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矿井热害防治111资料

第八章 矿井热害

第一节 概述

随着采矿工业的发展,矿井开采深度逐渐增加。

综合机械化程度不断提高,地热和井下设备向井下空气散发的热量显著增加,而且矿井瓦斯、地压等问题也日趋严重,从而使井下工作环境越来越恶化.矿井通风工作面临越来越大的困难。

此外,一些地处温泉地带的矿井,虽然开采深度不大,但由于从岩石裂隙中涌出的热水以及受热水环绕与浸透的高温围岩也都能使矿内气温升高,湿度增大。

矿内高温、高湿的环境严重地影响着井下作业人员的身体健康和劳动生产效率的提高,已造成灾害—热害(Heatinghazard)。

热害逐渐成为与瓦斯、煤尘、顶板、火、水同样严重的煤矿井下自然灾害。

目前我国已有数以十计的煤矿受着热害的困扰,并日趋严峻。

普遍认为,矿井热害最终将成为确定有用矿物开采深度的主要决定性因素。

为在井下创造一个可承受的工作气候环境,往往需要昂贵的通风系统以及空调系统,为了合理设计与正确运用这两个系统,就应了解矿内各热源对井下热害所起的作用,以便采取适当的措施予以控制或缓解,保护矿工的身体健康和提高劳动生产率。

第二节矿井热源

能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源(Sourcesofheat)。

在众多的矿内热源中,有些热源所散发热量的多寡主要取决于流经该热源的风流的温度及其水蒸气分压力的,例如岩体放热和水与风流间的热湿交换就属于这种类型,一般称它们为相对热源或自然热源,另一类热源所散发的热量数并不取决于风流的温、湿度,而仅取决于它们在生产中所起的作用而定,例如机电设备的放热,所以也称它们为绝对热源或人为热源。

矿井主要热源大致分为以下几类:

一、地表大气

井下的风流是从地表流入的,因而地表大气温度、湿度与气压的日变化和季节性变化势必影响到井下。

地表大气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化,它是由地球每天接受太阳辐射热和散发的热量变化造成的。

虽然地表大气温度的日变化幅度很大,但当它流入井下时,井巷围岩将产生吸热或散热作用,使风温和巷壁温度达到平衡,井下空气温度变化的幅度就逐渐地衰减。

因此,在采掘工作面上,基本上觉察不到风温的日变化情况。

当地表大气温度突然发生了持续多天甚至数星期的变化时,这种变化还是能在采掘工作面上觉察到的。

地表大气的温度与湿度的季节性变化对井下气候的影响要比日变化深远得多。

研究表明,在给定风量的条件下,气候各参量的日与季节性变化的衰减率均和其流经的井巷距离成正比,和井巷的横断面成反比。

地面空气温度直接影响矿内空气温度。

尤其对浅井,影响就更为显著。

地面空气温度发生着年变化、季节变化和昼夜变化。

地面空气温度的变化对于每一天都是随机的,但遵守一定的统计规律,这种规律可以近似地以正弦曲线表示,如下式所示[3]:

(8-2-1)

式中:

为地面年平均气温,℃;

为周期变化函数的初相位,

为地面气温年波动振幅(℃)它可以按照下式计算:

(8-2-2)

其中:

为最高月平均温度,

为最低月平均温度。

地面气温周期性变化,使矿井进风路线上的气温也相应地周期性变化。

但是这种随着距离进风口的距离增加而衰减,并且在时间上,井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。

二、流体的自压缩(或膨胀)

严格说来,流体的自压缩(Selfcompression)并不是一个热源,它是在地球重力场中制止物质下落的一个普遍现象,即将其位能经摩擦转换为焓(Enthalpy),所以其温升并不是由外界输入热能的结果。

由于在矿井的通风与空调(Air-conditioning)中,流体的自压缩温升对井下风流的参量具有重大的影响,故一般将它并入热源中予以讨论。

1.空气的自压缩升温的理论分析

矿井深度的变化,使空气受到的压力状态也随之而改变。

当风流沿井巷向下(或向上)流动时,空气的压力值增大(或减小)。

空气的压缩(或膨胀)会出现放热(或吸热),从而使矿井温度升高(或降低)。

由矿内空气的压缩或膨胀引起的温升变化值可按下式计算:

(8-2-3)

式中:

n为多变指数,对于等温过程,n=1,对于绝热过程,n=1.4;g为重力加速度,9.81m/s2;R为普氏气体常数,对于干空气,R=287

在绝热情况下,n=1.4,则式(8-2-3)可简化为

(8-2-4)

上式表明,井巷垂深每增加102m,空气由于绝热压缩释放的热量使其温度升高1℃;相反,当风流向上流动的时候,则又因绝热膨胀,使其温度降低。

实际上,由于矿内空气是湿空气,空气的含湿量也随着压力的变化而变化,因此热湿交换的热量有时掩盖了压缩(或膨胀)放出(或吸收)的热量,所以实际的温升值与计算值是略有差别的。

2.自压缩对风流的升温效应

如果在没有同周围介质发生热、湿交换时,每1kg流体在向下流动的高差为1000m时,其焓增为9.81kJ。

对于干空气来说,比热c=1.005kJ/kg·℃,则风流的干球温升:

℃/1000m(8-2-5)

对于湿空气来说,比热c=1.032kJ/kg·℃,则风流的干球温升:

=9.51℃/1000m(8-2-6)

可见,风流如果没有和其周围介质进行热、湿交换时,每垂直向下流动100m,其温升约为1℃,则千米井筒里流动的风流的自压缩温升可达10℃。

好在煤矿的井巷并不是完全干燥的,存在换湿过程,水分的蒸发是要消耗相当数量的热量,从而抵消部分的风流干球温升,使风流实际的干球温升值没有像上面计算的那么大。

但是水分的蒸发会使风流含湿量增大,对井下的气候条件也是不利的。

在进风井筒里,风流的自压缩是最主要的热源,且往往是唯一有意义的热源,在其它的倾斜井巷里,特别是在回采工作面上,风流的自压缩仅是诸多热源之一,且一般是个不太重要的热源。

风流的自压缩是无法消除的,对于像南非那样的近4000m的特深金矿来说,其危害更为突出,在无热、湿交换的井筒里,其井底车场里风流的干球温升可达40℃,焓增达40kJ/kg。

如进风量为200m3/s,则意味着其热量可达10MW,这是一个相当巨大的热源,而且进风量越大,其热量的总增量也越高。

在这种情况下,增大风量已不是一个降低井下风温的有效措施,反而成为负担。

由于流动于井下的风、水及压缩空气是带走井内热量的唯一手段,而到达采掘工作面的风、水温度受限于法定的矿内卫生标准,因而自压缩引起的焓增势必缩小了风、水带走井下热量的能力。

风流在沿着倾斜或垂直井巷向上流动时,因膨胀而使其焓值有所减少,风温也将下降,其数值和向下流动时是相同的,不过符号相反而己。

三、围岩散热

当流经井巷风流的温度不同于初始岩温时,就要产生换热,即使是在不太深的矿井里,初始岩温也要比风温高,因而热流往往是从围岩传给风流,在深矿井里,这种热流是很大的,甚至于超过其它热源的热流量之和。

围岩向井巷传热的途径有二:

一是借热传导自岩体深处向井巷传热,二是经裂隙水借对流将热传给井巷。

井下未被扰动的岩石的温度(原始岩温)是随着与地表的距离加大而上升的,其温度的变化是由自围岩径向向外的热流造成的。

原始岩温(Virginrocktemperature)的具体数值决定于地温梯度(Geothermalgradient)与埋藏深度。

在大多数情况下,围岩主要以传导方式将热传给巷壁,当岩体裂隙水向外渗流时则存在着对流传热。

在井下,井巷围岩里的传导传热是个不稳定的传热过程,即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下,由于岩体本身就是热源,所以自围岩深处向外传导的热量值也随时间而变化。

随着时间的推移,被冷却的岩体逐渐扩大,因而需要从围岩的更深处将热量传递出来。

由于地质和生产上的原因,围岩向风流的传热是一个非常复杂的过程,计算也非常烦琐,不同的学者提出了不同的计算方法,为了使理论计算成为可能,一般要进行下列假设[1]:

(1)井巷的围岩是均质且各向同性的。

(2)在分析开始时,岩石温度是均一的,且等于该处岩石的原始岩温。

(3)巷道的横断面积是圆形的,且热流流向均为径向。

(4)在整条巷道壁面,换热条件是一样的;在其周长上,热交换的条件也是一样的。

(5)在所分析的巷段里,空气的温度是恒定不变的。

当上述5条假设条件均能够满足时,则单位长度巷道的围岩热流量可用下式进行计算[6]:

(8-2-7)

式中:

——单位长度巷道的围岩所传递的热流量,W/m;

——为围岩的导热率,

;

——围岩的原始岩温度,℃;

——巷道壁面的温度,℃;

——考虑到巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系数,可用傅立叶数来描述:

(8-2-8)

——傅立叶数;

——巷道通风时间,s;

——巷道的半径,m;

——围岩的导温系数(热扩散系数),

(8-2-9)

为围岩的密度,

;

为围岩的比热容,

当风流的干球温度

等于巷道壁面的温度

时,则在时间

里,从巷道单位面积上传递的热流量为:

(8-2-10)

式中A——巷道表面积,m2。

则从零时刻开始累计的热量为:

(8-2-11)

此处Q为从零时刻开始累计的热量值,J。

当暴露时间不同时,从一个采场的砂岩顶板传递出来的热量值如下表:

表8-2-1从砂岩顶板传出的热流值

岩石裸露的时间(h)

热流值(W/m2)

岩石裸露的时间(h)

热流值(W/m2)

1

714

8

51.5

0.5

206

16

36.4

1

146

32

25.8

2

103

64

18.2

4

73

128

12.9

从表8-2-1中可以看出,随着岩石裸露时间的延长,从岩石单位面积上传递出来的热流值衰减的很快。

由式8-2-11可以看出,围岩传给风流的热流量与温差

成正比,与巷道裸露时间倒数的平方根

成正比,并与岩石的热物理特性的平方根

成正比。

经计算得知,如果采掘工作面回采的日进尺为1m,则新裸露出来的岩石温度几乎就等于原始岩温,所以这样的劳动环境是非常热的。

距暴露面数厘米之内,岩石冷却是非常急剧的。

因而可以认为:

如果在岩石新裸露出来的短时间里,用冷水冷却岩石表面,则能够得到很好的冷却效果。

由于岩体内的温度梯度很陡,这就意味着热阻主要是岩体本身,因而岩石表面与风流间的热阻相对较小。

实测表明,岩石裸露数星期之后,其表面温度几乎和风温相同,温差不超过1%。

四、机电设备的放热

随着机械化程度的提高,煤矿中采掘工作面机械的装机容量急剧增大。

机电设备所消耗的能量除了部分用以做有用功外,其余全部转换为热能并散发到周围的介质中去。

由于在煤矿井下,动能的变化量基本上是可以忽略不计的,所以机电设备做的有用功是将物料或液体提升到较高的水平,即增大物料或液体的位能。

而转换为热能的那部分电能,几乎全部散发到流经设备的风流中。

回采机械的放热仍是使采面气候条件恶化的主要原因之一,能使风流温度上升5~6℃。

现将煤矿井下常用的机电设备的散热情况叙述如下:

(1)通风机。

由热力学可知,通风机不做任何有用功,因而输送通风机的电动机上所有的电能均转换为热能,并散发到其周围的介质中。

所以流经通风机的风流的焓增应等于通风机输入的功率除以风流的质量流量,并直接表现为风流的温升。

由于井下通风机基本上是连续运转的,所以用不着计算其时间的利用率。

(2)提升机。

提升机主要是运送人员、材料及提升矿物、岩石的。

在运送人员时,提升机所做的净功为零;与提升的矿物、岩石量相比,下送材料的数量一般可以忽略不计,所以它的放热量也可略而不计。

提升机消耗的电能中有一部分用以对矿物、岩石做有用功(增大它们的位能),其余的则以热的形式散失。

在这些热量里,一部分是由电动机散发掉的,其余的则由绳索等以摩擦热的形式散发到周围的介质中去。

这种转换为热能的比重则取决于提升机的运行机制。

(3)照明灯。

所有输送到井下照明灯用的电能均转换为了热能,并散发到周围介质中去。

井下灯具是连续地工作的,所以它们散发的热量值是一个定值。

(4)水泵。

在输给水泵的电能中,只有一小部分是消耗在电动机及水泵的轴承等摩擦损失上,并以热的形式传给风流,余下的绝大部分是用于提高水的位能。

当水向下流动时,一小部分电能用以提高水温,这个温升取决于进水的温度。

当进水温度为30℃时,水压每增1Mpa,水温约上升0.022℃,水温低于3℃时,温升可忽略不计。

不论何种机电设备,其散给空气的热量一般情况均可用下面的通式进行计算:

,J/s(8-2-12)

式中N—机电设备的功率,W;

K—机电设备的时间利用系数;

—机电设备效率,%;当机电设备处于水平巷道做功时,

=0。

五、运输中煤炭及矸石的散热

运输中的煤炭以及矸石的散热量,实质上是围岩散热的另一种表现形式,其中以在连续式输送机上的煤炭的散热量最大,致使其周围风流的温度上升。

实测表明,在高产工作面的长距离运输巷道里,煤岩散热量可达230kW或更高一些。

煤炭及矸石在运输过程中的散热量可用下式进行计算:

,kW(8-2-13)

式中:

—运输中煤炭及矸石的散热量,kW;

—运输中煤炭及矸石的量,kg/s;

—运输中煤炭及矸石的平均比热,在一般情况下,

≈1.25kJ/kg·℃;

—运输中煤炭及矸石在所考察的巷段里被冷却的温度值,℃。

在大量运输的情况下,一般可用下式近似计算

,℃(8-2-14)

式中:

—运输巷段的长度,m;

—运输中煤炭及矸石在所考察的巷段始端的平均温度,一般取

较该采面的原始岩温低4~8℃;

—在所考察的巷段里,风流的平均湿球温度,℃。

另外,由于洒水抑尘,致使输送机上的煤炭及矸石总是潮湿的,所以在其显热交换的同时总伴随着潜热交换。

在大型的现代化采区的测试表明,风流的显热增量仅为风流的总得热量的15%~20%,而由于风流中水蒸气含量增大引起的潜热交换量约占风流的总得热量80%~90%,即运输煤炭及矸石所散发出来的热量中,由于煤炭及矸石中的水分蒸发散热量在风流总得热量中所占比重很大。

由以上结果,可以用下式计算运输中煤炭及矸石的散热致使风流干球温升及含湿量增大:

(8-2-15)

(8-2-16)

式中:

—运输中煤炭及矸石散热引起的风流干球温升,℃;

—运输中煤炭及矸石散热引起的风流含湿量的增量,kg/kg;

—水的汽化潜热,kJ/kg,γ=2500kJ/kg。

六、热水的散热

对于大量涌水的矿井,涌水可能使井下气候条件变得异常恶劣,我国湖南的711铀矿和江苏的韦岗铁矿就曾因井下涌出大量热水,迫使采矿作业无法安全、持续地进行,经采用超前疏干后,生产才得以恢复,因而在有热水涌出的矿井里,应根据具体的情况,采取超前疏干、阻堵、疏导等措施,最低限度也得采用加盖板水沟将它导走,切勿让它在井巷里漫流。

在一般情况下,涌水的水温是比较稳定的,在岩溶地区,涌水的温度一般同该地初始岩温相差不大,例如在广西合山里兰煤矿,其顶底板均为石灰岩,其煤层顶板的涌水量较当地初始岩温低l~2℃;底板涌水温度约较当地初始岩温高1~2℃。

如果涌水是来自或流经地质异常地带的话,水温可能甚高,甚至可达80-90℃。

七.其他热源

1.氧化放热

煤炭的氧化放热(Oxidizingheat)是一个相当复杂的问题,很难将煤矿井下氧化放热量同井巷围岩的散热量区分开来。

实测表明,在正常情况下,一个回采工作面的煤炭氧化放热量很少能超过30kW,所以不会对采面的气候条件产生显著的影响。

但是当煤层或其顶板中含有大量的硫化铁时,其氧化放热量可能达到相当可观的程度。

当井下发生火灾时,根据火势的强弱及范围的大小,可能形成大小不等的热源,但它一般只是个短期现象,在隐蔽的火区附近,则有可能使局部岩温上升。

2.人员放热

井下工作人员的放热量主要取决于他们所从事工作的繁重程度以及持续工作的时间,一般煤矿工作人员的能量代谢产生热量为:

