STUDI DI RESPIRAZIONE IN UN AUTO-RESPIRATORE DI MINIERA CON INTERRUZIONI RIPETUTE

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

In questo studio vengono realizzate alcune ricerche sugli auto-respiratori con ossigeno legato chimicamente. In particolare, è stata testata la possibilità potenziale di attivazione ripetuta dell’auto-respiratore dopo diverse interruzioni specificate, prima che la sua risorsa sia esaurita. Lo studio e le prove sono state effettuate sia su un simulatore di respirazione esterna umana che con un operatore volontario. La ragione principale del lavoro consiste nel divieto di riutilizzare un auto-respiratore, nonostante la risorsa disponibile di azione protettiva che potrebbe rimanere dopo il primo utilizzo e nonostante la mancanza di un autorespiratore supplementare per la persona nella miniera. I risultati del lavoro possono essere di interesse per una vasta gamma di persone che usano, sviluppano o producono auto-respiratori da miniera.

Parole chiave: Auto-respiratore da miniera, prodotto rigenerativo, durata dell’azione protettiva, risorsa di auto-respiratore, simulatore di respirazione esterna umana, polmoni artificiali, inclusione dell’auto-respiratore, separazione dall’auto-respiratore, ossigeno legato chimicamente, miscela di gas respirabile, ventilazione polmonare, frequenza respiratoria, sacchetto di respirazione, boccaglio, collasso del sacchetto respiratorio, resistenza alla respirazione.

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.

INTRODUZIONE

Uno dei principali svantaggi degli auto-respiratori isolanti da miniera a ossigeno chimico è che sono monouso. Questa caratteristica non è determinata dall’utilizzo della risorsa completa e del tempo di azione protettiva una volta, mentre l’auto-respiratore è in possesso dell’utente, ma dalla rimozione del boccaglio dalla bocca dopo che l’auto-respiratore è stato utilizzato.

Questo svantaggio o limitazione è definito nei documenti normativi e operativi pertinenti e, di fatto, lascia la persona senza mezzi di protezione respiratoria anche in caso di cessazione accidentale o involontaria (vomito, tosse, caduta, contatto con oggetti, ecc.) del contatto con il boccaglio dell’auto-respiratore. Questi casi sono noti, così come è noto il fatto che una persona smette di usare un auto-respiratore quando lascia una zona pericolosa senza aver esaurito tutte le risorse dell’auto-respiratore mentre si trova sotto terra. Ma allo stesso tempo, secondo i requisiti delle Regole di sicurezza nelle miniere di carbone, i dipendenti delle miniere, gli appaltatori e le organizzazioni, la cui attività è collegata con la visita delle miniere (così come tutti coloro che scendono in una miniera), è vietato essere nelle miniere senza un auto-respiratore, lampade frontali e dispositivi tecnici per il posizionamento, l’avviso di emergenza, la ricerca e il rilevamento. Risulta che dopo aver “avviato” e utilizzato un autorespiratore, la persona viola automaticamente i requisiti del Regolamento e rimane senza i mezzi di protezione respiratoria, indipendentemente dalla presenza di un auto-respiratore che è già stato utilizzato, ma la sua risorsa per il tempo dell’azione protettiva non è stata esaurita.

L’articolo presenta una parte dei risultati del lavoro di ricerca “Pausa”, eseguito da LLC “Second Breath”, Tambov, per ordine di SUEK JSC, Mosca nel 2019. Si considera la possibilità potenziale di applicazione dell’auto-respiratore in situazioni associate alla disconnessione temporanea ed involontaria di una persona dall’auto-respiratore e la sua ripetuta (più volte) inclusione. Gli studi sono stati condotti sia con l’uso di un simulatore di respirazione esterna umana “OXY-ROBOT” (polmoni artificiali), sia con il coinvolgimento di un operatore volontario.

