歐聰穎，劉何清, 2

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深部礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)研究*

歐聰穎1，劉何清1, 2

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭市 411201)

隨著煤礦縱向采掘深度的增大，嚴(yán)重影響著井下作業(yè)人員的安全、健康與生產(chǎn)效率，科學(xué)評(píng)價(jià)深部礦井熱環(huán)境是解決礦井熱害問題的前提與基礎(chǔ)。通過分析礦井熱環(huán)境參數(shù)對(duì)人體的影響及現(xiàn)有的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇了適用于深部礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)的熱應(yīng)力指標(biāo)與熱環(huán)境指標(biāo)、，為今后深部礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立提出了建議，為深部礦井熱舒適研究提供了參考。

深部礦井；熱害；熱環(huán)境；熱舒適

0 引 言

煤炭作為生產(chǎn)、生活中必不可少的基礎(chǔ)原料，占據(jù)了我國(guó)一次能源生產(chǎn)量與使用量的重要地位[1]。近幾年來，由于早期的煤炭資源消耗，接近地表的煤炭資源逐漸減少，越來越多的礦井逐漸進(jìn)入深部開采狀態(tài)。我國(guó)未開發(fā)煤炭?jī)?chǔ)量中7成埋深超過1000 m，預(yù)計(jì)在未來十幾年內(nèi)，我國(guó)較多煤礦的開采深度將先后進(jìn)入1000~1500 m[2?3]。隨著礦井開采深度的增加，井下工作面的溫度不斷升高，我國(guó)部分井下采掘工作面的風(fēng)溫已經(jīng)超過30 ℃，礦井熱害問題日趨嚴(yán)重，極大地影響了井下工作人員的身心健康及工作效率[4?5]。在針對(duì)井下熱環(huán)境狀況選擇降溫方式、設(shè)計(jì)降溫方案之前，需要對(duì)深部礦井熱環(huán)境進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。因此，如何評(píng)價(jià)深部礦井熱環(huán)境是解決礦井熱害問題的前提與基礎(chǔ)，研究適合礦井熱環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于礦井熱害防治具有非常重要的意義。

1 礦井熱環(huán)境對(duì)人體的影響

我國(guó)現(xiàn)行的《煤礦安全規(guī)程》中主要對(duì)井下生產(chǎn)環(huán)境及機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度進(jìn)行了規(guī)定，當(dāng)空氣溫度不滿足規(guī)定時(shí)，需縮短工作時(shí)間或停止工作。實(shí)際上，除空氣溫度外，熱環(huán)境參數(shù)空氣濕度、空氣流速和平均輻射溫度同樣影響著礦井熱環(huán)境中人體的散熱狀態(tài)，進(jìn)而影響著井下工作者的身心健康及工作 效率。

1.1 空氣溫度

由于礦井縱向挖掘深度的增加，圍巖溫度不斷增大，井下工作面空氣溫度也隨之升高。空氣溫度直接影響著人體與周圍環(huán)境之間的對(duì)流和輻射熱交換，空氣溫度升高時(shí)，人體皮膚溫度與周圍空氣溫度之間的溫差減少，人體向周圍熱環(huán)境的對(duì)流、輻射散熱量降低。短時(shí)間內(nèi)，人體內(nèi)的余熱蓄積，無法散出，人體熱感覺向偏熱的方向移動(dòng)。

1.2 空氣濕度

我國(guó)大部分礦井工作面空氣濕度為60%~80%，部分甚至高達(dá)100%[6]。人體在井下高溫環(huán)境中進(jìn)行挖掘工作時(shí)，皮膚表面處于顯性出汗?fàn)顟B(tài)，人體通過汗液的蒸發(fā)帶走體內(nèi)的熱量，空氣濕度影響著人體表面皮膚的濕潤(rùn)程度，空氣濕度過大時(shí)，汗液蒸發(fā)受到阻礙，皮膚溫度上升，人體對(duì)周圍環(huán)境的熱感增加。

