深井开采个体防护降温服试验研究

2021-09-10王春光

黄金 2021年1期

关键词：温度

王春光

摘要：个体防护是深井开采研究的重要技术之一。通过对个体防护原理、冷却介质、相变材料、PCM降温服吸热机制的系统分析，研发了深井开采个体防护降温服，并开展了实用性试验研究。结果表明：穿着降温服受试者的核心温度、皮肤温度、心率均较不穿降温服者低，体感温度下降3 ℃～5 ℃，且工作效率显著提高;相变温度为20 ℃的降温服降温效果与持续时间最佳。

关键词：深井开采;个体防护;降温服;相变材料;温度

引言

高温热害一直是困扰中国深井矿山开采的重要因素之一[1]。招金矿业股份有限公司夏甸金矿（下称“夏甸金矿”）井下开采深度已达到1 000多m，属于典型的深井矿山。近年来，为解决高温热害对夏甸金矿深部开采的制约，矿山联合科研单位重点研究了矿井降温中的个体防护技术[2]。个体防护技术的目的是实现个体保护。在井下某些气候条件比较恶劣的作业地点，不宜采取机械制冷等其他降温手段时，可给井下作业人员配备个体防护装备[3]。个体防护装备的作用是防止井下环境温度过高时，对身体的辐射与对流传热，使人体能够把自身劳动和新陈代谢产生的热量传递给防护装备中的冷却介质，维持机体内部的热平衡[4]。

本文主要对深井开采个体防护装备——降温服开展研究，系统分析了个体防护原理、冷却介质、相变材料（Phase change materials，PCM）、PCM降温服吸热机制[5-6]及一般性要求，并开展了实用性[7]试验研究。

1 个体防护技术

1.1 个体防护原理

个体防护原理是在高温环境下，作业人员身着降温服，即用高效隔热材料将人体包裹起来，在人体四周形成一个微气候区[8]（见图1），与周围的高温环境隔离开。在微气候区内，依靠直接或间接提供的冷量，吸收人体新陈代謝和劳动产生的热量，从而维持人体的热平衡。

1.2 冷却介质

降温服较好的冷却介质包括Na2SO4·nH2O、纯净水（冰）和5 %NaCl溶液[9]，其热物理参数见表1。

根据使用情况，以冰作为冷却介质的降温服效果较好，同时质量也最为可靠，但维持时间较短，大约30 min（5 kg冰）。综合考虑，使用以Na2SO4·10H2O为主要成分的相变材料作为冷却介质，进而开展进一步的分析和研究。

1.3 相变材料

相变材料是利用相变潜热来储能和放能的材料。本文所选用的相变材料具有以下性质：①较高的相变潜热，单位质量或单位体积的相变潜热都足够大;②低碳环保，环境温度低于相变温度时可自动凝固，节能减排;③合适的相变温度;④化学和物理性能稳定，材料无毒、无腐蚀性、成本低;⑤相变过程完全可逆，过冷或过热现象少;⑥适宜的热传导系数，可较快地吸收和释放热量;⑦体积变化小。

1.4 PCM降温服吸热机制

PCM降温服吸热是依靠相变材料的熔点温度与外界环境温度的高低差实现的。通过热传递的能量转移模式，使处于高温环境中小范围内的空气能量转移到低熔点相变材料中，宏观体现为相变材料吸热融化为液体，周围环境热量被吸收，环境温度降低，从而达到降温的目的。

1.5 降温服一般性要求

矿工穿着的降温服，必须满足降温及便于工作等方面的要求[10] ，主要涉及能源供应、工作方式、冷却能力、持续时间及穿着舒适度等问题。由于井下空间有限，作业人员要进行频繁的生产活动，带有“尾巴”压气管或冷水管的降温服很不方便。也就是说，适合井下作业的降温服要自带能源或冷源，而无需外界供给。此外，降温服工作时，不应产生有毒、有害及易燃易爆的物质。由于降温服需贴身穿着，要防止皮肤受冻或局部过冷。

2 降温服实用性试验

2.1 设备及材料

红外耳式体温计、Smartex智能可穿戴生理监测服、风速风量计、测距仪、温湿度计及红外测温仪。

降温服为马甲式，配以不同相变温度的相变材料，即冰袋。4个单冰袋连接在一起形成一个整体的降温单元，每件降温服有4个降温单元，16个冰袋，分别为前胸左右侧各放置1个降温单元，后背放置2个降温单元。单个冰袋相关参数见表2。

