基于透濕杯法分析環境因素對礦工服濕阻的影響

賈進章 王楓瀟

摘要： 針對日益突出的礦井熱害問題，運用透濕杯法研究環境因素對礦工服的濕阻影響。把人體-服裝-環境作為一個系統，以煤礦深井這種特殊的作業環境為背景，將濕阻作為主要的評價指標，分析討論人體處于熱濕舒適性狀態的最佳熱環境。將實驗測試與理論計算相結合，測試了礦工服的靜態濕阻，并從環境溫度、相對濕度、風速三個因素去分析其對礦工服的濕阻的影響。經過測試和計算，優選出了能使礦工服的透濕能力達到最大化的環境條件，即環境溫度為26℃、相對濕度為60%、風速為2m/s，此條件下礦工服的濕阻值最小，礦工服內外存在較大的水汽壓力差，會引起蒸發和擴散加大，可以保證人體更好的排汗散熱。

關鍵詞： 透濕杯法;熱環境;礦工服;濕阻;環境因素

中圖分類號： TS941.731 ? 文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001-7003（2019）06-0032-06 ? ?引用頁碼： 061106

Abstract： Currently， the problem of mine thermal damage is increasingly prominent for the underground workers. Aiming to this problem， the permeability-cup method was applied to research the effect of environmental factors on wet resistance of miners clothing. Considering the human body-clothing-environment as a system， this study took the special working environment of deep coal mine as the background， and used the wet resistance as the main evaluation index to analyze and explore the optimum thermal environment in which the human body is in the state of thermal and humid comfort. The method of combining experimental analysis with theoretical calculation was applied to test the static wet resistance of miners clothing， and the effects of the static wet resistance on miners clothing from three aspects， including environmental temperature， relative humidity， and wind speed. Through test and calculation， we screened out the environmental conditions which could maximize the permeability of miners clothing. Namely， the optimum environmental conditions are as follows： environmental temperature 26 ℃， relative humidity 60% and wind speed 2 m/s. Under the above optimum environmental conditions， the wet resistance value of miners clothing is minimum. And there is a large vapor pressure difference between the internal miners clothing and the external miners clothing. In this case， it will cause the evaporation and diffusion to increase， which can ensure that the human body perspires and dissipates heat in a better way.

Key words： permeability-cup method; thermal environment; miners clothing; wet resistance; environmental factors

井下環境直接影響到人員的生理狀態和心理狀態，進而又會影響到工作效率和生產安全[1]，目前中國礦井熱害問題非常突出，嚴重影響到了礦工們的工作效率甚至威脅到了工人們的安全健康[2-4]，成為制約部分礦井安全生產的主要因素之一[5]。礦工服作為人體與環境之間熱濕傳遞的橋梁，它的熱濕傳遞性能對于調節熱濕舒適性起著相當重要的作用[6]，所以結合環境因素研究礦工服的熱舒適性具有實際意義。1923年，Houghten等[7]首次對不同溫濕組合下的人體熱反應進行了實驗研究，探討了空氣濕度對人體熱感覺的影響;Tanabe等[8]通過實驗研究發現：80%相對濕度下的熱舒適水平與70%相對濕度或濕度更低時不同。薛廣州等[9]通過實驗分析得出：針織物的濕舒適性能與面料的孔隙度、面料的厚度及面料的吸濕性關系密切;吳建松等[10]、陳益松等[11]采用暖體假人法測量分析了4個不同礦區的5套新舊程度不同的煤礦工作服，在溫度為25℃、相對濕度為55%、空氣風速在0.2m/s以下的熱阻與濕阻;徐丹陽[12]、張文歡等[13]選用了透濕杯法和出汗熱平板儀法這兩種方法，在溫度為37℃、相對濕度為36%的條件下對28種面料進行了濕阻測量，總結了這兩種方法的優缺點。談美蘭[14]利用人工氣候室研究了夏季相對濕度（40%、60%、80%）和風速（0.1、0.4、08、1.0、1.2m/s）對人體熱濕舒適感的影響研究。上述學者從多個角度進行了服裝的濕阻及人體舒適度研究，但目前針對高溫高濕的礦井下礦工服濕阻變化規律參考值及礦工人員熱舒適度的研究還比較缺乏。因此筆者在已有的研究基礎上，結合礦井下高溫高濕的這種特殊的作業環境，搭建不同的實驗環境條件，基于環境因素這一重要影響因素去研究分析礦工工作服的濕阻變化規律，對于保障礦工們身體健康和安全高效地開展生產工作具有非常重要的意義。

