高温矿井热湿环境对人体机能的影响

聂兴信 王廷宇 孙锋刚 汪 朝

（西安建筑科技大学管理学院，陕西西安710055）

由于高温矿井的特殊环境，温度往往会比较高，生产环境的温度甚至常年超过32℃[1-2]。矿井的高温、高湿环境，会导致人体出现许多不良症状，比如体温调节系统出现紊乱致使体温和皮肤温度升高，汗腺分泌增加从而导致人体的水盐代谢紊乱，机体大量失水导致循环、消化、泌尿等神经系统出现紊乱甚至病变等。据矿井调查统计，长期工作在高温高湿环境条件下，人更容易患风湿病、皮肤病、皮肤癌和心脏病等职业疾病[3-5]。基于此，需要进行高温矿井热湿环境对人体生理、心理及行为的影响研究。孔嘉莉[6]通过人工环境舱模拟高温高湿环境，测试受试者在运动后的反应力和记忆力变化，结果表明两者在运动之初呈现小幅度上升趋势，随着运动时间的增长逐渐下降。张景钢等[7]通过实验研究了矿井工人工作效率的变化规律，结果表明：在高温高湿条件下工作会使人的疲劳感加重、动作出错机率明显增加。张超等[8]通过监测人员心率和主观疲劳程度指标，计算人员心血管负荷（CVL）和主观疲劳程度，找出高温作业环境下人员生理、心理变化规律。上述研究多基于实验条件下的模拟分析，而高温矿井实际作业环境的温湿度多处于动态变化过程中，与实验室环境还是有明显出入，因此有必要深入井下生产作业现场，研究高温高湿环境下矿工生理、心理及行为指标的变化规律，为井下作业人员的安全保障提供理论依据和参考[9]。本研究基于人体热交换和人机工效学理论基础，通过现场测量定量分析高温矿井热湿环境对矿工生理、心理及行为的影响，为矿山企业改善井下工人作业环境、降低矿工的职业危害、提升工作效率等方面提供科学依据。

1 测定环境与装置

1.1 研究对象

选取3个矿井（河南金渠铜矿、铜陵狮子山铜矿和承德铜兴矿业有限责任公司）的50名井下工人为研究对象（10个作业小组，每组5人），平均年龄为31.2岁，平均工龄为8.6 a。

1.2 环境测定

选取上述3个典型金属矿井不同中段的5个作业点，参数范围为环境温度23～42℃、相对湿度60%～90%、风速0.5～2.5 m/s。

1.3 仪器设备

需测定的人体生理指标有核心温度、皮肤温度、心率、血压、出汗量和新陈代谢率。所需仪器设备如表1所示。图1和图2为测量核心温度和皮肤温度所需仪器。

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需测定的人体心理指标有热感觉、湿感觉和疲劳度。测量方法为主观判定法，如表2～表4所示。

需测定的行为指标有反应力和臂力。反应力通过游戏软件进行测试，臂力通过记录装载3 t矿车1车次所需的时间进行测定。

1.4 研究方法

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将受试者分为10组，每组5人，填写个人信息表，每组均在一定的环境下，测量工作90 min后的机能指标，记录生理和行为实测数据及填写心理主观感觉调查表。测量的内容主要包括温度、湿度和风速的控制和测量，矿工在不同环境下的生理、心理及行为指标。选取矿井不同中段的5个作业点（其温度范围分别为23～26℃、27～30℃、31～34℃、35～38℃、39～42℃；湿度范围分别为60%～70%、70%～80%、80%～90%；风速调控为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s）。

