淮北礦區熱害礦井個體防護系統研發及現場應用

◎文/張奮奮 梁國治 馬馳 李衛龍 張燦明

（安徽省煤炭科學研究院礦井火災熱害研究中心）

礦井熱害是指井下風流的溫度、濕度、風速和焓值達到一定狀態后，人體散熱困難、感到悶熱、勞動生產率下降，進而出現大汗不止、體溫升高、頭昏、虛脫等中暑癥狀甚至死亡的礦井自然災害。淮北礦區地處華東腹地，地質構造復雜，自然開采條件差，受各類災害威脅嚴重。特別是淮北礦區開采歷史較長，部分礦井已進入中后期開采階段，隨著開采范圍擴大和開采深度的增加，礦井熱害災害日益加重。為保障煤礦安全高效生產和職工的身心健康，有必要積極開展礦井降溫研究工作，解決高溫礦井的生產安全和勞動保護問題。

一、淮北礦區熱害分析

淮北礦區屬季風暖溫半溫潤氣候，年降水量506～1481mm，極端最高氣溫41℃，極端最低氣溫-23.2℃。受地質條件影響，地溫梯度整體呈現東高西低、北高南低的態勢。淮北礦區渦北礦建井期間實測-450.1m處原始地溫29.9℃，-504.8m處原始地溫31.3℃，-555.9m處原始地溫32.6℃，計算地溫梯度2.75℃/hm。據此計算-640m原始地溫34.74℃。依據淮北礦區原劉店礦實測數據及地溫梯度變化，計算地溫梯度為2.35℃/hm，預計在-510m以下開始進入一級熱害區。

淮北礦區礦井熱害主要由地面大氣層的熱環境、井下地溫環境、礦井生產引發的各種熱源構成。以渦北礦為例，礦井生產引發的主要熱源一是機電設備散熱，由于礦井為生產高度集中的現代化大型礦井，設備選型大型化，采煤工作面裝機容量達1960kW，主運輸順槽裝機容量達到1172kW，機電設備散熱量大；二是空氣壓縮熱及煤、巖石氧化散熱，由于井筒深、工作面進風線路較長，礦井達產時，工作面進風長度達3300m，其中煤層順槽長度800m左右，生產過程中產生大量熱量[1]。

二、淮北礦區熱害礦井個體防護系統設計研發

熱害礦井個體防護系統研發是在國內外已有研究成果的基礎上，以人體工效學、防護服裝功能學、生理學、材料學為指導，解決熱害礦井個體防護裝備的研究應用等關鍵問題。研發的淮北礦區熱害礦井個體防護系統由礦用降溫服、降溫安全帽、降溫圍巾、保溫箱和地面制冷冰柜等裝備組成。

1.礦用降溫服結構及性能

礦用降溫服（見圖1）的胸前部和背部均設有2個口袋，每個口袋的尺寸為23.5cm×18cm，每個口袋可放置重量為0.2～0.3kg的蓄冷劑。礦用降溫服采用“三緊式”結構，即緊袖口、緊下擺、緊領口。由于井下光線較暗，礦燈光線照射距離短、照射面窄，為有效觀察發現其他職工的工作位置，在礦用降溫服前、后及袖子處均布設自發光警示牌。在礦井環境溫度30～35℃條件下，礦用降溫服可持續降溫3～4h。

圖1 礦用降溫服及降溫安全帽

2.降溫安全帽結構及性能

降溫安全帽（見圖1）內裝有十字口袋，十字口袋由4個口袋組成，每個口袋的尺寸為13cm×10.5cm，可放置重量為0.05～0.06kg的蓄冷劑。在礦井環境溫度30～35℃條件下，礦用降溫帽可持續降溫2h。

3.降溫圍巾結構及性能

礦用降溫圍巾尺寸90cm×7cm，共設置5個口袋。為了佩戴方便，中間一個口袋不裝蓄冷劑。每個口袋的尺寸為11cm×7cm，每個口袋可放置重量為0.04～0.05kg的蓄冷劑。在礦井環境溫度30～35℃條件下，礦用降溫圍巾可持續降溫2h。

4.保溫箱

保溫箱內外壁材料為塑料，隔熱層材料為聚氨酯發泡工藝制成。外形尺寸165mm×95mm×33mm，具有重量輕、保冷時間長、牢固耐用等特點。

5.地面制冷冰柜

系統采用的地面制冷冰柜由杭州安琪爾制冷設備有限公司制造。冰柜總有效容積1380L，型號BD/BC-1380，發泡劑R141b，可以進行冷藏強弱和冷凍1～5檔、強冷旋轉調節，能滿足個體防護裝備中蓄冷劑的冷凍需求。

