高溫高濕環境下風速對礦工安全工作極限時間的影響

王建國，蓋金夢，王經偉

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開采深度的增加，礦井圍巖、井下水、機械設備等熱源散發的熱量使得井下環境溫度升高，空氣濕度加大，逐漸形成高溫高濕惡劣環境[1-3]。工人長期在這樣的環境中工作，不僅會對身體健康產生危害，還會影響其工作狀態和生產效率，甚至可能引發生產安全事故[4-5]。風速是影響礦井環境條件與礦工勞動效率的主要因素之一，合理的風速可以明顯的改變人體散熱效果，進而影響礦工熱感覺和安全工作極限時間值[6-9]。聶興信[10]等選取高溫金屬礦井不同中段的5 個作業點，通過測量及數據分析得到熱濕環境下人體各機能參數的變化趨勢，得到了礦工作業環境的舒適范圍。綜合現有文獻資料發現，眾多學者對礦工熱生理參數、熱應激現象、作業環境舒適范圍等進行了研究，但鮮見考慮風速對于礦工作業生理極限以及安全工作極限時間的影響研究。鑒于此，通過模擬礦工在濕熱環境下作業，研究風速對礦工安全工作極限時間的影響規律，以期為高溫高濕礦井制定科學合理的礦工工作計劃，提高礦工勞動效率和保障礦工職業安全健康提供有效的理論支撐。

1 實驗研究

1.1 實驗方案

實驗地點為西安科技大學人工微氣候實驗室，實驗中所需的環境參數均可進行精密控制，其中可調控的實驗風速范圍為0.1～5 m/s，溫度范圍為-10～60 ℃，濕度范圍為20%～100%，整個室內氣流均勻。

1）實驗工況設置。實驗變量包括風速、溫度、相對濕度3 個因素。根據《煤礦安全規程》中關于掘進工作面巖巷、半煤巖巷及煤巷風速的規定，以及關于采掘工作面、機電設備硐室空氣溫度的規定，設置4組風速為：靜風（風速＜0.2 m/s）、低速風（1 m/s）、中速風（2.5 m/s）、高速風（4 m/s）；3 組溫度為：26、30、34 ℃；2 組相對濕度為：70%、90%。將上述變量進行組合，共得到24 種環境工況。

2）勞動強度設置。勞動強度根據平均耗能值大小可分為輕級、中等、重和很重4 種。我國井下的礦工工種較多，體力消耗值大小跨度較大，因此本實驗假設礦工為中等勞動強度的體力消耗，并在跑步機上以3.5 km/h 的速度運動代替實現。受試人員統一穿著煤礦工作服，服裝熱阻約為0.125（m2·K）/W。

3）生理參數選擇及其測試方法。采用型號為Equivital-02 的動態生命體征監測系統生理儀實時記錄心率值，具體值取測試時間點附近2 min 內的波形穩定段平均值；利用直腸溫度計測量人體核心溫度值。

1.2 實驗對象及流程

依據我國礦工整體構成比例，共選取出5 名不同年齡段的具有井下作業經驗的礦工作為受試人員，要求無高血壓、心臟病等疾病史，無長期酗酒、抽煙等不良生活習慣。同時告知受試人員實驗大致流程及相關要求，避免發生飲酒、熬夜等影響生理狀態的臨時活動。

實驗人員設置調整艙內的風速、溫度、濕度等相關模擬環境指標，查看實驗儀器的工作狀態。受試人員靜坐調整20 min 后更換著裝，并配合實驗人員在其身體相應處布置檢測裝置。實驗正式開始的時刻記為實驗的0 min 時刻，實驗人員測量受試人員初始狀態，作好記錄。然后，受試人員開始模擬規定勞動強度的運動，每隔10 min 測量1 次相關生理指標。

1.3 實驗終止條件

生理安全極限是指判斷人體能否繼續勞動的一系列生理指標臨界值，當到達臨界值時，礦工身心健康就有可能受到潛在影響，此時勞動應該終止。實驗的終止條件選用美國工業安全會議（ACGIH）所定義的生理臨界值，即人體在礦井熱環境工作時，將心率和核心溫度到達生理臨界值的時間作為安全工作極限時間。評價指標：心率＞180 次/min，核心溫度＞38.5 ℃，受試人員出現頭暈、眼花，抱怨并請求暫停時，實驗終止。因受試人員在120 min 內出現表中所述反應，故實驗最大時長為120 min。