1.3 空氣流速

井下掘進(jìn)工作面空氣流速的大小影響著人體與周圍環(huán)境之間的對(duì)流換熱、對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)?？諝饬魉僭龃?，對(duì)流換熱系數(shù)隨之增大，人體向周圍環(huán)境對(duì)流散熱量增大；人體皮膚表面有汗液滲透時(shí)，對(duì)流傳質(zhì)隨空氣流速增大而增大，加快了皮膚表面汗液的蒸發(fā)，蒸發(fā)散熱量增大。人體向周圍環(huán)境散熱，熱感覺向偏冷方向移動(dòng)。

1.4 平均輻射溫度

平均輻射溫度的大小影響人體與周圍物體及環(huán)境之間的輻射熱交換，平均輻射溫度與人體外表面之間的溫差越大，輻射熱交換越多，平均輻射溫度大于人體外表面溫度時(shí)，周圍物體及環(huán)境向人體發(fā)散輻射熱，反之，則人體向周圍物體及環(huán)境散出輻射熱量。又因?yàn)椋骄椛錅囟却碇車矬w及環(huán)境向人體輻射作用的平均溫度，對(duì)于深部井下工作面熱環(huán)境，平均輻射溫度的大小主要受圍巖溫度的影響。

2 熱環(huán)境評(píng)價(jià)

現(xiàn)有的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為：熱舒適指標(biāo)與熱應(yīng)力指標(biāo)。其中，熱舒適性指標(biāo)是用于評(píng)價(jià)人體所處熱環(huán)境是否滿足熱舒適性的指標(biāo)；熱應(yīng)力指標(biāo)是用于評(píng)價(jià)在可能出現(xiàn)熱失調(diào)危險(xiǎn)的高溫環(huán)境中，熱環(huán)境是否可確保人體維持健康生理狀態(tài)的指標(biāo)。

2.1 熱舒適指標(biāo)

人體熱舒適同時(shí)受環(huán)境因素與個(gè)體因素的影響，迄今為止，諸多學(xué)者試圖綜合人體熱舒適的影響因素，并以此來預(yù)測(cè)人體的熱舒適程度。在研究室內(nèi)熱濕環(huán)境熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)的進(jìn)程中，研究者基于大量實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查提出了許多熱舒適指標(biāo)：有效溫度ET(Effective Temperature)、新有效溫度ET*(Effective Temperature*)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET(Standard Effective Temperature)、合成溫度、預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)PMV(Predicted Mean Vote)、主觀溫度等[7]。

2.1.1 有效溫度ET和新有效溫度ET*與標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET

“一帶一路”是指“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”與“21世紀(jì)海上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”，是我國(guó)當(dāng)前的重要發(fā)展戰(zhàn)略，其沿線共涉及65個(gè)國(guó)家和地區(qū)，這些國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量約為21萬億美元，占全世界的29%，在經(jīng)濟(jì)貿(mào)易等方面有著很大的影響。2015年9月，國(guó)家頒布了關(guān)于紡織業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，提出需通過“一帶一路”的機(jī)遇來完成產(chǎn)業(yè)的籌劃和結(jié)構(gòu)的完善。新疆政府以絲綢之路中心區(qū)的身份頒布了很多關(guān)于紡織業(yè)發(fā)展進(jìn)步的政策。由此可知，“一帶一路”的有關(guān)規(guī)定很大地影響了紡織業(yè)的良好發(fā)展，對(duì)更快推動(dòng)中國(guó)紡織服裝產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。

由于美國(guó)夏季氣候炎熱潮濕的特點(diǎn)，美國(guó)暖通空調(diào)工程師(ASHARE)協(xié)會(huì)為了獲取有關(guān)濕度對(duì)人體熱舒適影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與資料，在匹茲堡的實(shí)驗(yàn)室中開展了一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并在此后的研究中，提出了可用于評(píng)價(jià)不同空氣溫度、空氣濕度、空氣流速下人體熱舒適性的有效溫度ET。ET曾作為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)被專業(yè)人員使用了接近50 a，但由于其在偏冷及偏熱環(huán)境中，錯(cuò)誤的估計(jì)了濕度對(duì)人體熱舒適的影響，被后續(xù)提出的新有效溫度ET*所替代。

