高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響
2020-05-11
礦井高溫熱害及其治理已成為國內外采礦界公認的科技難題,礦井降溫技術已成為高溫礦井正常安 全生產、企業發展的瓶頸技術和關鍵技術。隨著礦井開采深度逐漸增加,作業人員的安全及職業健康問題愈加突 出,尤其是高溫高濕環境下礦工的健康問題。研究熱濕環境對人體機能的影響尺度,可為更好地調節高溫礦井熱濕 環境提供依據和借鑒。針對 3 個高溫金屬礦井,選取不同中段的 5 個作業點(其環境溫度范圍分別為 23~26 ℃、27~ 30 ℃、31~34 ℃、35~38 ℃、39~42 ℃,濕度范圍介于60%~70%、70%~80%、80%~90%三個區間,風速調控為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s),對...
Series No. 526 April 2020 金 屬 METAL MINE 礦 山 總第 526 期 2020 年第 4 期 高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響 聶興信 王廷宇 孫鋒剛 汪 朝1 ( 西安建筑科技大學管理學院,陜西 西安 710055) 摘 要 礦井高溫熱害及其治理已成為國內外采礦界公認的科技難題,礦井降溫技術已成為高溫礦井正常安 全生產、企業發展的瓶頸技術和關鍵技術。隨著礦井開采深度逐漸增加,作業人員的安全及職業健康問題愈加突 出,尤其是高溫高濕環境下礦工的健康問題。研究熱濕環境對人體機能的影響尺度,可為更好地調節高溫礦井熱濕 環境提供依據和借鑒。針對 3 個高溫金屬礦井,選取不同中段的 5 個作業點(其環境溫度范圍分別為 23~26 ℃、27~ 3 0 ℃、31~34 ℃、35~38 ℃、39~42 ℃,濕度范圍介于 60%~70%、70%~80%、80%~90% 三個區間,風速調控為 0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s),對 50名礦工(10個作業小組)進行生理、心理及行為測量。通過測量及數據分析得到熱濕環境下人體各 機能參數的變化趨勢,結論為溫度 27 ℃以下、濕度 60%~70%、風速 0.5 m/s 為礦工作業環境的舒適范圍。溫度超過 2 7℃,濕度超過70%時,需采取降溫除濕措施改善井下作業條件。 關鍵詞 高溫礦井 熱濕環境 人體機能 生理心理及行為影響 中圖分類號 TD727 文獻標志碼 A 文章編號 1001-1250(2020)-04-186-08 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202004029 Influence of Heat and Humidity Environment on Function of Human Body in High Temperature Mine 2 Nie Xingxin Wang Tingyu Sun Fenggang Wang Zhao ( School of Management,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China) Abstract Heat damage and treatment of high temperature in mine has become a recognized scientific and technological problem in the mining industry at home and abroad. Mine cooling technology has become the technical bottleneck and keys for normal safety production and enterprise development of high temperature mine. With the gradual increase of mining depth,the safety and occupational health of the workers were seriously threatened,especially the health of the miners under high temperature and high humidity. The study on the influence level of thermal