深井開采個體防護降溫服試驗研究

王春光

摘要：個體防護是深井開采研究的重要技術之一。通過對個體防護原理、冷卻介質、相變材料、PCM降溫服吸熱機制的系統分析，研發了深井開采個體防護降溫服，并開展了實用性試驗研究。結果表明：穿著降溫服受試者的核心溫度、皮膚溫度、心率均較不穿降溫服者低，體感溫度下降3 ℃～5 ℃，且工作效率顯著提高;相變溫度為20 ℃的降溫服降溫效果與持續時間最佳。

關鍵詞：深井開采;個體防護;降溫服;相變材料;溫度

引 言

高溫熱害一直是困擾中國深井礦山開采的重要因素之一[1]。招金礦業股份有限公司夏甸金礦（下稱“夏甸金礦”）井下開采深度已達到1 000多m，屬于典型的深井礦山。近年來，為解決高溫熱害對夏甸金礦深部開采的制約，礦山聯合科研單位重點研究了礦井降溫中的個體防護技術[2]。個體防護技術的目的是實現個體保護。在井下某些氣候條件比較惡劣的作業地點，不宜采取機械制冷等其他降溫手段時，可給井下作業人員配備個體防護裝備[3]。個體防護裝備的作用是防止井下環境溫度過高時，對身體的輻射與對流傳熱，使人體能夠把自身勞動和新陳代謝產生的熱量傳遞給防護裝備中的冷卻介質，維持機體內部的熱平衡[4]。

本文主要對深井開采個體防護裝備——降溫服開展研究，系統分析了個體防護原理、冷卻介質、相變材料（Phase change materials，PCM）、PCM降溫服吸熱機制[5-6]及一般性要求，并開展了實用性[7]試驗研究。

1 個體防護技術

1.1 個體防護原理

個體防護原理是在高溫環境下，作業人員身著降溫服，即用高效隔熱材料將人體包裹起來，在人體四周形成一個微氣候區[8]（見圖1），與周圍的高溫環境隔離開。在微氣候區內，依靠直接或間接提供的冷量，吸收人體新陳代謝和勞動產生的熱量，從而維持人體的熱平衡。

1.2 冷卻介質

降溫服較好的冷卻介質包括Na2SO4·nH2O、純凈水（冰）和5 %NaCl溶液[9]，其熱物理參數見表1。

根據使用情況，以冰作為冷卻介質的降溫服效果較好，同時質量也最為可靠，但維持時間較短，大約30 min（5 kg冰）。綜合考慮，使用以Na2SO4·10H2O為主要成分的相變材料作為冷卻介質，進而開展進一步的分析和研究。

1.3 相變材料

相變材料是利用相變潛熱來儲能和放能的材料。本文所選用的相變材料具有以下性質：①較高的相變潛熱，單位質量或單位體積的相變潛熱都足夠大;②低碳環保，環境溫度低于相變溫度時可自動凝固，節能減排;③合適的相變溫度;④化學和物理性能穩定，材料無毒、無腐蝕性、成本低;⑤相變過程完全可逆，過冷或過熱現象少;⑥適宜的熱傳導系數，可較快地吸收和釋放熱量;⑦體積變化小。

1.4 PCM降溫服吸熱機制

PCM降溫服吸熱是依靠相變材料的熔點溫度與外界環境溫度的高低差實現的。通過熱傳遞的能量轉移模式，使處于高溫環境中小范圍內的空氣能量轉移到低熔點相變材料中，宏觀體現為相變材料吸熱融化為液體，周圍環境熱量被吸收，環境溫度降低，從而達到降溫的目的。

1.5 降溫服一般性要求

礦工穿著的降溫服，必須滿足降溫及便于工作等方面的要求[10] ，主要涉及能源供應、工作方式、冷卻能力、持續時間及穿著舒適度等問題。由于井下空間有限，作業人員要進行頻繁的生產活動，帶有“尾巴”壓氣管或冷水管的降溫服很不方便。也就是說，適合井下作業的降溫服要自帶能源或冷源，而無需外界供給。此外，降溫服工作時，不應產生有毒、有害及易燃易爆的物質。由于降溫服需貼身穿著，要防止皮膚受凍或局部過冷。

2 降溫服實用性試驗

2.1 設備及材料

紅外耳式體溫計、Smartex智能可穿戴生理監測服、風速風量計、測距儀、溫濕度計及紅外測溫儀。

降溫服為馬甲式，配以不同相變溫度的相變材料，即冰袋。4個單冰袋連接在一起形成一個整體的降溫單元，每件降溫服有4個降溫單元，16個冰袋，分別為前胸左右側各放置1個降溫單元，后背放置2個降溫單元。單個冰袋相關參數見表2。