休息时每人的散热量为90~115W;轻度体力劳动时每人的散热量为250W;中等体力劳动时每人的散热量为275W;繁重体力劳动时(短时间内)每人的散热量为470W。

虽然可以根据在一个工作地点工作的人员数及其劳动强度、持续时间计算出他们总放热量,但其量很小,一般不会对井下的气候条件产生显著的影响,所以可忽略不计。

3.风动机具

压缩空气在膨胀时,除了做有用功外还有些冷却作用,加上压缩空气的含湿量比较低,所以也能对工作地点补充一些较新鲜的空气,但是压缩空气入井时的温度普遍较高,且在煤矿中用量也较少,所以可忽略不计。

此外如岩层的移动,炸药的爆炸都有可能产生出一定数量的热量,但它们的作用时间一般很短,所以也不会对井下气候条件产生显著的影响,故忽略不计。

第三节矿山热环境

一、人体与矿内热环境的关系

井下作业不仅是一项高耗能作业,而且其危险性很大。

如果井下温度很高,不仅影响高温作业中的工人的身体健康,降低劳动生产效率,而且威胁到井下的安全生产。

研究人体与热环境(Hotenvironmental)的关系有利于采取适当的措施以保护矿工的身体健康和提高劳动生产率。

它包括人体热平衡和舒适感、人体的散热、矿内热环境对人的影响三部分。

1.矿井热环境对工人身体健康的影响

高温高湿的气候环境不仅会使人感到不舒适,产生过高的热应力破坏人体的热平衡,甚至会使人体的温度调节失调,导致中暑;而且会使人的心理、生理反应失常,从而降低劳动生产率,增大事故率。

因此研究生产环境的热应力与人体的热应变,进而减少热环境对人体的不良影响与危害,以及对生产的不利影响便成为矿井通风安全的主要任务之一。

(1)人体产热量及热平衡

研究热环境条件对人体的生理作用,首先要建立人体热平衡的数学模型。

模型表达式如下:

(8-3-1)

式中:

Q—热平衡值,W;M—新陈代谢产热量,W;R—辐射散热量,W;C—对流放热量,W;E—人体汗液蒸发的散热量,W;H—人对外界所做的功,W;G—人体导热的换热量,W。

Q值为负值时表示人体散热量大于能量代谢产热量,Q值为正值时表示人体处于受热状态,即蓄热状态。

在高温环境中劳动,人体往往处于蓄热状态。

当蓄热量超过一定限度时,体温就明显升高。

新陈代谢产热量主要与体力劳动强度成正比,而它的生理作用是决定于总的热应力。

人体的热负荷若不能通过各种方式散发出去,就会聚积在体内,使体温升高,如果升高值不超过正常生理变动范围(正常人体温为36.5~37.5℃,最高为38℃),尚可不致发生热代谢失调,一旦脱离高温地点,便可迅速恢复;如果体内积热超过一定期限,体温升高到38℃以上,可能导致体温调节机能失常,甚至出现热病。

因此,人体的总产热量与人体的总散热量之间要保持相互平衡,以保证体温恒定在正常范围之内。

工人在从事体力劳动时,能量代谢产热量随劳动强度的加大而增加,必须加强散热,才能维持人体的热平衡。

2.热环境对工人生理功能的影响

高温高湿气候对矿工的影响是多方面的。

恶劣的气候条件会降低人的体力和脑力,严重时会损伤人身的健康,甚至危及生命。

人体处在热环境时,血管舒张,血流量增多,由血液带到皮肤的热量增多,皮肤的温度升高,从而增大了与环境的对流和辐射换热。

工人在高温高湿环境中劳动,根据作业环境条件及劳动强度自动调节血流量。

当劳动强度加大,耗氧量增多时,通过皮肤的血流量增多,伴随着整个血液循环增强,心率加快。

有人认为心率不超过150~200次/min为耐受上限,若再提高,可能导致因向大脑供血不足而休克,休克时大大削弱大脑的调节能力,再加上较高的能量代谢作用,可使体温升高到危险境界。

