王 爽 賈敏濤 陳宜華 任甲澤

(1.中鋼集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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

本文通過對金屬礦山獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境主要評價指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討，優(yōu)選出一個符合我國金屬礦山實(shí)際、安全、管理和經(jīng)濟(jì)水平的獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境指標(biāo)，以改善金屬礦山獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的舒適度。

1 影響?yīng)氼^掘進(jìn)巷道熱舒適度的主要因素

在金屬礦山獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的高溫環(huán)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(fā)這3種基本形式進(jìn)行的。3種散熱方式一般情況下所占的比例:蒸發(fā)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(huán)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(fā)散熱量［1］:

式中，v為風(fēng)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(huán)境物體(如巖壁、設(shè)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(huán)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(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速有關(guān)。其中，對流散熱取決于周圍空氣的溫度和風(fēng)速;輻射散熱取決于周圍空氣的溫度;蒸發(fā)散熱取決于周圍空氣的相對濕度和風(fēng)速。因此，影響?yīng)氼^掘進(jìn)巷道舒適度的主要因素是:溫度、濕度、風(fēng)速。但熱環(huán)境影響人體舒適度還取決于勞動強(qiáng)度、持續(xù)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(yīng)能力)等［2］。

2 評價礦井熱環(huán)境的指標(biāo)

評價礦井勞動作業(yè)人員工作時的熱環(huán)境指標(biāo)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(diǎn)，將一些常用的評價指標(biāo)的等值線在圖上表示出來(圖1)。從圖1上可以看到其發(fā)散度很大，但是在獨(dú)頭巷道特殊的作業(yè)環(huán)境下，其熱環(huán)境參數(shù)的變化范圍較小，各指標(biāo)間的差異不大［2］。

圖1 常用熱應(yīng)力指標(biāo)對比

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

2.1 干球溫度指標(biāo)(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(zhǔn)的測量時，要求被測點(diǎn)的風(fēng)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(huán)境現(xiàn)行評價指標(biāo)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(yīng)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(biāo)(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(tài)下的空氣，同濕球溫度表的濕潤溫包接觸，發(fā)生絕熱熱濕交換，使其達(dá)到飽和狀態(tài)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(huán)境更加全面，在某種程度上，濕球溫度還能反映出熱環(huán)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(yīng)出風(fēng)速在熱應(yīng)力中的作用［2］。

2.3 等效溫度指標(biāo)(teff)

(1)1923年，美國采暖工程師協(xié)會提出通過試驗憑受試者對環(huán)境的感覺得出同感溫度計算圖。再經(jīng)試算、擬合得出在干、濕球溫度差小于5℃，濕球溫度在25～35℃，風(fēng)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(fēng)速，m/s。

(2)德國礦山研究院通風(fēng)與空調(diào)技術(shù)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(biāo)能夠反映溫度、濕度和風(fēng)速等綜合作用，但也存在缺點(diǎn):①等效溫度是在風(fēng)速為零，相對濕度為100%的條件下，以人體產(chǎn)生某種熱感覺的空氣溫度來定義的，在不同風(fēng)速、不同相對濕度和溫度條件下，人體產(chǎn)生的熱感覺存在熱慣性作用;②在風(fēng)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(fēng)速的影響;③等效溫度沒有把人體輻射熱考慮在內(nèi)，在有輻射作用環(huán)境中，等效溫度不適用，同時該指標(biāo)是由個人的主觀生理反應(yīng)而確定，很難作為評價氣象環(huán)境的客觀標(biāo)準(zhǔn)，目前只有少數(shù)國家采用［1］。

2.4 綜合溫度指標(biāo)(tz)

在制定評價勞動作業(yè)人員熱舒適性指標(biāo)時，研究人員都試圖用一個綜合性指標(biāo)來反映熱環(huán)境要素的綜合作用效果，如比利時用ta指標(biāo)按式(7)計算、法國用tR指標(biāo)按式(8)計算，我國煤炭科學(xué)研究總院撫順分院根據(jù)多年的現(xiàn)場調(diào)查、分析提出綜合溫度指標(biāo)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(biāo)能夠較為全面的反映礦井熱環(huán)境的熱舒適性，也易于操作，便于推廣使用［4］，但不符合當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)水平。

2.5 卡他度指標(biāo)(Kd、Kw)

1916年，英國L.希爾等人提出用卡他計液球的放熱強(qiáng)度來模擬人體的放熱強(qiáng)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(nèi)所散發(fā)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(diǎn)。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(jù)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(xiàn)為卡他計常數(shù);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(qiáng)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(yè)環(huán)境熱舒適性的綜合指數(shù)，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(fā)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(huán)境中，所表示的風(fēng)流放熱能力并不能代表人體實(shí)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(yīng)力指數(shù)指標(biāo)(HSI)

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

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(fā)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(yīng)力指標(biāo)計算時進(jìn)行以下假設(shè):①皮膚保持恒定溫度35℃;②所需要的蒸發(fā)放熱量等于人體新陳代謝產(chǎn)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(dāng)HSI=0時人體無熱應(yīng)變，HSI＞100時體溫開始上升。

熱應(yīng)力指數(shù)在假定勞動個體健康且適應(yīng)日平均水平熱暴露的基礎(chǔ)上得出的，因此，不適用于熱應(yīng)力很高環(huán)境中的熱應(yīng)力評價，且反映不出來新陳代謝和環(huán)境熱產(chǎn)生的影響，對新陳代謝率的影響估計偏低，對風(fēng)流放熱作用估計偏高。利用熱應(yīng)力指數(shù)對熱環(huán)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(chǎn)熱量［6］。熱應(yīng)力指數(shù)的計算過程比較復(fù)雜，所以該指標(biāo)(HSI)只在歐美各國常用。