2 实测数据分析

2.1 人体生理指标实测数据分析

选取所测50名矿工的数据进行分析，得出作业环境与人体核心温度、皮肤温度、心率、血压、出汗量和新陈代谢率的关系图，分析如下。

2.1.1 核心温度

人体核心温度是判断人体在热湿环境中热平衡是否受到破坏的一个重要指标。可以通过核磁测温技术和直肠、耳蜗、食道、肺动脉等侵入式测温进行直接测量，也可通过单、双通道热量流动模型及人体双、多节点测量模型进行间接估算[10]。临床上通常采用直肠温度作为核心温度，但直肠温度的测量需要被测人员长时间地保持静止状态，在高温矿井作业过程中，无法对矿工进行直肠测量。人体中口腔是最容易获取体温的部位，人体口腔的温度比直肠温度低0.4℃，可以通过测量口腔的温度得到直肠温度。

图3中，空气湿度为60%～70%时，当矿工处于环境温度23～30℃，核心温度在36～37.3℃之间，机体可以通过出汗正常散热；温度为31～38℃，风速大于1.5 m/s，可将矿工的核心温度降到正常范围。空气湿度为70%～80%，温度低于30℃时，仍可提高风速降低核心温度。空气湿度为80%～90%和70%～80%且温度达到30℃以上和湿度为60%～70%且温度超过38℃时，人体核心温度超过38℃，必须停止工作。

2.1.2 皮肤温度

皮肤温度会因为外界环境温度的变化而产生的较大差异，不仅变化幅度大，而且各部位差异也很大。当人体处于高温高湿环境下，皮肤的散热会受到阻碍，导致皮肤温度的逐渐升高[11]。通过测量人体不同部位的温度，按相应部位的皮肤面积计算人体皮肤温度的平均值。图4中，空气湿度为60%～70%和70%～90%且环境温度为23～34℃时，人体平均温度低于37℃。温度为35～38℃时，皮肤温度接近矿井温度，无法与环境正常换热，风速大于1.5 m/s，皮肤温度降到37℃以下。温度达到39℃，皮肤温度超过人体正常温度，环境最恶劣时体温达到38.4℃。

2.1.3 心 率

心率易于测量，在高温矿井热湿环境中被当做重要的研究指标。心率测量的方法一般是在一定时间内对人体脉搏跳动次数的测定。图5中，心率随环境温度的升高而加快，温度从第3阶段到第4阶段，趋于平缓，第4阶段升到第5阶段心率急剧增加。风速为2.5 m/s，湿度为60%～80%且温度低于27℃时，心率低于100次/min，属于正常范围。风速为0.5 m/s，湿度为60%～80%且温度为23～34℃之间；风速为1.5 m/s，温度为23～38℃之间；风速为2.5 m/s温度为27～38℃之间，心率处于100～140次/min之间，心率过速。当温度为35～38℃时，心率达到148次/min，接近于人体过速心率范围的最大值，若继续工作，人体生命受到威胁。

2.1.4 血压

人体在高温矿井热湿环境中作业时，保持稳定正常的血压是非常必要的。热湿环境下的体力劳动需要消耗能量，血液的运氧量增大，血管扩张，导致人体血压产生变化，当血压变化波动幅度较大时，要立即采取措施，脱离热湿环境[12]。图6与图7所示为人体的血压情况。

图6中，风速为0.5 m/s、环境温度为23～26℃和27～30℃且湿度为60%～80%时，风速为1.5 m/s、环境温度为23～30℃和31～38℃且湿度为60%～80%时，风速为2.5 m/s、环境温度为23～34℃和35～38℃且湿度为60%～80%时，收缩压低于130 mmHg，属于正常范围。当风速为0.5 m/s、环境温度为31～34℃且湿度为60%～80%和温度为35～38℃且湿度为60%～70%，风速超过1.5 m/s、环境温度为39～42℃且湿度为60%～80%时，收缩压介于130～140 mmHg之间，达到临界高血压。环境温度为35～38℃且湿度为80%～90%，温度为39～42℃、风速为0.5 m/s和风速为1.5 m/s以上且湿度为80%～90%时，收缩压超过140 mmHg，人体处于高压状态。在环境温度31～34℃时最大值接近人体临界高压范围的最大值，可将35℃视为高压临界值。

