救生艙密閉狀態(tài)下持續(xù)生存了96h,依靠高壓氧氣瓶供氧,艙內(nèi)凈化設(shè)備處理CO2。由于實(shí)驗(yàn)過程中人體持續(xù)產(chǎn)生CO,當(dāng)CO濃度上升到一定值后,采取艙內(nèi)壓縮空氣完全置換艙內(nèi)空氣,使艙內(nèi)CO濃度降低到0,其他氣體指標(biāo)恢復(fù)到正常水平后繼續(xù)試驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)過程中截取3段CO濃度從0到最高的過程作為第1組(第16～32h)、第2組(第47～52h)、第3組試驗(yàn)(第60～68h)。在此3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,除了實(shí)驗(yàn)人員因在艙內(nèi)生存時(shí)間的延長導(dǎo)致的生理、心理狀態(tài)可能有差異外,艙內(nèi)各種環(huán)境指標(biāo)起始狀態(tài)基本相同。后3組試驗(yàn)分別為4名實(shí)驗(yàn)人員在救生艙密閉狀態(tài)下生存4、8和9.3h,每組實(shí)驗(yàn)人員不同。第1組試驗(yàn)為4人16h,4名25歲左右健康男性,其中3人有吸煙史。第2組試驗(yàn)為4人4.9h,試驗(yàn)人員同第1組。第3組試驗(yàn)為4人8h,試驗(yàn)人員同第1組。第4組試驗(yàn)為4人4h,試驗(yàn)人員為4名25歲左右健康男性,其中1人有吸煙史。第5組試驗(yàn)為4人8h,試驗(yàn)人員為4名35歲左右健康男性,其中1人有吸煙史。第6組試驗(yàn)為4人9.3h,試驗(yàn)人員為4名22歲左右健康男性,其中2人有吸煙史。2安全艙的真實(shí)生存實(shí)驗(yàn)2.1基本模擬實(shí)驗(yàn)2.1.1氣密實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2顯示,救生艙在艙內(nèi)保持正壓1000Pa情況下,197min后降至360Pa,氣密實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在艙內(nèi)正壓1000Pa保持1min后,計(jì)算艙內(nèi)每分鐘泄漏量為0.0003m3/min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國軍標(biāo)關(guān)于有三防(防核污染、防生化武器、防化學(xué)武器)要求密閉方艙氣密標(biāo)準(zhǔn),最大空氣泄漏量0.05m3/min的要求,所以救生艙密封性能良好。2.1.2溫濕度變化情況在救生艙內(nèi)進(jìn)行人體呼吸模擬試驗(yàn)中,艙內(nèi)設(shè)備及其運(yùn)轉(zhuǎn)情況、藥劑吸附、人體二氧化碳、熱濕代謝等情況完全模擬真人狀態(tài)。試驗(yàn)期間溫濕度恒定上升,11h后艙內(nèi)溫度28℃,濕度88%RH,與真人生存試驗(yàn)參數(shù)相同。圖3顯示艙內(nèi)一氧化碳、二氧化碳濃度變化情況,其中二氧化碳吸附正常,且試驗(yàn)期間艙內(nèi)無一氧化碳出現(xiàn)。2.2生存實(shí)驗(yàn)在救生艙內(nèi)人體生存一定時(shí)間后,艙內(nèi)一定會出現(xiàn)一氧化碳,檢出率100%,一氧化碳在艙內(nèi)積聚情況如下。2.2.1氧化碳的代謝圖4顯示,隨著時(shí)間的增加,艙內(nèi)開始檢測到一氧化碳?xì)怏w,且濃度呈緩慢增長,10h后即達(dá)到礦井有害氣體最高允許濃度24×10-6。上述基礎(chǔ)試驗(yàn)和人體模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,艙內(nèi)氣密性能良好,且艙內(nèi)始終保持正壓狀況,不可能與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。同時(shí)相同情況下的人體模擬試驗(yàn)中11h內(nèi)未檢測到一氧化碳,所以判定一氧化碳為人體呼吸代謝及皮膚代謝產(chǎn)生。為判定一氧化碳的產(chǎn)生趨勢,分析了人體代謝一氧化碳參數(shù),見表1。在艙內(nèi)生存一段時(shí)間后,首次檢測到一氧化碳的時(shí)間逐漸延長,經(jīng)計(jì)算,一氧化碳平均代謝速率也逐漸減慢,這與試驗(yàn)人員進(jìn)入艙內(nèi)后,控制飲水、飲食情況及心理調(diào)節(jié)相關(guān)。