深井開采個體防護(hù)降溫服試驗(yàn)研究

王春光

摘要：個體防護(hù)是深井開采研究的重要技術(shù)之一。通過對個體防護(hù)原理、冷卻介質(zhì)、相變材料、PCM降溫服吸熱機(jī)制的系統(tǒng)分析，研發(fā)了深井開采個體防護(hù)降溫服，并開展了實(shí)用性試驗(yàn)研究。結(jié)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(xù)時間最佳。

關(guān)鍵詞：深井開采;個體防護(hù);降溫服;相變材料;溫度

引 言

高溫?zé)岷σ恢笔抢_中國深井礦山開采的重要因素之一[1]。招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦（下稱“夏甸金礦”）井下開采深度已達(dá)到1 000多m，屬于典型的深井礦山。近年來，為解決高溫?zé)岷ο牡榻鸬V深部開采的制約，礦山聯(lián)合科研單位重點(diǎn)研究了礦井降溫中的個體防護(hù)技術(shù)[2]。個體防護(hù)技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)個體保護(hù)。在井下某些氣候條件比較惡劣的作業(yè)地點(diǎn)，不宜采取機(jī)械制冷等其他降溫手段時，可給井下作業(yè)人員配備個體防護(hù)裝備[3]。個體防護(hù)裝備的作用是防止井下環(huán)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(chǎn)生的熱量傳遞給防護(hù)裝備中的冷卻介質(zhì)，維持機(jī)體內(nèi)部的熱平衡[4]。

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

1 個體防護(hù)技術(shù)

1.1 個體防護(hù)原理

個體防護(hù)原理是在高溫環(huán)境下，作業(yè)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(qū)[8]（見圖1），與周圍的高溫環(huán)境隔離開。在微氣候區(qū)內(nèi)，依靠直接或間接提供的冷量，吸收人體新陳代謝和勞動產(chǎn)生的熱量，從而維持人體的熱平衡。

1.2 冷卻介質(zhì)

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

根據(jù)使用情況，以冰作為冷卻介質(zhì)的降溫服效果較好，同時質(zhì)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(zhì)，進(jìn)而開展進(jìn)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(zhì)：①較高的相變潛熱，單位質(zhì)量或單位體積的相變潛熱都足夠大;②低碳環(huán)保，環(huán)境溫度低于相變溫度時可自動凝固，節(jié)能減排;③合適的相變溫度;④化學(xué)和物理性能穩(wěn)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(xiàn)象少;⑥適宜的熱傳導(dǎo)系數(shù)，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(jī)制

PCM降溫服吸熱是依靠相變材料的熔點(diǎn)溫度與外界環(huán)境溫度的高低差實(shí)現(xiàn)的。通過熱傳遞的能量轉(zhuǎn)移模式，使處于高溫環(huán)境中小范圍內(nèi)的空氣能量轉(zhuǎn)移到低熔點(diǎn)相變材料中，宏觀體現(xiàn)為相變材料吸熱融化為液體，周圍環(huán)境熱量被吸收，環(huán)境溫度降低，從而達(dá)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(yīng)、工作方式、冷卻能力、持續(xù)時間及穿著舒適度等問題。由于井下空間有限，作業(yè)人員要進(jìn)行頻繁的生產(chǎn)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(yè)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(yīng)產(chǎn)生有毒、有害及易燃易爆的物質(zhì)。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(shí)用性試驗(yàn)

2.1 設(shè)備及材料

紅外耳式體溫計、Smartex智能可穿戴生理監(jiān)測服、風(fēng)速風(fēng)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(cè)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(guān)參數(shù)見表2。

2.2 試驗(yàn)方法

將降溫服應(yīng)用于井下作業(yè)人員，通過高溫、高濕的作業(yè)環(huán)境驗(yàn)證降溫服的吸熱降溫性能[11]。

受試者選用鏟運(yùn)機(jī)和臺車2組不同工種的井下作業(yè)人員，每組5人。經(jīng)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(jìn)行分組試驗(yàn)，選定的4個工作面工作環(huán)境溫差在3 ℃左右，濕度均為100 %，在2 d內(nèi)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(fā)量、作業(yè)效率等參數(shù)[12]，分析適合井下作業(yè)并能達(dá)到最佳降溫效果的最佳相變溫度的降溫服[13]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)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(shù)，來評價降溫服實(shí)際的熱調(diào)節(jié)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(jìn)行測量，結(jié)果見表3。

由表3可知：當(dāng)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(huán)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(huán)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(xù)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(huán)境溫度相差較小，吸熱能力較弱，但其降溫效果持續(xù)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(xù)時間在可接受范圍內(nèi)。

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(quán)平均值[14]獲得，每個部位的權(quán)重與該部位的表面積占整個人體表面積的比例有關(guān)。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(dāng)受試者不穿降溫服時的皮膚平均溫度較高，并隨著環(huán)境溫度的升高而不斷升高。當(dāng)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(xù)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(yīng)激程度。Moran等學(xué)者在1998年定義了一個PSI指標(biāo)來表征高溫下人體熱應(yīng)激[11]。該指標(biāo)以心率和核心溫度來量化，其公式為：

PSI指標(biāo)對應(yīng)的熱應(yīng)激見表5。0級表示無熱應(yīng)激，10級表示強(qiáng)烈的熱應(yīng)激。經(jīng)計算，受試者的PSI指標(biāo)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(yīng)激。當(dāng)相變溫度為16 ℃時，人體熱應(yīng)激較低，但其持續(xù)能力較低，4 h時基本失去降溫效果;當(dāng)相變溫度為24 ℃時，與環(huán)境溫度相差較小，人體熱應(yīng)激較高;當(dāng)相變溫度為20 ℃時，其降溫效果與持續(xù)能力可以達(dá)到一個平衡點(diǎn)，效果較理想。

2.3.4 工作效率

從工作效果上看，受試者作業(yè)效率明顯提高。在同樣作業(yè)環(huán)境下，鏟運(yùn)機(jī)工在相同作業(yè)時間內(nèi)的鏟運(yùn)量明顯增加，約增加一個工作面的作業(yè)量，即增加礦量80～100 t;每班有效作業(yè)時長增加約45 min。臺車工工作效率同樣提高，在無其他參數(shù)（除去設(shè)備本身、供風(fēng)、供水等）影響下，1臺臺車每班約增加一個工作面的作業(yè)量;每班作業(yè)時長增加1 h以上，大幅度提高了臺車單班作業(yè)效率與設(shè)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(jié) 語

降溫服作為井下高溫環(huán)境個體防護(hù)裝備具有實(shí)際作用，有益于作業(yè)人員作業(yè)效率和身心健康;不同環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)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(yè)環(huán)境，過高的溫差嚴(yán)重制約降溫服作業(yè)時長。降溫服能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定可靠作業(yè)，對直接暴露在高溫環(huán)境下的作業(yè)人員起到降溫防護(hù)的作用。通過對機(jī)體降溫，使得人體體感溫度降低3 ℃～5 ℃，提高了作業(yè)人員作業(yè)效率及單班作業(yè)量與作業(yè)時長，提升了鏟運(yùn)機(jī)和臺車等設(shè)備的利用率，對井下采場循環(huán)周期、生產(chǎn)接續(xù)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(jù)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(zhì)量等多方面進(jìn)行不斷優(yōu)化。

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