图7中，湿度为60%～70%、风速大于1.5 m/s且温度为23～30℃和风速为2.5 m/s且温度为31～34℃，湿度为70%～80%、风速大于1.5 m/s且温度为23～26℃和风速为2.5 m/s且温度为27～30℃，湿度为80%～90%、风速为2.5 m/s且温度为23～26℃时，舒张压低于80 mmHg。当温度为23～30 ℃、风速为0.5 m/s，温度为31～34 ℃、风速小于1.5 m/s，温度为35～38 ℃、风速为0.5 m/s且湿度为60%～80%和风速大于1.5 m/s，温度为39～42℃、风速为2.5 m/s且湿度为60%～70%时，舒张压介于80～89 mmHg之间，视为高血压前期。温度为35～38℃、风速为0.5 m/s且湿度为80%～90%，温度为39～42℃、风速小于1.5 m/s和风速为2.5 m/s且湿度大于70%时，舒张压高于90 mmHg。舒张压在35～38℃时最大值已经达到91 mmHg，超过人体舒张压正常范围的最大值，且温度从第4阶段到第5阶段，舒张压急剧增加，湿度处于70%～80%下，增加较快。

2.1.5 出汗量

出汗是人体向外界散热的重要途径。出汗量的测定方法有裸体体重差法、着装体重差法和纱布增重法[13]。体重差法对实验仪器要求较高，误差过大，不适宜在高温矿井下进行测量。可以采用纱布增重法对人体各个部位进行测量，结合加权系数法得到人体的出汗量。如图8所示，23～34℃之间，湿度和风速对人体出汗量的影响较小，出汗量低于800g，对人体没有影响。当温度达到35℃及以上，出汗量急剧增加，出现明显的失水症状，且湿度从70%～80%上升到80%～90%时，身上大面积排汗，出汗量达到1.5倍。

2.1.6 新陈代谢率

新陈代谢率M是影响人体热舒适的主要因素之一。作业环境的温度和湿度对新陈代谢有重要的影响[14]。温度升高，代谢量也会增加。新陈代谢率通过呼吸熵和耗氧量来体现。计算公式如下：

式中，mb为体重，kg；H为身高，m；AD为人体皮肤表面积，m2；RQ为呼吸熵，单位时间内呼出的二氧化碳和吸入氧气摩尔比为单位时间内消耗的氧气体积，L/h。

图9所示，风速的增加对新陈代谢率的影响较小。湿度为60%～80%且温度在38℃以下时，新陈代谢率基本稳定，保持在144～202 W/m2。温度超过38℃时，新陈代谢率急剧增加，湿度越大，增速越明显，单位时间内消耗的氧气体积增多，呼吸沉重。总体上湿度介于60%～70%之间，人体的代谢指标正常。

2.2 人体心理指标实测数据分析

人体心理指标为热感觉、湿感觉和疲劳程度。

2.2.1 热感觉与湿感觉

热感觉与湿感觉无法直接测量，是人体对周围环境的主观评价。矿工通过对自己感觉打分的方式，定量分析获得人体心理状态的变化规律。图10中，温度低于27℃，湿度为60%～70%时，人体热感觉最舒适。温度在31～34℃时，矿工热感觉分值最低达到2.5，随着温度的升高，人体热感觉增加明显，超过35℃时，人体逐渐出现恍惚、神经麻痹等状态，分值趋于4以上。图11中，湿度为60%～70%，风速为0.5 m/s且温度低于30℃和风速超过1.5 m/s且温度低于34℃时，湿感觉分值接近2。湿度大于70%，温度越高，人体排汗量越大，湿感觉较明显。风速对热感觉与湿感觉的影响较小，空气流通性差，矿工处于热湿环境中，环境越恶劣，热湿感觉越明显。

