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

（西安建筑科技大學管理學院，陜西西安710055）

由于高溫礦井的特殊環境，溫度往往會比較高，生產環境的溫度甚至常年超過32℃[1-2]。礦井的高溫、高濕環境，會導致人體出現許多不良癥狀，比如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、皮膚癌和心臟病等職業疾病[3-5]。基于此，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。孔嘉莉[6]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，隨著運動時間的增長逐漸下降。張景鋼等[7]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、動作出錯機率明顯增加。張超等[8]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障提供理論依據和參考[9]。本研究基于人體熱交換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，為礦山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

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礦業有限責任公司）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。

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。

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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。

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

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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℃、39～42℃；濕度范圍分別為60%～70%、70%～80%、80%～90%；風速調控為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s）。

2 實測數據分析

2.1 人體生理指標實測數據分析

選取所測50名礦工的數據進行分析，得出作業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。可以通過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雙、多節點測量模型進行間接估算[10]。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1.5 m/s，可將礦工的核心溫度降到正常范圍。空氣濕度為70%～80%，溫度低于30℃時，仍可提高風速降低核心溫度。空氣濕度為80%～90%和70%～80%且溫度達到30℃以上和濕度為60%～70%且溫度超過38℃時，人體核心溫度超過38℃，必須停止工作。

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較大差異，不僅變化幅度大，而且各部位差異也很大。當人體處于高溫高濕環境下，皮膚的散熱會受到阻礙，導致皮膚溫度的逐漸升高[11]。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%～90%且環境溫度為23～34℃時，人體平均溫度低于37℃。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常溫度，環境最惡劣時體溫達到38.4℃。

2.1.3 心 率

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℃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，要立即采取措施，脫離熱濕環境[12]。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27～30℃且濕度為60%～80%時，風速為1.5 m/s、環境溫度為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60%～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%～80%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%～90%、風速為2.5 m/s且溫度為23～26℃時，舒張壓低于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%～90%，溫度為39～42℃、風速小于1.5 m/s和風速為2.5 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%下，增加較快。

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法[13]。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。可以采用紗布增重法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。

2.1.6 新陳代謝率

新陳代謝率M是影響人體熱舒適的主要因素之一。作業環境的溫度和濕度對新陳代謝有重要的影響[14]。溫度升高，代謝量也會增加。新陳代謝率通過呼吸熵和耗氧量來體現。計算公式如下：

式中，mb為體重，kg；H為身高，m；AD為人體皮膚表面積，m2；RQ為呼吸熵，單位時間內呼出的二氧化碳和吸入氧氣摩爾比為單位時間內消耗的氧氣體積，L/h。

圖9所示，風速的增加對新陳代謝率的影響較小。濕度為60%～80%且溫度在38℃以下時，新陳代謝率基本穩定，保持在144～202 W/m2。溫度超過38℃時，新陳代謝率急劇增加，濕度越大，增速越明顯，單位時間內消耗的氧氣體積增多，呼吸沉重。總體上濕度介于60%～70%之間，人體的代謝指標正常。

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。

2.2.1 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。

2.2.2 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、分析腦電圖、精神測驗法、測定閃頻值法[11]。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23～26℃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

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，可以分析在熱濕環境下，礦工的腦力狀態[15]。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。

2.3.1 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，31～42℃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0.9 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。

2.3.2 臂 力

臂力是指臂部肌肉收縮緊繃產生的力量。當作業環境溫度過高時，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能力，影響胳膊的操縱行為與體力行為[16]。圖15中，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。

3 結論

（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。

（2）生理指標方面，環境溫度濕度的上升與各指標的升高成正比，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。

（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。疲勞度受環境溫度和濕度的雙重影響，隨著溫度和濕度的升高，疲勞癥狀出現的越來越多。風速對人體心理影響較小，主觀變化不明顯。

（4）行為指標方面，反應力和臂力都隨著環境溫度和濕度的增加呈下降趨勢，且溫度越高，反應時間和鏟裝礦石所需時間越多。

（5）環境溫度27℃以下且濕度60%～70%，可通過排汗降低人體溫度，熱濕感覺舒適，各機能指標正常。溫度31℃以上且濕度70%～80%，礦工的核心溫度超過38℃，血壓達到臨界高血壓，熱濕感覺變化明顯。溫度35℃以上且濕度80%～90%，礦工的身體機能指標出現一系列不適癥狀，血壓和心率接近正常范圍的最大值，出汗量急劇增加，安全度降低。