高溫高濕環(huán)境下人體熱生理模型的檢驗(yàn)及應(yīng)用

安啟啟，徐 剛，2，楊 杰，王興明，朱 輝

(1．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

“熱”是威脅人類健康的職業(yè)危害因素之一，尤其是長期從事高溫環(huán)境下作業(yè)的工人更容易患熱疾病[1]。研究表明，長期暴露在熱環(huán)境下作業(yè)的工人不僅身體會(huì)受到熱傷害，還會(huì)影響其工作狀態(tài)和生產(chǎn)效率，甚至造成生產(chǎn)安全事故[2]。因此，人體熱生理研究對(duì)我國職業(yè)危害熱防護(hù)、人員的熱安全性評(píng)估以及保障企業(yè)的安全高效生產(chǎn)具有非常重要的意義。

自20世紀(jì)中期以來，許多研究者開始聚焦于人體熱生理的研究，同時(shí)開展了一系列的人體熱生理實(shí)驗(yàn)以發(fā)現(xiàn)人體暴露在高溫高濕環(huán)境下的生理變化特點(diǎn)[3-4]。但由于熱生理實(shí)驗(yàn)耗時(shí)比較長，費(fèi)用比較高，可操作性不強(qiáng)，且火災(zāi)高溫輻射場(chǎng)景存在一定熱危險(xiǎn)性，無法利用真人來展開實(shí)驗(yàn)研究[5]。因此，越來越多的研究者開始關(guān)注人體熱生理模型的建立以預(yù)測(cè)人體在不同環(huán)境溫度下的生理反應(yīng)及舒適性[6-8]。受到國際上廣泛認(rèn)可和使用的是Gagge等提出的兩節(jié)點(diǎn)模型，該模型將人體分為2個(gè)節(jié)點(diǎn)(核心節(jié)點(diǎn)和皮膚節(jié)點(diǎn))，并提出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程，同時(shí)該模型中加入了經(jīng)過簡化的熱調(diào)節(jié)機(jī)制以控制人體的產(chǎn)熱和散熱量，進(jìn)而預(yù)測(cè)人體的熱生理變化，該模型的優(yōu)點(diǎn)在于簡單實(shí)用[9-10]。之后，許多研究者為了獲得更精確的人體熱響應(yīng)模型，基于兩節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行擴(kuò)展和修正。例如，OOKA等改進(jìn)了兩節(jié)點(diǎn)模型中的出汗模型并且驗(yàn)證了改進(jìn)后的模型在高溫環(huán)境下的適用性[11]。TAKADA等測(cè)試了兩節(jié)點(diǎn)模型預(yù)測(cè)皮膚穩(wěn)態(tài)溫度的有效性[12]；PREK等改進(jìn)了二節(jié)點(diǎn)模型，建立了體現(xiàn)熱量和質(zhì)量在體內(nèi)傳遞或轉(zhuǎn)化特性的模型[13]。ZOLFAGHARI等開發(fā)了一個(gè)新的簡化體溫調(diào)節(jié)模型，用于評(píng)估人體對(duì)瞬態(tài)環(huán)境的熱響應(yīng)[14]。以上這些改進(jìn)后的模型在一定程度上增加了模型的精確度，但這些方法大多從某一個(gè)方面來改進(jìn)模型，并且這些模型在能量代謝率輸入方面大多取的是近似值，其模糊性較大；此外，以前的熱生理模型大都未考慮人體出汗極限，從而使得在高溫高濕條件下模型散熱較大，與實(shí)際情況產(chǎn)生一定的誤差[15]。

文中從Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型入手，通過綜合考慮暴露在高溫環(huán)境下作業(yè)人員的生理變化特點(diǎn)，分別對(duì)兩節(jié)點(diǎn)模型中的能量代謝率、出汗率、血流速度以及皮膚的最大蒸發(fā)熱損失等多方面進(jìn)行改進(jìn)，建立了改進(jìn)的人體熱生理模型，并通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證和分析，最后利用改進(jìn)的熱生理模型預(yù)測(cè)煤礦工人的核心溫度和安全作業(yè)時(shí)間，提出職業(yè)防護(hù)建議，從而確保在熱濕環(huán)境中作業(yè)人員的安全性，降低事故發(fā)生。

