基于改進PHS模型的高溫采煤工作面作業人員熱反應分析

童 興 郭偉旗 任 可 康凱倩

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

隨著當前煤礦開采深度的加深和礦山開采機械化程度的提高，我國高溫礦井熱害問題日益突出。高溫高濕工作環境不僅顯著降低工作效率，而且嚴重影響井下工作人員的身心健康。高溫礦井作業人員的熱舒適程度除了受客觀環境因素如空氣溫度、濕度、風速的影響外，人體新陳代謝、礦井工作服隔熱透濕性能等主觀因素也對井下作業人員的熱生理反應及熱損傷情況有明顯的影響。

依據在高溫環境下人體生理參數的變化和人體生理指標安全閾值，可對高溫熱環境熱應力進行評價。目前常用的高溫環境熱安全評價方法有熱應力指標、真人試驗手段、暖體假人試驗手段、人體熱生理模型計算方法。近年來在高溫礦井工作人員的熱反應分析評價研究方面，研究人員主要采用熱應力指標評價方法，熱應力指標評價方法主要有有效溫度(ET)、熱舒適預測評價指標(PMV-PPD)、熱應力指數(HSI)等方法。一些研究人員利用熱應力指標評價方法對高溫礦井的采煤工作面、避難硐室和救生艙等環境的熱舒適分析和評價進行了研究，取得了相應的成果。然而，這些熱應力評價指標或方法主要應用于評價環境條件對人體熱反應的影響，多數都局限于穩態熱環境的評價分析，即假定采煤工作面為一恒定溫度或只對某一溫度恒定區域進行分析評估，同時也不能很好地分析一些主觀因素的影響，如人體新陳代謝率、工作姿勢、工作服等。此外，通過真人試驗研究熱環境下的人體安全，有較大局限性，也具有較大風險。由于人體個體生理差異客觀存在，要得到統計學意義上的較準確的生理指標值需要投入巨大的人力、物力及財力。應用暖體出汗假人進行高溫環境下人體安全評價研究是熱應力指標評價方法一個新的方向，但是現有的暖體假人僅能實現設定的體溫、出汗量，不具備自調節、自適應功能，限制了暖體假人在人體安全研究領域的應用。與以上這些方法相比，基于人體熱平衡方程的人體熱反應模型方法由于其快速、受客觀條件限制小，可以同時模擬人體主動與被動調節系統的特點而得到了廣泛的研究使用。

本文基于目前使用較廣泛的預測熱應力(PHS)模型，結合通過暖體出汗假人測得的煤礦工作服熱阻和濕阻，并考慮到礦井下特殊高強度作業，引入適合描述高溫礦井特殊作業的新陳代謝率計算公式，在此基礎上對PHS模型進行了改進。采用改進的PHS模型，計算分析了采煤工作面不同環境溫度條件(變溫環境與恒定溫度環境)下礦工的熱生理反應，同時研究分析了高溫礦井井下作業人員人體核心溫度與可接受最大暴露工作時間的變化規律。本文改進的PHS模型可以通過對一定工作強度、工作時間內礦工的體溫、出汗量等的變化情況進行預測，從而對熱害風險進行評估，對高溫礦井優化組織生產和休息時間，避免熱傷害具有重要意義。

1 PHS人體預測熱應激計算模型

PHS人體預測熱應激計算模型被廣泛應用于高溫作業環境下人體熱應激預測評價，是當前計算評估人體熱傷害風險及可接受的暴露工作時間的重要模型，其有效性經8個不同的研究機構、747次實驗室試驗進行了驗證。該模型基于人體熱平衡方程，考慮人體身高、體重、勞動強度等人體特征參數和環境溫度、濕度、風速、熱輻射溫度服裝熱阻和濕阻等多種環境參量，以迭代計算的方式獲得在一定工作時間內和工作強度下的出汗率、出汗量、核心溫度等人體熱生理響應變化量。

(1)人體熱平衡方程。人體自身通過產生熱量維持與環境的熱交換和滿足正常生理活動、保持體溫恒定的需要。依據熱力學第一定律，人體產生的熱量等于人體消耗的熱量，人體應該滿足基本熱平衡方程式為：