1971年，Gagge通過對(duì)處于空氣流速為0.15m/s環(huán)境中，服裝熱阻為0.6clo，靜坐狀態(tài)下的人進(jìn)行人體熱舒適實(shí)驗(yàn)，將皮膚濕潤(rùn)程度的概念引進(jìn)有效溫度ET，將溫度和濕度結(jié)合成一個(gè)單一的指標(biāo)，建立了一個(gè)可以用于評(píng)估穿著輕薄服裝、坐著工作的人體的舒適程度的新有效溫度ET*[8]。ET*是過去最常見、應(yīng)用最廣泛的熱環(huán)境指標(biāo)，被ASHRAE手冊(cè)收錄。當(dāng)兩個(gè)熱環(huán)境的ET*與空氣流速相同時(shí)，即使這兩個(gè)環(huán)境具有不同的溫濕度，人體對(duì)這兩個(gè)環(huán)境的熱響應(yīng)也相同，ET*只適用于人體穿著輕薄服裝，低活動(dòng)水平，處于風(fēng)速較小環(huán)境中的熱舒適評(píng)價(jià)。

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET是基于Gagge所提出的人體溫度調(diào)節(jié)的兩節(jié)點(diǎn)模型[7]，通過傳熱分析所得出的綜合性熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。它的定義為：在相對(duì)濕度50%，空氣流速為0 m/s，環(huán)境溫度與平均輻射環(huán)境溫度相等的環(huán)境中，穿著標(biāo)準(zhǔn)化服裝(服裝熱阻為0.6clo)的受試者與某一實(shí)際環(huán)境和實(shí)際服裝熱阻下的人體平均皮膚溫度、皮膚濕度相等，那么在這兩個(gè)熱環(huán)境中的人體一定有相同的散熱量，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的溫度就是人體處于實(shí)際環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET[8]。與ET*相比，SET同時(shí)還考慮了個(gè)人因素的影響，適用的范圍更廣，是目前最為通用的指標(biāo)。但由于SET的求取過程中需要對(duì)皮膚溫度和皮膚濕度進(jìn)行計(jì)算，增加了計(jì)算難度，在實(shí)際應(yīng)用中十分受限。

2.1.2 預(yù)計(jì)平均評(píng)價(jià)PMV

Fanger在熱舒適方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合1396名受試者在不同環(huán)境溫度下的熱感覺投票結(jié)果，引入反映人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷，進(jìn)一步得出了預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)PMV指標(biāo)[10]：

PMV是國(guó)際權(quán)威組織公認(rèn)的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]，同時(shí)也被我國(guó)制定為民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]。由于人體生理差距的存在，即使在同一熱環(huán)境中，人與人之間的熱感覺仍然可能存在偏差。因此，預(yù)測(cè)的是處于一個(gè)熱濕環(huán)境中絕大部分人的熱感覺。為了更準(zhǔn)確的表示人群對(duì)熱環(huán)境的滿意程度，F(xiàn)anger基于PMV提出了一個(gè)新的熱舒適指標(biāo)，人群對(duì)熱濕環(huán)境不滿意的百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied)，與之間的關(guān)系如下[10]：

PMV-PPD指標(biāo)在熱舒適設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估中被廣泛應(yīng)用，根據(jù)-的關(guān)系式可知，當(dāng)=0時(shí)，熱環(huán)境處于熱舒適狀態(tài)，為5%，表明即使在評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳的熱舒適環(huán)境中，仍然存在約5%的人對(duì)周圍熱環(huán)境感到不滿意?；诖?，ISO (International Organization for Standardization)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織在ISO07730標(biāo)準(zhǔn)中，將?0.5＜＜+0.5，≤10%作為推薦值，即在ISO07730推薦的熱環(huán)境中，允許約有10%的人不滿。

但有一點(diǎn)值得注意的是，計(jì)算模型中，皮膚溫度與皮膚顯性出汗?fàn)顟B(tài)下蒸發(fā)換熱量只與新陳代謝率相關(guān)。實(shí)際上，當(dāng)人體在偏離熱舒適狀態(tài)較遠(yuǎn)或新陳代謝率較大的環(huán)境中時(shí)，皮膚溫度和皮膚顯性出汗?fàn)顟B(tài)下蒸發(fā)換熱量將隨環(huán)境參數(shù)變化而變化。因此，在預(yù)測(cè)偏離熱舒適狀態(tài)較遠(yuǎn)環(huán)境時(shí)，如炎熱環(huán)境或人體處于活動(dòng)水平時(shí)，值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際并不 相符。