GLI SCOPI DELLO STUDIO

I principali scopi dello studio sono:

1. Verifica della possibilità di inclusione ripetuta nell’auto-respiratore da miniera con pause di 15 min;
2. Determinazione del tempo effettivo di azione protettiva di un autorespiratore fino a quando non è possibile continuare a respirare mediante ripetuta inclusione e disconnessione dell’operatore volontario dall’auto-respiratore;
3. Confronto dei risultati ottenuti con i risultati di una prova simile di un auto-respiratore su un simulatore di respirazione esterna umana „OXY ROBOT“.

CONDUZIONE DELLE PROVE

Per le prove sono stati utilizzati gli autorespiratori della serie ShSS-TM fabbricati nel 2018 che non sono stati in servizio.

Durante le prove, un campione di miscela respiratoria gassosa è stato continuamente prelevato dal sacchetto di respirazione dell’auto-respiratore per misurare le concentrazioni volumetriche di ossigeno e anidride carbonica, e la resistenza respiratoria è stata misurata durante l’inspirazione e l’espirazione.

Le misurazioni e la registrazione automatica dei suddetti parametri sono state effettuate utilizzando il banco di prova „OXY ROBOT“ e un PC.

Il programma di prova dell’auto-respiratore con la simulazione di interruzioni e attivazioni ripetute nell’auto-respiratore da miniera è riportato nella tabella 1.

Tabella 1

L’aspetto generale del dispositivo di prova e dell’attrezzatura è mostrato in Fig. 1.

Figura 1. 1 – tapis roulant; 2 – auto-respiratore; 3 – banco di prova „OXY ROBOT“; 4 – PC; 5 – simulatore-registratore della ventilazione polmonare e del polso umano.

Durante il funzionamento, il polso dell’operatore è stato continuamente misurato e registrato con un sensore toracico. I dati del sensore toracico sono stati trasmessi in modalità wireless al simulatore-registratore (simulatore di auto-respiratore) 5, e da esso a un personal computer 4.

Durante una pausa simulata l’operatore si staccava dall’auto-respiratore togliendo il boccaglio dalla bocca, ma il boccaglio non era inserito sulla spina standard, quindi l’auto-respiratore rimaneva non ermetico lungo la linea di inspirazione/espirazione durante la pausa.

Il tempo totale della prova è stato di 135 minuti. Il tempo dell’azione protettiva dell’auto-respiratore (senza tener conto del tempo di pausa) è stato di 64 min fino a quando la concentrazione volumetrica di anidride carbonica nel sacchetto di respirazione è stata del 3,0 % (secondo GOST 12.4.292-2015). Il tempo effettivo di azione protettiva dell’auto-respiratore (escluso il tempo di pausa) è stato di 70 minuti prima della fine della prova, secondo le sensazioni soggettive dell’operatore volontario. Le sensazioni soggettive sono descritte come mancanza d’aria a piena inspirazione, la necessità di prendere un respiro di aria fresca, ossia c’era un debole riempimento del sacchetto respiratorio con la miscela respiratoria gassosa, vicino al “collasso”.

Al momento in cui la prova è stata terminata, la miscela respiratoria gassosa nel sacchetto respiratorio aveva i seguenti parametri:

• concentrazione volumetrica di ossigeno – 16,52%;
• concentrazione volumetrica di anidride carbonica – 4,05% (con un valore massimo del 4,42% al minuto 130 della prova).

Figura 2. Resistenza alla respirazione.

Le figure 2-4 mostrano i grafici della dipendenza dei parametri di prova dal tempo con le pause. La resistenza alla respirazione è aumentata gradualmente durante ogni ciclo di inclusione nell’auto-respiratore con l’aumento della ventilazione polmonare (a causa del carico aggiuntivo sui muscoli respiratori), e con il riempimento del sacchetto respiratorio con la miscela respiratoria gassosa. Inoltre, è stato osservato che il valore medio della resistenza respiratoria aumenta a causa di un aumento della resistenza all’inspirazione man mano che il prodotto rigenerativo viene lavorato ad ogni ciclo di inclusione nell’auto-respiratore.

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.

Figura 3. Frazione volumetrica di O₂ e concentrazione di CO₂ nel sacchetto respiratorio.

