金屬礦山獨頭掘進巷道熱環境指標的探討

王 爽 賈敏濤 陳宜華 任甲澤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

評價礦井勞動作業人員工作時的熱環境指標很多，但一般來說這些指標只能描述一、二個或稍多的熱環境因素，因此只能部分反映熱環境的情況，即使“最好的”或“最適宜的”指標，對巷道內的環境描述也是不全面的。

本文通過對金屬礦山獨頭掘進巷道熱環境主要評價指標的優缺點進行了探討，優選出一個符合我國金屬礦山實際、安全、管理和經濟水平的獨頭掘進巷道熱環境指標，以改善金屬礦山獨頭掘進巷道的舒適度。

1 影響獨頭掘進巷道熱舒適度的主要因素

在金屬礦山獨頭掘進巷道的高溫環境中，人體放熱主要通過人體表面與外界的對流、輻射和汗液蒸發這3種基本形式進行的。3種散熱方式一般情況下所占的比例:蒸發散熱量占20% ～25%;輻射散熱量占40% ～45%;對流散熱量占20% ～30%。3種散熱量比例隨著微氣候環境因素變化而變化。

在不同的微氣候條件下，人體最大可能的蒸發散熱量［1］:

式中，v為風速，m/s;Pp為皮膚溫度tp時的飽和蒸氣壓力，kPa;Pb為氣溫ta時的飽和蒸氣壓力，kPa。

人體輻射放熱量主要取決于環境物體(如巖壁、設備等)的表面溫度t0，可用下式計算:

式中，ta為空氣的干球溫度，℃;tp為人體皮膚表面溫度，℃。

人體與環境的對流散熱量，在礦井條件下，可近似用下式計算:

通過上述分析，人體各種散熱方式均與環境溫度、濕度、風速有關。其中，對流散熱取決于周圍空氣的溫度和風速;輻射散熱取決于周圍空氣的溫度;蒸發散熱取決于周圍空氣的相對濕度和風速。因此，影響獨頭掘進巷道舒適度的主要因素是:溫度、濕度、風速。但熱環境影響人體舒適度還取決于勞動強度、持續時間、衣著情況以及個人特征(年齡、健康狀況、身高、體重以及對熱的適應能力)等［2］。

2 評價礦井熱環境的指標

評價礦井勞動作業人員工作時的熱環境指標很多，描述的等值線間的差異可能很大，以一個干球溫度和相對濕度為參考點，將一些常用的評價指標的等值線在圖上表示出來(圖1)。從圖1上可以看到其發散度很大，但是在獨頭巷道特殊的作業環境下，其熱環境參數的變化范圍較小，各指標間的差異不大［2］。

圖1 常用熱應力指標對比

評價獨頭掘進巷道熱環境的指標必須要能綜合反映出巷道熱環境的影響因素，以及勞動作業人員的主觀熱感覺。常見指標有:干球溫度指標(ta)、濕球溫度指標(tf)、等效溫度指標(teff)、綜合溫度指標(tz)、卡他度指標(Kd)、熱應力指數指標(HSI)以及國際標準化組織(ISO)提出的PMV(Predicted Mean Vote)和 PPD(Predicted Percent Dissatisfied)指標等。這些指標都從某一方面反映了作業人員工作環境的熱舒適性。

2.1 干球溫度指標(ta)

干球溫度指溫度計感溫元件直接裸露于空氣中測量的計示值，在需要較精準的測量時，要求被測點的風速大于2 m/s，且需避免受到熱輻射，防止造成較大誤差。

干球溫度是我國礦井熱環境現行評價指標之一，在一定程度上能直接反映出礦井氣候條件的好壞，測量操作簡單，使用方便。但干球溫度只反映溫度對礦井氣候條件的影響，沒有反應出氣候條件對人體熱平衡的綜合作用［7］。由于其使用方便，目前仍被較多國家使用。

2.2 濕球溫度指標(tf)

濕球溫度指用濕紗布裹著溫度表的溫包，在流速超過2.5 m/s、且不受直接輻射的空氣中測得的紗布表面溫度，表示某一狀態下的空氣，同濕球溫度表的濕潤溫包接觸，發生絕熱熱濕交換，使其達到飽和狀態時的溫度。以此作為空氣接近飽和程度的一種度量。

濕球溫度相比干球溫度在礦井評價熱環境更加全面，在某種程度上，濕球溫度還能反映出熱環境的熱舒適度，但濕球溫度只反映出了空氣中溫度和相對濕度對人體熱平衡的影響，沒有反應出風速在熱應力中的作用［2］。

2.3 等效溫度指標(teff)

(1)1923年，美國采暖工程師協會提出通過試驗憑受試者對環境的感覺得出同感溫度計算圖。再經試算、擬合得出在干、濕球溫度差小于5℃，濕球溫度在25～35℃，風速為0.5～3.5 m/s的條件下，等效溫度可按式(5)計算，其偏差小于0.2℃［3］:

式中，ta、tf為空氣的干、濕球溫度，℃;v為風速，m/s。

(2)德國礦山研究院通風與空調技術研究所的Joachim Voss博士，提出等效溫度計算［3］:

式中，符號意義同上。

等效溫度指標能夠反映溫度、濕度和風速等綜合作用，但也存在缺點:①等效溫度是在風速為零，相對濕度為100%的條件下，以人體產生某種熱感覺的空氣溫度來定義的，在不同風速、不同相對濕度和溫度條件下，人體產生的熱感覺存在熱慣性作用;②在風速為0.5～1.5 m/s的條件下，等效溫度值偏高，在高溫情況下，低估了風速的影響;③等效溫度沒有把人體輻射熱考慮在內，在有輻射作用環境中，等效溫度不適用，同時該指標是由個人的主觀生理反應而確定，很難作為評價氣象環境的客觀標準，目前只有少數國家采用［1］。

2.4 綜合溫度指標(tz)

在制定評價勞動作業人員熱舒適性指標時，研究人員都試圖用一個綜合性指標來反映熱環境要素的綜合作用效果，如比利時用ta指標按式(7)計算、法國用tR指標按式(8)計算，我國煤炭科學研究總院撫順分院根據多年的現場調查、分析提出綜合溫度指標可按式(9)計算［1］:

式中，φ為空氣的相對濕度，%，其他符號意義同上。

綜合溫度指標能夠較為全面的反映礦井熱環境的熱舒適性，也易于操作，便于推廣使用［4］，但不符合當前我國的經濟水平。

2.5 卡他度指標(Kd、Kw)

1916年，英國L.希爾等人提出用卡他計液球的放熱強度來模擬人體的放熱強度［8-9］，即在平均溫度為36.5℃(模擬人體平均體溫)時，液球單位表面積上在單位時間內所散發的熱量。

卡他度又分為干卡他度和濕卡他度，測定時將卡他計放入60～80℃的熱水中，使酒精上升到上部空間的1/3處，取出擦干(測干卡他度)后掛在測定空間點。隨著液球的放熱，溫度下降，酒精液面不斷下降，計錄由38℃降到35℃所需要的時間。再根據式(10)計算出卡他度。測定濕卡他度時，卡他計液球表面要包濕紗布［5］。

式中，F為卡他計常數;T為卡他計液面從38℃降到35℃所需要的時間;Kd、Kw分別為干、濕卡他度。

對于不同勞動強度，推薦的舒適卡它度值如表1所示。

表1 不同勞動狀況時卡他度建議值

卡他度是評價作業環境熱舒適性的綜合指數，干卡他度反映的是對流和輻射的放熱效果，沒有反映出空氣濕度的影響;濕卡他度可反映對流、輻射和蒸發的綜合放熱效果。但卡他計與人體相比較尺寸太小，在悶、熱、潮的環境中，所表示的風流放熱能力并不能代表人體實際放熱能力，且卡他度需要用卡他計測定，測定程序繁瑣。

2.6 熱應力指數指標(HSI)

熱應力指標是以人體熱交換為計算基礎，加入了勞動強度因素的一個綜合性指標，是衡量熱環境對人體處于不同活動量時的熱作用指標:

式中，Ed為人體排汗量小于1 L/h，人體皮膚溫度為35℃時，由汗蒸發形成的最大放熱率;Ep為維持人體熱平衡所需要的放熱率。

在熱應力指標計算時進行以下假設:①皮膚保持恒定溫度35℃;②所需要的蒸發放熱量等于人體新陳代謝產熱加上或減去輻射換熱和對流換熱;③8 h期間人的最大排汗能力接近于1 L，當HSI=0時人體無熱應變，HSI＞100時體溫開始上升。

熱應力指數在假定勞動個體健康且適應日平均水平熱暴露的基礎上得出的，因此，不適用于熱應力很高環境中的熱應力評價，且反映不出來新陳代謝和環境熱產生的影響，對新陳代謝率的影響估計偏低，對風流放熱作用估計偏高。利用熱應力指數對熱環境的評價，需測量空氣流速、干球溫度、濕球溫度及平均輻射溫度，還需測量或估算新陳代謝產熱量［6］。熱應力指數的計算過程比較復雜，所以該指標(HSI)只在歐美各國常用。

2.7dPMV和PPD指標

1984年，國際標準化組織(ISO)提出了熱環境評價與測量的新標準化方法，在ISO7730標準中用PMV(Predicted Mean Vote)和PPD(Predicted Percent Dissatisfied)指標來評價環境。該指標綜合考慮了人體的活動情況、衣著情況、空氣溫度、濕度和風速、平均輻射溫度等6個因素［7］。利用人體熱平衡原理，提出了PMV指標的數學分析式，并用概率分析法，確定了PMV和PPD的數學關系。

2.7.1 PMV 指標

丹麥范格爾(P.O.Fanger)教授收集1369名美國和丹麥受測對象的熱感覺投票，統計出表決人體熱舒適的 PMV 指標［9］:

式中，M，W分別為人體能量代謝率和所做的機械功，kJ;Pe為人體周圍空氣中水蒸氣的分壓力，kPa;tz為周圍空氣溫度，℃;tce為衣服外表面溫度，℃;tr為空間的評價輻射溫度，℃;αc為對流放熱系數;fce為穿衣服表面系數;Ice為衣服的熱阻。

PMV指標是從心里和生理學上的主觀感覺為出發點的一種度量熱感覺尺度，一般采用7為熱感覺標尺，見表2。

表2 PMV熱感覺標尺

2.7.2 PPD 指標

PMV指標表示對同一環境下大部分人的熱感覺。但不同人之間存在生理差別，每個勞動作業人員的熱感覺不一樣，因此PMV不一定能夠代表所有作業人員的熱感覺。Fanger提出預測不滿意百分比，利用概率分析的方法給出了PMV與PPD之間的定量關系式［9-12］，如圖 2。

圖2PPM和PPD的關系

國際標準化組織和ASHRAE等組織依據Fanger的PMV-PPD指標，規定室內熱環境的舒適標準為:－0.5＜PMV＜0.5、PPD ＜10%。而我國很多學者認為，上述指標要求太高，在我國當前的經濟情況下，大部分地區難以實現，認為可以接受舒適熱環境的 PMV為 －1.0＜PMV＜1.0，相應的 PPD ＜26%［1］。

2.7.3 PMV和PPD指標的優缺點

PMV方程是通過試驗調查統計和傳熱學理論相結合推導出來的，對影響人體舒適感的參數考慮比較全面，在一定范圍內可以通過對人體熱負荷的計算評價熱舒適的好壞。PMV方程的適用范圍必須滿足:

(1)人體必須長時間處于比較穩定的熱平衡狀態。PMV熱舒適方程建立在人體和周圍環境進行穩態傳熱基礎上的，僅適用于長時間暴露在穩態熱環境下，具有恒定新陳代謝率的勞動者，而對于短時間熱舒適的評價則不宜。

(2)皮膚表面具有接近舒適時的溫度。計算皮膚表面溫度的公式是以皮膚表面處于正常溫度為前提的，而對于因自身體溫調節系統引起的皮膚表面溫度變化，該公式就不再準確，從而影響最后PMV指標的準確評價。

(3)人體具有接近舒適的最佳排汗率。對計算汗液蒸發放熱量 E0的公式，是以皮膚處于正常最佳排汗率為前提的。而對于自身體溫調節系統引起的排汗率變化，該式也不準確，以致影響PMV指標評價的準確性。特別是在夏季排汗率適當增加的條件下，提高風速在一定程度上增加人體的熱舒適度，且仍處于正常熱平衡狀態(若排汗率過大，雖然提高風速會稍微降低不舒適性，該條件已經不處于舒適范圍，而屬于熱平衡狀態)。

因此PMV熱舒適方程最大局限是:人體皮膚溫度L和汗液蒸發放熱量E被限定在熱舒適狀態下的范圍之中。當人體在不舒適狀態下(如皮膚溫度升高或降低，皮膚大量出汗)時，PMV方程則不能準確的反應出其熱舒適偏移量的大小，同時其計算比較復雜［13］，暫時還不宜作為評價礦井熱環境的指標。

3 國內外礦井熱環境標準

3.1 我國礦井熱環境標準

我國當前礦井現行熱環境標準［14］見表3。

表3 我國礦井現行熱環境標準

3.2 國外礦井熱環境標準

由于人的熱適應能力與其所處的地理位置有關，處在熱帶地區人的熱適應能力要大于處在寒帶地區人的熱適應力，因此，不同國家不同地區的熱環境標準相對存在差異［15］，見表4。

4 獨頭掘進巷道熱環境的評價指標

參照國內外礦井現行熱環境標準，對我國的獨頭掘進巷道熱環境建議采用如下標準。

(1)風速(v)。文獻［14］中規定，獨頭掘進巷道排塵風速不小于0.25 m/s，建議將此作為獨頭掘進巷道熱環境的評價指標之一。

(2)干球溫度標準(ta)。根據文獻［14］和目前我國金屬礦山的實際情況，建議采用干球溫度作為評價獨頭掘進巷道的熱環境指標之一，并規定獨頭掘進巷道工作面溫度不得超過28℃，當超過28℃時，建議作業時間不得超過6 h。

表4 國外礦井現行熱環境標準

(3)濕度(φ)。目前國內外的礦井現行熱環境標準中都未將濕度作為礦井熱環境的評價指標。在沒有特殊要求下，大范圍內的調節和控制空氣濕度，既不現實又無必要。因此濕度不作為評價獨頭掘進巷道的熱環境指標。

5 結論

①通過對人體新陳代謝的分析，得出影響熱應力主要因素是:溫度、濕度、風速;②分析評價了目前金屬礦山獨頭掘進巷道熱環境常見評價指標的優缺點;③參考國內外礦井氣候條件的規定，綜合考慮我國金屬礦安全、管理和經濟水平，提出了我國金屬礦山獨頭掘進巷道熱環境標準。

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