熱害礦井個體御熱裝備設(shè)計優(yōu)化與性能研究

孫其飛 滕杰田 蘇學(xué)凱 王陽 李灑灑

摘要：針對地下礦山作業(yè)地點高溫高濕問題，提出應(yīng)用個體御熱裝備的解決方案。研發(fā)了兩款采用相變材料的個體御熱裝備，采用5類主觀評價量表對測試人員的熱舒適性、觸覺舒適性、服裝舒適性、織物手感和可用性進行性能評價。結(jié)果表明：①兩款御熱裝備都得到測試人員較好的熱舒適性評價，但隨著時間推移，受人體汗液蒸發(fā)影響，兩款御熱裝備都變得較為潮濕，在除濕性能上仍有待提高；②在測試末段，橫插式御熱裝備在可用性指標上得到較好評價，而豎插式御熱裝備僅得到略微可用的評價，測試人員負面感受來自相變材料的融化下墜感；③整體來看，測試人員更偏向相變材料采用橫插式的御熱裝備，說明對背心式御熱裝備的優(yōu)化研究取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：高溫熱害；個體防護；御熱裝備；相變材料；熱舒適性

中圖分類號：TD793文章編號：1001-1277（2024）04-0086-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240417

引 言

隨著中國礦山開采機械化、自動化水平的提高，采掘深度逐漸加深。據(jù)統(tǒng)計，中國礦井每年以8～12 m的進度向地表以下延伸，中東部礦井甚至達到10～25 m，開采深度超過1 000 m的礦井已占國內(nèi)礦井總數(shù)的一半以上［1］。因此，原巖溫度超過40℃已成為常態(tài)，再加上機械設(shè)備散熱等因素，使得礦井熱環(huán)境日趨惡劣［2-3］。為保障深井礦山的安全生產(chǎn)，亟須經(jīng)濟有效的地下空間制冷降溫裝備。常用的降溫方法分為人工降溫和非人工降溫兩種，其中，人工制冷降溫，即安裝大型集中制冷系統(tǒng)已成為礦井熱害防治的發(fā)展趨勢［4］。然而，該技術(shù)存在前期投資高、工程周期長、維護費用高與可移動性差等劣勢，嚴重制約其應(yīng)用。

有研究表明，個體御熱裝備已成為一種熱害防治的新型平替技術(shù)，已在地面的建筑行業(yè)、園藝、機場得到充分運用，且相關(guān)研究證實了個體御熱裝備在緩解個體熱應(yīng)變方面的有效性［5-7］。將該裝備穿著在作業(yè)人員身上，降溫作用明顯，后續(xù)維護簡單，近年來已成為國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究熱點［8-10］。個體御熱裝備根據(jù)內(nèi)部介質(zhì)的不同，分為液體、氣體和相變材料3種類型。液體御熱裝備是利用特殊設(shè)備將液體冷卻后輸送到服裝內(nèi)部的管道中，通過冷卻的液體將人體產(chǎn)生的多余熱量排出［11-13］；氣體御熱裝備采用能夠冷卻空氣的小型制冷裝置，使冷空氣在人體與服裝內(nèi)部循環(huán)，帶走人體多余熱量實現(xiàn)降溫功能。這兩種裝備屬于主動式降溫，降溫原理較為簡單且容易實施，主要缺點是需要配備電源裝置，導(dǎo)致穿戴與行動不便。而相變材料御熱裝備是利用相變材料中的相變潛熱機理，即高溫環(huán)境下吸熱、低溫環(huán)境下放熱，在人體表面和服裝之間形成“衣內(nèi)微氣候”小空間，使人體能夠長時間處于舒適狀態(tài)［8］。相較于其他類型，相變材料具有結(jié)構(gòu)簡單、前后體積變化小、無毒性、穩(wěn)定性高、可循環(huán)使用等優(yōu)點，使用時只需將相變材料包放進帶有口袋的背心中，無需額外配備電源裝置，在礦山生產(chǎn)現(xiàn)場具有很好的應(yīng)用前景［14-16］。

然而，目前相變材料御熱裝備側(cè)重應(yīng)用于建筑、航空、軍隊、醫(yī)療等領(lǐng)域［16-18］，在深井礦山的應(yīng)用有限，特別是針對相變材料布局及裝配方式的整體設(shè)計方案研究較少。因此，本研究針對井下作業(yè)人員的作業(yè)方式，優(yōu)化個體相變材料御熱裝備設(shè)計方案，并通過一系列試驗，探究相變材料御熱裝備對井下作業(yè)人員的應(yīng)用效果，為深井個體御熱裝備研發(fā)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持，同時為礦井熱害防治技術(shù)手段提供新思路。

1 試驗部分

1.1 個體御熱裝備款式

在熱濕環(huán)境下，降低人體軀干部位溫度可有效降低心臟等器官的熱損傷風(fēng)險，且軀干降溫更有利于冷量通過血液循環(huán)被帶到身體其他部位，提高人體的整體熱舒適度。目前，傳統(tǒng)的御熱裝備款式較多，可分為連體式、分體式和背心式，考慮到礦山井下的高溫多濕環(huán)境，以及作業(yè)人員肢體活動度等多種因素，本研究采用背心式御熱裝備，如圖1所示。