1 實 驗

1.1 基本原理

透濕杯法測濕阻最早用于包裝用材料。該法出自于國家標準GB/T12704—1991（測定材料滲透性的標準實驗方法），如圖1所示，在透濕杯加入純凈水，將礦工服圓形試樣覆蓋在透濕杯上方，擰緊螺絲，使用玻璃膠將透濕杯外層封嚴，然后放在已平衡好的恒溫恒濕箱里，溫度、濕度等依據實驗要求設定。經過3h后，測量被測織物的透濕量。

式中：Re為織物的濕阻，Pa·m2/W;Re0為外表面空氣層的濕阻，Pa·m2/W;Psf為杯內水面的飽和水蒸氣壓，Pa;Paf為環境的飽和水蒸氣壓，Pa;RHs為杯內水面的相對濕度，RHs=100%;RHa為環境的相對濕度;Q0為未放置礦工服試樣時水與礦工服試樣下表面間距離為零時的透濕量，g/m2·h;Qf為當透濕杯內的水與礦工服試樣下表面距離為零這一理想狀態下的透濕量，g/m2·h;E為水的蒸發熱，kJ/kg。

1.2 儀器和材料

材料：實驗選取的是中煤五建三十一處白家海子煤礦下井工人的礦工服，實驗中將礦工服截成直徑為8cm大小厚薄程度一致的圓形試樣。礦工服面料的具體規格參數為：紅色純棉材質，緯平針織物組織，厚度0.21mm，平方米質量207g/m2，紗線線密度24.8tex，縱向密度、橫向密度分別為113.6根/5cm和215.2根/5cm。

儀器：1）YG 601型電腦式織物透濕儀、JA5003B型電子天平（上海精密儀器儀表有限公司）。2）YM-11透濕杯（萊州元茂儀器有限公司）。共5個，直徑60mm，杯深22mm，帶有橡膠圈、鋼墊及螺釘等配件。3）“環球”牌實驗量杯（深圳市白鰭豚生物科技有限公司）。4）數字風速計（深圳賽品儀器儀表有限公司）。風速測量范圍為0.3～45m/s，精度為0001，量程為45m/s。5）“華盛昌（CEM）”數字溫濕度計（深圳市源恒通科技有限公司）。溫度測量范圍為-40～100℃，精度為±0.2℃。相對濕度測量范圍為0～100%，精度為±2%。

2 測 試

2.1 溫度變化實驗方案及結果

2.1.1 實驗方案

將實驗環境的溫度分別設定為22、24、26、28、30℃和32℃，控制風速保持在1.5m/s，相對濕度為60%。具體實驗步驟如下：

1）將4個透濕杯（編號為1#、2#、3#、4#）放置于環境溫度為22℃，相對濕度一直保持為60%，風速一直保持為1.5m/s的條件下。用量杯向每個透濕杯中分別依次加入10、20、30mL和40mL的純凈水，然后把在大氣壓下調濕過的礦工服圓形試樣分別放在每個透濕杯上，并用直尺測出礦工服試樣離水面的距離依次記為H1、H2、H3和H4。最后用橡膠圈和鋼圈壓緊，擰緊螺釘之后，在每個透濕杯外邊一圈纏上玻璃膠帶。

2）1h后，用電子天平對每個透濕杯進行稱重，為了數據的準確性，每個透濕杯測量3次，然后取平均值，并記錄下不同水位下礦工服的透濕量Q。

3）其他環境條件不變，將溫度分別調至為24、26、28、30℃和32℃，其他的步驟不變，分別記錄下在不同的環境條件下不同水位的礦工服的透濕量Q。

4）在這6組不同的環境條件下分別做一組空白實驗，即透濕杯上面不放置礦工服試樣，且水位設置在離透濕杯上口距離等于壓蓋厚度的位置即H=4mm時，在這6組不同的環境條件下分別測出水的蒸發量，記作Q0。

5）最后根據實驗得出的空氣層高度H、礦工服透濕量Q和空氣層透濕量Q0的數據，利用軟件Origin進行非線性擬合得出擬合曲線方程，求得Qf，從而求得濕阻值Re。

2.1.2 實驗結果

根據實驗所得的透濕量數據，并且查閱了水的蒸發熱表和溫度壓力對照表，代入式（1）（2）進行計算，求得每組不同環境條件下的礦工服的濕阻值，并利用Origin進行擬合得出了礦工服濕阻隨著溫度的變化規律，如圖2所示。通過比較發現二者無顯著性差異，結果較準確。

