深部矿井热环境评价指标研究*

欧聪颖，刘何清, 2



深部矿井热环境评价指标研究*

欧聪颖1，刘何清1, 2

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭市 411201)

随着煤矿纵向采掘深度的增大，严重影响着井下作业人员的安全、健康与生产效率，科学评价深部矿井热环境是解决矿井热害问题的前提与基础。通过分析矿井热环境参数对人体的影响及现有的热环境评价指标，选择了适用于深部矿井热环境评价的热应力指标与热环境指标、，为今后深部矿井热环境评价指标的建立提出了建议，为深部矿井热舒适研究提供了参考。

深部矿井；热害；热环境；热舒适

0 引 言

煤炭作为生产、生活中必不可少的基础原料，占据了我国一次能源生产量与使用量的重要地位[1]。近几年来，由于早期的煤炭资源消耗，接近地表的煤炭资源逐渐减少，越来越多的矿井逐渐进入深部开采状态。我国未开发煤炭储量中7成埋深超过1000 m，预计在未来十几年内，我国较多煤矿的开采深度将先后进入1000~1500 m[2−3]。随着矿井开采深度的增加，井下工作面的温度不断升高，我国部分井下采掘工作面的风温已经超过30 ℃，矿井热害问题日趋严重，极大地影响了井下工作人员的身心健康及工作效率[4−5]。在针对井下热环境状况选择降温方式、设计降温方案之前，需要对深部矿井热环境进行科学合理的评价。因此，如何评价深部矿井热环境是解决矿井热害问题的前提与基础，研究适合矿井热环境的评价指标对于矿井热害防治具有非常重要的意义。

1 矿井热环境对人体的影响

我国现行的《煤矿安全规程》中主要对井下生产环境及机电设备硐室的空气温度进行了规定，当空气温度不满足规定时，需缩短工作时间或停止工作。实际上，除空气温度外，热环境参数空气湿度、空气流速和平均辐射温度同样影响着矿井热环境中人体的散热状态，进而影响着井下工作者的身心健康及工作 效率。

1.1 空气温度

由于矿井纵向挖掘深度的增加，围岩温度不断增大，井下工作面空气温度也随之升高。空气温度直接影响着人体与周围环境之间的对流和辐射热交换，空气温度升高时，人体皮肤温度与周围空气温度之间的温差减少，人体向周围热环境的对流、辐射散热量降低。短时间内，人体内的余热蓄积，无法散出，人体热感觉向偏热的方向移动。

1.2 空气湿度

我国大部分矿井工作面空气湿度为60%~80%，部分甚至高达100%[6]。人体在井下高温环境中进行挖掘工作时，皮肤表面处于显性出汗状态，人体通过汗液的蒸发带走体内的热量，空气湿度影响着人体表面皮肤的湿润程度，空气湿度过大时，汗液蒸发受到阻碍，皮肤温度上升，人体对周围环境的热感增加。

1.3 空气流速

井下掘进工作面空气流速的大小影响着人体与周围环境之间的对流换热、对流传质系数。空气流速增大，对流换热系数随之增大，人体向周围环境对流散热量增大；人体皮肤表面有汗液渗透时，对流传质随空气流速增大而增大，加快了皮肤表面汗液的蒸发，蒸发散热量增大。人体向周围环境散热，热感觉向偏冷方向移动。

1.4 平均辐射温度

平均辐射温度的大小影响人体与周围物体及环境之间的辐射热交换，平均辐射温度与人体外表面之间的温差越大，辐射热交换越多，平均辐射温度大于人体外表面温度时，周围物体及环境向人体发散辐射热，反之，则人体向周围物体及环境散出辐射热量。又因为，平均辐射温度代表着周围物体及环境向人体辐射作用的平均温度，对于深部井下工作面热环境，平均辐射温度的大小主要受围岩温度的影响。

2 热环境评价

现有的热环境评价指标主要分为：热舒适指标与热应力指标。其中，热舒适性指标是用于评价人体所处热环境是否满足热舒适性的指标；热应力指标是用于评价在可能出现热失调危险的高温环境中，热环境是否可确保人体维持健康生理状态的指标。

2.1 热舒适指标

人体热舒适同时受环境因素与个体因素的影响，迄今为止，诸多学者试图综合人体热舒适的影响因素，并以此来预测人体的热舒适程度。在研究室内热湿环境热舒适评价指标的进程中，研究者基于大量实验研究与现场调查提出了许多热舒适指标：有效温度ET(Effective Temperature)、新有效温度ET*(Effective Temperature*)、标准有效温度SET(Standard Effective Temperature)、合成温度、预测平均评价PMV(Predicted Mean Vote)、主观温度等[7]。

