Исследования дыхания в шахтном самоспасателе с неоднократными перерывами

Бабков В.С., Костеренко В.Н., Путин С.Б.

В работе проводятся исследование работы самоспасателей с химически связанным кислородом. В частности, проверена потенциальная возможность неоднократного включения в самоспасатель после нескольких заданных перерывов, до выработки его ресурса. Исследование и испытания проводились как на имитаторе внешнего дыхания человека, так и с привлечением испытателя-добровольца. Основанием для проведения работ является запрет на повторное использование самоспасателя, несмотря на имеющийся ресурс по времени защитного действия, который может у него остаться после первого использования и, несмотря на отсутствие у человека, находящегося в шахте дополнительного самоспасателя. Результаты работы могут быть интересны широкому кругу лиц, которые используют, разрабатывают или производят шахтные самоспасатели.

Ключевые слова: Шахтный самоспасатель, регенеративный продукт, время защитного действия, ресурс самоспасателя, имитатор внешнего дыхания человека, искусственные легкие, включение в самоспасатель, выключение из самоспасателя, химически связанный кислород, газовая дыхательная смесь, легочная вентиляция, частота дыхания, дыхательный мешок, загубник, «схлопывание» дыхательного мешка, сопротивление дыханию.

Babkov V.S., Kosterenko V.N., Putin S.B.

The work investigates the self-rescuers with chemically bound oxygen. In particular, the potential possibility of repeated inclusion in the self-rescuer after several specified breaks, before the depletion of its resource, has been tested. The research and tests were carried out both on a human external respiration simulator and with the involvement of a volunteer. The reason for carrying out the work is the prohibition on re-using the self-rescuer, despite the available resource in terms of the protective time, which may remain after the first use and, despite the fact that the person in the mine does not have an additional self-rescuer. The results of the work may be of interest to a wide range of people who use, develop or produce mine self-rescuers.

Key words: Mine self-rescuer, regenerative product, protective time, self-rescuer resource, human external respiration simulator, artificial lungs, inclusion in a self-rescuer, shutdown from a self-rescuer, chemically bound oxygen, gas breathing mixture, lung ventilation, respiratory rate, breathing bag, mouthpiece, breathing bag “collapse”, breathing resistance.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из существенных недостатков, присущих изолирующим шахтным самоспасателям (ШС) на химически связанном кислороде, является их одноразовость. При этом одноразовость определяется не использованием всего его ресурса и времени защитного действия (ВЗД) один раз, пока ШС находится у пользователя, а фактом извлечения загубника изо рта после начала использования самоспасателя.

Данный недостаток или ограничение определены в соответствующих нормативных и эксплуатационных документах и, по сути, оставляют человека без средств защиты органов дыхания даже в случае случайного или ненамеренного (рвота, кашель, падение, зацепление за предметы и пр.) прекращение контакта с загубником ШС. Такие случаи известны, как известно и то, что человек прекращает использование ШС при выходе из опасной зоны, не исчерпав полностью ресурс самоспасателя, находясь под землей. Но при этом, согласно требованиям Правил безопасности в угольных шахтах – работникам шахты, подрядных и организаций, чья деятельность связана с посещением шахты (как и вообще всем, кто спускается в шахту), в горных выработках запрещается нахождение без самоспасателей, головных светильников и технических устройств определения местоположения, аварийного оповещения, поиска и обнаружения. Получается, что после факта «запуска» и применения самоспасателя, человек автоматически нарушает требования Правил и остается без средств защиты органов дыхания, независимо от наличия у него ШС, который был уже использован, но при этом его ресурс по ВЗД исчерпан не был.

В статье представлена часть результатов НИР «Пауза», выполненной ООО «Второе Дыхание», г. Тамбов по заданию АО «СУЭК», г. Москва в 2019 г. Рассмотренапотенциальная возможность применения ШС в ситуациях, связанных с произвольным или непроизвольным временным выключением человека из самоспасателя и повторным (неоднократным) включением в него. Исследования проведены как с применением имитатора внешнего дыхания человека «ОКСИ-РОБОТ» (искусственные легкие), так и с привлечением испытателя-добровольца.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

Основными целями работы являются:

1. Проверка возможности неоднократного включения в ШС при паузах 15 мин;
2. Определение фактического времени защитного действия самоспасателя до полной невозможности продолжения дыхания в нём при неоднократном включении и выключении человека из самоспасателя с участием испытателя-добровольца;
3. Сопоставление полученных результатов с результатами аналогичного испытания самоспасателя на имитаторе внешнего дыхания человека«ОКСИ РОБОТ».