式中：M——人體通過新陳代謝作用將食物轉化為能量的速率，W/m2；

W——人體所完成的機械功，W/m2；

Cres——通過人體呼吸引起的對流散熱量，W/m2；

Eres——通過人體呼吸引起的蒸發散熱量，W/m2；

K——人體皮膚與外界環境之間以熱傳導形式進行的熱交換量，W/m2；

C——人體皮膚與外界環境之間以熱對流形式進行的熱交換量，W/m2；

R——人體皮膚與外界環境之間以熱輻射形式進行的熱交換量，W/m2；

E——人體皮膚表面水分蒸發、出汗向外界環境的散熱量，W/m2；

S——人體的熱儲量，W/m2;

Cp——干空氣的定壓比熱，kJ/(kgK)；

V——呼吸通氣率，L/min；

tex——呼出氣體溫度，℃；

ta——空氣溫度，℃；

Ce——水蒸氣的蒸發潛熱，kJ/kg；

Wex——呼出空氣的含濕量，kg(水)/kg(干空氣)；

Wa——環境空氣的含濕量，kg(水)/kg(干空氣)；

ADU——人體皮膚表面積，m2；

Wb——人體體重，kg；

H——身高，m；

psk，s——皮膚溫度對應的飽和蒸汽分壓，Pa；

It，R——動態熱阻值；

Tsk——人的皮膚表面溫度，℃；

Tcl——工作服外表面溫度，℃；

Emax——在假設皮膚表面的完全濕潤的情況下，皮膚表面的最大蒸發熱流，W/m2；

w——濕潤皮膚占比；

pa——水蒸汽分壓，kPa；

Rtdyn——考慮服裝特性及受試者運動與空氣流動情況的總蒸發阻力，m2·kPa/W。

在國際標準規定的PHS模型中的人體新陳代謝率M一般是按經驗值進行選取。然而，煤礦井下作業是一個高強度、高復雜度的勞動過程，純粹依靠經驗值進行計算會產生比較大的計算誤差。本文根據高溫采煤工作面的具體特點，綜合勞動者身高體重等個體差異因素以及井下的勞動特點對該模型中M的選取進行了改進。采用呼吸熵試驗測定持續工作新陳代謝量的統計公式：

(2)

式中：RQ——呼吸熵，取0.83～1.0；

VO2——換算為標準狀況后的人體耗氧量，L/h。

式(2)中RQ的取值一般根據勞動強度的不同在0.83～1.0進行選取，一般煤礦工作為中等強度勞動，可取值為0.86～0.9；高溫采煤工作面的多數工種為重勞動強度，因此取1.0比較合理。在輕度和中等強度勞動時VO2值一般小于60 L/h，高溫礦井屬重強度勞動，取72 L/h比較合理。

人體新陳代謝率可以根據經驗公式確定人體因呼吸造成的對流散熱量和蒸發散熱量Cres和Eres：

(3)

(2)維持人體熱平衡的所需蒸發散熱量Ereq和所需皮膚濕潤系數計算：

式中：Ret,R——人體移動和風速影響的服裝總濕阻，m2·kPa/W；

wreq——皮膚濕潤率；

dS——累計熱增量，W/m2；

tcr,m——與新陳代謝水平對應的穩態時的核心溫度，℃；

tcr,i——時間步長i時與新陳代謝水平對應的核心溫度，℃；

cp——人體熱容量，J/(kg·K)；

αi-1——時間步長i時皮膚溫度權重系數。

(3)計算人體核心溫度Tcr(醫學上常用直腸溫度Tre替代)變化：

(6)

式中：i——第i個時間步；

Tsk——皮膚表面溫度，℃；

α——皮膚表面溫度權重系數。

直腸溫度Tre由核心溫度通過下式計算：

(7)

