高溫高濕環(huán)境下風(fēng)速對(duì)礦工安全工作極限時(shí)間的影響

王建國(guó)，蓋金夢(mèng)，王經(jīng)偉

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，礦井圍巖、井下水、機(jī)械設(shè)備等熱源散發(fā)的熱量使得井下環(huán)境溫度升高，空氣濕度加大，逐漸形成高溫高濕惡劣環(huán)境[1-3]。工人長(zhǎng)期在這樣的環(huán)境中工作，不僅會(huì)對(duì)身體健康產(chǎn)生危害，還會(huì)影響其工作狀態(tài)和生產(chǎn)效率，甚至可能引發(fā)生產(chǎn)安全事故[4-5]。風(fēng)速是影響礦井環(huán)境條件與礦工勞動(dòng)效率的主要因素之一，合理的風(fēng)速可以明顯的改變?nèi)梭w散熱效果，進(jìn)而影響礦工熱感覺(jué)和安全工作極限時(shí)間值[6-9]。聶興信[10]等選取高溫金屬礦井不同中段的5 個(gè)作業(yè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析得到熱濕環(huán)境下人體各機(jī)能參數(shù)的變化趨勢(shì)，得到了礦工作業(yè)環(huán)境的舒適范圍。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者對(duì)礦工熱生理參數(shù)、熱應(yīng)激現(xiàn)象、作業(yè)環(huán)境舒適范圍等進(jìn)行了研究，但鮮見(jiàn)考慮風(fēng)速對(duì)于礦工作業(yè)生理極限以及安全工作極限時(shí)間的影響研究。鑒于此，通過(guò)模擬礦工在濕熱環(huán)境下作業(yè)，研究風(fēng)速對(duì)礦工安全工作極限時(shí)間的影響規(guī)律，以期為高溫高濕礦井制定科學(xué)合理的礦工工作計(jì)劃，提高礦工勞動(dòng)效率和保障礦工職業(yè)安全健康提供有效的理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為西安科技大學(xué)人工微氣候?qū)嶒?yàn)室，實(shí)驗(yàn)中所需的環(huán)境參數(shù)均可進(jìn)行精密控制，其中可調(diào)控的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍為0.1～5 m/s，溫度范圍為-10～60 ℃，濕度范圍為20%～100%，整個(gè)室內(nèi)氣流均勻。

1）實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置。實(shí)驗(yàn)變量包括風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度3 個(gè)因素。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于掘進(jìn)工作面巖巷、半煤巖巷及煤巷風(fēng)速的規(guī)定，以及關(guān)于采掘工作面、機(jī)電設(shè)備硐室空氣溫度的規(guī)定，設(shè)置4組風(fēng)速為：靜風(fēng)（風(fēng)速＜0.2 m/s）、低速風(fēng)（1 m/s）、中速風(fēng)（2.5 m/s）、高速風(fēng)（4 m/s）；3 組溫度為：26、30、34 ℃；2 組相對(duì)濕度為：70%、90%。將上述變量進(jìn)行組合，共得到24 種環(huán)境工況。

2）勞動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置。勞動(dòng)強(qiáng)度根據(jù)平均耗能值大小可分為輕級(jí)、中等、重和很重4 種。我國(guó)井下的礦工工種較多，體力消耗值大小跨度較大，因此本實(shí)驗(yàn)假設(shè)礦工為中等勞動(dòng)強(qiáng)度的體力消耗，并在跑步機(jī)上以3.5 km/h 的速度運(yùn)動(dòng)代替實(shí)現(xiàn)。受試人員統(tǒng)一穿著煤礦工作服，服裝熱阻約為0.125（m2·K）/W。

3）生理參數(shù)選擇及其測(cè)試方法。采用型號(hào)為Equivital-02 的動(dòng)態(tài)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生理儀實(shí)時(shí)記錄心率值，具體值取測(cè)試時(shí)間點(diǎn)附近2 min 內(nèi)的波形穩(wěn)定段平均值；利用直腸溫度計(jì)測(cè)量人體核心溫度值。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及流程