2.1.1 有效温度ET和新有效温度ET*与标准有效温度SET

“一带一路”是指“丝绸之路经济带”与“21世纪海上丝绸之路经济带”，是我国当前的重要发展战略，其沿线共涉及65个国家和地区，这些国家和地区经济总量约为21万亿美元，占全世界的29%，在经济贸易等方面有着很大的影响。2015年9月，国家颁布了关于纺织业的发展计划，提出需通过“一带一路”的机遇来完成产业的筹划和结构的完善。新疆政府以丝绸之路中心区的身份颁布了很多关于纺织业发展进步的政策。由此可知，“一带一路”的有关规定很大地影响了纺织业的良好发展，对更快推动中国纺织服装产业的进步具有重要意义。

由于美国夏季气候炎热潮湿的特点，美国暖通空调工程师(ASHARE)协会为了获取有关湿度对人体热舒适影响的实验数据与资料，在匹兹堡的实验室中开展了一系列相关实验，并在此后的研究中，提出了可用于评价不同空气温度、空气湿度、空气流速下人体热舒适性的有效温度ET。ET曾作为标准指标被专业人员使用了接近50 a，但由于其在偏冷及偏热环境中，错误的估计了湿度对人体热舒适的影响，被后续提出的新有效温度ET*所替代。

1971年，Gagge通过对处于空气流速为0.15m/s环境中，服装热阻为0.6clo，静坐状态下的人进行人体热舒适实验，将皮肤湿润程度的概念引进有效温度ET，将温度和湿度结合成一个单一的指标，建立了一个可以用于评估穿着轻薄服装、坐着工作的人体的舒适程度的新有效温度ET*[8]。ET*是过去最常见、应用最广泛的热环境指标，被ASHRAE手册收录。当两个热环境的ET*与空气流速相同时，即使这两个环境具有不同的温湿度，人体对这两个环境的热响应也相同，ET*只适用于人体穿着轻薄服装，低活动水平，处于风速较小环境中的热舒适评价。

标准有效温度SET是基于Gagge所提出的人体温度调节的两节点模型[7]，通过传热分析所得出的综合性热舒适评价指标。它的定义为：在相对湿度50%，空气流速为0 m/s，环境温度与平均辐射环境温度相等的环境中，穿着标准化服装(服装热阻为0.6clo)的受试者与某一实际环境和实际服装热阻下的人体平均皮肤温度、皮肤湿度相等，那么在这两个热环境中的人体一定有相同的散热量，此时标准环境的温度就是人体处于实际环境中的标准有效温度SET[8]。与ET*相比，SET同时还考虑了个人因素的影响，适用的范围更广，是目前最为通用的指标。但由于SET的求取过程中需要对皮肤温度和皮肤湿度进行计算，增加了计算难度，在实际应用中十分受限。

2.1.2 预计平均评价PMV

Fanger在热舒适方程的基础上，结合1396名受试者在不同环境温度下的热感觉投票结果，引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷，进一步得出了预测平均评价PMV指标[10]：

PMV是国际权威组织公认的热舒适评价指标[11]，同时也被我国制定为民用建筑室内热湿环境评价标准[12]。由于人体生理差距的存在，即使在同一热环境中，人与人之间的热感觉仍然可能存在偏差。因此，预测的是处于一个热湿环境中绝大部分人的热感觉。为了更准确的表示人群对热环境的满意程度，Fanger基于PMV提出了一个新的热舒适指标，人群对热湿环境不满意的百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied)，与之间的关系如下[10]：

PMV-PPD指标在热舒适设计和现场评估中被广泛应用，根据-的关系式可知，当=0时，热环境处于热舒适状态，为5%，表明即使在评价指标最佳的热舒适环境中，仍然存在约5%的人对周围热环境感到不满意。基于此，ISO (International Organization for Standardization)国际标准组织在ISO07730标准中，将−0.5＜＜+0.5，≤10%作为推荐值，即在ISO07730推荐的热环境中，允许约有10%的人不满。

但有一点值得注意的是，计算模型中，皮肤温度与皮肤显性出汗状态下蒸发换热量只与新陈代谢率相关。实际上，当人体在偏离热舒适状态较远或新陈代谢率较大的环境中时，皮肤温度和皮肤显性出汗状态下蒸发换热量将随环境参数变化而变化。因此，在预测偏离热舒适状态较远环境时，如炎热环境或人体处于活动水平时，值计算结果与实际并不 相符。

2.2 热应力指标

热应力是指人体在具有潜在危险、不舒适的热环境中形成的强烈的刺激，热应力的出现会使人体出现热过劳。健康的人体通过自身的生理调节以维持正常的生命活动，当人体自身的调节能力无法应对热应力时，人体生理失调、热平衡被破坏，具体表现为中暑、热昏厥、热衰竭等。因此，在评价高温或寒冷的极端环境时，仅仅进行热舒适评价是无法满足需求的。现有的热应力指标主要有热应力指数HSI(Heat Stress Index)和风冷却指标WCI(Wind Chill Index)等。