1 人體熱生理模型的建立

1.1 Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型

Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型將人體看成是由2個(gè)同心圓柱體組成。外圓柱體代表身體的皮膚層，由皮膚和相關(guān)組織組成，內(nèi)圓柱體代表人體的核心層，由骨骼、肌肉和內(nèi)部器官組成。核心層和皮膚層的熱量傳輸都服從人體熱平衡方程[10-11]，兩節(jié)點(diǎn)模型的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 Gagge模型計(jì)算流程Fig.1 Gagge model calculation flow chart

在核心層，人體為了維持自身的體溫以及保障正常生理活動(dòng)，需通過代謝產(chǎn)生熱量(M)，這些熱量主要通過以下方面將熱量消耗：人體對(duì)外界所做的功(W)、核心層通過熱傳導(dǎo)以及血液傳遞的方式將熱量轉(zhuǎn)移到皮膚層(Qcr-sk)、與外界進(jìn)行氣體交換損失的熱量(Qres)，剩余的能量被存儲(chǔ)并導(dǎo)致核心溫度升高，具體平衡方程如下

(1)

皮膚層的熱量傳輸主要包括與核心層之間的熱量傳輸(Qcr-sk)以及通過對(duì)流、輻射(Qc，r)和皮膚蒸發(fā)(Esk)與環(huán)境之間的熱量交換，具體方程如下

(2)

式中m為人體體重，kg；Cb為身體的比熱容，(≈3 490 J/kg·℃)；t為時(shí)間，s；Tcr，Tsk分別為核心溫度(指人體身體內(nèi)部的溫度，醫(yī)學(xué)測(cè)量中一般以口腔舌下或者直腸溫度為參考值)和皮膚溫度，℃；AD，α分別為人體表面積(m2)和皮膚質(zhì)量比(無量綱)，可通過公式(3)和(4)計(jì)算

(3)

AD=0.202m0.425l0.725

(4)

人體通過呼吸損失的熱量計(jì)算如下

Qres=0.001 4M(34-Ta)+0.017 3M(5.87-Pa)

(5)

式中Ta為空氣溫度，℃；Pa為人體周圍空氣中的飽和水蒸氣分壓，kPa。

核心層主要通過熱傳導(dǎo)以及血液傳遞的方式將熱量轉(zhuǎn)移到皮膚層，其轉(zhuǎn)移的熱量計(jì)算公式為

(6)

式中K為核心與皮膚之間的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·K；Cbl為血液的比熱，J/kg·℃。

皮膚層通過對(duì)流和輻射與環(huán)境交換的熱量如下

Qc,r=ht·(Tsk-To)

(7)

式中To為操作溫度，℃；ht為從皮膚到其熱環(huán)境的總傳熱系數(shù)，W /(m2·K)。

皮膚蒸發(fā)熱損失(Esk)計(jì)算公式如下

Esk=w·Emax

(8)

式中w為皮膚濕潤度;Emax為最大蒸發(fā)熱損失，W/m2。

人體在冷環(huán)境中會(huì)通過發(fā)抖和血管收縮來調(diào)節(jié)人體熱平衡；在熱環(huán)境中通過血管舒張和出汗來調(diào)節(jié)人體熱平衡，Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中的溫度調(diào)節(jié)信號(hào)模擬了人體在熱環(huán)境和冷環(huán)境下的溫度調(diào)節(jié)機(jī)制，這些信號(hào)取決于人體每個(gè)節(jié)點(diǎn)(核心或皮膚)的溫度與其相關(guān)的中性溫度之間的差異。人體對(duì)皮膚層和核心層的冷熱信號(hào)定義如下

WSIGcr=max{0,Tcr-Tcr,n}

(9)

CSIGcr=max{0,Tcr,n-Tcr}

(10)

WSIGsk=max{0,Tsk-Tsk,n}

(11)

CSIGsk=max{0,Tsk,n-Tsk}

(12)

WSICb=max{Tb-Tb,n,0}

(13)

式中CSIG和WSIG分別為人體的冷信號(hào)和溫信號(hào)，下標(biāo)sk，cr分別為人體的皮膚和核心；Tsk，n為中性皮膚溫度(33.7 ℃)；Tcr，n為中性核心溫度(36.8 ℃)。熱中性是指人體每個(gè)節(jié)點(diǎn)(皮膚和核心)的蓄熱量為0。Tb，Tb，n分別為身體的溫度以及身體的中性溫度，℃，可用公式(14)和(15)表示

Tb=αTsk+(1-α)Tcr

(14)

Tb,n=αnTsk,n+(1-αn)Tcr

(15)