依據(jù)我國(guó)礦工整體構(gòu)成比例，共選取出5 名不同年齡段的具有井下作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的礦工作為受試人員，要求無(wú)高血壓、心臟病等疾病史，無(wú)長(zhǎng)期酗酒、抽煙等不良生活習(xí)慣。同時(shí)告知受試人員實(shí)驗(yàn)大致流程及相關(guān)要求，避免發(fā)生飲酒、熬夜等影響生理狀態(tài)的臨時(shí)活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置調(diào)整艙內(nèi)的風(fēng)速、溫度、濕度等相關(guān)模擬環(huán)境指標(biāo)，查看實(shí)驗(yàn)儀器的工作狀態(tài)。受試人員靜坐調(diào)整20 min 后更換著裝，并配合實(shí)驗(yàn)人員在其身體相應(yīng)處布置檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始的時(shí)刻記為實(shí)驗(yàn)的0 min 時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)人員測(cè)量受試人員初始狀態(tài)，作好記錄。然后，受試人員開(kāi)始模擬規(guī)定勞動(dòng)強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)，每隔10 min 測(cè)量1 次相關(guān)生理指標(biāo)。

1.3 實(shí)驗(yàn)終止條件

生理安全極限是指判斷人體能否繼續(xù)勞動(dòng)的一系列生理指標(biāo)臨界值，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值時(shí)，礦工身心健康就有可能受到潛在影響，此時(shí)勞動(dòng)應(yīng)該終止。實(shí)驗(yàn)的終止條件選用美國(guó)工業(yè)安全會(huì)議（ACGIH）所定義的生理臨界值，即人體在礦井熱環(huán)境工作時(shí)，將心率和核心溫度到達(dá)生理臨界值的時(shí)間作為安全工作極限時(shí)間。評(píng)價(jià)指標(biāo)：心率＞180 次/min，核心溫度＞38.5 ℃，受試人員出現(xiàn)頭暈、眼花，抱怨并請(qǐng)求暫停時(shí)，實(shí)驗(yàn)終止。因受試人員在120 min 內(nèi)出現(xiàn)表中所述反應(yīng)，故實(shí)驗(yàn)最大時(shí)長(zhǎng)為120 min。

2 礦工安全工作極限時(shí)間的確定

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考慮到生理指標(biāo)采用分時(shí)段測(cè)量法，其測(cè)量前可能已經(jīng)超過(guò)生理上限推薦值，故應(yīng)用插值法計(jì)算此類情況下的礦工安全工作極限時(shí)間。式（1）和式（2）分別為基于心率值和核心溫度值的插值法計(jì)算安全工作極限時(shí)間公式：

式中：T2、T2′分別為心率、核心溫度達(dá)到安全上限推薦值的測(cè)量時(shí)間，min；T1、T1′分別為T2、T2′前1次的測(cè)量時(shí)間，min；HR1、HR2分別為T1′、T2′時(shí)刻測(cè)量的心率值，次/min；Tsafe1、Tsafe2分別為以心率、核心溫度上限為標(biāo)準(zhǔn)得到的安全工作極限時(shí)間，min；CT1、CT2分別為T1、T2時(shí)刻測(cè)量的核心溫度值，℃。

根據(jù)上述公式，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到5 名受試人員在24 種工況條件下的安全工作極限時(shí)間，礦工安全工作極限時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 礦工安全工作極限時(shí)間Table 1 Miners’safe working limit time

3 風(fēng)速對(duì)安全工作極限時(shí)間的影響程度分析

3.1 Cox 回歸分析

根據(jù)5 位受試人員在各工況下的安全工作極限時(shí)間值，利用Cox 回歸分析法研究風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度3 個(gè)因素對(duì)安全工作極限時(shí)間的影響程度及規(guī)律，Cox 回歸分析結(jié)果見(jiàn)表2。表中B 為各協(xié)變量的回歸系數(shù)；SE 為回歸分析的標(biāo)準(zhǔn)誤差；Wald 為Wald統(tǒng)計(jì)量；Exp（B）為排除了其他協(xié)變量影響后某特定協(xié)變量導(dǎo)致的危險(xiǎn)度。