2.7dPMV和PPD指標(biāo)

1984年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出了熱環(huán)境評價與測量的新標(biāo)準(zhǔn)化方法，在ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中用PMV(Predicted Mean Vote)和PPD(Predicted Percent Dissatisfied)指標(biāo)來評價環(huán)境。該指標(biāo)綜合考慮了人體的活動情況、衣著情況、空氣溫度、濕度和風(fēng)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(biāo)的數(shù)學(xué)分析式，并用概率分析法，確定了PMV和PPD的數(shù)學(xué)關(guān)系。

2.7.1 PMV 指標(biāo)

丹麥范格爾(P.O.Fanger)教授收集1369名美國和丹麥?zhǔn)軠y對象的熱感覺投票，統(tǒng)計出表決人體熱舒適的 PMV 指標(biāo)［9］:

式中，M，W分別為人體能量代謝率和所做的機(jī)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(shù);fce為穿衣服表面系數(shù);Ice為衣服的熱阻。

PMV指標(biāo)是從心里和生理學(xué)上的主觀感覺為出發(fā)點(diǎn)的一種度量熱感覺尺度，一般采用7為熱感覺標(biāo)尺，見表2。

表2 PMV熱感覺標(biāo)尺

2.7.2 PPD 指標(biāo)

PMV指標(biāo)表示對同一環(huán)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(yè)人員的熱感覺不一樣，因此PMV不一定能夠代表所有作業(yè)人員的熱感覺。Fanger提出預(yù)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(guān)系式［9-12］，如圖 2。

圖2PPM和PPD的關(guān)系

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和ASHRAE等組織依據(jù)Fanger的PMV-PPD指標(biāo)，規(guī)定室內(nèi)熱環(huán)境的舒適標(biāo)準(zhǔn)為:－0.5＜PMV＜0.5、PPD ＜10%。而我國很多學(xué)者認(rèn)為，上述指標(biāo)要求太高，在我國當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)情況下，大部分地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)，認(rèn)為可以接受舒適熱環(huán)境的 PMV為 －1.0＜PMV＜1.0，相應(yīng)的 PPD ＜26%［1］。

2.7.3 PMV和PPD指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)

PMV方程是通過試驗調(diào)查統(tǒng)計和傳熱學(xué)理論相結(jié)合推導(dǎo)出來的，對影響人體舒適感的參數(shù)考慮比較全面，在一定范圍內(nèi)可以通過對人體熱負(fù)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(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。PMV熱舒適方程建立在人體和周圍環(huán)境進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱基礎(chǔ)上的，僅適用于長時間暴露在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)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(diào)節(jié)系統(tǒng)引起的皮膚表面溫度變化，該公式就不再準(zhǔn)確，從而影響最后PMV指標(biāo)的準(zhǔn)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(fā)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(diào)節(jié)系統(tǒng)引起的排汗率變化，該式也不準(zhǔn)確，以致影響PMV指標(biāo)評價的準(zhǔn)確性。特別是在夏季排汗率適當(dāng)增加的條件下，提高風(fēng)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(tài)(若排汗率過大，雖然提高風(fēng)速會稍微降低不舒適性，該條件已經(jīng)不處于舒適范圍，而屬于熱平衡狀態(tài))。

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(fā)放熱量E被限定在熱舒適狀態(tài)下的范圍之中。當(dāng)人體在不舒適狀態(tài)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(zhǔn)確的反應(yīng)出其熱舒適偏移量的大小，同時其計算比較復(fù)雜［13］，暫時還不宜作為評價礦井熱環(huán)境的指標(biāo)。

3 國內(nèi)外礦井熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

3.1 我國礦井熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

我國當(dāng)前礦井現(xiàn)行熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)［14］見表3。

表3 我國礦井現(xiàn)行熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

3.2 國外礦井熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

由于人的熱適應(yīng)能力與其所處的地理位置有關(guān)，處在熱帶地區(qū)人的熱適應(yīng)能力要大于處在寒帶地區(qū)人的熱適應(yīng)力，因此，不同國家不同地區(qū)的熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)相對存在差異［15］，見表4。

4 獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境的評價指標(biāo)

參照國內(nèi)外礦井現(xiàn)行熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，對我國的獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境建議采用如下標(biāo)準(zhǔn)。

(1)風(fēng)速(v)。文獻(xiàn)［14］中規(guī)定，獨(dú)頭掘進(jìn)巷道排塵風(fēng)速不小于0.25 m/s，建議將此作為獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境的評價指標(biāo)之一。

(2)干球溫度標(biāo)準(zhǔn)(ta)。根據(jù)文獻(xiàn)［14］和目前我國金屬礦山的實(shí)際情況，建議采用干球溫度作為評價獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境指標(biāo)之一，并規(guī)定獨(dú)頭掘進(jìn)巷道工作面溫度不得超過28℃，當(dāng)超過28℃時，建議作業(yè)時間不得超過6 h。

表4 國外礦井現(xiàn)行熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

(3)濕度(φ)。目前國內(nèi)外的礦井現(xiàn)行熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中都未將濕度作為礦井熱環(huán)境的評價指標(biāo)。在沒有特殊要求下，大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)和控制空氣濕度，既不現(xiàn)實(shí)又無必要。因此濕度不作為評價獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境指標(biāo)。

5 結(jié)論

①通過對人體新陳代謝的分析，得出影響熱應(yīng)力主要因素是:溫度、濕度、風(fēng)速;②分析評價了目前金屬礦山獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境常見評價指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn);③參考國內(nèi)外礦井氣候條件的規(guī)定，綜合考慮我國金屬礦安全、管理和經(jīng)濟(jì)水平，提出了我國金屬礦山獨(dú)頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

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