??? 煤炭是當今世界最重要的能源之一，由于煤炭大多都深埋于地層之中，因此煤炭的開采必須通過開挖礦井的方式進行。盡管現在機械化程度已經達到了一定高度，但在煤礦中仍然無法實現煤炭的純機械化采掘，必須需要人員深入井下進行開采。在礦井這個復雜而充滿危險的環(huán)境中，井下人員的安全防護裝備就顯得尤為重要。井下人員的安全防護裝備包括安全帽、礦燈、自救器等，其中，安全帽作為保護人體最重要部位——頭部的防護裝備，顯得尤為重要。

一、礦用安全帽的現狀分析

??? 礦井環(huán)境十分復雜，礦井深度從幾十米到上千米不等，上面壓著厚厚的巖層，盡管井下有支架進行支撐，但仍難保證絕對的安全，頂板災害也是礦井常見災害之一。頭部是人體最關鍵的部位，因此在幾乎每個危險場合，頭部的保護都是必需的。

??? 安全帽的主要功能是保護頭部免受來自上方的沖擊和緩解沖擊的力度，它的防護原理是：在帽殼與頭頂之間形成一定空隙，此空隙對來自上部的沖擊會起到一定緩沖作用；同時，球形的光滑帽殼可以使來自上方的掉落物改變方向，從而避免對頭部的沖擊。

??? 另一方面，井下的安全不僅僅來自于頭部上方的威脅，礦井氣體也是危害之一。井下空氣中有害氣體的含量較大，同時摻雜礦塵，長時間呼吸這種空氣會對人身體產生極大的危害。“矽肺病”是礦工中普遍存在的一種職業(yè)病，正是由礦工長期呼入的礦井氣體所造成的。

??? 綜合上述兩者考慮，安全帽僅能保護頭部免受沖擊傷害，對于礦井中有害的氣體則完全起不到任何保護作用。

二、礦用安全帽的改進角度研究

(一)呼吸過濾裝置

??? 經過上面的分析已知，安全帽主要起到保護頭部免受傷害的作用。但針對井下人員中常見的職業(yè)病——“矽肺病”，目前沒有任何一件裝備能夠起到預防該疾病的作用。因此，參考防毒面具的設計，可以在安全帽上增加呼吸過濾的功能。

??? 在煤炭開采的過程中會產生大量礦塵，加上礦井通風的作用，使大量礦塵游離于空氣中，井下人員長期在此環(huán)境中呼吸，極有形成“矽肺病”的危險。矽肺病主要是由于長期吸入含游離的二氧化硅粉塵，引起的以肺間質纖維化，及矽肺結節(jié)為主的疾病，嚴重者可影響肺功能，喪失勞動能力，甚至發(fā)展為肺心病、心衰及呼吸衰竭。

??? 除了礦塵之外，礦井中的有害氣體對人體也有較大危害。這些有害氣體包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣、二氧化氮等。如長期吸入微量的一氧化碳，人的情感狀態(tài)、簡單反應時、數字跨度、手工敏捷度、數字譯碼和視覺保留等都會低于正常人水平。一氧化碳、二氧化碳之類的氣體長期被人呼入后，對人的肺部影響很大，容易誘發(fā)肺癌。再如硫化氫、二氧化硫的長期呼入可引起嗅覺減退，以及出現神經衰弱綜合征和植物神經功能障礙;氨氣的長期呼入可誘發(fā)肺水腫、呼吸窘迫綜合征等，同時可能發(fā)生呼吸道刺激癥狀;二氧化氮的長期呼入容易引起氣管炎、支氣管炎、咽喉炎等呼吸道疾病。這些都威脅著井下人員的身體健康。

????綜上考慮，呼吸過濾裝置的引入必須具備兩種功能：一是過濾礦塵，二是過濾有害氣體。

(二)定位系統

??? 井下人員的定位無論對管理還是救援都有重要作用。

??? 目前已有的井下人員定位系統，是以現代無線電編碼通訊技術為基礎，應用現代無線電通訊技術中的信令技術及無線發(fā)射接收技術，結合目前流行的數據通訊、數據處理及圖形展示軟件等技術。系統能夠及時、準確的將井下各個區(qū)域人員和移動設備情況動態(tài)反映到地面計算機系統，使管理人員能夠隨時掌握井下人員和移動設備的總數及分布狀況;系統能跟蹤干部跟班下井情況、每個礦工入井、出井時間及運動軌跡，以便于企業(yè)進行更加合理的調度和管理。

??? 這個定位系統是一個微型計算機系統，由數據無線采集、顯示、控制、存儲、紅外遙控、通訊、看門狗、電源等主要功能電路組成。主要通過主板、通訊板、無線收發(fā)板和電源板等幾塊電路板形成有機整體。其中主板為主控電路;通訊板用于與地面中心站的數據通訊;無線收發(fā)板于分站與外部人員攜帶卡進行數據通信。其工作原理是：系統人員定位分站的無線收發(fā)數據板將低頻的加密數據載波信號經發(fā)射天線向外發(fā)送;人員隨身攜帶的標識卡進入低頻的發(fā)射天線工作區(qū)域后被激活(未進入發(fā)射天線工作區(qū)域標識卡不工作)，同時將加密的載有目標識別碼的信息經卡內高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去;接收天線接收到標識卡發(fā)來的載波信號，經分站主板接收處理后，提取出目標識別碼通過遠距離通訊線送地面監(jiān)控計算機，完成礦井人員自動跟蹤定位管理。