圖2表明，在控制實驗環境的相對濕度和風速不變的情況下，礦工服濕阻值隨著溫度由22℃升高到26℃呈下降趨勢。分析式（1）（2）可知：在環境溫度變化的過程中，能夠影響濕阻值變化的變量只有Psf（杯內飽和水蒸氣壓）及Qf（水與礦工服式樣距離為零時的透濕量），其余量的變化很小。當溫度從22℃升至26℃的過程中，Psf和Qf皆呈增加趨勢，這是由于溫度升高會使杯內的蒸汽壓增大，同時更多的水分子變為氣體溢出，使得透濕量也增加。二者都將增大但增加的趨勢有所不同，因為溫度僅升高4℃對杯內的飽和水蒸氣壓的改變十分有限，在此過程中有一部分的水分子受熱膨脹，分子間距增加，導致分子間的作用力從引力轉變為斥力，液體表面分子脫離液體內部引力的束縛運動到上方的空中成為氣態分子，氣體分子溢出導致透濕量也增加;與此同時由于溫度變化有限，飛出去的一部分氣體分子受冷，動能減小，又“返回”液體表面，保持液體表面氣壓的動態平衡，所以飽和水蒸氣壓變化有限。相比較而言，已經透出礦工服式樣表面的氣體分子對透濕量的改變量更加顯著，所以結合上述公式可以分析出在此階段內濕阻值會呈下降趨勢。而當溫度進一步升高后，不斷有氣體分子轉變為水分子溢出，液體表面間的動態平衡被打破，飽和水蒸氣壓進一步增大，其增加量超過了同時增加的透濕量，故在溫度繼續升高的階段中濕阻值又呈現上升趨勢。穩定擴散狀態下，濕阻越小，透濕能力越顯著。由圖2可見，當溫度為26℃時，礦工服的透濕能力是最佳的，所以以溫度26℃為例進行接下來的實驗。

2.2 濕度變化實驗方案及結果

2.2.1 實驗方案

將濕度分別設定為46%、53%、60%、75%、80%和85%，溫度保持在26℃，風速為1.5m/s。具體步驟同2.1。記錄下不同濕度不同水位下的礦工服的透濕量Q及6組空白實驗得到的空氣透濕量Q0。

2.2.2 實驗結果

根據實驗所得的透濕量數據，查閱水的蒸發熱表和溫度壓力對照表，代入式（1）（2）計算得到每組不同環境條件下的礦工服的濕阻值，進而利用Origin進行二次擬合得到礦工服濕阻隨著相對濕度的變化曲線，對實測值進行了驗證，如圖3所示。通過比較發現二者無顯著性差異，結果較準確。

由圖3表明，實驗環境溫度為26℃，風速恒定時，當環境的相對濕度由45%增大到53%，礦工服的濕阻值逐漸減小，這是由于在開始階段，選擇的溫度值對應了較低的濕阻值，而相對濕度又對濕阻值的影響很小，所以濕阻值呈現緩慢下降的趨勢;當相對濕度從53%增大到60%這個階段，濕阻值減速明顯增快，這是由于相對濕度進一步增加，同時環境溫度及風速保持不變，使得杯內礦工服式樣的透濕量進一步增大，而杯內飽和水蒸氣壓變化幅度很小，所以濕阻值進一步地下降;當環境相對濕度由60%增大到85%，濕阻值持續增大，且增長趨勢趨于平緩，這是由于當相對濕度進一步增大時，試樣的透濕量達到極大值之后便不再顯著增加，與此同時隨著透濕量的增加，杯內的水分子不斷溢出，導致杯內的飽和水蒸氣壓緩緩增大，增大趨勢超過了透濕量的變化率，故濕阻值又呈上升狀態。當飽和水蒸氣壓進一步緩慢增加過程中，杯內的氣壓又逐漸達到平衡狀態，所以濕阻值的增長趨勢又放緩。由圖3可見，當相對濕度為60%時濕阻值是最小的。故在接下來的實驗中將以相對濕度為60%為例進行。

2.3 風速變化實驗方案及結果

2.3.1 實驗方案

將風速分別設定為0.5、1、1.5、2、2.5m/s和3m/s，溫度為26℃，相對濕度為60%。具體步驟同2.1。記錄下不同風速不同水位下的礦工服的透濕量Q，以及6組空白實驗得到的空氣透濕量Q0。