2.2 试验方法

将降温服应用于井下作业人员，通过高温、高湿的作业环境验证降温服的吸热降温性能[11]。

受试者选用铲运机和台车2组不同工种的井下作业人员，每组5人。经过初步筛选，选定在夏甸金矿井下-780 m中段、-820 m中段、-860 m中段、-1 020 m中段进行分组试验，选定的4个工作面工作环境温差在3 ℃左右，湿度均为100 %，在2 d内测量同一受试者穿着降温服与不穿降温服时的核心温度（耳膜温度）、皮肤温度、心率、汗液蒸发量、作业效率等参数[12]，分析适合井下作业并能达到最佳降温效果的最佳相变温度的降温服[13]。

2.3 试验结果与讨论

通过测量受试者的核心温度、皮肤温度、心率等生理参数，来评价降温服实际的热调节性能。

2.3.1 核心温度

对受试者穿着与不穿降温服时的核心温度进行测量，结果见表3。

由表3可知：当受试者穿着降温服时，其核心温度较不穿降温服明显降低。穿着降温服时，随着环境温度的升高，受试者的核心温度略有升高。由于相变温度为16 ℃的降温服相变温度与环境温度相差较大，降温效果较明显，但其融化也较快，因此在3 h左右其降温效果持续降低，直至失去降温效果;相变温度为24 ℃的降温服相变温度与环境温度相差较小，吸热能力较弱，但其降温效果持续时间较长。综合考虑，相变温度为20 ℃的降温服降温效果较好，且持续时间在可接受范围内。

2.3.2 皮肤温度

皮肤温度通过将带有热敏电阻的温度传感片粘贴于皮肤表面测得，或通过非接触式红外热像仪测得。皮肤平均温度一般通过几个部位的皮肤温度加权平均值[14]获得，每个部位的权重与该部位的表面积占整个人体表面积的比例有关。测量并计算得到的受试者皮肤平均温度见表4。

由表4可知：当受试者不穿降温服时的皮肤平均温度较高，并随着环境温度的升高而不断升高。当受试者穿着相变温度为16 ℃、20 ℃、24 ℃的降温服时，其皮肤平均温度较不穿降温服明显降低。考虑到不

同相变温度降温服的降温效果与持续时间，确定降温服相变温度为20 ℃时的效果最佳。

2.3.3 心率

心率能反映人体遭受的热应激程度。Moran等学者在1998年定义了一个PSI指标来表征高温下人体热应激[11]。该指标以心率和核心温度来量化，其公式为：

PSI指标对应的热应激见表5。0级表示无热应激，10级表示强烈的热应激。经计算，受试者的PSI指标见表6。

由表6可知：穿着降温服较不穿降温服可明显降低人体热应激。当相变温度为16 ℃时，人体热应激较低，但其持续能力较低，4 h时基本失去降温效果;当相变温度为24 ℃时，与环境温度相差较小，人体热应激较高;当相变温度为20 ℃时，其降温效果与持续能力可以达到一个平衡点，效果较理想。

2.3.4 工作效率

从工作效果上看，受试者作业效率明显提高。在同样作业环境下，铲运机工在相同作业时间内的铲运量明显增加，约增加一个工作面的作业量，即增加礦量80～100 t;每班有效作业时长增加约45 min。台车工工作效率同样提高，在无其他参数（除去设备本身、供风、供水等）影响下，1台台车每班约增加一个工作面的作业量;每班作业时长增加1 h以上，大幅度提高了台车单班作业效率与设备利用率。

此外，受试者均表示，穿戴降温服后身体感觉凉快，体感温度下降3 ℃～5 ℃。

3 结语

降温服作为井下高温环境个体防护装备具有实际作用，有益于作业人员作业效率和身心健康;不同环境温度应当选择不同相变温度的相变材料，低相变温度的相变材料，更适合于相对“低温”的作业环境，过高的温差严重制约降温服作业时长。降温服能够在高温环境下稳定可靠作业，对直接暴露在高温环境下的作业人员起到降温防护的作用。通过对机体降温，使得人体体感温度降低3 ℃～5 ℃，提高了作业人员作业效率及单班作业量与作业时长，提升了铲运机和台车等设备的利用率，对井下采场循环周期、生产接续与出矿总量有着积极的作用。但是，降温服的降温效果有限，作用时长较短。在下一步的研究中将根据降温服存在的短板，从相变温度、作用时长、相变材料凝固时长、降温服总质量等多方面进行不断优化。

[参考文献]

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