基于透湿杯法分析环境因素对矿工服湿阻的影响

贾进章 王枫潇

摘要： 针对日益突出的矿井热害问题，运用透湿杯法研究环境因素对矿工服的湿阻影响。把人体-服装-环境作为一个系统，以煤矿深井这种特殊的作业环境为背景，將湿阻作为主要的评价指标，分析讨论人体处于热湿舒适性状态的最佳热环境。将实验测试与理论计算相结合，测试了矿工服的静态湿阻，并从环境温度、相对湿度、风速三个因素去分析其对矿工服的湿阻的影响。经过测试和计算，优选出了能使矿工服的透湿能力达到最大化的环境条件，即环境温度为26℃、相对湿度为60%、风速为2m/s，此条件下矿工服的湿阻值最小，矿工服内外存在较大的水汽压力差，会引起蒸发和扩散加大，可以保证人体更好的排汗散热。

关键词： 透湿杯法;热环境;矿工服;湿阻;环境因素

中图分类号： TS941.731   文献标志码： A   文章编号： 1001-7003（2019）06-0032-06    引用页码： 061106

Abstract： Currently， the problem of mine thermal damage is increasingly prominent for the underground workers. Aiming to this problem， the permeability-cup method was applied to research the effect of environmental factors on wet resistance of miners clothing. Considering the human body-clothing-environment as a system， this study took the special working environment of deep coal mine as the background， and used the wet resistance as the main evaluation index to analyze and explore the optimum thermal environment in which the human body is in the state of thermal and humid comfort. The method of combining experimental analysis with theoretical calculation was applied to test the static wet resistance of miners clothing， and the effects of the static wet resistance on miners clothing from three aspects， including environmental temperature， relative humidity， and wind speed. Through test and calculation， we screened out the environmental conditions which could maximize the permeability of miners clothing. Namely， the optimum environmental conditions are as follows： environmental temperature 26 ℃， relative humidity 60% and wind speed 2 m/s. Under the above optimum environmental conditions， the wet resistance value of miners clothing is minimum. And there is a large vapor pressure difference between the internal miners clothing and the external miners clothing. In this case， it will cause the evaporation and diffusion to increase， which can ensure that the human body perspires and dissipates heat in a better way.

Key words： permeability-cup method; thermal environment; miners clothing; wet resistance; environmental factors

井下环境直接影响到人员的生理状态和心理状态，进而又会影响到工作效率和生产安全[1]，目前中国矿井热害问题非常突出，严重影响到了矿工们的工作效率甚至威胁到了工人们的安全健康[2-4]，成为制约部分矿井安全生产的主要因素之一[5]。矿工服作为人体与环境之间热湿传递的桥梁，它的热湿传递性能对于调节热湿舒适性起着相当重要的作用[6]，所以结合环境因素研究矿工服的热舒适性具有实际意义。1923年，Houghten等[7]首次对不同温湿组合下的人体热反应进行了实验研究，探讨了空气湿度对人体热感觉的影响;Tanabe等[8]通过实验研究发现：80%相对湿度下的热舒适水平与70%相对湿度或湿度更低时不同。薛广州等[9]通过实验分析得出：针织物的湿舒适性能与面料的孔隙度、面料的厚度及面料的吸湿性关系密切;吴建松等[10]、陈益松等[11]采用暖体假人法测量分析了4个不同矿区的5套新旧程度不同的煤矿工作服，在温度为25℃、相对湿度为55%、空气风速在0.2m/s以下的热阻与湿阻;徐丹阳[12]、张文欢等[13]选用了透湿杯法和出汗热平板仪法这两种方法，在温度为37℃、相对湿度为36%的条件下对28种面料进行了湿阻测量，总结了这两种方法的优缺点。谈美兰[14]利用人工气候室研究了夏季相对湿度（40%、60%、80%）和风速（0.1、0.4、08、1.0、1.2m/s）对人体热湿舒适感的影响研究。上述学者从多个角度进行了服装的湿阻及人体舒适度研究，但目前针对高温高湿的矿井下矿工服湿阻变化规律参考值及矿工人员热舒适度的研究还比较缺乏。因此笔者在已有的研究基础上，结合矿井下高温高湿的这种特殊的作业环境，搭建不同的实验环境条件，基于环境因素这一重要影响因素去研究分析矿工工作服的湿阻变化规律，对于保障矿工们身体健康和安全高效地开展生产工作具有非常重要的意义。

