基于改进PHS模型的高温采煤工作面作业人员热反应分析

童 兴 郭伟旗 任 可 康凯倩

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

随着当前煤矿开采深度的加深和矿山开采机械化程度的提高，我国高温矿井热害问题日益突出。高温高湿工作环境不仅显著降低工作效率，而且严重影响井下工作人员的身心健康。高温矿井作业人员的热舒适程度除了受客观环境因素如空气温度、湿度、风速的影响外，人体新陈代谢、矿井工作服隔热透湿性能等主观因素也对井下作业人员的热生理反应及热损伤情况有明显的影响。

依据在高温环境下人体生理参数的变化和人体生理指标安全阈值，可对高温热环境热应力进行评价。目前常用的高温环境热安全评价方法有热应力指标、真人试验手段、暖体假人试验手段、人体热生理模型计算方法。近年来在高温矿井工作人员的热反应分析评价研究方面，研究人员主要采用热应力指标评价方法，热应力指标评价方法主要有有效温度(ET)、热舒适预测评价指标(PMV-PPD)、热应力指数(HSI)等方法。一些研究人员利用热应力指标评价方法对高温矿井的采煤工作面、避难硐室和救生舱等环境的热舒适分析和评价进行了研究，取得了相应的成果。然而，这些热应力评价指标或方法主要应用于评价环境条件对人体热反应的影响，多数都局限于稳态热环境的评价分析，即假定采煤工作面为一恒定温度或只对某一温度恒定区域进行分析评估，同时也不能很好地分析一些主观因素的影响，如人体新陈代谢率、工作姿势、工作服等。此外，通过真人试验研究热环境下的人体安全，有较大局限性，也具有较大风险。由于人体个体生理差异客观存在，要得到统计学意义上的较准确的生理指标值需要投入巨大的人力、物力及财力。应用暖体出汗假人进行高温环境下人体安全评价研究是热应力指标评价方法一个新的方向，但是现有的暖体假人仅能实现设定的体温、出汗量，不具备自调节、自适应功能，限制了暖体假人在人体安全研究领域的应用。与以上这些方法相比，基于人体热平衡方程的人体热反应模型方法由于其快速、受客观条件限制小，可以同时模拟人体主动与被动调节系统的特点而得到了广泛的研究使用。

本文基于目前使用较广泛的预测热应力(PHS)模型，结合通过暖体出汗假人测得的煤矿工作服热阻和湿阻，并考虑到矿井下特殊高强度作业，引入适合描述高温矿井特殊作业的新陈代谢率计算公式，在此基础上对PHS模型进行了改进。采用改进的PHS模型，计算分析了采煤工作面不同环境温度条件(变温环境与恒定温度环境)下矿工的热生理反应，同时研究分析了高温矿井井下作业人员人体核心温度与可接受最大暴露工作时间的变化规律。本文改进的PHS模型可以通过对一定工作强度、工作时间内矿工的体温、出汗量等的变化情况进行预测，从而对热害风险进行评估，对高温矿井优化组织生产和休息时间，避免热伤害具有重要意义。

1 PHS人体预测热应激计算模型

PHS人体预测热应激计算模型被广泛应用于高温作业环境下人体热应激预测评价，是当前计算评估人体热伤害风险及可接受的暴露工作时间的重要模型，其有效性经8个不同的研究机构、747次实验室试验进行了验证。该模型基于人体热平衡方程，考虑人体身高、体重、劳动强度等人体特征参数和环境温度、湿度、风速、热辐射温度服装热阻和湿阻等多种环境参量，以迭代计算的方式获得在一定工作时间内和工作强度下的出汗率、出汗量、核心温度等人体热生理响应变化量。

(1)人体热平衡方程。人体自身通过产生热量维持与环境的热交换和满足正常生理活动、保持体温恒定的需要。依据热力学第一定律，人体产生的热量等于人体消耗的热量，人体应该满足基本热平衡方程式为：

式中：M——人体通过新陈代谢作用将食物转化为能量的速率，W/m2；

W——人体所完成的机械功，W/m2；

Cres——通过人体呼吸引起的对流散热量，W/m2；

Eres——通过人体呼吸引起的蒸发散热量，W/m2；

K——人体皮肤与外界环境之间以热传导形式进行的热交换量，W/m2；

C——人体皮肤与外界环境之间以热对流形式进行的热交换量，W/m2；

R——人体皮肤与外界环境之间以热辐射形式进行的热交换量，W/m2；

E——人体皮肤表面水分蒸发、出汗向外界环境的散热量，W/m2；

S——人体的热储量，W/m2;