式中αn為人體中性條件下的皮膚所占熱量比。

1.2 Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型的改進(jìn)

1.2.1 被動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

在Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中，對(duì)于能量代謝率的預(yù)測(cè)計(jì)算主要分為3種。第1種是通過生理實(shí)驗(yàn)測(cè)量人體的最大耗氧量，然后根據(jù)能量代謝率與最大耗氧量之間的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出；第2種根據(jù)人體的活動(dòng)情況，通過國際標(biāo)準(zhǔn)查找近似值；第3種是直接根據(jù)能量代謝率的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。第1種方法雖然能體現(xiàn)個(gè)體差異性，但是人體實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長、費(fèi)用較高，此外，很多高溫?zé)彷椛洵h(huán)境無法利用真人展開實(shí)驗(yàn)研究；第2種方法模糊性較大，從而誤差也較大。綜上，利用精確度較高的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)能量代謝率是相對(duì)可靠的，同時(shí)有關(guān)研究表明，當(dāng)人在負(fù)重及運(yùn)動(dòng)條件下能量代謝率會(huì)發(fā)生變化。因此，基于上述考慮，本研究在Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中引用PANDOLF等得出的計(jì)算人體在負(fù)重及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下較為準(zhǔn)確的代謝率公式，以模擬人體在高溫高濕環(huán)境下作業(yè)的熱生理變化[16]，具體公式如下

(16)

式中L為人體負(fù)重的質(zhì)量，kg；V為人體行走的速度，m/s；G為坡度，%；η為地形影響因子，通常取1。

1.2.2 主動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，出汗率和血液流速除了受溫度信號(hào)的影響外，還受到體表面積的影響[17-18]，因此，需要在出汗率以及血流速率公式中引入體表面積修正因子，具體公式如下

(17)

(18)

式中Cba為體表面積修正因子，計(jì)算如下式

(19)

有關(guān)研究指出，人體出汗速率存在上限，且上限值為696 g/h[5]。在熱中性條件下可以不考慮該條件，但是在高溫高濕環(huán)境下需予以考慮。但以前的熱生理模型很少將其考慮其中，因此，本研究將該上限值引用到Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中，使模型更切合實(shí)際。此外，身體在實(shí)際散熱過程中排出的汗液并不是全部蒸發(fā)掉，尤其當(dāng)皮膚濕潤度越大時(shí)，汗液蒸發(fā)效率越低。因此，本研究引用了HAVENITH等提出的汗液蒸發(fā)效率與皮膚潤濕度關(guān)系式[19]

當(dāng)w≤1時(shí)

(20)

當(dāng)1

(21)

當(dāng)w>1.7時(shí)

ηm=0.05

(22)

式中ηm為汗液蒸發(fā)效率。

同時(shí)，在Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中，對(duì)于人體表面積的計(jì)算通常采用的是標(biāo)準(zhǔn)人體公式，未考慮到性別差異，因此，本模型應(yīng)用了區(qū)分性別的人體表面積公式使模型得到更廣泛的應(yīng)用，具體如下[17]

(AD)男性=0.005 7l+0.012 1m+0.088 2

(23)

(AD)女性=0.007 3l+0.012 1m-0.210 6

(24)

1.2.3 服裝系統(tǒng)的改進(jìn)

服裝對(duì)于皮膚的蒸發(fā)熱損失(Esk)具有顯著的影響，由于著裝人體汗液是在服裝表面或內(nèi)部織物間蒸發(fā)。因此，蒸發(fā)同樣汗水量的著裝者和裸體者感受到的冷卻效果是不同的，在Gagge模型中需要考慮著裝者的最大蒸發(fā)熱損失(Emax)[20]，具體公式如下

Emax=16.7hc(Psk-Pa)Fpcl

(25)

式中hc為蒸發(fā)傳熱系數(shù)，W/(m2·kPa)；Psk為皮膚溫度下空氣中水蒸氣的飽和分壓力，kPa；Fpcl為服裝的滲透系數(shù)。

Fpcl=1/(1+0.143fcl×hc×Icl)

(26)

式中fcl為服裝面積系數(shù)；Icl為服裝基本熱阻，clo。

此外，由于Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中對(duì)于人體通過服裝與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流與輻射的熱交換計(jì)算中的服裝有效熱阻很難確定，通常取的是模糊值。因此，本研究在Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型中引用同濟(jì)大學(xué)葉海等在提出熱平衡數(shù)時(shí)所用到的關(guān)于計(jì)算服裝與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流與輻射的熱交換(Qc，r)公式[21]，該公式將替換公式(7)，具體如下