2.3.2 實驗結果

根據實驗所得的透濕量數據，通過查閱水的蒸發熱表和溫度壓力對照表，代入式（1）（2）求得不同環境條件下礦工服的濕阻值，并利用Origin擬合得到礦工服濕阻隨著相對濕度的變化規律，對實測值進行了驗證，如圖4所示。通過比較發現二者無顯著性差異，結果較準確。

由圖4可知，當實驗環境溫度保持在26℃，相對濕度為60%，風速由0.5m/s增大到1.5m/s時，濕阻值緩慢變大，這是由于在溫度及相對濕度兩個變化因素處于較低的狀態下時，濕阻值較低，當風速逐漸增加時，部分液體分子被“吹干”，導致透濕量減小，此時的飽和水蒸氣壓處在相對平衡的狀態，所以濕阻值上升;當風速在1.5～2m/s這個階段時，濕阻值逐漸減小，這是由于風速進一步增加，使得透濕量的變化率越來越小，透濕量對濕阻值的影響逐漸降低，而此時的環境溫度和相對濕度所對應條件下的濕阻值較低，所以整個體系的濕阻值又呈現下降趨勢，整個體系處于近似動態平衡狀態;當風速由2m/s增至3m/s時，濕阻值隨著風速的變大而緩慢增大，這是由于當風速增加到較大的范圍時，透濕量進一步減小，同時飽和水蒸氣壓幾乎不發生變化，故體系的動態平衡被打破，導致濕阻值又緩慢增加。由此可見，當風速為2m/s時，濕阻值是最小的，為6.901Pa·m2/W。

2.4 結果對比分析

為了進一步驗證結果的準確性，利用Excel中的“數據分析”模塊對上文中三個影響濕阻值的主要因素進行數據差異顯著性（雙因素）分析，如表1所示。如果F（顯著性檢驗特征值）小于F crit（顯著性檢驗臨界值）時，有P-value（顯著性判斷值）高于0.05，則表示兩組數據無顯著性差異。

根據中華人民共和國煤炭工業部頒布的《煤礦安全規程》[15]第162條中規定，整理得到在不同風速與相對濕度下的允許溫度，如表2所示。查閱國家安全生產監督管理局最新頒布的《煤礦安全規程》[16]，得到關于采掘工作面的溫度、風速等的相關規定，生產礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃;查詢井巷中規定的風流速度表，了解到綜合機械化采煤工作面，在采取煤層注水和采煤機噴霧降塵等措施后，其最大風速可高于表2中的相關規定值，但不得超過5m/s。換言之，采掘工作面的允許風速在025～5m/s，所以根據實驗得出的溫度值和風速值等都在《煤礦安全規程》規定的范圍內。

3 結 論

本文運用較為新穎的透濕杯法對礦工服的靜態濕阻進行了研究分析，得出了以下結論：

1）對不同影響因素下礦工服式樣的濕阻值進行了測試實驗，將測試數據進行理論計算分析，并利用Origin軟件進行了曲線擬合，分別得到了環境溫度、相對濕度及風速與濕阻值變化規律的曲線方程。將實驗所測得的數據進行對比分析和顯著性檢驗，通過分析比較發現實測值與擬合值之間無顯著性差異，確保結果的準確性;將所得結果歸納總結并圖表化，直觀地反映了溫度、濕度及風速變化對礦工服濕阻的影響規律。

2）根據濕阻測試的透濕杯法，得到了人體舒適的熱環境條件：環境溫度為26℃、相對濕度為60%、風速為2m/s。在此環境條件下，礦工服的透濕能力是最強的，可以保證人體表面的汗水更好地排出，散熱更快，從而保證礦工們更加安全、舒適地進行井下作業。

3）將基于透濕杯法實驗中所用的風速、相對濕度等實驗測試數據與煤礦相關安全規程內規定的范圍進行比較發現，實驗中各變量的取值都在煤礦相關安全規程規定的安全范圍內，從側面印證了計算分析結果的準確性。

參考文獻：

[1]武強， 陳奇. 礦山環境問題誘發的環境效應研究[J]. 水文地質工程地質， 2008（5）： 81-82.

WU Qiang， CHEN Qi. An analysis of environmental effects induced by environmental problems in mines [J]. Hydrogeology & Engineering Geology， 2008（5）： 81-82.