相變材料在御熱裝備的布局及放置方式不僅影響個體御熱裝備的整體降溫效果，還影響裝備穿著的舒適度。傳統(tǒng)在服裝內(nèi)襯中縫制豎插式口袋來盛裝封裝好的長條形相變材料，如圖2-a所示。然而，在前期應(yīng)用過程中，陸續(xù)收到來自礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的反饋意見，例如：作業(yè)人員在進行下蹲和彎腰動作時會與胸部的相變材料發(fā)生沖突，影響作業(yè)效率等。本研究設(shè)計并封裝了一款橫插式相變材料，如圖2-b所示，在滿足作業(yè)人員熱防護功能需求的同時，提高人體熱舒適性。封裝好的相變材料具體尺寸參數(shù)如表1所示。

研究對比了豎插式相變材料（如圖3所示）與橫插式相變材料（如圖4所示）兩款背心式御熱裝備的性能。兩款御熱裝備分別帶有包含4個和11個相變材料包的口袋，其中，豎插式御熱裝備口袋大小為36 cm×16 cm，橫插式御熱裝備口袋大小為17 cm×12 cm。

1.2 試驗參與者

通過對山東某地下金屬礦山井下環(huán)境及作業(yè)工種的調(diào)研，收集了作業(yè)人員的具體參數(shù)，并根據(jù)對現(xiàn)場管理人員的咨詢，確定以鏟運工種作為研究對象，試驗選擇120名礦山鏟運機工人進行測試。為減少系統(tǒng)誤差，將測試人員隨機分為兩組，每組60人。測試人員被要求簽署一份同意書，并填寫個人基本信息，包括年齡、身高、體質(zhì)量、性別、工種、工齡等。經(jīng)統(tǒng)計，參與者個人信息的平均值±標準差為：年齡（36.4±13.4）歲，身高（173.1±23.5）cm，體質(zhì)量（72.3±17.7）kg，工齡（4.9±3.7）a。測試人員下井前須穿戴符合GB 16423—2006 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求的個體防護裝備。

1.3 試驗方案

御熱裝備的穿戴不能影響作業(yè)人員的肢體運動。試驗于2023年7月在山東某地下金屬礦山進行，測試場景如圖5所示，6個工作階段如圖6所示。試驗在第4個工作階段（10：30—12：30）進行，每次測試時間為120 min。

1）一組測試人員穿橫插式相變材料御熱裝備（橫插式組），另一組測試人員穿豎插式相變材料御熱裝備（豎插式組），相變材料的熔點均為24℃，之后每個人每隔5 min根據(jù)自己的主觀評價對5類主觀評價量表進行打分。

2）第二輪試驗在隔天相同時間段進行，僅測試人員對調(diào)。由此，可收集到兩款御熱裝備各120名測試人員的數(shù)據(jù)，有效增加了樣本容量，減小誤差。測試結(jié)束后統(tǒng)計數(shù)據(jù)并分析測試人員對于兩款御熱裝備的評價。

1.4 問卷設(shè)計

評價指標使用7分主觀評價量表描述5類主觀屬性，分別為：熱舒適性、觸覺舒適性、服裝舒適性、織物手感和可用性，如圖7所示。使用4分順序雙極量表（-4非常潮濕—4非常干燥）對熱舒適性進行評分；使用7分序數(shù)單極量表（1非常刺痛—7平滑）對觸覺舒適性進行評分；使用7分序數(shù)單極量表（1非常不舒適—7非常舒適）對服裝舒適性進行評分；使用4分順序雙極量表（-4非常僵硬—4非常柔韌）對織物手感進行評分；使用7分序數(shù)單極量表（1完全不可用—7非常有用）對可用性進行評分。根據(jù)試驗方案，測試人員在試驗進行中對5類主觀評價量表進行打分。

1.5 數(shù)理統(tǒng)計

采用IBM SPSS Statistics version 23軟件進行統(tǒng)計分析。自變量為熱舒適性、觸覺舒適性、服裝舒適性、織物手感與可用性。對這些指標獲得的分值進行非參數(shù)檢驗統(tǒng)計分析，當p<0.05時，認為兩組具有顯著性差異，得分為平均值±標準差。

2 結(jié)果與討論

將測試人員的主觀打分數(shù)據(jù)進行整理，5類主觀評價量表統(tǒng)計分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出：在測試期間內(nèi)（0～120 min），兩款御熱裝備的熱舒適性和服裝舒適性的主觀評價量表無顯著性差異（p＞0.05）；觸覺舒適性在測試開始60 min內(nèi)出現(xiàn)顯著性差異（p＜0.05），其他時間段無顯著性差異；織物手感在整個試穿過程中存在顯著性差異（p＜0.05）；對于可用性，兩款御熱裝備在測試開始100 min內(nèi)無顯著性差異（p＞0.05），之后出現(xiàn)顯著性差異（p＜0.05）。