Cp——干空气的定压比热，kJ/(kgK)；

V——呼吸通气率，L/min；

tex——呼出气体温度，℃；

ta——空气温度，℃；

Ce——水蒸气的蒸发潜热，kJ/kg；

Wex——呼出空气的含湿量，kg(水)/kg(干空气)；

Wa——环境空气的含湿量，kg(水)/kg(干空气)；

ADU——人体皮肤表面积，m2；

Wb——人体体重，kg；

H——身高，m；

psk，s——皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，Pa；

It，R——动态热阻值；

Tsk——人的皮肤表面温度，℃；

Tcl——工作服外表面温度，℃；

Emax——在假设皮肤表面的完全湿润的情况下，皮肤表面的最大蒸发热流，W/m2；

w——湿润皮肤占比；

pa——水蒸汽分压，kPa；

Rtdyn——考虑服装特性及受试者运动与空气流动情况的总蒸发阻力，m2·kPa/W。

在国际标准规定的PHS模型中的人体新陈代谢率M一般是按经验值进行选取。然而，煤矿井下作业是一个高强度、高复杂度的劳动过程，纯粹依靠经验值进行计算会产生比较大的计算误差。本文根据高温采煤工作面的具体特点，综合劳动者身高体重等个体差异因素以及井下的劳动特点对该模型中M的选取进行了改进。采用呼吸熵试验测定持续工作新陈代谢量的统计公式：

(2)

式中：RQ——呼吸熵，取0.83～1.0；

VO2——换算为标准状况后的人体耗氧量，L/h。

式(2)中RQ的取值一般根据劳动强度的不同在0.83～1.0进行选取，一般煤矿工作为中等强度劳动，可取值为0.86～0.9；高温采煤工作面的多数工种为重劳动强度，因此取1.0比较合理。在轻度和中等强度劳动时VO2值一般小于60 L/h，高温矿井属重强度劳动，取72 L/h比较合理。

人体新陈代谢率可以根据经验公式确定人体因呼吸造成的对流散热量和蒸发散热量Cres和Eres：

(3)

(2)维持人体热平衡的所需蒸发散热量Ereq和所需皮肤湿润系数计算：

式中：Ret,R——人体移动和风速影响的服装总湿阻，m2·kPa/W；

wreq——皮肤湿润率；

dS——累计热增量，W/m2；

tcr,m——与新陈代谢水平对应的稳态时的核心温度，℃；

tcr,i——时间步长i时与新陈代谢水平对应的核心温度，℃；

cp——人体热容量，J/(kg·K)；

αi-1——时间步长i时皮肤温度权重系数。

(3)计算人体核心温度Tcr(医学上常用直肠温度Tre替代)变化：

(6)

式中：i——第i个时间步；

Tsk——皮肤表面温度，℃；

α——皮肤表面温度权重系数。

直肠温度Tre由核心温度通过下式计算：

(7)

(4)可以依据人体温度、出汗量等临界生理指标确定免受热伤害的可接受最长工作时间tmax。人体核心温度一般可以由直肠温度进行衡量。我国人群的直肠温度Tre的生理上限为38.5℃、安全上限为38.9℃、耐受上限为39.4℃。本文取39.4℃为造成热伤害的临界温度。

在计算过程中，出汗量和人体核心温度任意一个达到临界生理指标，即可认为此时的工作时长为免受热伤害的最长可接受暴露工作时间。

2 PHS计算工况设定

随着开采深度加深和煤矿开采机械化程度提高，采煤工作面越发呈现高温、高湿的极端热环境特点。目前，采煤工作面部分区域，特别是上隅角处，空气温度超过26℃，相对湿度超过80%，风速一般为1～2 m/s。因此，本文热应力计算重点分析高温矿井采煤工作面温度变化对作业人员热反应影响。环境工况选取为：相对湿度值取0.85，空气温度变化区间为20 ℃～30℃，环境辐射温度与空气温度较接近，取相同值，风速选取为1 m/s。井下作业人员身高参考前人统计数据取平均身高为1.71 m，体重按平均体重70 kg计算，在考虑到工作间歇的情况下，将人体新陈代谢率M取为200 W/m2(即呼吸熵取1.0，耗氧量取72 L/h计算)作为矿工持续工作的平均新陈代谢量，动态热阻值It,R取0.164，动态湿阻Ret,R取36.459。