??? 這種定位系統的局限性在于，信號的傳播使用的是無線電，無線電的穿透性弱。我們都有過在隧道涵洞中手機失去信號的經歷，正是因為隧道涵洞阻擋了外部信號的傳播。若要在井下是無線電通信能夠通暢，則需要多個信號中轉站，一旦有某個信號站出現故障，則通信將會中斷，在事故發(fā)生時，這種情況更是無法避免。另一方面，礦井越深，規(guī)模越大，需要的信號中轉站也就越多，需要的費用也必然就越高。再者，井下人員需要隨身攜帶用于發(fā)射和接受信號的識別卡，識別卡的故障和丟失也是難以避免的。

三、礦用安全帽改進方案的可行性探討

(一)呼吸過濾裝置的材料與外形

1.呼吸過濾裝置的材料

??? 消防員佩戴的防毒面具主要用來過濾火災現場中的煙塵與有毒氣體，礦井環(huán)境與這種環(huán)境有相似之處。

??? 防毒面具主要使用一種叫做“活性炭”的材料。活性炭是一種非常優(yōu)良的吸附劑，它是利用木炭、竹炭、各種果殼和優(yōu)質煤等作為原料，通過物理和化學方法對原料進行破碎、過篩、催化劑活化、漂洗、烘干和篩選等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化學吸附的雙重特性，可以有選擇的吸附氣相、液相中的各種物質。活性炭雖然是一種很細小的炭粒，卻有很大的表面積，而且炭粒中還有更細小的毛細管。這種毛細管具有很強的吸附能力，由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體雜質充分接觸。當這些氣體雜質碰到毛細管會被吸附，起凈化作用。對于礦塵的過濾，活性炭可以起到的很好的作用。同時，活性炭的化學吸附特性也可以有效的過濾有害氣體?；钚蕴康牟牧蟻碓磸V泛，加工簡單，可謂是“物美價廉”。

2.呼吸過濾裝置的外形

??? 礦井環(huán)境雖然與火災環(huán)境類似，但其中的有害物質遠沒有后者多，因此礦用的防護面具不需要像防毒面具一樣笨重、嚴密，可以設計得輕便而易摘戴，如口罩一般即可。這種外形似口罩的呼吸過濾裝置要輕便、易攜帶，可以附著在安全帽上成為其整體的一部分;或者作為一個可裝卸的部分，這樣將便于清洗和更換。

??? 上述分析可以表明，在安全帽上增加呼吸過濾裝置是完全可行的。

(二)定位系統的形式與技術手段

1.定位系統的形式

??? 上面已經分析了現有定位系統的特點，其系統龐大，需要巨大的硬件支持，則必然帶來巨大的資金投入。

??? 最理想的定位系統的形式應該是：在安全帽上安裝一個很小的發(fā)射/接收裝置(內部可以含有該人員的個人信息)，只需要地面上一個收發(fā)設備，即可以監(jiān)測井下人員的情況。即使發(fā)生礦難，只要安全帽上的裝置沒有損壞，就可以向外發(fā)送信號，這個信號可以包括該人員的個人信息以及所在位置、現場情況等，這樣對救援來說就方便許多了。簡而言之，就是實現地面-井下的直接通訊。在安全帽上安裝的發(fā)射/接收裝置需要體積小而功能多，以當前的技術水平是可以實現的，但可能會產生較高的成本。

2.定位系統的技術手段

??? 而要實現地面-井下的直接通信，以現有的技術手段則比較困難。因為目前所有的無線通訊使用的均是電磁波，電磁波只能沿直線傳播，而且難以穿透地層這樣厚的介質。電磁波具有電磁輻射，長期接受這種輻射也會對人體健康產生不良影響。

??? 理論上，可以選擇“中微子”傳播。中微子是基本粒子的一種，具有極強的穿透能力，從太陽發(fā)射出來的中微子可以輕易的穿透地球。但中微子只參與非常微弱的弱相互作用，穿越地球直徑那么厚的物質，在100億個中微子中只有一個會與物質發(fā)生反應，所以中微子的檢測非常困難。至今中微子仍處于很初級的研究階段，尚有很多謎團未揭開。“中微子”雖然目前仍處于研究的低級階段，但卻有很廣闊的應用前景，這為未來通訊技術的發(fā)展指明了一個研究方向。

??? 從可行性角度來看，最理想的定位裝置要想實現，還有待科學技術的進一步發(fā)展研究。

四、總結

??? 盡管當前中國礦工在勞動上已經受到了較好的保護，但中國煤礦的事故傷亡率依舊居世界首位，這一方面與煤礦的管理制度有關，另一方面也是因為勞動裝備水平低下。中國煤礦應該廣泛吸收國外先進經驗，利用新技術新手段，改進礦工的工作裝備，保障工人的人身健康和安全，最終，使整個中國煤炭行業(yè)得以全面發(fā)展。

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