2.2.1 热应力指数HSI

热应力指数HSI最初是由Belidng和Hatch综合皮肤温度恒定在35 ℃时，蒸发调节区内人体所需的排汗散热量req与皮肤表面最大潜热换热量max提出的，是一个用于定量的表示热环境对人体的作用应力的指数。的公式如下：

当两个不同的热环境数值相同时，人体产生的热过劳程度相同。热应力指数＞100时，人体热平衡被打破，体温开始升高，超过了健康年轻人所能承受的最大过劳；当＜0时，人体体温开始下降，逐渐产生冷应变。

2.2.2 风冷却指数WCI

风冷指数WCI是Siple和Passsel基于部分充满水的圆柱形烧瓶上获得的冷却测量数据，综合空气温度t、空气流速v发展而来的经验指数。WCI描述了当人体表面温度为33 ℃时，由于辐射和对流引起的人体皮肤表面的热损失率。的计算公式如下：

风冷却指数分别为200，400，800，1000，1200，1400，2500 kcal/(m2·h)时，人体的热感觉描述依次为愉快、凉、冷、很冷、剧冷、肌肉冻僵、不能忍受。

3 矿井热环境评价指标的选择

我国深部矿井工作面热环境的特点主要表现为高温高湿，在考虑井下工作人员的热舒适之前，应该考虑热环境对人体健康的威胁。对于深部矿井，首先应采用热应力指数HSI对热环境进行评价，确保当小于100，人体可以维持基本的生命活动时，再对深部矿井热环境进行热舒适性评价。

基于前述对现有建筑室内热舒适指标的分析，不同热舒适指标的考虑因素、适用范围对比见表1。对于矿井工作面的热环境，《煤矿安全规程》仅仅对空气温度的大小进行了规定，忽视了包括湿度在内其他环境参数对人体散热产生的影响。除了环境参数，人体的活动水平及服装热阻也同样影响着人体热舒适。但由于井下工作人员通常穿着统一的劳保服，进行着同样劳动强度的挖掘工作，故而在选择深部矿井热环境评价指标时，应该首要考虑深部矿井热环境特点，次要考虑井下工作人员的劳动强度与着装水平。在上文所总结的热舒适指标中，仅有标准有效温度SET与预测平均评价PMV考虑了所有环境因素对人体的影响。其中，PMV由于固定了皮肤温度与显性出汗状态下蒸发换热量，在预测远离热舒适状态、人体活动水平较高的热环境时容易产生偏差；而SET可以通过人体体温和皮肤温度随时间的变化给出人体的热感和不舒适感，更适用于高温高湿环境，但其计算过程相对更为复杂。因此，需要对深部矿井进行精准的热舒适评价时，更推荐使用标准有效温度SET；只需对深部矿井热环境的热舒适性粗略了解时，推荐使用预测平均评价PMV。

表1 热舒适指标比较

4 结论与展望

(1) 分别分析了矿井热环境参数空气温度、空气流速、空气湿度、平均辐射温度对人体的影响，为深部矿井热环境评价指标的选取提供了理论依据。

(2) 对现有的热环境评价指标进行了分析与介绍，并对各热舒适指标的考虑因素、适用范围进行了总结与对比。

(3) 根据深部矿井热环境高温高湿的特点，选择了适用于深部矿井热环境的评价指标。首先使用热应力指数HSI对井下热环境是否会影响人体健康进行判断，当井下热环境可以保持人体基本健康状态时，再采用标准有效温度SET指标或预测平均评价PMV评价井下热环境的热舒适性。

(4) 通常情况下，深部矿井工作人员的劳动强度与着装水平均一致，可针对固定的劳动强度与着装水平提出具体量化的热环境指标。同时，现有的热环境指标均未考虑人体心理对热舒适的影响，由于井下工作环境较为恶劣，对人体心理影响较大，未来的井下热环境指标应结合环境参数与人体心理因素，对深部矿井热环境进行综合评估。

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2017.

[2] 夏炳银,李 勇.矿井降温技术浅谈[J].山东煤炭科技, 2011(3): 217−217.

[3] 何满潮.HEMS深井降温系统研发及热害控制对策[J]. 中国基础科学,2008,10(2):1353−1361.

[4] 刘卫东.高温环境对煤矿井下作业人员影响的调查研究[J].中国安全生产科学技术,2007,3(3):43−45.

[5] 杨德源,杨天鸿.矿井热环境及其控制[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[6] 题正义,穆 丹,赵 杰.矿井高温气候评价[J].煤矿安全,2007, 38(3):22−23.

[7] 朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,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:民用建筑室内热湿环境评价标准[S].

国家自然科学基金项目(51474105)，湖南省研究生科研创新项目(CX2017B662).

(2019−03−24)

欧聪颖(1995—)，女，湖南韶山人，硕士研究生，主要从事人体热舒适相关研究，Email: 654720416@qq. com。