and humid environment on function of human body can provide basis and reference for better regulating the thermal and humid environment in a high-temperature mine. Physical,psychological and behavioral measurements were performed on 50 miners (10 working groups) at five operating points in different middle sections of three high-temperature metal mines (the temperature ranges from 23~26 ℃,27~30 ℃, 3 1~34 ℃,35~38 ℃ and 39~42 ℃ respectively;the humidity ranges from 60%~70%,70%~80% and 80%~90% ;the wind speed was adjusted at 0.5 m/s,1.5 m/s and 2.5 m/s). Through measurement and data analysis,the variation trend of various functional parameters of human body in the hot and humid environment was obtained,and the conclusion was that the temper ature below 27 ℃,humidity of 60%~70% and wind speed at 0.5 m/s were the comfortable environment for miners. When the temperature exceeds 27 ℃ and the humidity exceeds 70%,it is necessary to take cooling and dehumidifying measures to im prove operating conditions underground. Keywords High temperature mine,Thermal and humid environment,Function of human body,Physical and psychologi cal and behavioral effect 由于高溫礦井的特殊環境,溫度往往會比較高, 體溫調節系統出現紊亂致使體溫和皮膚溫度升高, 汗腺分泌增加從而導致人體的水鹽代謝紊亂,機體 大量失水導致循環、消化、泌尿等神經系統出現紊亂 [1-2] 生產環境的溫度甚至常年超過 32 ℃ 。礦井的高 溫、高濕環境,會導致人體出現許多不良癥狀,比如 收稿日期 · 186 · 聶興信等:高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響 2020年第4期 甚至病變等。據礦井調查統計,長期工作在高溫高 濕環境條件下,人更容易患風濕病、皮膚病、皮膚癌 和人機工效學理論基礎,通過現場測量定量分析高 溫礦井熱濕環境對礦工生理、心理及行為的影響,為 刺激窩在線視頻免費視頻企業改善井下工人作業環境、降低礦工的職業 危害、提升工作效率等方面提供科學依據。 1 測定環境與裝置 [3-5] 和心臟病等職業疾病 ;诖,需要進行高溫礦 井熱濕環境對人體生理、心理及行為的影響研究。 [6] 孔嘉莉 通過人工環境艙模擬高溫高濕環境,測試受 試者在運動后的反應力和記憶力變化,結果表明兩 者在運動之初呈現小幅度上升趨勢,隨著運動時間 1. 1 研究對象 選取 3 個礦井(河南金渠銅礦、銅陵獅子山銅礦 和承德銅興刺激窩在線視頻有限責任淫蕩熟女)的 50 名井下工人為 研究對象(10 個作業小組,每組 5 人),平均年齡為 31.2歲,平均工齡為8.6 a。 [7] 的增長逐漸下降。張景鋼等 通過實驗研究了礦井 工人工作效率的變化規律,結果表明:在高溫高濕條 件下工作會使人的疲勞感加重、動作出錯機率明顯 [8] 增加。張超等 通過監測人員心率和主觀疲勞程度 指標,計算人員心血管負荷(CVL)和主觀疲勞程度, 找出高溫作業環境下人員生理、心理變化規律。