淮北礦區(qū)熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)研發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

◎文/張奮奮 梁國治 馬馳 李衛(wèi)龍 張燦明

（安徽省煤炭科學(xué)研究院礦井火災(zāi)熱害研究中心）

礦井熱害是指井下風(fēng)流的溫度、濕度、風(fēng)速和焓值達(dá)到一定狀態(tài)后，人體散熱困難、感到悶熱、勞動(dòng)生產(chǎn)率下降，進(jìn)而出現(xiàn)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(zāi)害?；幢钡V區(qū)地處華東腹地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然開采條件差，受各類災(zāi)害威脅嚴(yán)重。特別是淮北礦區(qū)開采歷史較長，部分礦井已進(jìn)入中后期開采階段，隨著開采范圍擴(kuò)大和開采深度的增加，礦井熱害災(zāi)害日益加重。為保障煤礦安全高效生產(chǎn)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(chǎn)安全和勞動(dòng)保護(hù)問題。

一、淮北礦區(qū)熱害分析

淮北礦區(qū)屬季風(fēng)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(zhì)條件影響，地溫梯度整體呈現(xiàn)東高西低、北高南低的態(tài)勢(shì)?；幢钡V區(qū)渦北礦建井期間實(shí)測(cè)-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(jì)算地溫梯度2.75℃/hm。據(jù)此計(jì)算-640m原始地溫34.74℃。依據(jù)淮北礦區(qū)原劉店礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及地溫梯度變化，計(jì)算地溫梯度為2.35℃/hm，預(yù)計(jì)在-510m以下開始進(jìn)入一級(jí)熱害區(qū)。

淮北礦區(qū)礦井熱害主要由地面大氣層的熱環(huán)境、井下地溫環(huán)境、礦井生產(chǎn)引發(fā)的各種熱源構(gòu)成。以渦北礦為例，礦井生產(chǎn)引發(fā)的主要熱源一是機(jī)電設(shè)備散熱，由于礦井為生產(chǎn)高度集中的現(xiàn)代化大型礦井，設(shè)備選型大型化，采煤工作面裝機(jī)容量達(dá)1960kW，主運(yùn)輸順槽裝機(jī)容量達(dá)到1172kW，機(jī)電設(shè)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(jìn)風(fēng)線路較長，礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)，工作面進(jìn)風(fēng)長度達(dá)3300m，其中煤層順槽長度800m左右，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量熱量[1]。

二、淮北礦區(qū)熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)

熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)研發(fā)是在國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，以人體工效學(xué)、防護(hù)服裝功能學(xué)、生理學(xué)、材料學(xué)為指導(dǎo)，解決熱害礦井個(gè)體防護(hù)裝備的研究應(yīng)用等關(guān)鍵問題。研發(fā)的淮北礦區(qū)熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)及性能

礦用降溫服（見圖1）的胸前部和背部均設(shè)有2個(gè)口袋，每個(gè)口袋的尺寸為23.5cm×18cm，每個(gè)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(jié)構(gòu)，即緊袖口、緊下擺、緊領(lǐng)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(fā)現(xiàn)其他職工的工作位置，在礦用降溫服前、后及袖子處均布設(shè)自發(fā)光警示牌。在礦井環(huán)境溫度30～35℃條件下，礦用降溫服可持續(xù)降溫3～4h。

圖1 礦用降溫服及降溫安全帽

2.降溫安全帽結(jié)構(gòu)及性能

降溫安全帽（見圖1）內(nèi)裝有十字口袋，十字口袋由4個(gè)口袋組成，每個(gè)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(huán)境溫度30～35℃條件下，礦用降溫帽可持續(xù)降溫2h。

3.降溫圍巾結(jié)構(gòu)及性能

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

4.保溫箱

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

5.地面制冷冰柜

系統(tǒng)采用的地面制冷冰柜由杭州安琪爾制冷設(shè)備有限公司制造。冰柜總有效容積1380L，型號(hào)BD/BC-1380，發(fā)泡劑R141b，可以進(jìn)行冷藏強(qiáng)弱和冷凍1～5檔、強(qiáng)冷旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，能滿足個(gè)體防護(hù)裝備中蓄冷劑的冷凍需求。

三、淮北礦區(qū)熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用地點(diǎn)選擇

為完善熱害礦井個(gè)體防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，掌握不同人群、不同工種及不同工作環(huán)境下的實(shí)際降溫效果及舒適性，選擇在淮北礦區(qū)渦北礦及原劉店礦進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