(27)

式中Ia為服裝外的空氣層熱阻，m2·℃ /W；Icl單位為m2·℃ /W。

(28)

式中v為風(fēng)速，m/s。

2 人體熱生理模型的檢驗(yàn)

文中應(yīng)用3個(gè)案例對(duì)模型的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，前2個(gè)案例是根據(jù)文中所設(shè)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。案例3是根據(jù)高俊勇等研究人體在溫度為40 ℃，相對(duì)濕度為80%的環(huán)境條件下進(jìn)行重體力勞動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證[21]。核心溫度、皮膚溫度以及出汗量對(duì)人體在熱環(huán)境下的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估具有重要的參考價(jià)值，也是人體熱生理響應(yīng)中非常重要的3個(gè)參數(shù)，因此，用它們來驗(yàn)證新模型的準(zhǔn)確性。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

人體熱生理實(shí)驗(yàn)在人工氣候室進(jìn)行，該氣候室可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定室內(nèi)溫度和濕度，風(fēng)速約為 0.05 m/s。選用了10名健康男性大學(xué)生作為人體實(shí)驗(yàn)的受試者。受試者的信息：年齡20.9± 0.9歲；身高：174.8±4.6 cm；體重：64.8±7.7 kg。實(shí)驗(yàn)開始前24 h內(nèi)，受試者不得進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，不得飲酒、喝咖啡。實(shí)驗(yàn)過程中受試者里面穿著短袖短褲，外面穿著普通制服，總熱阻約為0.7 clo[20-22]。

高溫環(huán)境一般指的是 35 ℃以上的生活環(huán)境與32 ℃以上的生產(chǎn)環(huán)境，并且部分生產(chǎn)行業(yè)中環(huán)境溫度會(huì)更高。為驗(yàn)證所建模型在高溫環(huán)境下預(yù)測(cè)人體生理參數(shù)的適用性，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)的安全性，文中在高溫環(huán)境(40 ℃)下設(shè)定相對(duì)濕度分別為50%及60%這2個(gè)工況。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者稱完體重后在氣候室外(室內(nèi)自然風(fēng)流環(huán)境)靜坐15 min以減小環(huán)境因素對(duì)人體熱生理實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)期間，受試者暴露在設(shè)定工況條件下(40 ℃/60%或40 ℃/50%)的氣候室內(nèi)，并在跑步機(jī)上以6.5 km/h的速度行走50 min(勞動(dòng)強(qiáng)度可視為重勞動(dòng))。在此期間，測(cè)量他們的皮膚溫度和核心溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受試者離開氣候室，回到靜坐時(shí)的環(huán)境下?lián)Q衣服，最后稱體重(此階段共計(jì)10 min)。具體流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experiment flow chart

人體核心溫度的測(cè)量采用核心膠囊(測(cè)量范圍25～50 ℃，精度±0.1 ℃)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，人體平均皮膚溫度的測(cè)量根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)[23]使用皮膚溫度傳感器(測(cè)量范圍-40～150 ℃，精度±0.1 ℃)連續(xù)測(cè)量頸部、右肩胛骨、左手和右脛骨4點(diǎn)的皮膚溫度，然后通過以下公式加權(quán)計(jì)算[24]

Tsk=0.28T1+0.28T2+0.16T3+0.28T4

(29)

式中T為測(cè)量部位的皮膚溫度，℃；下標(biāo)為測(cè)量部位，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 4點(diǎn)法測(cè)量平均皮膚溫度示意 (左正面，右背面)Fig.3 Schematic diagram of mean skin temperature measured by four-point method(left front，right back)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型檢驗(yàn)

2.2.1 核心溫度

將不同環(huán)境條件下測(cè)量得到的人體核心溫度與模擬值進(jìn)行對(duì)比，如圖4～6所示。

圖4 核心溫度的變化(案例1)Fig.4 Change of core temperature(Case 1)

圖5 核心溫度的變化(案例2)Fig.5 Change of core temperature(Case 2)

圖6 核心溫度的變化(案例3)[21]Fig.6 Change of core temperature(Case 3)[21]