1 实 验

1.1 基本原理

透湿杯法测湿阻最早用于包装用材料。该法出自于国家标准GB/T12704—1991（测定材料渗透性的标准实验方法），如图1所示，在透湿杯加入纯净水，将矿工服圆形试样覆盖在透湿杯上方，拧紧螺丝，使用玻璃胶将透湿杯外层封严，然后放在已平衡好的恒温恒湿箱里，温度、湿度等依据实验要求设定。经过3h后，测量被测织物的透湿量。

式中：Re为织物的湿阻，Pa·m2/W;Re0为外表面空气层的湿阻，Pa·m2/W;Psf为杯内水面的饱和水蒸气压，Pa;Paf为环境的饱和水蒸气压，Pa;RHs为杯内水面的相对湿度，RHs=100%;RHa为环境的相对湿度;Q0为未放置矿工服试样时水与矿工服试样下表面间距离为零时的透湿量，g/m2·h;Qf为当透湿杯内的水与矿工服试样下表面距离为零这一理想状态下的透湿量，g/m2·h;E为水的蒸发热，kJ/kg。

1.2 仪器和材料

材料：实验选取的是中煤五建三十一处白家海子煤矿下井工人的矿工服，实验中將矿工服截成直径为8cm大小厚薄程度一致的圆形试样。矿工服面料的具体规格参数为：红色纯棉材质，纬平针织物组织，厚度0.21mm，平方米质量207g/m2，纱线线密度24.8tex，纵向密度、横向密度分别为113.6根/5cm和215.2根/5cm。

仪器：1）YG 601型电脑式织物透湿仪、JA5003B型电子天平（上海精密仪器仪表有限公司）。2）YM-11透湿杯（莱州元茂仪器有限公司）。共5个，直径60mm，杯深22mm，带有橡胶圈、钢垫及螺钉等配件。3）“环球”牌实验量杯（深圳市白鳍豚生物科技有限公司）。4）数字风速计（深圳赛品仪器仪表有限公司）。风速测量范围为0.3～45m/s，精度为0001，量程为45m/s。5）“华盛昌（CEM）”数字温湿度计（深圳市源恒通科技有限公司）。温度测量范围为-40～100℃，精度为±0.2℃。相对湿度测量范围为0～100%，精度为±2%。

2 测 试

2.1 温度变化实验方案及结果

2.1.1 实验方案

将实验环境的温度分别设定为22、24、26、28、30℃和32℃，控制风速保持在1.5m/s，相对湿度为60%。具体实验步骤如下：

1）将4个透湿杯（编号为1#、2#、3#、4#）放置于环境温度为22℃，相对湿度一直保持为60%，风速一直保持为1.5m/s的条件下。用量杯向每个透湿杯中分别依次加入10、20、30mL和40mL的纯净水，然后把在大气压下调湿过的矿工服圆形试样分别放在每个透湿杯上，并用直尺测出矿工服试样离水面的距离依次记为H1、H2、H3和H4。最后用橡胶圈和钢圈压紧，拧紧螺钉之后，在每个透湿杯外边一圈缠上玻璃胶带。

2）1h后，用电子天平对每个透湿杯进行称重，为了数据的准确性，每个透湿杯测量3次，然后取平均值，并记录下不同水位下矿工服的透湿量Q。

3）其他环境条件不变，将温度分别调至为24、26、28、30℃和32℃，其他的步骤不变，分别记录下在不同的环境条件下不同水位的矿工服的透湿量Q。

4）在这6组不同的环境条件下分别做一组空白实验，即透湿杯上面不放置矿工服试样，且水位设置在离透湿杯上口距离等于压盖厚度的位置即H=4mm时，在这6组不同的环境条件下分别测出水的蒸发量，记作Q0。

5）最后根据实验得出的空气层高度H、矿工服透湿量Q和空气层透湿量Q0的数据，利用软件Origin进行非线性拟合得出拟合曲线方程，求得Qf，从而求得湿阻值Re。

2.1.2 实验结果

根据实验所得的透湿量数据，并且查阅了水的蒸发热表和温度压力对照表，代入式（1）（2）进行计算，求得每组不同环境条件下的矿工服的湿阻值，并利用Origin进行拟合得出了矿工服湿阻随着温度的变化规律，如图2所示。通过比较发现二者无显著性差异，结果较准确。