上 述研究多基于實驗條件下的模擬分析,而高溫礦井 實際作業環境的溫濕度多處于動態變化過程中,與 實驗室環境還是有明顯出入,因此有必要深入井下 生產作業現場,研究高溫高濕環境下礦工生理、心理 及行為指標的變化規律,為井下作業人員的安全保 1. 2 環境測定 選取上述 3 個典型金屬礦井不同中段的 5 個作 業點,參數范圍為環境溫度 23~42 ℃、相對濕度 60%~ 90%、風速0.5~2.5 m/s。 1. 3 儀器設備 需測定的人體生理指標有核心溫度、皮膚溫度、 心率、血壓、出汗量和新陳代謝率。所需儀器設備如 表 1所示。圖 1和圖 2為測量核心溫度和皮膚溫度所 需儀器。 [9] 障提供理論依據和參考 。本研究基于人體熱交換 需測定的行為指標有反應力和臂力。反應力通 過游戲軟件進行測試,臂力通過記錄裝載 3 t 礦車 1 車次所需的時間進行測定。 1 . 4 研究方法 將受試者分為 10 組,每組 5 人,填寫個人信息 表,每組均在一定的環境下,測量工作 90 min 后的機 能指標,記錄生理和行為實測數據及填寫心理主觀 感覺調查表。測量的內容主要包括溫度、濕度和風 速的控制和測量,礦工在不同環境下的生理、心理及 需測定的人體心理指標有熱感覺、濕感覺和疲 勞度。測量方法為主觀判定法,如表2~表4所示。 · 187 · 總第526期 金 屬 礦 山 2020年第4期 環境與人體核心溫度、皮膚溫度、心率、血壓、出汗量 和新陳代謝率的關系圖,分析如下。 2 . 1. 1 核心溫度 人體核心溫度是判斷人體在熱濕環境中熱平衡 是否受到破壞的一個重要指標?梢酝ㄟ^核磁測溫 技術和直腸、耳蝸、食道、肺動脈等侵入式測溫進行 直接測量,也可通過單、雙通道熱量流動模型及人體 [10] 雙、多節點測量模型進行間接估算 。臨床上通常 采用直腸溫度作為核心溫度,但直腸溫度的測量需 要被測人員長時間地保持靜止狀態,在高溫礦井作 業過程中,無法對礦工進行直腸測量。人體中口腔 是最容易獲取體溫的部位,人體口腔的溫度比直腸 溫度低 0.4 ℃,可以通過測量口腔的溫度得到直腸溫 度。 圖 3 中,空氣濕度為 60%~70% 時,當礦工處于環 境溫度 23~30 ℃,核心溫度在 36~37.3 ℃之間,機體 可以通過出汗正常散熱;溫度為 31~38 ℃,風速大于 行為指標。選取礦井不同中段的 5個作業點(其溫度 范圍分別為 23~26 ℃、27~30 ℃、31~34 ℃、35~38 ℃、 1 .5 m/s,可將礦工的核心溫度降到正常范圍?諝鉂 3 8 9~42 ℃ ;濕 度 范 圍 分 別 為 60%~70%、70%~80%、 0%~90%;風速調控為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s)。 度為 70%~80%,溫度低于 30 ℃時,仍可提高風速降 低核心溫度?諝鉂穸葹 80%~90% 和 70%~80% 且 溫度達到 30 ℃以上和濕度為 60%~70% 且溫度超過 2 2 實測數據分析 . 1 人體生理指標實測數據分析 3 8 ℃時,人體核心溫度超過 38℃,必須停止工作。 選取所測 50 名礦工的數據進行分析,得出作業 2 . 1. 2 皮膚溫度 皮膚溫度會因為外界環境溫度的變化而產生的 常溫度,環境最惡劣時體溫達到38.4 ℃。 2. 1. 3 心 率 較大差異,不僅變化幅度大,而且各部位差異也很大。 心率易于測量,在高溫礦井熱濕環境中被當做重 要的研究指標。心率測量的方法一般是在一定時間 內對人體脈搏跳動次數的測定。圖 5中,心率隨環境 溫度的升高而加快,溫度從第3階段到第4階段,趨于 平緩,第 4 階段升到第 5 階段心率急劇增加。風速為 2.5 m/s,濕度為 60%~80% 且溫度低于 27 ℃時,心率 低于100 次/min,屬于正常范圍。風速為0.5 m/s,濕度 為 60%~80% 且溫度為 23~34℃之間;風速為 1.5 m/s, 溫度為 23~38℃之間;風速為 2.5 m/s 溫度為 27~38 ℃ 當人體處于高溫高濕環境下,皮膚的散熱會受到阻 [11] 礙,導致皮膚溫度的逐漸升高 。通過測量人體不同 部位的溫度,按相應部位的皮膚面積計算人體皮膚溫 度的平均值。圖 4 中,空氣濕度為 60%~70% 和 70%~ 9 3 0% 且環境溫度為 23~34℃時,人體平均溫度低于 7 ℃。溫度為 35~38 ℃時,皮膚溫度接近礦井溫度, 無法與環境正常換熱,風速大于 1.5 m/s,皮膚溫度降 到 37 ℃以下。溫度達到 39 ℃,皮膚溫度超過人體正 · 188 · 聶興信等:高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響 2020年第4期 之間,心率處于 100~140 次/min 之間,心率過速。