從圖4～5可以看出，本模型與實(shí)驗(yàn)值較為吻合。通過計(jì)算案例1和案例2實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的均方根偏差(RMSD)發(fā)現(xiàn)，新建模型預(yù)測(cè)50 min內(nèi)核心溫度的RMSD分別為0.15 ℃和0.23 ℃。圖6可以看出模擬值與實(shí)驗(yàn)值在前30 min吻合度良好，但是在t=30 min后核心溫度突然下降，這是因?yàn)槿藛T在該環(huán)境下持續(xù)30 min跑步出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)迫于停止實(shí)驗(yàn)，30 min到40 min人員處于休息狀態(tài)[21]。同時(shí)，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的最大誤差，案例1的最大誤差為0.28 ℃，案例2的最大誤差為0.41 ℃，案例3中前30 min的最大誤差不超過0.3 ℃。綜上，新建熱生理模型與實(shí)驗(yàn)值之間的所有誤差均不超過1 ℃，且能在誤差允許范圍內(nèi)可靠預(yù)測(cè)人體的核心溫度。

2.2.2 皮膚溫度

不同案例下的皮膚溫度測(cè)量值與模擬值的比較如圖7～9所示。

圖7 皮膚溫度的變化(案例1)Fig.7 Change of skin temperature(Case 1)

圖8 皮膚溫度的變化(案例2)Fig.8 Change of skin temperature(Case 2)

圖9 皮膚溫度的變化(案例3)[21]Fig.9 Change of skin temperature(Case 3)[21]

由圖7和圖8可以看出皮膚溫度的模擬曲線在實(shí)驗(yàn)測(cè)得皮膚溫度誤差棒范圍內(nèi)，并且由圖9可以看出本模型在案例3中也同樣適用。計(jì)算案例1和案例2下50 min內(nèi)新建模型預(yù)測(cè)的皮膚溫度的RMSD分別為1.03 ℃和0.78 ℃，其模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的最大誤差分別為1.37 ℃和1.21 ℃，并且在30～50 min時(shí)模擬值更接近實(shí)驗(yàn)值。此外，通過案例3檢驗(yàn)了本模型在該環(huán)境條件下預(yù)測(cè)人體皮膚溫度的適用性，其最大誤差為0.74 ℃。文獻(xiàn)中指出平均皮膚溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的差值在 1.6 ℃內(nèi)是合理范圍[25]，因此可以看出新建熱生理模型在預(yù)測(cè)人體皮膚溫度方面較為可靠。

2.2.3 出汗量

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的累計(jì)總失水量與新建模型模擬的累計(jì)出汗總量進(jìn)行對(duì)比如圖10所示。

圖10 失水量的變化Fig.10 Change of water loss

可以看出，2個(gè)工況下人體累計(jì)總失水量均超過1 kg，模擬值小于實(shí)驗(yàn)值。可能的原因有以下2點(diǎn)，①實(shí)驗(yàn)測(cè)量的受試者累計(jì)總失水量是實(shí)驗(yàn)后人體凈重減去實(shí)驗(yàn)前的人體凈重，包括準(zhǔn)備階段和收尾階段受試者在夏季自然通風(fēng)室內(nèi)所損失的水分，由于個(gè)體差異性不排除受試者在此階段有汗液損失；②人體在實(shí)驗(yàn)過程中通過呼吸以及新陳代謝等需要消耗一部分水分。

3 模型的應(yīng)用

隨著我國工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，高溫高濕作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)熱病已滲透到越來越許多的行業(yè)，采礦業(yè)就是其中之一。有關(guān)研究的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，高溫礦井的采掘工作面由于地?zé)帷⒉删驒C(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)持續(xù)放熱等原因致使其實(shí)際作業(yè)環(huán)境溫度超過30 ℃，可視為《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的高溫環(huán)境，相對(duì)濕度大多在80%～90%，甚至惡劣條件下相對(duì)濕度可達(dá)100%[26-27]。可以看出，采掘工作面是煤礦井下典型的高溫高濕作業(yè)環(huán)境，工人長期在此作業(yè)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致一些職業(yè)熱疾病。因此，有必要利用已通過可靠性驗(yàn)證的熱生理模型來預(yù)測(cè)煤礦工人在該環(huán)境下的核心溫度的變化，并參考ISO 9886標(biāo)準(zhǔn)[23]中提出的正常人體核心溫度的監(jiān)測(cè)限值38.5 ℃(超過該值人體可能會(huì)出現(xiàn)一些生理預(yù)警或降低工作效率)來預(yù)測(cè)安全作業(yè)時(shí)長，從而提出煤礦井下職業(yè)防護(hù)建議。