2.2 熱應(yīng)力指標(biāo)

熱應(yīng)力是指人體在具有潛在危險(xiǎn)、不舒適的熱環(huán)境中形成的強(qiáng)烈的刺激，熱應(yīng)力的出現(xiàn)會(huì)使人體出現(xiàn)熱過勞。健康的人體通過自身的生理調(diào)節(jié)以維持正常的生命活動(dòng)，當(dāng)人體自身的調(diào)節(jié)能力無法應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力時(shí)，人體生理失調(diào)、熱平衡被破壞，具體表現(xiàn)為中暑、熱昏厥、熱衰竭等。因此，在評(píng)價(jià)高溫或寒冷的極端環(huán)境時(shí)，僅僅進(jìn)行熱舒適評(píng)價(jià)是無法滿足需求的?，F(xiàn)有的熱應(yīng)力指標(biāo)主要有熱應(yīng)力指數(shù)HSI(Heat Stress Index)和風(fēng)冷卻指標(biāo)WCI(Wind Chill Index)等。

2.2.1 熱應(yīng)力指數(shù)HSI

熱應(yīng)力指數(shù)HSI最初是由Belidng和Hatch綜合皮膚溫度恒定在35 ℃時(shí)，蒸發(fā)調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)人體所需的排汗散熱量req與皮膚表面最大潛熱換熱量max提出的，是一個(gè)用于定量的表示熱環(huán)境對(duì)人體的作用應(yīng)力的指數(shù)。的公式如下：

當(dāng)兩個(gè)不同的熱環(huán)境數(shù)值相同時(shí)，人體產(chǎn)生的熱過勞程度相同。熱應(yīng)力指數(shù)＞100時(shí)，人體熱平衡被打破，體溫開始升高，超過了健康年輕人所能承受的最大過勞；當(dāng)＜0時(shí)，人體體溫開始下降，逐漸產(chǎn)生冷應(yīng)變。

2.2.2 風(fēng)冷卻指數(shù)WCI

風(fēng)冷指數(shù)WCI是Siple和Passsel基于部分充滿水的圓柱形燒瓶上獲得的冷卻測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合空氣溫度t、空氣流速v發(fā)展而來的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。WCI描述了當(dāng)人體表面溫度為33 ℃時(shí)，由于輻射和對(duì)流引起的人體皮膚表面的熱損失率。的計(jì)算公式如下：

風(fēng)冷卻指數(shù)分別為200，400，800，1000，1200，1400，2500 kcal/(m2·h)時(shí)，人體的熱感覺描述依次為愉快、涼、冷、很冷、劇冷、肌肉凍僵、不能忍受。

3 礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

我國(guó)深部礦井工作面熱環(huán)境的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為高溫高濕，在考慮井下工作人員的熱舒適之前，應(yīng)該考慮熱環(huán)境對(duì)人體健康的威脅。對(duì)于深部礦井，首先應(yīng)采用熱應(yīng)力指數(shù)HSI對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保當(dāng)小于100，人體可以維持基本的生命活動(dòng)時(shí)，再對(duì)深部礦井熱環(huán)境進(jìn)行熱舒適性評(píng)價(jià)。

