高温高湿环境下风速对矿工安全工作极限时间的影响

王建国，盖金梦，王经伟

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

随着煤矿开采深度的增加，矿井围岩、井下水、机械设备等热源散发的热量使得井下环境温度升高，空气湿度加大，逐渐形成高温高湿恶劣环境[1-3]。工人长期在这样的环境中工作，不仅会对身体健康产生危害，还会影响其工作状态和生产效率，甚至可能引发生产安全事故[4-5]。风速是影响矿井环境条件与矿工劳动效率的主要因素之一，合理的风速可以明显的改变人体散热效果，进而影响矿工热感觉和安全工作极限时间值[6-9]。聂兴信[10]等选取高温金属矿井不同中段的5 个作业点，通过测量及数据分析得到热湿环境下人体各机能参数的变化趋势，得到了矿工作业环境的舒适范围。综合现有文献资料发现，众多学者对矿工热生理参数、热应激现象、作业环境舒适范围等进行了研究，但鲜见考虑风速对于矿工作业生理极限以及安全工作极限时间的影响研究。鉴于此，通过模拟矿工在湿热环境下作业，研究风速对矿工安全工作极限时间的影响规律，以期为高温高湿矿井制定科学合理的矿工工作计划，提高矿工劳动效率和保障矿工职业安全健康提供有效的理论支撑。

1 实验研究

1.1 实验方案

实验地点为西安科技大学人工微气候实验室，实验中所需的环境参数均可进行精密控制，其中可调控的实验风速范围为0.1～5 m/s，温度范围为-10～60 ℃，湿度范围为20%～100%，整个室内气流均匀。

1）实验工况设置。实验变量包括风速、温度、相对湿度3 个因素。根据《煤矿安全规程》中关于掘进工作面岩巷、半煤岩巷及煤巷风速的规定，以及关于采掘工作面、机电设备硐室空气温度的规定，设置4组风速为：静风（风速＜0.2 m/s）、低速风（1 m/s）、中速风（2.5 m/s）、高速风（4 m/s）；3 组温度为：26、30、34 ℃；2 组相对湿度为：70%、90%。将上述变量进行组合，共得到24 种环境工况。

2）劳动强度设置。劳动强度根据平均耗能值大小可分为轻级、中等、重和很重4 种。我国井下的矿工工种较多，体力消耗值大小跨度较大，因此本实验假设矿工为中等劳动强度的体力消耗，并在跑步机上以3.5 km/h 的速度运动代替实现。受试人员统一穿着煤矿工作服，服装热阻约为0.125（m2·K）/W。

3）生理参数选择及其测试方法。采用型号为Equivital-02 的动态生命体征监测系统生理仪实时记录心率值，具体值取测试时间点附近2 min 内的波形稳定段平均值；利用直肠温度计测量人体核心温度值。

1.2 实验对象及流程

依据我国矿工整体构成比例，共选取出5 名不同年龄段的具有井下作业经验的矿工作为受试人员，要求无高血压、心脏病等疾病史，无长期酗酒、抽烟等不良生活习惯。同时告知受试人员实验大致流程及相关要求，避免发生饮酒、熬夜等影响生理状态的临时活动。

实验人员设置调整舱内的风速、温度、湿度等相关模拟环境指标，查看实验仪器的工作状态。受试人员静坐调整20 min 后更换着装，并配合实验人员在其身体相应处布置检测装置。实验正式开始的时刻记为实验的0 min 时刻，实验人员测量受试人员初始状态，作好记录。然后，受试人员开始模拟规定劳动强度的运动，每隔10 min 测量1 次相关生理指标。

1.3 实验终止条件

生理安全极限是指判断人体能否继续劳动的一系列生理指标临界值，当到达临界值时，矿工身心健康就有可能受到潜在影响，此时劳动应该终止。实验的终止条件选用美国工业安全会议（ACGIH）所定义的生理临界值，即人体在矿井热环境工作时，将心率和核心温度到达生理临界值的时间作为安全工作极限时间。评价指标：心率＞180 次/min，核心温度＞38.5 ℃，受试人员出现头晕、眼花，抱怨并请求暂停时，实验终止。因受试人员在120 min 内出现表中所述反应，故实验最大时长为120 min。