2.2.2 疲劳度

疲劳是主观意识上的一种疲乏劳累的感觉。疲劳的测定方法有疲劳症状问卷调查法、两点阈法、分析脑电图、精神测验法、测定闪频值法[11]。由于高温矿井的作业环境，可以采用问卷调查法获得矿工的疲劳程度。将疲劳症状分为30种，为了方便分析，每种症状分值为1，取50名矿工在不同环境下的得分平均值。图12中，可以发现疲劳症状的增多与温度和湿度的升高呈规律性，与风速关系不明显。温度为23～26℃且湿度为60%～70%时，疲劳度得分低于6，还未感到疲劳。温度低于26℃且湿度为70%～80%和温度为27～30℃且湿度为60%～80%时，疲劳度分值介于6～12之间，矿工感到疲劳但可继续劳动。温度在35℃以下，疲劳度分值低于18，感到疲劳仍可以坚持，并且湿度越大，疲劳反应症状越多。相同湿度下，温度从第3阶段到第5阶段，出现的疲劳症状越来越多，可以认为35℃为停止工作的临界值。

2.3 人体行为指标实测数据分析

人体行为指标分脑力和体力，分别通过反应力和臂力来体现。

反应时间是人体接受外界刺激，引起行为反应所需的时间。通过测量矿工的反应时间，可以分析在热湿环境下，矿工的脑力状态[15]。采用软件测试的方法测量矿工的反应力，当电脑屏幕上的红色圆变为黄色时，摁下结束键的时间作为反应时间，如图13所示。臂力通过记录装载3 t矿车1车次所需的时间进行测定。

2.3.1 反应力

图14中，矿工的反应能力呈现规律性波动，作业环境的恶劣导致反应能力出现不同程度的下降，反应能力下降的幅度与环境温度和湿度的升高成正比。相较于23～30℃的反应时间的变化来说，31～42℃的反应时间变化趋于平稳。同一湿度和风速下，温度在第5阶段比第1阶段时，反应时间延长了0.9 s以上。风速和湿度对反应能力的影响较小，矿工的反应时间在2～4 s之间，最长达到3.8 s。

2.3.2 臂 力

臂力是指臂部肌肉收缩紧绷产生的力量。当作业环境温度过高时，肌肉细胞中水分减少及电解质平衡的破坏都会影响肌肉的收缩能力及新陈代谢的能力，影响胳膊的操纵行为与体力行为[16]。图15中，人体的体力随温度和湿度的增加呈下降趋势，装载3 t矿车1车次所需要的时间越来越长，尤其是温度达到35℃，体力消耗过大。矿工装载1车矿石消耗的时间在19～43 s之间波动。

3 结论

（1）根据现场测量不同环境温度湿度及风速的情况下，矿工的核心温度、皮肤温度、心率、血压、出汗量、新陈代谢率、热感觉、湿感觉、主观疲劳度、反应能力和臂力等指标，获得各指标在不同环境下的变化规律。

（2）生理指标方面，环境温度湿度的上升与各指标的升高成正比，风速的增加与各指标的升高成反比。心率和血压受温度的影响较为明显，出汗量受温度和湿度的影响较大，新陈代谢率的变化趋势与人体核心温度和皮肤温度变化趋势接近。

（3）心理指标方面，热感觉受环境温度影响，湿感觉受湿度影响，环境越恶劣，热湿感觉越明显。疲劳度受环境温度和湿度的双重影响，随着温度和湿度的升高，疲劳症状出现的越来越多。风速对人体心理影响较小，主观变化不明显。

（4）行为指标方面，反应力和臂力都随着环境温度和湿度的增加呈下降趋势，且温度越高，反应时间和铲装矿石所需时间越多。

（5）环境温度27℃以下且湿度60%～70%，可通过排汗降低人体温度，热湿感觉舒适，各机能指标正常。温度31℃以上且湿度70%～80%，矿工的核心温度超过38℃，血压达到临界高血压，热湿感觉变化明显。温度35℃以上且湿度80%～90%，矿工的身体机能指标出现一系列不适症状，血压和心率接近正常范围的最大值，出汗量急剧增加，安全度降低。