(4)可以依據人體溫度、出汗量等臨界生理指標確定免受熱傷害的可接受最長工作時間tmax。人體核心溫度一般可以由直腸溫度進行衡量。我國人群的直腸溫度Tre的生理上限為38.5℃、安全上限為38.9℃、耐受上限為39.4℃。本文取39.4℃為造成熱傷害的臨界溫度。

在計算過程中，出汗量和人體核心溫度任意一個達到臨界生理指標，即可認為此時的工作時長為免受熱傷害的最長可接受暴露工作時間。

2 PHS計算工況設定

隨著開采深度加深和煤礦開采機械化程度提高，采煤工作面越發呈現高溫、高濕的極端熱環境特點。目前，采煤工作面部分區域，特別是上隅角處，空氣溫度超過26℃，相對濕度超過80%，風速一般為1～2 m/s。因此，本文熱應力計算重點分析高溫礦井采煤工作面溫度變化對作業人員熱反應影響。環境工況選取為：相對濕度值取0.85，空氣溫度變化區間為20 ℃～30℃，環境輻射溫度與空氣溫度較接近，取相同值，風速選取為1 m/s。井下作業人員身高參考前人統計數據取平均身高為1.71 m，體重按平均體重70 kg計算，在考慮到工作間歇的情況下，將人體新陳代謝率M取為200 W/m2(即呼吸熵取1.0，耗氧量取72 L/h計算)作為礦工持續工作的平均新陳代謝量，動態熱阻值It,R取0.164，動態濕阻Ret,R取36.459。

本文重點對比分析采煤工作面恒溫下和環境溫度變化條件下礦工熱生理反應情況。目前大多數煤礦采取三八工作制(即每班工作8 h)，采煤工作面采煤機每班通常步進2～3刀，因此，礦工跟隨采煤機工作沿采煤工作面從頭至尾大約需要2.5 h。假定工作時長為2.5 h(150 min)，采煤工作面的熱環境設置(環境溫度與時間的變化關系)如表1所示。采煤工作面溫度的持續變化在計算中進行離散設置，每個離散環境溫度點工作0.5 h，具體設置見表1。每個離散環境溫度點工作時間計算完成后，在程序中切換為下一個離散環境溫度點，在計算達到該環境中最長可暴露時間或計算時間達到設定的150 min時計算自動結束，設定在工作期間工作人員可自由補充水分。通過迭代計算獲得了在多種不同環境工況組合下人體核心溫度、出汗量等熱響應變化量和最長可接受工作時間。

表1 采煤工作面環境溫度變化設置情況

3 計算結果處理與分析

3.1 人體核心溫度變化

采煤工作面最高溫度為28℃時，選定恒溫為26℃、28℃以及20℃～28℃變溫三種工況下，采用改進PHS模型計算獲得井下作業人員的核心溫度變化情況如圖1所示。采煤工作面最高溫度為30℃時，選定恒溫為26℃、28℃、30℃以及22℃～30℃、20℃～28℃變溫5種工況條件下，采用改進PHS模型計算獲得的礦工的核心溫度變化情況如圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，在高溫作業環境下，隨著工作時間的增加，人體的核心溫度隨著環境溫度的升高(分別為26℃、28℃、30℃)增加較快。在井下現場高溫作業情況下，人體的產熱量要大于散熱量。外界環境溫度越高，人體核心溫度與環境溫度的溫差越小，使得人體熱量越發難以發散，人體核心溫度會隨著人體內部儲熱量的增加而不斷上升，導致人體熱負荷不斷上升。

圖1 采煤工作面最高溫度為28℃條件下井下 作業人員體溫變化情況

由圖1可知，在20℃～28℃變溫條件下，一定的工作時間內，環境的平均溫度要低于《煤礦安全規程》規定的26℃，更低于上限溫度28℃。因此，在20℃～28℃變溫環境溫度下，人體核心溫度上升最慢，而在28℃恒溫環境溫度下，人體核心溫度上升最快。由圖2可知，相對環境溫度恒定為26℃、28℃、30℃，在22℃～30℃變溫條件下，人體核心溫度上升最慢，20℃～28℃變溫環境下，平均溫度要低于22℃～30℃變溫環境平均溫度，在20℃～28℃變溫環境溫度下，人體核心溫度上升更慢。因此，工作現場需要采取相關降溫措施，降低周圍環境溫度，確保井下作業人員核心溫度在允許的溫度范圍內。