2 矿工安全工作极限时间的确定

在实验过程中，考虑到生理指标采用分时段测量法，其测量前可能已经超过生理上限推荐值，故应用插值法计算此类情况下的矿工安全工作极限时间。式（1）和式（2）分别为基于心率值和核心温度值的插值法计算安全工作极限时间公式：

式中：T2、T2′分别为心率、核心温度达到安全上限推荐值的测量时间，min；T1、T1′分别为T2、T2′前1次的测量时间，min；HR1、HR2分别为T1′、T2′时刻测量的心率值，次/min；Tsafe1、Tsafe2分别为以心率、核心温度上限为标准得到的安全工作极限时间，min；CT1、CT2分别为T1、T2时刻测量的核心温度值，℃。

根据上述公式，通过分析实验数据，得到5 名受试人员在24 种工况条件下的安全工作极限时间，矿工安全工作极限时间见表1。

表1 矿工安全工作极限时间Table 1 Miners’safe working limit time

3 风速对安全工作极限时间的影响程度分析

3.1 Cox 回归分析

根据5 位受试人员在各工况下的安全工作极限时间值，利用Cox 回归分析法研究风速、温度、相对湿度3 个因素对安全工作极限时间的影响程度及规律，Cox 回归分析结果见表2。表中B 为各协变量的回归系数；SE 为回归分析的标准误差；Wald 为Wald统计量；Exp（B）为排除了其他协变量影响后某特定协变量导致的危险度。

表2 Cox 回归分析结果Table 2 Cox regression analysis results

B 的绝对值与该协变量对生存时间的影响程度呈正相关关系。风速、温度和相对湿度均对生存时间有显著影响，其中风速为保护因素，温度和相对湿度为危险因素。根据各协变量B 值的绝对值大小可知，各因素对安全工作极限时间的影响程度顺序为：温度＞风速＞相对湿度。风速的Exp（B）为0.816，表明在调整其余协变量后，风速每增加1 m/s，危险率将减少18.4%；温度的Exp（B）为1.68，表明在调整其余协变量后，温度每增加1 ℃，危险率将增加68%；相对湿度的Exp（B）为1.047，表明在调整其余协变量后，相对湿度每增加1%，危险率将增加4.7%。

3.2 生存函数分析

生存函数是一个概率函数，生存函数分析图则是以生存函数为纵坐标，生存时间为横坐标绘制的曲线图，它可以直观地反映对象生存发展的规律情况。将风速这一协变量进行分类化处理，得到的受试人员在4 种风速下的生存函数分析如图1。

图1 不同风速类型的生存函数分析Fig.1 Survival function analysis of different wind velocity types

前20 min 内，受试人员的生存率保持在100%不变，说明在这段时间内受试人员始终处于安全状态，风速变化对其生存率影响几乎为零。20 min 过后，生存率开始呈下降趋势。由于实验最大时长为120 min，所以生存率在120 min 时出现断崖式跌落，跌落至0。4 种风速类型中，生存率下降速率由大到小分别为：静风＞低速风＞中速风＞高速风，其中低速风条件下的下降速率显著大于静风条件，中速风和高速风条件下的下降速率又显著大于低速风条件，中速风和高速风条件下的生存率下降速率差异较小，结果基本吻合，这说明风速对于矿工安全工作极限时间是有一定影响的，提高风速可有效提高安全工作极限时间值，但当风速达到2.5 m/s 时，风速对其作用效果则减弱，产生的影响也微乎其微。

3.3 安全工作极限时间推荐值

在综合考虑风速、温度、相对湿度的基础上，将5 名受试人员在各工况下的安全工作极限时间取平均值，并给出关于风致效应、温致效应和湿致效应三者耦合作用下的安全工作极限时间推荐值见表3。

表3 安全工作极限时间推荐值Table 3 Recommended values of safe working limit time

4 结 语

风速对于矿工安全工作极限时间的影响程度大于相对湿度而小于温度。4 种风速类型中，生存率下降速率由大到小分别为：静风（＜0.2 m/s）＞低速风（1 m/s）＞中速风（2.5 m/s）＞高速风（4 m/s），增大风速可有效提高安全工作极限时间值，但当风速达到2.5 m/s 时，作用效果不明显。通过计算安全工作极限时间，给出了关于风致效应、温致效应和湿致效应三者耦合作用下的安全工作极限时间推荐值。