图2表明，在控制实验环境的相对湿度和风速不变的情况下，矿工服湿阻值随着温度由22℃升高到26℃呈下降趋势。分析式（1）（2）可知：在环境温度变化的过程中，能够影响湿阻值变化的变量只有Psf（杯内饱和水蒸气压）及Qf（水与矿工服式样距离为零时的透湿量），其余量的变化很小。当温度从22℃升至26℃的过程中，Psf和Qf皆呈增加趋势，这是由于温度升高会使杯内的蒸汽压增大，同时更多的水分子变为气体溢出，使得透湿量也增加。二者都将增大但增加的趋势有所不同，因为温度仅升高4℃对杯内的饱和水蒸气压的改变十分有限，在此过程中有一部分的水分子受热膨胀，分子间距增加，导致分子间的作用力从引力转变为斥力，液体表面分子脱离液体内部引力的束缚运动到上方的空中成为气态分子，气体分子溢出导致透湿量也增加;与此同时由于温度变化有限，飞出去的一部分气体分子受冷，动能减小，又“返回”液体表面，保持液体表面气压的动态平衡，所以饱和水蒸气压变化有限。相比较而言，已经透出矿工服式样表面的气体分子对透湿量的改变量更加显著，所以结合上述公式可以分析出在此阶段内湿阻值会呈下降趋势。而当温度进一步升高后，不断有气体分子转变为水分子溢出，液体表面间的动态平衡被打破，饱和水蒸气压进一步增大，其增加量超过了同时增加的透湿量，故在温度继续升高的阶段中湿阻值又呈现上升趋势。稳定扩散状态下，湿阻越小，透湿能力越显著。由图2可见，当温度为26℃时，矿工服的透湿能力是最佳的，所以以温度26℃为例进行接下来的实验。

2.2 湿度变化实验方案及结果

2.2.1 实验方案

将湿度分别设定为46%、53%、60%、75%、80%和85%，温度保持在26℃，风速为1.5m/s。具体步骤同2.1。记录下不同湿度不同水位下的矿工服的透湿量Q及6组空白实验得到的空气透湿量Q0。

2.2.2 实验结果

根据实验所得的透湿量数据，查阅水的蒸发热表和温度压力对照表，代入式（1）（2）计算得到每组不同环境条件下的矿工服的湿阻值，进而利用Origin进行二次拟合得到矿工服湿阻随着相对湿度的变化曲线，对实测值进行了验证，如图3所示。通过比较发现二者无显著性差异，结果较准确。

由图3表明，实验环境温度为26℃，风速恒定时，当环境的相对湿度由45%增大到53%，矿工服的湿阻值逐渐减小，这是由于在开始阶段，选择的温度值对应了较低的湿阻值，而相对湿度又对湿阻值的影响很小，所以湿阻值呈现缓慢下降的趋势;当相对湿度从53%增大到60%这个阶段，湿阻值减速明显增快，这是由于相对湿度进一步增加，同时环境温度及风速保持不变，使得杯内矿工服式样的透湿量进一步增大，而杯内饱和水蒸气压变化幅度很小，所以湿阻值进一步地下降;当环境相对湿度由60%增大到85%，湿阻值持续增大，且增长趋势趋于平缓，这是由于当相对湿度进一步增大时，试样的透湿量达到极大值之后便不再显著增加，与此同时随着透湿量的增加，杯内的水分子不断溢出，導致杯内的饱和水蒸气压缓缓增大，增大趋势超过了透湿量的变化率，故湿阻值又呈上升状态。当饱和水蒸气压进一步缓慢增加过程中，杯内的气压又逐渐达到平衡状态，所以湿阻值的增长趋势又放缓。由图3可见，当相对湿度为60%时湿阻值是最小的。故在接下来的实验中将以相对湿度为60%为例进行。

2.3 风速变化实验方案及结果

2.3.1 实验方案

将风速分别设定为0.5、1、1.5、2、2.5m/s和3m/s，温度为26℃，相对湿度为60%。具体步骤同2.1。记录下不同风速不同水位下的矿工服的透湿量Q，以及6组空白实验得到的空气透湿量Q0。