2 礦工安全工作極限時間的確定

在實驗過程中，考慮到生理指標采用分時段測量法，其測量前可能已經超過生理上限推薦值，故應用插值法計算此類情況下的礦工安全工作極限時間。式（1）和式（2）分別為基于心率值和核心溫度值的插值法計算安全工作極限時間公式：

式中：T2、T2′分別為心率、核心溫度達到安全上限推薦值的測量時間，min；T1、T1′分別為T2、T2′前1次的測量時間，min；HR1、HR2分別為T1′、T2′時刻測量的心率值，次/min；Tsafe1、Tsafe2分別為以心率、核心溫度上限為標準得到的安全工作極限時間，min；CT1、CT2分別為T1、T2時刻測量的核心溫度值，℃。

根據上述公式，通過分析實驗數據，得到5 名受試人員在24 種工況條件下的安全工作極限時間，礦工安全工作極限時間見表1。

表1 礦工安全工作極限時間Table 1 Miners’safe working limit time

3 風速對安全工作極限時間的影響程度分析

3.1 Cox 回歸分析

根據5 位受試人員在各工況下的安全工作極限時間值，利用Cox 回歸分析法研究風速、溫度、相對濕度3 個因素對安全工作極限時間的影響程度及規律，Cox 回歸分析結果見表2。表中B 為各協變量的回歸系數；SE 為回歸分析的標準誤差；Wald 為Wald統計量；Exp（B）為排除了其他協變量影響后某特定協變量導致的危險度。

表2 Cox 回歸分析結果Table 2 Cox regression analysis results

B 的絕對值與該協變量對生存時間的影響程度呈正相關關系。風速、溫度和相對濕度均對生存時間有顯著影響，其中風速為保護因素，溫度和相對濕度為危險因素。根據各協變量B 值的絕對值大小可知，各因素對安全工作極限時間的影響程度順序為：溫度＞風速＞相對濕度。風速的Exp（B）為0.816，表明在調整其余協變量后，風速每增加1 m/s，危險率將減少18.4%；溫度的Exp（B）為1.68，表明在調整其余協變量后，溫度每增加1 ℃，危險率將增加68%；相對濕度的Exp（B）為1.047，表明在調整其余協變量后，相對濕度每增加1%，危險率將增加4.7%。

3.2 生存函數分析

生存函數是一個概率函數，生存函數分析圖則是以生存函數為縱坐標，生存時間為橫坐標繪制的曲線圖，它可以直觀地反映對象生存發展的規律情況。將風速這一協變量進行分類化處理，得到的受試人員在4 種風速下的生存函數分析如圖1。

圖1 不同風速類型的生存函數分析Fig.1 Survival function analysis of different wind velocity types

前20 min 內，受試人員的生存率保持在100%不變，說明在這段時間內受試人員始終處于安全狀態，風速變化對其生存率影響幾乎為零。20 min 過后，生存率開始呈下降趨勢。由于實驗最大時長為120 min，所以生存率在120 min 時出現斷崖式跌落，跌落至0。4 種風速類型中，生存率下降速率由大到小分別為：靜風＞低速風＞中速風＞高速風，其中低速風條件下的下降速率顯著大于靜風條件，中速風和高速風條件下的下降速率又顯著大于低速風條件，中速風和高速風條件下的生存率下降速率差異較小，結果基本吻合，這說明風速對于礦工安全工作極限時間是有一定影響的，提高風速可有效提高安全工作極限時間值，但當風速達到2.5 m/s 時，風速對其作用效果則減弱，產生的影響也微乎其微。

3.3 安全工作極限時間推薦值

在綜合考慮風速、溫度、相對濕度的基礎上，將5 名受試人員在各工況下的安全工作極限時間取平均值，并給出關于風致效應、溫致效應和濕致效應三者耦合作用下的安全工作極限時間推薦值見表3。

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

4 結 語

風速對于礦工安全工作極限時間的影響程度大于相對濕度而小于溫度。4 種風速類型中，生存率下降速率由大到小分別為：靜風（＜0.2 m/s）＞低速風（1 m/s）＞中速風（2.5 m/s）＞高速風（4 m/s），增大風速可有效提高安全工作極限時間值，但當風速達到2.5 m/s 時，作用效果不明顯。通過計算安全工作極限時間，給出了關于風致效應、溫致效應和濕致效應三者耦合作用下的安全工作極限時間推薦值。