Розвиток теорії та практичне удосконалення методів і засобів індивідуального протипилового захисту працівників гірничих підприємств

Abstract

У дисертаційній роботі, яка є завершеною науково-дослідною роботою в якій розв'язана важлива для охорони праці наукова проблема з розвитку теорії фільтрування аерозолів засобами індивідуального захисту органів дихання з метою попередження професійних захворювань пилової етіології працівників гірничих підприємств. Виконано аналіз чинників, які погіршують ефективність засобів індивідуального протипилового захисту органів дихання, з урахуванням умов праці гірників за пиловим фактором на вугільних підприємствах. Вирішено задачу зміни перепаду тиску на фільтрувальних респіраторах у процесі дихання з використанням фільтраційних моделей взаємопов’язаних каналів і паралельних циліндрів та узагальнено результати, отримані на математичних моделях. Встановлено теоретичні залежності перепаду тиску на респіраторах при різних фазах фільтрування аерозолю та опору дихання від інтенсивності накопичення пилового осаду як при постійній, так і при змінній швидкості фільтрування з урахуванням основних параметрів фільтрувального шару та усереднених умов їх використання. Розроблено високоефективні фільтрувальні засоби протипилового індивідуального захисту органів дихання на основі отриманих залежностей опору диханню від інтенсивності накопичення пилового осаду при змінній швидкості фільтрування. Розроблено методику вибору фільтрувальних засобів індивідуального захисту органів дихання та удосконалено методики з визначення опору диханню, захисних властивостей за тест-аерозолями та стійкості до запилення респіраторів, які впроваджені у випробувальній лабораторії технічної експертизи засобів колективного та індивідуального захисту органів дихання працюючих.

В диссертационной работе решена актуальная научная проблема по развитию теории процесса фильтрации аэрозольных частичек средствами индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) с целью уменьшения профессиональных заболеваний пылевой этиологии работников горных предприятий. Разработана теория прохождения переменного ламинарного потока сквозь пористый фильтрующий материал на основании уравнений Ейлера. Определена зависимость перепада давления на СИЗОД при циклическом движении воздуха с учетом объема и частоты дыхания человека параметров фильтра – проницаемости и пористости фильтрующего слоя. Установлено, что перепад давления на одноразовых фильтрующих полумасках вовремя дыхания зависит от результирующей силы трения при прохождении воздушного потока сквозь фильтрующий шар, которая влияет на распределение давления по высоте фильтра респиратора. С увеличением расхода воздуха на отдельных участках фильтра возникает неравномерное распределение скорости фильтрации, что увеличивает сопротивление дыханию респиратора. Исследованы теоретические зависимости изменения перепада давления на респираторах при разных фазах фильтрации аэрозоля. Установлены условия их использования для прогноза времени защитного действия СИЗОД. Получена зависимость изменения перепада давления на фильтрах респиратора при объемной фазе фильтрации исходя из усовершенствованной модели утолщенного волокна, в которой учтено влияние физико-химических свойств пыли. Установлено, что процесс объемного осаждения частичек пыли на фильтрах можно описать с помощью дифференциального уравнения баланса массы веществ, которое показывает изменение количества вещества, что проходит сквозь фильтр за единицу времени. Доказано, что коэффициент фильтрации возрастает при уменьшении пористости фильтра и увеличении плотности осевшей пыли, которая зависит от структуры волокон, наличия электростатического заряда и типа аэрозоля. Разработана математическая модель для расчета основных параметров фильтра: радиуса волокон, толщины и плотности упаковки волокон с учетом влияния различных скоростей фильтрации. Определены условия существования оптимального радиуса и распределения плотности упаковки по толщине фильтрующего шара. Установлена зависимость количества слоев фильтра от концентрации пыли и расхода воздуха. Определены основные зависимости для расчета параметров фильтра: шага складки и высоты исходя из условий эксплуатации и скорости фильтрации. Изготовлены макеты образцов фильтров. Исследовано изменение коэффициента проникания респираторов на переменном и постоянном потоках воздуха. Показано, что в первом случае он будет выше из-за пиковых показателей при вентиляции легких. Отмечается, что с увеличением расхода воздуха эта разница уменьшается. Определена зависимость коэффициента проникания респиратора от величины подсосов по полосе обтюрации. Предложен способ выявления эквивалентного размера щели между лицом и респиратором, который основан на сравнении перепадов давления на герметически и негерметически закрепленных полумасках. Определен расчет коэффициента защиты с учетом величины подсосов через обтюратор. Показано, что наибольшее количество вредных веществ поступает со стороны щек, наименьшее – со стороны подбородка. Однако с увеличением скорости подсоса место подсоса не влияет на величину коэффициента проникания. Обнаружено, что в подмасочном пространстве эластомерных полумасок накапливается значительно большее количество аэрозольных частичек, чем в одноразовых полумасках. Наибольшее количество вредных веществ проникают при наклонах туловища, глубоком дыхании, разговорах. Количество подсасывающегося воздуха сквозь неплотности полосы обтюрации в одноразовых полумасках при достижении 150 л/мин уменьшается. Разработана модель распределения усилий по полосе обтюрации, которая позволяет рассчитать конструкцию полумасок с равномерным распределением усилий на элементах крепления оголовья. Для повышения изолирующих свойств респираторов предложено изготовить обтюратор в виде воздушной камеры, который сможет повторить контур лица пользователя. Доказано, что безопасная область использования респираторов на угольных шахтах не должна превышать 10 ПДК. Увеличение фактическоговремени использования респиратора с 80 до 95 % приводит к повышению коэффициента защиты на 70 %.

The thesis is devoted to the solution of an actual science problem creating methods and means of effective personal dust protection of breathing organs of mineworkers. The analysis of factors that decrease the effectiveness of respiratory protection subject to working conditions of miners by dust factor in coal enterprises is carried out. The task of pressure difference variation on filter respirators while breathing process with using filtration model of interconnected canals and parallel cylinders is solved. The obtained results of mathematical models are summarized. The task of change pressure differential on filtering respirators while breathing process is solved using filtration models of interdependent channels and parallel cylinders and to generalize the results received on mathematical models. Theoretical dependences of differential pressure on respirators under different phases of filtering aerosol and resistance of breathing from accumulation intensity of dust sediment while constant and variable filtering speed taking into account main parameters of filtering surface and average conditions of their use are set. Highly effective filtering personal protection equipment’s of breathing organs based on received dependences of breathing resistance from dust accumulation intensity under variable filtering speed are developed.