表2 Cox 回歸分析結(jié)果Table 2 Cox regression analysis results

B 的絕對(duì)值與該協(xié)變量對(duì)生存時(shí)間的影響程度呈正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度均對(duì)生存時(shí)間有顯著影響，其中風(fēng)速為保護(hù)因素，溫度和相對(duì)濕度為危險(xiǎn)因素。根據(jù)各協(xié)變量B 值的絕對(duì)值大小可知，各因素對(duì)安全工作極限時(shí)間的影響程度順序?yàn)椋簻囟龋撅L(fēng)速＞相對(duì)濕度。風(fēng)速的Exp（B）為0.816，表明在調(diào)整其余協(xié)變量后，風(fēng)速每增加1 m/s，危險(xiǎn)率將減少18.4%；溫度的Exp（B）為1.68，表明在調(diào)整其余協(xié)變量后，溫度每增加1 ℃，危險(xiǎn)率將增加68%；相對(duì)濕度的Exp（B）為1.047，表明在調(diào)整其余協(xié)變量后，相對(duì)濕度每增加1%，危險(xiǎn)率將增加4.7%。

3.2 生存函數(shù)分析

生存函數(shù)是一個(gè)概率函數(shù)，生存函數(shù)分析圖則是以生存函數(shù)為縱坐標(biāo)，生存時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制的曲線圖，它可以直觀地反映對(duì)象生存發(fā)展的規(guī)律情況。將風(fēng)速這一協(xié)變量進(jìn)行分類化處理，得到的受試人員在4 種風(fēng)速下的生存函數(shù)分析如圖1。

圖1 不同風(fēng)速類型的生存函數(shù)分析Fig.1 Survival function analysis of different wind velocity types

前20 min 內(nèi)，受試人員的生存率保持在100%不變，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)受試人員始終處于安全狀態(tài)，風(fēng)速變化對(duì)其生存率影響幾乎為零。20 min 過(guò)后，生存率開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)最大時(shí)長(zhǎng)為120 min，所以生存率在120 min 時(shí)出現(xiàn)斷崖式跌落，跌落至0。4 種風(fēng)速類型中，生存率下降速率由大到小分別為：靜風(fēng)＞低速風(fēng)＞中速風(fēng)＞高速風(fēng)，其中低速風(fēng)條件下的下降速率顯著大于靜風(fēng)條件，中速風(fēng)和高速風(fēng)條件下的下降速率又顯著大于低速風(fēng)條件，中速風(fēng)和高速風(fēng)條件下的生存率下降速率差異較小，結(jié)果基本吻合，這說(shuō)明風(fēng)速對(duì)于礦工安全工作極限時(shí)間是有一定影響的，提高風(fēng)速可有效提高安全工作極限時(shí)間值，但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s 時(shí)，風(fēng)速對(duì)其作用效果則減弱，產(chǎn)生的影響也微乎其微。

3.3 安全工作極限時(shí)間推薦值

在綜合考慮風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度的基礎(chǔ)上，將5 名受試人員在各工況下的安全工作極限時(shí)間取平均值，并給出關(guān)于風(fēng)致效應(yīng)、溫致效應(yīng)和濕致效應(yīng)三者耦合作用下的安全工作極限時(shí)間推薦值見(jiàn)表3。

表3 安全工作極限時(shí)間推薦值Table 3 Recommended values of safe working limit time

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)速對(duì)于礦工安全工作極限時(shí)間的影響程度大于相對(duì)濕度而小于溫度。4 種風(fēng)速類型中，生存率下降速率由大到小分別為：靜風(fēng)（＜0.2 m/s）＞低速風(fēng)（1 m/s）＞中速風(fēng)（2.5 m/s）＞高速風(fēng)（4 m/s），增大風(fēng)速可有效提高安全工作極限時(shí)間值，但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s 時(shí)，作用效果不明顯。通過(guò)計(jì)算安全工作極限時(shí)間，給出了關(guān)于風(fēng)致效應(yīng)、溫致效應(yīng)和濕致效應(yīng)三者耦合作用下的安全工作極限時(shí)間推薦值。