由上述恒溫和變溫熱環境下井下作業人員熱反應計算結果對比分析可知，如果采用當前煤礦熱舒適評價上應用較多的熱應力計算模型，只是通過計算恒定溫度下井下作業人員熱反應用于評價采煤工作面作業人員熱應激情況，這與實際采煤工作面變溫熱環境下作業人員的真實熱反應情況會存在較大誤差。當人體的散熱作用小于產熱作用時，人體內熱量儲積使核心溫度升高和大量出汗。熱負荷的快速增高和出汗量的加大會導致作業人員疲勞加劇，工作效率低下，在嚴重情況下可能出現臉色蒼白、胸悶、胸痛、心悸和暈厥等熱應激現象，甚至熱衰竭、中暑乃至休克等嚴重的熱損傷情況。因此，需要合理安排工作時間與休息時間，確保井下作業人員的人體溫度處于允許的溫度范圍內。

圖2 采煤工作面最高溫度為30℃條件下井下 作業人員體溫變化情況

3.2 人體可接受最大暴露時間

采煤工作面選定恒溫為26℃、28℃、30℃以及20℃～28℃、22℃～30℃變溫條件下，采用PHS模型計算獲得的井下作業人員可接受暴露工作時間(可接受暴露工作時間由出汗量和人體核心溫度中任何一個達到臨界生理指標所確定)與溫度的關系如圖3所示。

由圖3可知，隨著環境溫度的升高，人體可接受的最大暴露工作時間逐步降低。20℃～28℃變溫環境平均溫度要低于22℃～30℃變溫環境平均溫度，同時也低于26℃、28℃與30℃。因此，在20℃～28℃變溫環境溫度下，人體可接受最大暴露工作時間最長，可達到150 min，而在30℃恒溫環境溫度下，人體可接受最大暴露工作時間最短，僅為60 min。當環境溫度升高時，人體與環境之間的溫差減小，通過式(1)計算可知，人體與環境通過對流和輻射形式進行的換熱量與該溫差成正比關系。所以，減小人體與環境之間的溫度差異，會使對流和輻射換熱量也減小。出汗是人體與環境交換熱量的重要方式，如果不能及時通過出汗等方式散熱，人體內部儲熱量會快速升高，從而引起核心溫度的增加。綜上所述，環境溫度對人體可接受的最大暴露工作時間有著重要影響，采煤工作面現場礦工如能間歇地到溫度較低的區域來回走動，一定程度上有利于保障身體免受熱傷害，從而延長正常工作時間。

圖3 井下作業人員可接受暴露工作時間 與溫度的關系

4 結論

(1)隨著工作時間的增加，人體的核心溫度會逐漸增加，環境溫度越高，井下作業人員核心溫度隨時間升高的越快。當環境溫度在20～28℃、22℃～30℃變溫環境工況下，人體核心溫度上升相對較慢，30℃恒溫環境溫度下，人體核心溫度上升最快。

(2)高溫礦井作業人員可接受最大暴露工作時間隨著井下環境溫度的升高而減小，當環境溫度在在20℃～28℃變溫環境下，人體可接受最大暴露工作時間最長可達150 min，而在30℃恒溫環境下，人體可接受最大暴露工作時間最短，僅有60 min。

(3)采用當前煤礦熱舒適評價上應用較多的熱應力計算模型，只是通過計算恒定溫度下井下作業人員熱反應用于評價采煤工作面作業人員熱應激情況，這與實際采煤工作面變溫熱環境下作業人員的真實熱反應情況會存在較大誤差，基于本文改進的PHS模型計算變溫環境下的礦工熱生理反應更為合理。

(4)上述改進的PHS模型的計算結果可為高溫礦井熱安全評估提供數據參考和技術支持，對高溫礦井合理組織生產和安排休息時間從而避免熱傷害具有重要意義。

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