本文重点对比分析采煤工作面恒温下和环境温度变化条件下矿工热生理反应情况。目前大多数煤矿采取三八工作制(即每班工作8 h)，采煤工作面采煤机每班通常步进2～3刀，因此，矿工跟随采煤机工作沿采煤工作面从头至尾大约需要2.5 h。假定工作时长为2.5 h(150 min)，采煤工作面的热环境设置(环境温度与时间的变化关系)如表1所示。采煤工作面温度的持续变化在计算中进行离散设置，每个离散环境温度点工作0.5 h，具体设置见表1。每个离散环境温度点工作时间计算完成后，在程序中切换为下一个离散环境温度点，在计算达到该环境中最长可暴露时间或计算时间达到设定的150 min时计算自动结束，设定在工作期间工作人员可自由补充水分。通过迭代计算获得了在多种不同环境工况组合下人体核心温度、出汗量等热响应变化量和最长可接受工作时间。

表1 采煤工作面环境温度变化设置情况

3 计算结果处理与分析

3.1 人体核心温度变化

采煤工作面最高温度为28℃时，选定恒温为26℃、28℃以及20℃～28℃变温三种工况下，采用改进PHS模型计算获得井下作业人员的核心温度变化情况如图1所示。采煤工作面最高温度为30℃时，选定恒温为26℃、28℃、30℃以及22℃～30℃、20℃～28℃变温5种工况条件下，采用改进PHS模型计算获得的矿工的核心温度变化情况如图2所示。

由图1和图2可以看出，在高温作业环境下，随着工作时间的增加，人体的核心温度随着环境温度的升高(分别为26℃、28℃、30℃)增加较快。在井下现场高温作业情况下，人体的产热量要大于散热量。外界环境温度越高，人体核心温度与环境温度的温差越小，使得人体热量越发难以发散，人体核心温度会随着人体内部储热量的增加而不断上升，导致人体热负荷不断上升。

图1 采煤工作面最高温度为28℃条件下井下 作业人员体温变化情况

由图1可知，在20℃～28℃变温条件下，一定的工作时间内，环境的平均温度要低于《煤矿安全规程》规定的26℃，更低于上限温度28℃。因此，在20℃～28℃变温环境温度下，人体核心温度上升最慢，而在28℃恒温环境温度下，人体核心温度上升最快。由图2可知，相对环境温度恒定为26℃、28℃、30℃，在22℃～30℃变温条件下，人体核心温度上升最慢，20℃～28℃变温环境下，平均温度要低于22℃～30℃变温环境平均温度，在20℃～28℃变温环境温度下，人体核心温度上升更慢。因此，工作现场需要采取相关降温措施，降低周围环境温度，确保井下作业人员核心温度在允许的温度范围内。

由上述恒温和变温热环境下井下作业人员热反应计算结果对比分析可知，如果采用当前煤矿热舒适评价上应用较多的热应力计算模型，只是通过计算恒定温度下井下作业人员热反应用于评价采煤工作面作业人员热应激情况，这与实际采煤工作面变温热环境下作业人员的真实热反应情况会存在较大误差。当人体的散热作用小于产热作用时，人体内热量储积使核心温度升高和大量出汗。热负荷的快速增高和出汗量的加大会导致作业人员疲劳加剧，工作效率低下，在严重情况下可能出现脸色苍白、胸闷、胸痛、心悸和晕厥等热应激现象，甚至热衰竭、中暑乃至休克等严重的热损伤情况。因此，需要合理安排工作时间与休息时间，确保井下作业人员的人体温度处于允许的温度范围内。

图2 采煤工作面最高温度为30℃条件下井下 作业人员体温变化情况

3.2 人体可接受最大暴露时间

采煤工作面选定恒温为26℃、28℃、30℃以及20℃～28℃、22℃～30℃变温条件下，采用PHS模型计算获得的井下作业人员可接受暴露工作时间(可接受暴露工作时间由出汗量和人体核心温度中任何一个达到临界生理指标所确定)与温度的关系如图3所示。