當 溫度為 35~38 ℃時,心率達到 148 次/min,接近于人 體過速心率范圍的最大值,若繼續工作,人體生命受 到威脅。 2 . 1. 4 血 壓 人體在高溫礦井熱濕環境中作業時,保持穩定 正常的血壓是非常必要的。熱濕環境下的體力勞動 需要消耗能量,血液的運氧量增大,血管擴張,導致 人體血壓產生變化,當血壓變化波動幅度較大時,要 [12] 立即采取措施,脫離熱濕環境 。圖 6 與圖 7 所示為 人體的血壓情況。 圖 6 中,風速為 0.5 m/s、環境溫度為 23~26 ℃和 2 7~30 ℃且濕度為 60%~80% 時,風速為 1.5 m/s、環境 為39~42℃、風速為0.5 m/s和風速為1.5 m/s以上且濕 度為 80%~90% 時,收縮壓超過 140 mmHg,人體處于 高壓狀態。在環境溫度 31~34℃時最大值接近人體 臨界高壓范圍的最大值,可將35℃視為高壓臨界值。 圖 7 中,濕度為 60%~70%、風速大于 1.5 m/s 且溫 度為23~30 ℃和風速為2.5 m/s且溫度為31~34 ℃,濕 度為 70%~80%、風速大于 1.5 m/s 且溫度為 23~26 ℃ 和風速為 2.5 m/s 且溫度為 27~30 ℃,濕度為 80%~ 溫度為23~30 ℃和31~38 ℃且濕度為60%~80%時,風 速為 2.5 m/s、環境溫度為 23~34 ℃和 35~38℃且濕度 為 60%~80% 時,收縮壓低于 130 mmHg,屬于正常范 圍。當風速為 0.5 m/s、環境溫度為 31~34 ℃且濕度為 6 0%~80% 和溫度為 35~38 ℃且濕度為 60%~70%,風 速超過 1.5 m/s、環境溫度為 39~42 ℃且濕度為 60%~ 0%時,收縮壓介于130~140 mmHg之間,達到臨界高 血壓。環境溫度為35~38℃且濕度為80%~90%,溫度 8 · 189 · 總第526期 金 屬 礦 山 2020年第4期 9 0%、風速為 2.5 m/s 且溫度為 23~26 ℃時,舒張壓低 下,增加較快。 于 80 mmHg。當溫度為 23~30 ℃、風速為 0.5 m/s,溫 度為 31~34 ℃、風速小于 1.5 m/s,溫度為 35~38 ℃、風 速為 0.5 m/s 且濕度為 60%~80% 和風速大于 1.5 m/s, 溫度為 39~42 ℃、風速為 2.5 m/s 且濕度為 60%~70% 時,舒張壓介于 80~89 mmHg 之間,視為高血壓前期。 溫 度 為 35~38 ℃ 、風 速 為 0.5 m /s 且 濕 度 為 80%~ 2. 1. 5 出汗量 出汗是人體向外界散熱的重要途徑。出汗量的 測定方法有裸體體重差法、著裝體重差法和紗布增重 [13] 法 。體重差法對實驗儀器要求較高,誤差過大,不 適宜在高溫礦井下進行測量?梢圆捎眉啿荚鲋胤 對人體各個部位進行測量,結合加權系數法得到人體 的出汗量。如圖8所示,23~34 ℃之間,濕度和風速對 人體出汗量的影響較小,出汗量低于 800g,對人體沒 有影響。當溫度達到 35 ℃及以上,出汗量急劇增加, 出現明顯的失水癥狀,且濕度從 70%~80% 上升到 80%~90%時,身上大面積排汗,出汗量達到1.5倍。 9 2 0%,溫度為 39~42 ℃、風速小于 1.5 m/s 和風速為 .5 m/s 且濕度大于 70% 時,舒張壓高于 90 mmHg。 舒張壓在 35~38 ℃時最大值已經達到 91 mmHg,超 過人體舒張壓正常范圍的最大值,且溫度從第 4 階 段到第 5 階段,舒張壓急劇增加,濕度處于 70%~80% 2 2 . 1. 6 新陳代謝率 積,m ;RQ 為呼吸熵,單位時間內呼出的二氧化碳和 新陳代謝率 M 是影響人體熱舒適的主要因素之 吸入氧氣摩爾比;VO2 為單位時間內消耗的氧氣體積, 一。作業環境的溫度和濕度對新陳代謝有重要的影 L/h。 [ 14] 響 。溫度升高,代謝量也會增加。新陳代謝率通 圖 9 所示,風速的增加對新陳代謝率的影響較 過呼吸熵和耗氧量來體現。計算公式如下: 小。濕度為 60%~80% 且溫度在 38 ℃以下時,新陳代 VO2 AD 式中,mb 為體重,kg;H 為身高,m;AD 為, 人體皮膚表面 2 謝率基本穩定,保持在 144~202 W/m 。溫度超過 M = ( 0.23RQ + 0.77 ) × 5.88 × , (1) (2) 3 8℃時,新陳代謝率急劇增加,濕度越大,增速越明 0 .425 0.725 H A = 0.202m D b 顯,單位時間內消耗的氧氣體積增多,呼吸沉重? 體上濕度介于60%~70%之間,人體的代謝指標正常。 · 190 · 聶興信等:高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響 2020年第4期 2 2 . 2 人體心理指標實測數據分析 人體心理指標為熱感覺、濕感覺和疲勞程度。 到 2.5,隨著溫度的升高,人體熱感覺增加明顯,超過 35 ℃時,人體逐漸出現恍惚、神經麻痹等狀態,分值 趨于 4 以上。圖 11 中,濕度為 60%~70%,風速為 0.5 m/s 且溫度低于 30 ℃和風速超過 1.5 m/s 且溫度低于 34 ℃時,濕感覺分值接近 2。濕度大于 70%,溫度越 高,人體排汗量越大,濕感覺較明顯。風速對熱感覺 與濕感覺的影響較小,空氣流通性差,礦工處于熱濕 環境中,環境越惡劣,熱濕感覺越明顯。 . 2. 1 熱感覺與濕感覺 熱感覺與濕感覺無法直接測量,是人體對周圍 環境的主觀評價。礦工通過對自己感覺打分的方 式,定量分析獲得人體心理狀態的變化規律。圖 10 中,溫度低于 27 ℃,濕度為 60%~70% 時,人體熱感覺 最舒適。溫度在 31~34 ℃時,礦工熱感覺分值最低達 2 . 2. 2 疲勞度 疲勞是主觀意識上的一種疲乏勞累的感覺。疲 勞的測定方法有疲勞癥狀問卷調查法、兩點閾法、分 度下,溫度從第 3 階段到第 5 階段,出現的疲勞癥狀 越來越多,可以認為35 ℃為停止工作的臨界值。 2. 3 人體行為指標實測數據分析 [11] 析腦電圖、精神測驗法、測定閃頻值法 。由于高溫 礦井的作業環境,可以采用問卷調查法獲得礦工的 疲勞程度。將疲勞癥狀分為 30種,為了方便分析,每 種癥狀分值為 1,取 50名礦工在不同環境下的得分平 均值。圖 12 中,可以發現疲勞癥狀的增多與溫度和 濕度的升高呈規律性,與風速關系不明顯。溫度為 人體行為指標分腦力和體力,分別通過反應力 和臂力來體現。 反應時間是人體接受外界刺激,引起行為反應 所需的時間。通過測量礦工的反應時間,可以分析 [15] 在熱濕環境下,礦工的腦力狀態 。采用軟件測試 的方法測量礦工的反應力,當電腦屏幕上的紅色圓 變為黃色時,摁下結束鍵的時間作為反應時間,如圖 13 所示。臂力通過記錄裝載 3 t礦車 1 車次所需的時 間進行測定。 2 3~26 ℃且濕度為 60%~70% 時,疲勞度得分低于 6, 還未感到疲勞。溫度低于 26 ℃且濕度為 70%~80% 和溫度為 27~30 ℃且濕度為 60%~80% 時,疲勞度分 值介于 6~12 之間,礦工感到疲勞但可繼續勞動。溫 度在 35 ℃以下,疲勞度分值低于 18,感到疲勞仍可 以堅持,并且濕度越大,疲勞反應癥狀越多。相同濕 2. 3. 1 反應力 圖 14中,礦工的反應能力呈現規律性波動,作業 環境的惡劣導致反應能力出現不同程度的下降,反 · 191 · 總第526期 金 屬 礦 山 2020年第4期 應能力下降的幅度與環境溫度和濕度的升高成正 比。相較于 23~30 ℃的反應時間的變化來說,31~ 4 2 ℃的反應時間變化趨于平穩。同一濕度和風速 下,溫度在第 5 階段比第 1 階段時,反應時間延長了 .9 s 以上。風速和濕度對反應能力的影響較小,礦 工的反應時間在 2~4 s之間,最長達到3.8 s。 . 3. 2 臂力是指臂部肌肉收縮緊繃產生的力量。當作 0 2 臂 力 人體的體力隨溫度和濕度的增加呈下降趨勢,裝載 3 t 礦車 1 車次所需要的時間越來越長,尤其是溫度達 到 35℃,體力消耗過大。礦工裝載 1車礦石消耗的時 間在19~43 s之間波動。 業環境溫度過高時,肌肉細胞中水分減少及電解質 平衡的破壞都會影響肌肉的收縮能力及新陳代謝的 [16] 能力,影響胳膊的操縱行為與體力行為 。圖 15中, 3 結 論 標的升高成正比,風速的增加與各指標的升高成反 比。心率和血壓受溫度的影響較為明顯,出汗量受 溫度和濕度的影響較大,新陳代謝率的變化趨勢與 人體核心溫度和皮膚溫度變化趨勢接近。 (1)根據現場測量不同環境溫度濕度及風速的情 況下,礦工的核心溫度、皮膚溫度、心率、血壓、出汗量、 新陳代謝率、熱感覺、濕感覺、主觀疲勞度、反應能力和 臂力等指標,獲得各指標在不同環境下的變化規律。 (3)心理指標方面,熱感覺受環境溫度影響,濕 感覺受濕度影響,環境越惡劣,熱濕感覺越明顯。疲 (2)生理指標方面,環境溫度濕度的上升與各指 · 192 · 聶興信等:高溫礦井熱濕環境對人體機能的影響 2020年第4期 疲勞水平試驗研究[J].安全與環境學報,2015,15(4):176-180. 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