2.3.2 实验结果

根据实验所得的透湿量数据，通过查阅水的蒸发热表和温度压力对照表，代入式（1）（2）求得不同环境条件下矿工服的湿阻值，并利用Origin拟合得到矿工服湿阻随着相对湿度的变化规律，对实测值进行了验证，如图4所示。通过比较发现二者无显著性差异，结果较准确。

由图4可知，当实验环境温度保持在26℃，相对湿度为60%，风速由0.5m/s增大到1.5m/s时，湿阻值缓慢变大，这是由于在温度及相对湿度两个变化因素处于较低的状态下时，湿阻值较低，当风速逐渐增加时，部分液体分子被“吹干”，导致透湿量减小，此时的饱和水蒸气压处在相对平衡的状态，所以湿阻值上升;当风速在1.5～2m/s这个阶段时，湿阻值逐渐减小，这是由于风速进一步增加，使得透湿量的变化率越来越小，透湿量对湿阻值的影响逐渐降低，而此时的环境温度和相对湿度所对应条件下的湿阻值较低，所以整个体系的湿阻值又呈现下降趋势，整个体系处于近似动态平衡状态;当风速由2m/s增至3m/s时，湿阻值随着风速的变大而缓慢增大，这是由于当风速增加到较大的范围时，透湿量进一步减小，同时饱和水蒸气压几乎不发生变化，故体系的动态平衡被打破，导致湿阻值又缓慢增加。由此可见，当风速为2m/s时，湿阻值是最小的，为6.901Pa·m2/W。

2.4 结果对比分析

为了进一步验证结果的准确性，利用Excel中的“数据分析”模块对上文中三个影响湿阻值的主要因素进行数据差异显著性（双因素）分析，如表1所示。如果F（显著性检验特征值）小于F crit（显著性检验临界值）时，有P-value（显著性判断值）高于0.05，则表示两组数据无显著性差异。

根据中华人民共和国煤炭工业部颁布的《煤矿安全规程》[15]第162条中规定，整理得到在不同风速与相对湿度下的允许温度，如表2所示。查阅国家安全生产监督管理局最新颁布的《煤矿安全规程》[16]，得到关于采掘工作面的温度、风速等的相关规定，生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃;查询井巷中规定的风流速度表，了解到综合机械化采煤工作面，在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后，其最大风速可高于表2中的相关规定值，但不得超过5m/s。换言之，采掘工作面的允许风速在025～5m/s，所以根据实验得出的温度值和风速值等都在《煤矿安全规程》规定的范围内。

3 结 论

本文运用较为新颖的透湿杯法对矿工服的静态湿阻进行了研究分析，得出了以下结论：

1）对不同影响因素下矿工服式样的湿阻值进行了测试实验，将测试数据进行理论计算分析，并利用Origin软件进行了曲线拟合，分别得到了环境温度、相对湿度及风速与湿阻值变化规律的曲线方程。将实验所测得的数据进行对比分析和显著性检验，通过分析比较发现实测值与拟合值之间无显著性差异，确保结果的准确性;将所得结果归纳总结并图表化，直观地反映了温度、湿度及风速变化对矿工服湿阻的影响规律。

2）根据湿阻测试的透湿杯法，得到了人体舒适的热环境条件：环境温度为26℃、相对湿度为60%、风速为2m/s。在此环境条件下，矿工服的透湿能力是最强的，可以保证人体表面的汗水更好地排出，散热更快，从而保证矿工们更加安全、舒适地进行井下作业。

3）将基于透湿杯法实验中所用的风速、相对湿度等实验测试数据与煤矿相关安全规程内规定的范围进行比较发现，实验中各变量的取值都在煤矿相关安全规程规定的安全范围内，从侧面印证了计算分析结果的准确性。

参考文献：

[1]武强， 陈奇. 矿山环境问题诱发的环境效应研究[J]. 水文地质工程地质， 2008（5）： 81-82.

WU Qiang， CHEN Qi. An analysis of environmental effects induced by environmental problems in mines [J]. Hydrogeology & Engineering Geology， 2008（5）： 81-82.