由图3可知，随着环境温度的升高，人体可接受的最大暴露工作时间逐步降低。20℃～28℃变温环境平均温度要低于22℃～30℃变温环境平均温度，同时也低于26℃、28℃与30℃。因此，在20℃～28℃变温环境温度下，人体可接受最大暴露工作时间最长，可达到150 min，而在30℃恒温环境温度下，人体可接受最大暴露工作时间最短，仅为60 min。当环境温度升高时，人体与环境之间的温差减小，通过式(1)计算可知，人体与环境通过对流和辐射形式进行的换热量与该温差成正比关系。所以，减小人体与环境之间的温度差异，会使对流和辐射换热量也减小。出汗是人体与环境交换热量的重要方式，如果不能及时通过出汗等方式散热，人体内部储热量会快速升高，从而引起核心温度的增加。综上所述，环境温度对人体可接受的最大暴露工作时间有着重要影响，采煤工作面现场矿工如能间歇地到温度较低的区域来回走动，一定程度上有利于保障身体免受热伤害，从而延长正常工作时间。

图3 井下作业人员可接受暴露工作时间 与温度的关系

4 结论

(1)随着工作时间的增加，人体的核心温度会逐渐增加，环境温度越高，井下作业人员核心温度随时间升高的越快。当环境温度在20～28℃、22℃～30℃变温环境工况下，人体核心温度上升相对较慢，30℃恒温环境温度下，人体核心温度上升最快。

(2)高温矿井作业人员可接受最大暴露工作时间随着井下环境温度的升高而减小，当环境温度在在20℃～28℃变温环境下，人体可接受最大暴露工作时间最长可达150 min，而在30℃恒温环境下，人体可接受最大暴露工作时间最短，仅有60 min。

(3)采用当前煤矿热舒适评价上应用较多的热应力计算模型，只是通过计算恒定温度下井下作业人员热反应用于评价采煤工作面作业人员热应激情况，这与实际采煤工作面变温热环境下作业人员的真实热反应情况会存在较大误差，基于本文改进的PHS模型计算变温环境下的矿工热生理反应更为合理。

(4)上述改进的PHS模型的计算结果可为高温矿井热安全评估提供数据参考和技术支持，对高温矿井合理组织生产和安排休息时间从而避免热伤害具有重要意义。

参考文献：

[1] 刘卫东，张岩松，王丽华.我国煤矿高温矿井摸底调查情况[J].职业与健康，2012(9)

[2] Shi B, Ma L, Dong W, Zhou F. Application of a Novel Liquid Nitrogen Control Technique for Heat Stress and Fire Prevention in UndergroundMines[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 2015(8)

[3] 吴建松,付明.高温矿井作业人员热应激计算评价[M].北京：煤炭工业出版社,2017

[4] 王春耀,程卫民,李伟清等.矿工热舒适性指标测定及分析与评价[J].煤矿安全, 2007(6)

[5] 苏昭桂,董文庚,程卫民.高温矿井热舒适性及评价指标的研究[J].矿业安全与环保, 2008(3)

[6] 王树刚,徐哲,张腾飞等.矿井热环境人体热舒适性研究[J].煤炭学报,2010(1)

[7] 汪声,金龙哲,栗婧等.矿用救生舱热环境分析[J].煤炭学报, 2011(9)

[8] 黄炜，刘晓昂，张红英等.基于热舒适方程的矿井热舒适性研究[J].矿业安全与环保, 2012(6)

[9] 王志权.适用于井下矿工热舒适性的评价方法[J].煤矿安全，2012(8)

[10] 张祖敬，陈于金.煤矿避难硐室热环境控制范围探讨[J].矿业安全与环保，2014(1)

[11] Maurya T, Karena K, Vardhan H, et al. Effect of heat on underground mine workers[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2015(11)

[12] Malchaire J, Piette A, Kampmann B, et al. Development and Validation of the Predicted Heat Strain Model[J]. Ann. occup. Hyg., 2001(2)

[13] ISO 7933. Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain[S]. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2004

[14] ISO 8996. Ergonomics of the thermal environment-Determination of metabolic heat production[S]. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2001

[15] 栗婧,金龙哲,汪声等.矿井密闭空间中人体呼吸商计算[J].北京科技大学学报,2010(8)

[16] 吴建松, 付明, 童兴等.高温高湿矿井作业人员热应激评价[J].煤炭科学技术，2015(9)

[17] 吴建松, 付明, 童兴等.基于暖体假人试验的煤矿工作服热阻和湿阻测量与分析[J].煤矿安全,2015(12)