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Для проведения испытаний были использованы серийные самоспасатели ШСС-ТМ, изготовленные в 2018 г., и не бывшие в эксплуатации.

В процессе испытаний из дыхательного мешка (ДМ) самоспасателя непрерывно отбиралась проба газовой дыхательной смеси(ГДС) для измерения объёмных концентраций кислорода и диоксида углерода, а также измерялось сопротивление дыханию на вдохе и выдохе.

Измерение и автоматическая запись указанных параметров проводились с помощью стенда «ОКСИ РОБОТ» и персонального компьютера.

Программа испытаний самоспасателя с имитацией неоднократного перерыва и включения в ШС приведена в таблице 1.

Таблица 1

Общий вид испытательной установки и оборудования приведён на рис. 1.

Рисунок 1. 1 – беговая дорожка; 2 – самоспасатель; 3 -стенд «ОКСИ РОБОТ»; 4 – персональный компьютер; 5 – тренажер-регистратор лёгочной вентиляции и пульса человека.

В процессе работы непрерывно измерялся и фиксировался пульс испытателя с помощью нагрудного сенсора. Данные с нагрудного сенсора по беспроводному каналу связи передавались на тренажер-регистратор (имитатор самоспасателя) 5, а с него на персональный компьютер 4.

При имитации перерыва в работе (паузы) испытатель выключался из самоспасателя путём извлечения загубника изо рта, при этом загубник не надевался на штатную заглушку, таким образом, во время паузы самоспасатель оставался негерметичным по линии вдоха/выдоха.

Общее время испытания составило 135 минут.Время защитного действия самоспасателя (без учёта времени пауз) составило 64 мин до достижения объёмной концентрации диоксида углерода в дыхательном мешке 3,0 % (согласно ГОСТ 12.4.292-2015).Фактическое время защитного действия самоспасателя (без учёта времени пауз) составило 70 мин до прекращения испытания по субъективным ощущениям испытателя-добровольца.Субъективные ощущения описаны, как нехватка воздуха при полном вдохе, необходимость сделать вдох свежего воздуха, т. е. наблюдалось слабое наполнение дыхательного мешка ГДС, близкое к «схлопыванию».

На момент прекращения испытания ГДС в дыхательном мешке имела следующие параметры:

• объёмная концентрация кислорода – 16,52 %;
• объёмная концентрация диоксида углерода – 4,05 % (при этом максимальное значение составило 4,42 % на 130 минуте испытания).

Рисунок 2. Сопротивление дыханию.

На рисунках №№ 2-4 приведены графики зависимости параметров испытания от времени с учётом пауз.Сопротивление дыханию постепенно увеличивалось в течение каждого цикла включения в самоспасатель по мере увеличения лёгочной вентиляции (из-за дополнительной нагрузки на дыхательные мышцы), а также по мере наполнения дыхательного мешка (ДМ) газовой дыхательной смесью. Кроме того, было отмечено, что среднее значение сопротивления дыханию увеличивается за счёт роста сопротивления на вдохе по мере отработки регенеративного продукта с каждым циклом включения в самоспасатель.

Рисунок 3. Объёмная доля О₂ и концентрация СО₂ в дыхательном мешке.

Объёмная доля кислорода в ДМ плавно увеличивалась по мере развития химической реакции в патроне самоспасателя до значений порядка 90 % об. за время одного цикла включения. Во время паузы концентрация кислорода в ДМ практически не изменяется. При повторном включении в самоспасатель концентрация резко снижается за счёт разбавления ГДС воздухом, выдыхаемым пользователем.Затем, по мере возобновления и развития реакции регенерации, концентрация кислорода вновь достигает характерных значений, при этом с каждым новым циклом включения в самоспасатель снижается максимальное значение концентрации, по сравнению с достигнутым на предыдущем цикле работы, по мере увеличения степени отработки надпероксида калия в регенеративном продукте.

В конце испытания количество оставшегося регенеративного продукта уже не обеспечивало достаточную регенерацию дыхательной смеси, концентрация кислорода практически снизилась до атмосферных значений, при этом дыхательный мешок был близок к состоянию «схлопывания».

Концентрация диоксида углерода в ДМ «медленно» возрастала в течение первых четырёх циклов «работа-пауза», «скачкообразный» рост концентрации наблюдался во время 5^го цикла включения в самоспасатель, поскольку в отработанном регенеративном продукте выдыхаемый диоксид углерода не связывался в достаточной степени продуктами гидролиза КО₂.