La frazione volumetrica dell’ossigeno nel sacchetto respiratorio è aumentata gradualmente man mano che la reazione chimica procedeva nella cartuccia dell’auto-respiratore fino a valori pari al 90% in volume durante un singolo ciclo di inclusione. Durante la pausa, la concentrazione di ossigeno nel sacchetto respiratorio è praticamente invariata. Al momento della successiva inclusione nell’auto-respiratore, la concentrazione scende bruscamente a causa della diluizione della miscela respiratoria gassosa con l’aria espirata dall’utente. Poi, man mano che la reazione di rigenerazione riprende e si sviluppa, la concentrazione di ossigeno raggiunge nuovamente i valori tipici, mentre ad ogni nuovo ciclo di inclusione nell’auto-respiratore si riduce il valore massimo di concentrazione, rispetto a quello raggiunto al precedente ciclo di funzionamento, man mano che aumenta il grado di lavorazione di superossido di potassio nel prodotto rigenerativo.

Alla fine della prova, la quantità di prodotto rigenerativo rimanente non forniva più una rigenerazione sufficiente della miscela di respirazione, la concentrazione di ossigeno era praticamente scesa a valori atmosferici e il sacchetto respiratorio era vicino a uno stato di “collasso”.

La concentrazione di anidride carbonica nel sacchetto respiratorio è aumentata “lentamente” durante i primi quattro cicli di “lavoro-pausa”, un aumento “a balzi” della concentrazione è stato osservato durante il 5° ciclo di inclusione nell’auto-respiratore, perché nel prodotto rigenerativo consumato l’anidride carbonica espirata non era sufficientemente legata dai prodotti di idrolisi di KO₂.

La prova è stata continuata anche dopo che la frazione volumetrica di CO₂ ha superato il 3,0 % in vol. Allo stesso tempo la ventilazione polmonare dell’utente è aumentata notevolmente, il che può essere visto chiaramente sul grafico della dipendenza della resistenza respiratoria (Fig.2). Se la frazione volumetrica dell’anidride carbonica nell’aria è circa il 3%, questo stimola la respirazione, perché quando il livello di anidride carbonica arteriosa aumenta, anche la concentrazione di H⁺ nel sangue aumenta a causa della formazione di acido carbonico debole H₂CO₃. Questi stimoli inviano segnali al centro respiratorio del cervello per aumentare la frequenza e la profondità respiratoria, ma non per consumare più ossigeno, ma per liberare il corpo dall’anidride carbonica in eccesso e minimizzare i cambiamenti nel pH del sangue.

La figura 4 mostra un grafico della frequenza cardiaca dell’operatore nel corso dell’esercizio. Il grafico della concentrazione di ossigeno nel sacchetto respiratorio permette di confrontare facilmente le fasi quando l’utente viene incluso e quando viene rimosso dall’auto-respiratore.

La frequenza cardiaca è aumentata durante le fasi di movimento nell’auto-respiratore a causa del maggiore stress fisico sui muscoli respiratori (a causa della resistenza alla respirazione e di un graduale aumento della concentrazione di anidride carbonica nella miscela respiratoria gassosa inalato).

Figura 4. Polso (media dell’intervallo di 15 minuti) e concentrazione di ossigeno nel sacchetto respiratorio.

I risultati del test dell’auto-respiratore „ShSS-TM“ con un operatore volontario simulando il ciclo “lavoro – pausa” per 15 minuti sono stati confrontati con i risultati della prova di un simile auto-respiratore sul simulatore di respirazione esterna umana „OXY ROBOT“ (Fig. 5) condotto nelle seguenti condizioni:

• ventilazione polmonare – 30 dm³/min;
• simulazione dell’emissione di anidride carbonica – 1,2 dm³/min.

Le figure 5 – 7 mostrano i grafici comparativi dei test con partecipazione umana e sul banco di prova OXY ROBOT.