本次模擬場(chǎng)景設(shè)置為夏季煤礦工人在采掘工作面從事生產(chǎn)作業(yè)的場(chǎng)景。為了達(dá)到最大安全防護(hù)，環(huán)境溫度設(shè)置為《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的高溫環(huán)境界限，即30℃，相對(duì)濕度設(shè)置為經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)夏季高濕煤礦井下的環(huán)境條件，即：80%、90%、100%這3個(gè)工況；同時(shí)，采掘工作面礦工從事的工種按照勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)分為輕勞動(dòng)(強(qiáng)度近似于0.8 m/s的步行)、中勞動(dòng)(強(qiáng)度近似于1.5 m/s的步行)、重勞動(dòng)(強(qiáng)度近似于1.8 m/s的步行)[28]。

由圖11可以看出輕勞動(dòng)下礦工的核心溫度維持在37 ℃左右，屬于正常人體核心溫度波動(dòng)范圍，說明從事輕勞動(dòng)的礦工在此環(huán)境下受環(huán)境條件的影響很小。由圖12可以看出隨著濕度的增加礦工的安全作業(yè)時(shí)間在減少，在濕度為100%惡劣環(huán)境下中勞動(dòng)礦工安全作業(yè)時(shí)間為107 min，濕度在90%～100%之間礦工安全作業(yè)時(shí)長為107～124 min，濕度在80%～90%之間，安全作業(yè)時(shí)長為124～149 min。圖13可以看出，濕度為100%時(shí)安全作業(yè)時(shí)長為37 min，比濕度為80%和90%分別減少了6 min和4 min，因此當(dāng)?shù)V工從事重體力勞動(dòng)時(shí)安全作業(yè)時(shí)長減少，并且受濕度的影響也變小。基于上述分析，為確保人員安全和提高作業(yè)效率，并達(dá)到最大防護(hù)時(shí)間，本研究提出如下3點(diǎn)煤礦井下采掘工作面職業(yè)熱防護(hù)建議。

圖11 輕勞動(dòng)作業(yè)礦工的核心溫度Fig.11 Core temperature of miners for light work

圖12 中勞動(dòng)作業(yè)礦工的核心溫度Fig.12 Core temperature of miners for medium work

圖13 重勞動(dòng)作業(yè)礦工的核心溫度Fig.13 Core temperature of miners for heavy work

1)對(duì)于從事中勞動(dòng)作業(yè)的礦工，在相對(duì)濕度大于90%時(shí)，應(yīng)每工作107～124 min，進(jìn)行一次簡短休息；當(dāng)相對(duì)濕度在80%～90%之間時(shí)，應(yīng)每124～149 min，進(jìn)行一次簡短休息。

2)對(duì)于從事重勞動(dòng)作業(yè)的礦工，在相對(duì)濕度大于90%時(shí)，應(yīng)每工作37～41 min，進(jìn)行一次簡短休息；當(dāng)相對(duì)濕度在80%～90%之間時(shí)，應(yīng)每工作41～43 min，進(jìn)行一次簡短休息。

3)應(yīng)定期對(duì)不同作業(yè)工種的員工開展問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括超過有效作業(yè)時(shí)間時(shí)其生理或心理方面會(huì)產(chǎn)生哪些預(yù)警信號(hào)，如在作業(yè)過程中出現(xiàn)類似預(yù)警則應(yīng)及時(shí)采取救護(hù)措施。

4 結(jié) 論

1)基于Gagge兩節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)該模型中的被動(dòng)系統(tǒng)、主動(dòng)系統(tǒng)以及服裝系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，建立了改進(jìn)的人體熱生理模型。

2)通過人體熱生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本模型的精確性，結(jié)果表明，該模型能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)人體的皮膚溫度，核心溫度等。

3)通過預(yù)測(cè)礦工在煤礦井下高溫高濕環(huán)境中持續(xù)作業(yè)的安全作業(yè)時(shí)間發(fā)現(xiàn)，從事重勞動(dòng)作業(yè)的礦工安全作業(yè)時(shí)間最短，基本需每工作40 min左右就要進(jìn)行一次短暫休息，從事中勞動(dòng)的工人安全作業(yè)時(shí)間在2小時(shí)左右，從事輕勞動(dòng)的工人受環(huán)境影響較小，該研究可為我國煤礦生產(chǎn)作業(yè)工序提供科學(xué)指導(dǎo)。