Тепловой режим в подземных выработках характеризуется совокупностью термодинамических параметров воздуха, окружающего массива, горной массы, машин и людей. Основными термодинамическими параметрами для количественной оценки теплового режима шахт и рудников являются температура, энтальпия, влагосодержание, а также изменение этих параметров в течение года.
В конечном итоге тепловой режим шахт и рудников определяется температурой, влагосодержанием рудничного воздуха и скоростью его движения в подземных выработках. Как показывает практика, в настоящее время при глубинах подземных разработок свыше 900-1000 м искусственное охлаждение и осушение рудничного воздуха практически неизбежно. В условиях же разработки многолетнемер-злых пород, наоборот, необходимо подогревать рудничный воздух.
Таким образом, как в одном, так и другом случаях возникает необходимость регулирования теплового режима в подземных выработках.
Тепловой режим в подземных выработках должен обеспечивать комфортные условия труда человека, при которых бы он отдавал в окружающую среду столько тепла, сколько выделяется в его организме. В том случае, когда теплопотери человека больше, чем количество тепла, вырабатываемого в его организме, ему холодно, и наоборот. Следовательно, температура воздуха, его влажность и скорость в подземных выработках должны быть такими, при которых бы существовало равновесие между теплом, вырабатываемым в организме человека, и теплом, отдаваемым им в окружающую среду.
В организме человека в спокойном состоянии вырабатывается энергии около 320 кДж/ч (~90 Вт), при физической нагрузке средней напряженности — около 800 кДж/ч (~220 Вт) и при тяжелой физической нагрузке — до 1600 кДж/ч (~440 Вт).
Теплоотвод от человека через дыхание составляет 10%, а теплоотвод через кожу — 90% общего. Теплоотвод через кожу происходит путем лучеиспускания, конвекции и испарения пота.
Если температура воздуха выше температуры тела человека, то вдыхаемый воздух охлаждается в организме, отдавая ему часть своего тепла, и наоборот. В первом случае, дыхание затрудняет теплообмен между человеком и окружающей средой. Во втором случае, особенно при температуре воздуха ниже допустимой, может наступить переохлаждение организма.
Теплообмен организма человека с окружающей средой путем лучеискускания может происходить только в том случае, если температура стенок выработки ниже температуры его кожи, то есть 307-309 К (34-36°С). В противном случае лучеиспускание противодействует теплообмену. При температуре стенок выработки 293 К (20°С) путем лучеиспускания организм человека теряет около 120 кДж/ч (-33 Вт), а при температуре 313 К (40°С) получает около 40-60 кДж/ч (11-15 Вт).
Удельный тепловой поток, отдаваемый кожей человека в окружающую среду конвекцией, пропорционален скорости движения воздуха и разности между его температурой и температурой кожи человека. Из этого следует, что для обеспечения теплообмена конвекцией необходимо регулировать температуру и скорость движения рудничного воздуха.
Равнозначным в количественном отношении с теплообменом конвекцией является отвод тепла из организма человека путем потовыделения. При выделении человеком 1 кг пота он теряет около 2260 кДж тепла и 8 г соли.
Потовыделение происходит только в том случае, когда влажность воздуха не выше влажности насыщения. В противном случае теплообмен путем потовыделения прекращается. Из этого следует, что регулирование влажности шахтного воздуха является одним из основных каналов управления тепловым режимом в подземных выработках.
Тепловой режим в подземных выработках должен поддерживаться таким, чтобы обеспечивался нормальный теплообмен организма человека в окружающей средой по всем четырем каналам: дыханием, лучеиспусканием, конвекцией и потовыделением. Канал теплообмена дыханием реализуется, когда температура воздуха ниже 310К (37°С). Канал теплообмена лучеиспусканием — когда температура стенок выработок ниже 307К (34°С). Так как температура воздуха в выработке на 2-3 градуса ниже температуры стенок, то температура шахтного воздуха по условиям теплообмена лучеиспусканием должна быть ниже 304-305 К (31÷32°С).
Канал теплообмена конвекцией реализуется, когда имеется движение воздуха в подземных выработках.
Канал теплообмена потовыделением реализуется, когда влажность воздуха в выработках ниже влажности насыщения.
Если закрыты все четыре канала теплообмена человека с окружающей средой в течении длительного времени, то наступает тепловая смерть.
Как показывает практика, комфортные условия труда по тепловому режиму при средней физической нагрузке на организм человека имеют место в том случае, когда температура, относительная влажность и скорость движения воздуха в подземных выработках соответственно равны 298К (25°С), 80-90% и 4 м/с. Если, например, температура воздуха будет 301К (28°С), то при прежних остальных его параметрах к концу семичасовой рабочей смены температура тела человека поднимется до 300,1К (37,1°С). Таким образом, регулирование теплообмена через вышеуказанные каналы необходимо осуществлять путем изменения температуры, влажности и скорости движения воздуха в подземных выработках.
Без регулирования рудничного микроклимата возможности сбалансирования количества вырабатываемого в организме человека тепла Qч с теплом Qт, отдаваемым им во внешнюю среду, весьма ограничены. В какой-то степени это удается осуществить с помощью спецодежды, которая в зависимости от рудничного микроклимата может быть легкой или утепленной.
При переходе из одного рудничного микроклимата в другой терморегуляционный аппарат человека старается сбалансировать величины Qч и Qт, однако этот аппарат обладает некоторой инерционностью (10-15 мин) и поэтому резкие изменения параметров рудничного микроклимата и, в частности, температуры для организма человека весьма нежелательны.
Если Qч > Qт, то наблюдается переохлаждение организма человека, что приводит к простудным заболеваниям, а если Qт < Qч — возрастает частота его дыхания, повышается температура и при длительном сохранении этого условия возникают необратимые изменения в организме человека, приводящие к ухудшению его здоровья.