基于前述對(duì)現(xiàn)有建筑室內(nèi)熱舒適指標(biāo)的分析，不同熱舒適指標(biāo)的考慮因素、適用范圍對(duì)比見表1。對(duì)于礦井工作面的熱環(huán)境，《煤礦安全規(guī)程》僅僅對(duì)空氣溫度的大小進(jìn)行了規(guī)定，忽視了包括濕度在內(nèi)其他環(huán)境參數(shù)對(duì)人體散熱產(chǎn)生的影響。除了環(huán)境參數(shù)，人體的活動(dòng)水平及服裝熱阻也同樣影響著人體熱舒適。但由于井下工作人員通常穿著統(tǒng)一的勞保服，進(jìn)行著同樣勞動(dòng)強(qiáng)度的挖掘工作，故而在選擇深部礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)該首要考慮深部礦井熱環(huán)境特點(diǎn)，次要考慮井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與著裝水平。在上文所總結(jié)的熱舒適指標(biāo)中，僅有標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET與預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)PMV考慮了所有環(huán)境因素對(duì)人體的影響。其中，PMV由于固定了皮膚溫度與顯性出汗?fàn)顟B(tài)下蒸發(fā)換熱量，在預(yù)測(cè)遠(yuǎn)離熱舒適狀態(tài)、人體活動(dòng)水平較高的熱環(huán)境時(shí)容易產(chǎn)生偏差；而SET可以通過人體體溫和皮膚溫度隨時(shí)間的變化給出人體的熱感和不舒適感，更適用于高溫高濕環(huán)境，但其計(jì)算過程相對(duì)更為復(fù)雜。因此，需要對(duì)深部礦井進(jìn)行精準(zhǔn)的熱舒適評(píng)價(jià)時(shí)，更推薦使用標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET；只需對(duì)深部礦井熱環(huán)境的熱舒適性粗略了解時(shí)，推薦使用預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)PMV。

表1 熱舒適指標(biāo)比較

4 結(jié)論與展望

(1) 分別分析了礦井熱環(huán)境參數(shù)空氣溫度、空氣流速、空氣濕度、平均輻射溫度對(duì)人體的影響，為深部礦井熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取提供了理論依據(jù)。

(2) 對(duì)現(xiàn)有的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析與介紹，并對(duì)各熱舒適指標(biāo)的考慮因素、適用范圍進(jìn)行了總結(jié)與對(duì)比。

(3) 根據(jù)深部礦井熱環(huán)境高溫高濕的特點(diǎn)，選擇了適用于深部礦井熱環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先使用熱應(yīng)力指數(shù)HSI對(duì)井下熱環(huán)境是否會(huì)影響人體健康進(jìn)行判斷，當(dāng)井下熱環(huán)境可以保持人體基本健康狀態(tài)時(shí)，再采用標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET指標(biāo)或預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)PMV評(píng)價(jià)井下熱環(huán)境的熱舒適性。

(4) 通常情況下，深部礦井工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與著裝水平均一致，可針對(duì)固定的勞動(dòng)強(qiáng)度與著裝水平提出具體量化的熱環(huán)境指標(biāo)。同時(shí)，現(xiàn)有的熱環(huán)境指標(biāo)均未考慮人體心理對(duì)熱舒適的影響，由于井下工作環(huán)境較為惡劣，對(duì)人體心理影響較大，未來的井下熱環(huán)境指標(biāo)應(yīng)結(jié)合環(huán)境參數(shù)與人體心理因素，對(duì)深部礦井熱環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)估。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2017.

[2] 夏炳銀,李 勇.礦井降溫技術(shù)淺談[J].山東煤炭科技, 2011(3): 217?217.

[3] 何滿潮.HEMS深井降溫系統(tǒng)研發(fā)及熱害控制對(duì)策[J]. 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué),2008,10(2):1353?1361.

[4] 劉衛(wèi)東.高溫環(huán)境對(duì)煤礦井下作業(yè)人員影響的調(diào)查研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(3):43?45.

[5] 楊德源,楊天鴻.礦井熱環(huán)境及其控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[6] 題正義,穆 丹,趙 杰.礦井高溫氣候評(píng)價(jià)[J].煤礦安全,2007, 38(3):22?23.

[7] 朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[8] GAGGE A P. An effective temperature scale based on a simple model of human physiological regulatory response[J]. Ashrae Trans, 1972, 77(1): 21?36.

[9] GAGGE A P. A standard predictive index of human response to the thermal environment[J]. Ashrae Trans, 1986, 92: 709?731.

[10] FANGER P O. Thermal comfort[M]. Robert E. Krieger Publishing Company, Malabar, FL, 1982.

[11] ASHRAE. ANSI/ASHRAE Standard 55 -2010: Thermal Environment Conditions for Human Occupancy [S]. Atlanta, GA, American Society of Heating, Ventilating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2011.

[12] GB/T5701－2008:民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474105)，湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2017B662).

(2019?03?24)

歐聰穎(1995—)，女，湖南韶山人，碩士研究生，主要從事人體熱舒適相關(guān)研究，Email: 654720416@qq. com。