對于兩款御熱裝備的熱舒適性主觀評價量表，在測試開始80 min內(nèi)測試人員處于熱舒適狀態(tài)，80 min后主觀評價量表得分迅速降低；主要因為測試人員進行體力勞動時分泌汗液，且處于井下高溫高濕環(huán)境，使得汗液附著在皮膚表面，增加人體潮濕感。根據(jù)觸覺舒適性主觀評價量表，豎插式御熱裝備在測試前期具有略微刺痛感，與橫插式御熱裝備具有顯著差異，而60 min后這種差異消失；主要因為前期測試人員服裝內(nèi)微氣候較為干燥，皮膚表面與服裝摩擦阻力較大，導(dǎo)致刺痛，而井下環(huán)境使人體汗液無法蒸發(fā)，附著在皮膚表面，減小了皮膚與服裝之間的摩擦阻力，使得后期測試人員主觀感覺為無刺痛。對于服裝舒適性的主觀評價量表，兩款御熱裝備的舒適性均處于緩慢下降狀態(tài)，主要因為測試人員作業(yè)時隨著汗液的增加，服裝的舒適性下降?？椢锸指械闹饔^評價量表具有顯著差異，豎插式御熱裝備在剛開始試穿時主觀感覺僵硬，主要因為豎插式相變材料包整體面積較大，冷凍后的相變材料包硬度較大，使得御熱裝備整體的織物手感硬度增加；而橫插式相變材料包單個面積小且分散，減小了服裝整體的硬度，試穿后期因相變材料融化使兩款御熱裝備的織物手感趨于舒適。

綜上所述，將相變材料進行橫插式布局排列的性能優(yōu)于豎插式。此外，試驗結(jié)束后了解到，隨著測試人員作業(yè)時間的增加，豎插式御熱裝備因相變材料融化導(dǎo)致液體集聚在下方，作業(yè)時產(chǎn)生了下墜感，出現(xiàn)相變材料覆蓋不均勻、降溫效果不理想的情況，而橫插式御熱裝備未出現(xiàn)此情況。因此，測試人員明確偏向于橫插式御熱裝備。

3 結(jié) 論

通過對山東某地下金屬礦山井下環(huán)境及作業(yè)工種的調(diào)研，收集了作業(yè)人員的具體參數(shù)，根據(jù)對現(xiàn)場管理人員的咨詢結(jié)果，確定以鏟運工種作為研究對象，并根據(jù)作業(yè)人員的作業(yè)時間制定了試驗方案。研發(fā)了兩款背心式御熱裝備，分別是豎插式與橫插式，采用5類主觀評價量表對測試人員的熱舒適性、觸覺舒適性、服裝舒適性、織物手感和可用性進行性能評價，得到以下結(jié)論：

1）從鏟運作業(yè)人員中獲得了主觀評價數(shù)據(jù)，從現(xiàn)場作業(yè)的角度驗證了以相變材料作為背心式御熱裝備核心材料的降溫有效性。

2）在作業(yè)初期，兩種款式的御熱裝備均在深井熱害礦山取得了較好的評價。然而，針對井下相對濕度接近100 %的高濕環(huán)境，在長時間作業(yè)（80 min）后，其性能受影響，為御熱裝備的后期優(yōu)化提供了新思路。

3）背心式御熱裝備中相變材料的質(zhì)量配置對測試人員的主觀感受有較大影響?？椢锸指信c可用性的測試結(jié)果表明，橫插式御熱裝備因其更佳的材料布置方式，受到現(xiàn)場作業(yè)人員的青睞。

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Design optimization and performance research of individual thermal

protection equipment for heat hazard in mines

Abstract：In response to the high temperature and high humidity conditions in underground mining operations，a solution involving the use of individual thermal protection equipment is proposed.2 types of individual thermal protection equipment utilizing phase change materials have been developed，and a subjective evaluation scale consisting of 5 categories has been used to assess the performance of the thermal comfort，tactile comfort，garment comfort，fabric feel，and usability for the test subjects.The results indicate：①Both types of thermal protection equipment received favorable ratings for thermal comfort from the test subjects，but they became relatively humid over time due to the evapo-ration of bodily sweat，indicating the need for improvement in dehumidification performance;②Towards the end of the testing period，the horizontal-insertion thermal protection equipment received a positive assessment for usability，while the vertical-insertion thermal protection equipment only received a slightly usable evaluation，with test subjects expressing negative feelings about the sagging sensation caused by the phase change materials melting;③Overall，test subjects showed a preference for the thermal protection equipment with phase change materials utilizing horizontal insertion，indicating that the optimization research for the vest-style thermal protection equipment has yielded positive results.

Keywords：high-temperature heat hazard;individual protection;thermal protection equipment;phase change mate-rials;thermal comfort