試驗(yàn)期間人員在進(jìn)入艙后一定時(shí)間內(nèi),心情由亢奮轉(zhuǎn)入安靜狀態(tài),多處于睡眠狀態(tài),或安靜的坐著,此時(shí)人體代謝相較于剛進(jìn)入艙時(shí)減慢,一氧化碳代謝率整體下降。2.2.2氧化碳代謝速率圖5顯示,隨著具有吸煙史人數(shù)的增加,一氧化碳代謝速率逐漸增大,首次檢測到一氧化碳時(shí)間也逐漸縮短。人體代謝一氧化碳量與本人是否具有吸煙史有直接關(guān)系,有吸煙史者呼出氣及皮膚排泄物中一氧化碳含量較大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中對有無吸煙史者呼出氣中一氧化碳含量的試驗(yàn)分析,其數(shù)據(jù)表明,有吸煙史者組呼出氣中一氧化碳濃度顯著高于無吸煙史組,從不吸煙組呼出氣一氧化碳濃度最低,均值僅有1.64×10-6,重度(大于20支/d)吸煙史組均值為7.68×10-6,兩者相差5倍。有不同吸煙史者人數(shù)情況下一氧化碳代謝速率見表2。表2顯示,一氧化碳代謝率與有吸煙史者的人數(shù)相關(guān),與氧氣消耗速率及年齡關(guān)系不大,根據(jù)6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,4人代謝量平均為2.10×10-6/h,4人在救生艙內(nèi)生存11h后即達(dá)到礦井有害氣體最高允許濃度24×10-6,即每人一晝夜產(chǎn)生一氧化碳15mg左右。2.3密閉艙室內(nèi)人體二氧化碳擴(kuò)散規(guī)律驗(yàn)證為了更準(zhǔn)確地分析人體代謝一氧化碳情況,6組生存試驗(yàn)取平均值擬合曲線。煤礦安全規(guī)程規(guī)定,礦井一氧化碳?xì)怏w最高允許濃度為24×10-6,擬合濃度規(guī)定范圍下限艙內(nèi)一氧化碳濃度變化曲線如圖6所示。采用Matlab工具擬合曲線,得到在4人實(shí)驗(yàn)時(shí)10h內(nèi),人體代謝一氧化碳濃度與時(shí)間曲線函數(shù)為y=1.456e0.0048x(0≤x≤600)(1)y=1.456e0.0048x(0≤x≤600)(1)式中,y為艙內(nèi)一氧化碳濃度,10-6;x為人員進(jìn)入艙內(nèi)時(shí)間,min。擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.8891,殘差平方和為32.01,函數(shù)置信度為95%。在本次實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)驗(yàn)的條件為4人,實(shí)驗(yàn)用艙的容積為8m3;綜合考慮艙內(nèi)人數(shù)和艙體容積,可得出密閉艙體環(huán)境下人體產(chǎn)生的一氧化碳濃度積累隨時(shí)間變化的一般規(guī)律為y=14.4e0.0012nx1000V(2)y=14.4e0.0012nx1000V(2)式中,y為艙內(nèi)一氧化碳濃度,mg/L;n為艙內(nèi)的人數(shù);V為艙的體積,m3。為確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果確定性,對本公式進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程在容積為8m3的密閉艙室內(nèi)放置了8個(gè)人,測定一氧化碳濃度的變化情況,并與理論計(jì)算值相比較,結(jié)果見表3。從驗(yàn)證結(jié)果可知,本次實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)公式,對分析密閉艙室內(nèi)人體一氧化碳擴(kuò)散規(guī)律具有指導(dǎo)意義。在艙體體積不是很大,艙內(nèi)一氧化碳較低時(shí),通過式(2)計(jì)算出的結(jié)果可較準(zhǔn)確地反映實(shí)際氣體環(huán)境。3救生艙內(nèi)人體二氧化碳代謝速率(1)人體在救生艙內(nèi)生存,自身代謝活動會產(chǎn)生微量一氧化碳?xì)怏w,并隨著時(shí)間的積累會危及人的生命安全。(2)在體積8m3救生艙空間內(nèi),額定人數(shù)(8人)情況下,艙內(nèi)5.5h后達(dá)到礦井有害氣體最高允許濃