2.2 試驗方法

將降溫服應用于井下作業人員，通過高溫、高濕的作業環境驗證降溫服的吸熱降溫性能[11]。

受試者選用鏟運機和臺車2組不同工種的井下作業人員，每組5人。經過初步篩選，選定在夏甸金礦井下-780 m中段、-820 m中段、-860 m中段、-1 020 m中段進行分組試驗，選定的4個工作面工作環境溫差在3 ℃左右，濕度均為100 %，在2 d內測量同一受試者穿著降溫服與不穿降溫服時的核心溫度（耳膜溫度）、皮膚溫度、心率、汗液蒸發量、作業效率等參數[12]，分析適合井下作業并能達到最佳降溫效果的最佳相變溫度的降溫服[13]。

2.3 試驗結果與討論

通過測量受試者的核心溫度、皮膚溫度、心率等生理參數，來評價降溫服實際的熱調節性能。

2.3.1 核心溫度

對受試者穿著與不穿降溫服時的核心溫度進行測量，結果見表3。

由表3可知：當受試者穿著降溫服時，其核心溫度較不穿降溫服明顯降低。穿著降溫服時，隨著環境溫度的升高，受試者的核心溫度略有升高。由于相變溫度為16 ℃的降溫服相變溫度與環境溫度相差較大，降溫效果較明顯，但其融化也較快，因此在3 h左右其降溫效果持續降低，直至失去降溫效果;相變溫度為24 ℃的降溫服相變溫度與環境溫度相差較小，吸熱能力較弱，但其降溫效果持續時間較長。綜合考慮，相變溫度為20 ℃的降溫服降溫效果較好，且持續時間在可接受范圍內。

2.3.2 皮膚溫度

皮膚溫度通過將帶有熱敏電阻的溫度傳感片粘貼于皮膚表面測得，或通過非接觸式紅外熱像儀測得。皮膚平均溫度一般通過幾個部位的皮膚溫度加權平均值[14]獲得，每個部位的權重與該部位的表面積占整個人體表面積的比例有關。測量并計算得到的受試者皮膚平均溫度見表4。

由表4可知：當受試者不穿降溫服時的皮膚平均溫度較高，并隨著環境溫度的升高而不斷升高。當受試者穿著相變溫度為16 ℃、20 ℃、24 ℃的降溫服時，其皮膚平均溫度較不穿降溫服明顯降低。考慮到不

同相變溫度降溫服的降溫效果與持續時間，確定降溫服相變溫度為20 ℃時的效果最佳。

2.3.3 心 率

心率能反映人體遭受的熱應激程度。Moran等學者在1998年定義了一個PSI指標來表征高溫下人體熱應激[11]。該指標以心率和核心溫度來量化，其公式為：

PSI指標對應的熱應激見表5。0級表示無熱應激，10級表示強烈的熱應激。經計算，受試者的PSI指標見表6。

由表6可知：穿著降溫服較不穿降溫服可明顯降低人體熱應激。當相變溫度為16 ℃時，人體熱應激較低，但其持續能力較低，4 h時基本失去降溫效果;當相變溫度為24 ℃時，與環境溫度相差較小，人體熱應激較高;當相變溫度為20 ℃時，其降溫效果與持續能力可以達到一個平衡點，效果較理想。

2.3.4 工作效率

從工作效果上看，受試者作業效率明顯提高。在同樣作業環境下，鏟運機工在相同作業時間內的鏟運量明顯增加，約增加一個工作面的作業量，即增加礦量80～100 t;每班有效作業時長增加約45 min。臺車工工作效率同樣提高，在無其他參數（除去設備本身、供風、供水等）影響下，1臺臺車每班約增加一個工作面的作業量;每班作業時長增加1 h以上，大幅度提高了臺車單班作業效率與設備利用率。

此外，受試者均表示，穿戴降溫服后身體感覺涼快，體感溫度下降3 ℃～5 ℃。

3 結 語

降溫服作為井下高溫環境個體防護裝備具有實際作用，有益于作業人員作業效率和身心健康;不同環境溫度應當選擇不同相變溫度的相變材料，低相變溫度的相變材料，更適合于相對“低溫”的作業環境，過高的溫差嚴重制約降溫服作業時長。降溫服能夠在高溫環境下穩定可靠作業，對直接暴露在高溫環境下的作業人員起到降溫防護的作用。通過對機體降溫，使得人體體感溫度降低3 ℃～5 ℃，提高了作業人員作業效率及單班作業量與作業時長，提升了鏟運機和臺車等設備的利用率，對井下采場循環周期、生產接續與出礦總量有著積極的作用。但是，降溫服的降溫效果有限，作用時長較短。在下一步的研究中將根據降溫服存在的短板，從相變溫度、作用時長、相變材料凝固時長、降溫服總質量等多方面進行不斷優化。

[參 考 文 獻]

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