三、淮北礦區熱害礦井個體防護系統現場應用

1.現場應用地點選擇

為完善熱害礦井個體防護系統設計方案，掌握不同人群、不同工種及不同工作環境下的實際降溫效果及舒適性，選擇在淮北礦區渦北礦及原劉店礦進行井下現場應用。

依據礦井的建井資料，渦北礦和劉店礦地溫情況正常，恒溫帶深度分別為-30m及-25m，溫度為17.1℃及17.2℃，一級高溫區出現在-470m及-510m以下，兩礦在生產過程均出現個別地區溫度較高的現象。依據高溫地區的調查結果和礦方討論意見，渦北礦現場應用地點選擇在北翼變電所、北翼瓦斯抽采泵站、北翼強力皮帶機及中央變電所等溫度較高地點；原劉店礦現場應用地點為1018掘井機巷、1018風巷、766膠帶、101變電所、106變電所、76回風巷等處。初步擬定，總試驗人次不小于50人次，試驗時間包括各個主要工種及班次，并重點加大高溫度地點的試驗力度。

2.現場應用效果

在現場應用之前，按照自愿原則，對不同工作地點、不同工種、不同班次的工作人員進行甄別，對入選人員進行了體檢及著裝培訓。通過體檢和培訓的人員進行了井下著裝試驗，試驗時受試人員按照正常工作秩序工作，每個受試者均跟蹤監測，現場反饋意見。

渦北礦及劉店礦選擇的試驗地點溫度較高、濕度較大、風速較低。其中，硐室及皮帶機巷的風速低于0.5m/s，掘進工作面風速0.5～0.7m/s，采煤工作面風速低于1.7m/s。在高溫、高濕、低風速環境下，人員排汗困難、感覺悶熱，受試人員在著裝后則普遍反映較涼爽、舒適，高溫環境下愿意穿著個體防護裝備。

在著裝試驗過程中，渦北礦重點在皮帶機巷、機電硐室及抽采泵站，而原劉店礦試驗地點著重于采掘工作面。綜合兩礦試驗結果，渦北礦北翼強力皮帶機、北翼變電所及劉店礦1018風巷、766掘進、766回風巷、101變電所、106變電所平均溫度較高，所有參與試驗的受試者滿意度也較高，整體的平均滿意度為91%。

值得注意的是，27位硐室工作人員及其他維護人員的滿意度平均值為93%，采掘工作面受試者為90%，硐室工作人員及其他維護人員的滿意度要高于采掘工作面工作人員。主要原因是：一方面，掘進和采煤工作面粉塵相對較大，在一定程度上影響了個體防護裝備的舒適感；另一方面，采掘工作面勞動強度大，排汗量大，加上蓄冷劑結晶水的影響，個體防護裝備容易出現潮濕等現象，讓人產生不適感。

綜上所述，被測人員普遍認為礦用個體降溫防護裝備具有良好的降溫效果和熱舒適感覺，大多數受試者穿上降溫防護裝備后，個人工作情況明顯改善。同時，礦用降溫防護裝備具有使用方便、效果明顯、工作可靠及靈活性好等特點。本次試驗是試驗人員穿著個體防護裝備分別進入預定高溫場所工作，有專人記錄其測試結果，有極少數受試人員的熱舒適性存在差異。

3.現場應用數理分析

圖2 不同條件下試驗人員鉀離子含量變化

對試驗人員在各種條件下的鉀離子含量的變化進行了測試，結果見圖2。從中可以看出，試驗人員在正常未工作條件下，鉀離子含量為4.13～4.25mmol/L；試驗人員完成工作面工作后，未穿著個體防護裝備試驗人員的鉀離子含量有大幅度降低，而穿著個體防護裝備的人員，雖然鉀離子含量也有一定降低，但下降的幅度明顯小于未穿著個體防護裝備試驗人員的下降幅度。這是因為未穿著個體防護裝備試驗人員比穿著個體防護裝備試驗人員工作時出汗量大，人體的鉀離子會隨汗液大量流失，而穿著個體防護裝備能夠減少人體在高溫環境下的出汗量，體內代謝減緩，阻止了鉀離子的快速流失。因此，穿著個體防護裝備能夠較好地解決人體在高溫條件下鉀離子過快降低的問題，對煤礦職工的身體健康起到一定的保護作用[2,3]。