Испытание при этом было продолжено даже после превышения объёмной доли СО₂ более 3,0 % об. При этом заметно увеличилась лёгочная вентиляция пользователя, что хорошо видно по графику зависимости сопротивления дыханию (рис.2). Если объёмная доля диоксида углерода в воздухе составляет около 3 %, то это стимулирует дыхание, потому что при повышении уровня артериального диоксида углерода повышается и концентрация Н⁺ в крови из-за образования слабой угольной кислоты H₂CO₃. Эти стимулы посылают сигналы в дыхательный центр мозга на увеличение частоты и глубины дыхания, но не для того, чтобы потребить больше кислорода, а для того, чтобы избавить организм от избытка диоксида углерода и свести к минимуму изменения рН крови.

На рисунке 4 приведён график зависимости частоты сердечных сокращений (ЧСС) испытателя по ходу выполнения упражнения. График зависимости концентрации кислорода в дыхательном мешке приведён для удобства сопоставления этапов, когда пользователь был включён в самоспасатель и когда выключался из него.

ЧСС увеличивалась на этапах движения в самоспасателе из-за более высокой физической нагрузки на дыхательные мышцы (из-за сопротивления дыханию и постепенному повышению концентрации диоксида углерода во вдыхаемой ГДС).

Рисунок 4. Пульс (средние значения за интервал 15 минут)и концентрация кислорода в ДМ.

Результаты испытаний самоспасателя ШСС-ТМ с участием испытателя-добровольца с имитацией цикла «работа – пауза» по 15 мин были сопоставлены с результатами испытаний аналогичного самоспасателя на имитаторе внешнего дыхания человека«ОКСИ РОБОТ»(рис. 5),проведённых при следующих условиях:

• лёгочная вентиляция – 30 дм³/мин;
• имитация выделения диоксида углерода – 1,2 дм³/мин.

На рисунках 5 – 7 приведены сравнительные графики испытаний с участием человека и на стенде «ОКСИ РОБОТ».

Рисунок 5. Сравнение результатов испытаний человека и на стенде «ОКСИ РОБОТ». Сопротивление дыханию в ШСС-ТМ в режиме «работа-пауза».

Анализ сравнительного графика сопротивления дыханию, приведённого на рисунке 5, показывает, что наблюдается «схожесть» графиков, что говорит о близости значений физической нагрузки, испытываемой добровольцем, и нагрузки, имитируемой стендом «ОКСИ РОБОТ» [6-8]. При этом заметно, что характер дыхания человека подвержен изменениям в процессе испытаний, в сравнении с характером дыхания, имитируемого стендом в соответствиис ГОСТ 12.4.292-2015, который не учитывает изменения сопротивления дыханию, в связи с изменениями газового состава дыхательной смеси и усталости испытуемого.У испытателя сопротивления дыханию на вдохе и выдохе практически одинаковые в каждом цикле, а на стенде «ОКСИ РОБОТ» сопротивление на вдохе составляет в среднем 43% от сопротивления на выдохе [9,10]. В таблице 2 приведён анализ значений суммарных сопротивлений дыхания.

Таблица 2.

На рисунке 6 приведен график содержания кислорода на вдохе стенда«ОКСИ РОБОТ» и испытателя.

Рисунок 6. Содержание кислорода на вдохе.

Рисунок 7. Концентрация диоксида углерода в дыхательном мешке (испытатель) и на вдохе («ОКСИ РОБОТ»).

График концентрации диоксида углерода (рисунок 7) носит справочный характер, поскольку измерение производилось в различных точках. Это график показывает отличия между составом ГДС в дыхательном мешке и составом ГДС в линии вдоха на установке «ОКСИ РОБОТ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты демонстрируют потенциальную возможность повторного и неоднократного включения в самоспасатель на химически связанном кислороде, при паузе 15 минут. Достигнутый результат ценен тем, что он показывает на наличие условий возможности повторного и неоднократного включения в самоспасатель на химически связанном кислороде, которая должна проверятся разработчиками и производителями самоспасателей. Это необходимо сделать хотя бы для того, чтобы не было функционального и технического «разрыва» в действующей нормативной базе, определяющей Правила безопасного нахождения людей в шахте.

Кроме того, такие исследования помогли бы повысить защищенность персонала шахт, предоставляя информацию пользователям ШС по возможным способам повторного включения в самоспасатель, а также по необходимой для этого процедуре. Это в свою очередь приведет к необходимости получения пользователя ШС соответствующих навыков в ходе проведения обучения и тренировок.