依據(jù)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(jí)高溫區(qū)出現(xiàn)在-470m及-510m以下，兩礦在生產(chǎn)過程均出現(xiàn)個(gè)別地區(qū)溫度較高的現(xiàn)象。依據(jù)高溫地區(qū)的調(diào)查結(jié)果和礦方討論意見，渦北礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用地點(diǎn)選擇在北翼變電所、北翼瓦斯抽采泵站、北翼強(qiáng)力皮帶機(jī)及中央變電所等溫度較高地點(diǎn)；原劉店礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用地點(diǎn)為1018掘井機(jī)巷、1018風(fēng)巷、766膠帶、101變電所、106變電所、76回風(fēng)巷等處。初步擬定，總試驗(yàn)人次不小于50人次，試驗(yàn)時(shí)間包括各個(gè)主要工種及班次，并重點(diǎn)加大高溫度地點(diǎn)的試驗(yàn)力度。

2.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前，按照自愿原則，對(duì)不同工作地點(diǎn)、不同工種、不同班次的工作人員進(jìn)行甄別，對(duì)入選人員進(jìn)行了體檢及著裝培訓(xùn)。通過體檢和培訓(xùn)的人員進(jìn)行了井下著裝試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)受試人員按照正常工作秩序工作，每個(gè)受試者均跟蹤監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)反饋意見。

渦北礦及劉店礦選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)溫度較高、濕度較大、風(fēng)速較低。其中，硐室及皮帶機(jī)巷的風(fēng)速低于0.5m/s，掘進(jìn)工作面風(fēng)速0.5～0.7m/s，采煤工作面風(fēng)速低于1.7m/s。在高溫、高濕、低風(fēng)速環(huán)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(huán)境下愿意穿著個(gè)體防護(hù)裝備。

在著裝試驗(yàn)過程中，渦北礦重點(diǎn)在皮帶機(jī)巷、機(jī)電硐室及抽采泵站，而原劉店礦試驗(yàn)地點(diǎn)著重于采掘工作面。綜合兩礦試驗(yàn)結(jié)果，渦北礦北翼強(qiáng)力皮帶機(jī)、北翼變電所及劉店礦1018風(fēng)巷、766掘進(jìn)、766回風(fēng)巷、101變電所、106變電所平均溫度較高，所有參與試驗(yàn)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(hù)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(hù)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(jìn)和采煤工作面粉塵相對(duì)較大，在一定程度上影響了個(gè)體防護(hù)裝備的舒適感；另一方面，采掘工作面勞動(dòng)強(qiáng)度大，排汗量大，加上蓄冷劑結(jié)晶水的影響，個(gè)體防護(hù)裝備容易出現(xiàn)潮濕等現(xiàn)象，讓人產(chǎn)生不適感。

綜上所述，被測(cè)人員普遍認(rèn)為礦用個(gè)體降溫防護(hù)裝備具有良好的降溫效果和熱舒適感覺，大多數(shù)受試者穿上降溫防護(hù)裝備后，個(gè)人工作情況明顯改善。同時(shí)，礦用降溫防護(hù)裝備具有使用方便、效果明顯、工作可靠及靈活性好等特點(diǎn)。本次試驗(yàn)是試驗(yàn)人員穿著個(gè)體防護(hù)裝備分別進(jìn)入預(yù)定高溫場(chǎng)所工作，有專人記錄其測(cè)試結(jié)果，有極少數(shù)受試人員的熱舒適性存在差異。

3.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)理分析

圖2 不同條件下試驗(yàn)人員鉀離子含量變化

對(duì)試驗(yàn)人員在各種條件下的鉀離子含量的變化進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見圖2。從中可以看出，試驗(yàn)人員在正常未工作條件下，鉀離子含量為4.13～4.25mmol/L；試驗(yàn)人員完成工作面工作后，未穿著個(gè)體防護(hù)裝備試驗(yàn)人員的鉀離子含量有大幅度降低，而穿著個(gè)體防護(hù)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(gè)體防護(hù)裝備試驗(yàn)人員的下降幅度。這是因?yàn)槲创┲鴤€(gè)體防護(hù)裝備試驗(yàn)人員比穿著個(gè)體防護(hù)裝備試驗(yàn)人員工作時(shí)出汗量大，人體的鉀離子會(huì)隨汗液大量流失，而穿著個(gè)體防護(hù)裝備能夠減少人體在高溫環(huán)境下的出汗量，體內(nèi)代謝減緩，阻止了鉀離子的快速流失。因此，穿著個(gè)體防護(hù)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(duì)煤礦職工的身體健康起到一定的保護(hù)作用[2,3]。