Figura 5. Confronto dei risultati delle prove con partecipazione umana e sul banco di prova OXY ROBOT. Resistenza respiratoria „ShSS-TM“ nella modalità “lavoro-pausa”.

L’analisi del grafico comparativo della resistenza respiratoria mostrato nella Figura 5 mostra che c’è una “somiglianza” dei grafici, che indica la vicinanza dei valori del carico fisico sperimentato dall’operatore volontario e il carico simulato dal banco di prova OXY ROBOT [6-8]. Allo stesso tempo si nota che la natura della respirazione umana subisce cambiamenti durante le prove rispetto alla natura della respirazione simulata dal supporto in conformità con GOST 12.4.292-2015, che non tiene conto dei cambiamenti nella resistenza respiratoria a causa dei cambiamenti nella composizione del gas della miscela respiratoria e della stanchezza dell’operatore. La resistenza inspiratoria ed espiratoria dell’operatore è quasi identica in ogni ciclo, e sul banco di prova OXY ROBOT la resistenza inspiratoria è in media il 43% della resistenza espiratoria [9,10]. La tabella 2 mostra l’analisi dei valori di resistenza respiratoria totale.

La figura 6 mostra un grafico del contenuto di ossigeno all’inalazione del banco di prova OXY ROBOT e dell’operatore.

Figura 6. Contenuto di ossigeno all’inalazione.

Figura 7. Concentrazione di anidride carbonica nel sacchetto respiratorio (operatore) e all’inalazione (OXY ROBOT).

Il grafico della concentrazione di anidride carbonica (Figura 7) è un riferimento, poiché le misurazioni sono state fatte in diversi punti. Questo grafico mostra le differenze tra la composizione della miscela respiratoria gassosa nel sacchetto respiratorio e la composizione della miscela respiratoria gassosa nella linea inspiratoria del banco di prova OXY ROBOT.

CONCLUSIONE

I risultati presentati dimostrano il potenziale per l’inclusione ripetuta e continua nell’auto-respiratore sull’ossigeno legato chimicamente, con una pausa di 15 minuti. Il risultato ottenuto è prezioso perché dimostra che ci sono condizioni per l’inclusione ripetuta e continua nell’auto-respiratore sull’ossigeno legato chimicamente che devono essere verificate dai progettisti e produttori di auto-respiratori. Questo dovrebbe essere fatto almeno per garantire che non ci sia una “lacuna” funzionale e tecnica nell’attuale quadro normativo che definisce le regole per i luoghi sicuri delle persone nella miniera.

Inoltre, tali studi contribuirebbero a migliorare la sicurezza del personale della miniera fornendo informazioni agli utenti degli auto-respiratori da miniera sui possibili modi di nuova inclusione nell’autorespiratore e sulla procedura necessaria per farlo. Questo a sua volta porterà alla necessità per l’utente dell’auto-respiratore da miniera di acquisire le competenze appropriate nel corso della formazione e delle esercitazioni.

L’analisi dei risultati dimostra anche la “somiglianza” dei risultati ottenuti quando si prova l’auto-respiratore da miniera con la partecipazione di un operatore volontario e con l’uso di un simulatore di respirazione esterna umana. Le differenze sono determinate dalla respirazione umana reale e dai requisiti che definiscono la “respirazione umana” per le prove degli auto-respiratori secondo gli standard nazionali accettati. Queste differenze possono essere eliminate accumulando la quantità necessaria di dati sulla respirazione di persone reali sotto diversi carichi e con la disponibilità di attrezzature che permettono di replicare accuratamente le caratteristiche della respirazione umana, cambiando dinamicamente i parametri della respirazione. La cattura dei parametri della respirazione umana e la sua ripetizione sul simulatore di respirazione esterna umana oggi costituiscono i problemi risolti. Quindi ci sono tutti i presupposti per effettuare ulteriori ricerche e la convergenza dei parametri regolamentari di respirazione e quelli reali, il che a sua volta permetterà di migliorare i dispositivi di protezione delle vie respiratorie e le loro possibilità di protezione delle persone in ambienti pericolosi.

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