Анализ результатов также демонстрирует «схожесть» получаемых результатов при испытаниях ШС как с использованием испытателя-добровольца, так и при использовании имитатора внешнего дыхания человека. При этом различия определяются фактическим дыханием человека и требованиями, определяющих дыхание «человека» для проведения испытаний самоспасателей по принятым государственным стандартам. Устранить данные различия можно при накоплении необходимого объема данных по дыханию реальных людей при различных нагрузках и при наличии оборудования, позволяющего точно повторять особенности дыхания человека, динамически изменяя параметры дыхания. Снятие параметров дыхания человека и повторение его на имитаторе внешнего дыхания человека на сегодняшний день являются решенными задачами. Поэтому есть все предпосылки к проведению дальнейших исследований и сближение нормативных параметров дыхания и фактических, что в свою очередь позволит совершенствовать средства защиты органов дыхания и их возможностей для защиты человека в опасных средах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Диденко Н.С. Регенеративные респираторы для горноспасательных работ /–М.: Недра. 1990. − 160с.
2. Изолирующие дыхательные аппараты и основы их проектирования /
   С.В. Гудков, С.И. Дворецкий, С.Б. Путин, В.П. Таров – М.: Машиностроение. 2008. − 187 с.
3. Технические средства безопасности, применяемые в угольных шахтах Российской Федерации: Каталог справочник / под общей редакцией
   В.М. Щадова; сост. Ю.И. Донсков, А.А. Умрихин. – Кемерово: ГПКО «Кемеровский полиграф комбинат», 2007. – 317 с.
4. Самоспасатель для подземных работ ШСС-ТМ. Руководство по эксплуатации ЦТКЕ.8.092.000 РЭ. Открытое Акционерное Общество «Корпорация «Росхимзащита».
5. Самоспасатель для подземных работ ШСС-Т. Руководство по эксплуатации ВТ8.154.000 РЭ. ОткрытоеАкционерноеОбщество «Корпорация «Росхимзащита».
6. J. B. Cooper, V. R. Taqueti, A brief history of the development of mannequin simulators for clinical education and training // Postgrad. Med. Journal, Vol. 84, P. 563–570, 2008.
7. D. Y. Yip, An improved model for demonstrating the mechanism of breathing // Am. Biol. Teach., Vol. 60, P. 528–530, 1998
8. M. Won, H. Yoon, D. F. Treagust, Students’ learning strategies with multiple representations: Explanations of the human breathing mechanism,” Science Education, Vol. 98, P. 840–86, 2014.
9. S. Krueger-Ziolek, C. Knoebel, C. Schranz, K. Moeller, Combination of engineering and medical education using an active mechanical lung simulator // IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2013), P. 542–543.
10. H. T. Bates, Mechanical properties of the lung // Comparative Biology ofthe Normal Lung, 2nd ed. (Elsevier, Inc., 2015), P. 289–304.

LIST OF REFERENCES

1. Didenko NS Regenerative respirators for mine rescue operations / –M .: Nedra. 1990, P. 160.
2. Self-contained breathing apparatus and the basics of their design /S. Gudkov, S. Putin, V.Tarov – M .: Mechanical Engineering. 2008, P.187
3. Technical safety equipment used in coal mines of the Russian Federation: Directory / under the general editionV.Shchadova; comp. Yu. Donskov, A.Umrikhin. – Kemerovo: State Enterprise “Kemerovo Polygraph Combine”, 2007. – 317 p.
4. Self-rescuer for underground work SHSS-TM. Operating manual.JSC “Corporation“ Roskhimzashita ”.
5. Self-rescuer for underground work SHSS-T. Operating manual. JSC “Corporation“ Roskhimzashita ”.
6. J. B. Cooper, V. R. Taqueti, A brief history of the development of mannequin simulators for clinical education and training // Postgrad. Med. Journal, Vol. 84, P. 563–570, 2008.
7. D. Y. Yip, An improved model for demonstrating the mechanism of breathing // Am. Biol. Teach., Vol. 60, P. 528–530, 1998
8. M. Won, H. Yoon, D. F. Treagust, Students’ learning strategies with multiple representations: Explanations of the human breathing mechanism,” Science Education, Vol. 98, P. 840–86, 2014.
9. S. Krueger-Ziolek, C. Knoebel, C. Schranz, K. Moeller, Combination of engineering and medical education using an active mechanical lung simulator // IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2013), P. 542–543.
10. H. T. Bates, Mechanical properties of the lung // Comparative Biology ofthe Normal Lung, 2nd ed. (Elsevier, Inc., 2015), P. 289–304.