人体在下丘脑热调节中心的控制下,产热与散热处于动平衡状态,体温基本上维持在37℃左右。

在高温、高湿、繁重的体力劳动条件下,能量代谢加速,产热量增多,出汗量也随之加大,相对排汗率下降,体内热量散发不出去,积热会愈来愈多,致使热调节系统失调,动平衡遭到破坏,很可能引发热病。

如图8-3-1所示,表示了人体在热环境中的生理—病理变化,图中实线表示正常生理反应,虚线表示不良反应,说明外界环境的热作用已超过人体正常调节范围。

从图中就可以看出,环境热的增加会给人体带来种种危害健康的表现,甚至于热虚脱死亡。

人体在热环境中作业,是有可耐限度的。

可耐限度包括可以忍耐的时间和可耐温度两部分。

可耐时间是以人们在作业时,到不能忍受高温影响的时间;可耐温度是以人们不能忍耐的温度。

可耐时间(Tolerabletime)和可耐温度(Tolerabletemperature)都是以人们在温度作业环境中劳动以不出现生理危害或伤害作为极限,是一个临界标准。

可耐时间和可耐温度总称为安全限度,不可超越。

图8-3-2表示一般人们对高、低温主诉可耐时间,图中两条曲线中间的区域为主诉可耐区。

环境温度超过可耐温度,就有造成对人体伤害的可能。

一般高温对人体的影响有两种如图8-3-2中曲线1是局部性伤害(如烧伤等);2是全身性伤害。

局部性伤害主要发生在很高温度的突然暴露,首先伤害皮肤,而后由表深入到组织内部;全身性伤害的温度不一定特别

 

 

图8-3-1人在热环境中的生理—病理变化图

高,但高温暴露的时间长,体内积热过多,以致于引起种种不适症状。

人体长时间处于高温状态引起的症状有:

头晕、头痛、恶心、出虚汗、疲乏、焦虑、易激动、自持能力降低,严重者会出现虚脱、抽搐、热惊厥、中暑直至死亡。

据有的国家提供的数字,肛门温度达到40~43℃时,就会中暑。

由中暑产生的死亡率随肛门温度的升高而加大,据统计肛门温度达到40℃时,死亡率为5%,而到43℃时,死亡率高达70%。

研究资料表明,矿工在矿内进行各种劳动时,产生的热量约在175~380W之间。

其中矿工在打眼放炮时,产热量为220~260W;用铁锨装车时,为320~380W。

而矿工在平巷中正常行走时产热量为290W,在20或30度的斜巷或采面中行走时产热量为580W,而在爬行时则高达1250W。

人体产生的热量除了部分为维持生命活动所需之外,余下的则作为机械活动对外做功之用。

但由于人体的机械效率很低,多余的热量需散发到周围空气中去,不然就要危及到人体的健康,甚至是生命。

图8-3-2一般人对高、低温主诉可耐时间

我国医学科研部门曾在一些矿井,对在井下高温环境作业的矿工身体健康状况进行了调查。

调查结果表明,高温高湿的作业环境,尤其是当风温高于28℃时,矿工某些疾病的发病率明显上升。

根据1978年我国卫生部门公布的“井下工人健康状况”资料,在高温环境中作业的矿工的几种疾病所得的比例:

头晕100%;眼花58%;头痛和乏力占45%。

据1983~1990年的不完全统计,我国煤矿先后发生30人因高温中暑而晕倒在工作地点。

新汶村孙村煤矿在1984年矿井空调系统运行之前,在井下高温采掘面工作的矿工的发病率比在常温下高1.83倍,最高达3.61倍。

3.不同气候条件人体的热感觉和对人体的健康的影响

表8-3-1所示为研究得出的不同井下气候条件下劳动人员的感觉。

与劳动人员的感觉关系最密切的三个井下气候条件因素是风流温度,相对湿度和风速。

表8-3-1不同的井下气候条件下劳动人员的感觉

风温,℃

相对湿度,%

风速,m/s

矿工感觉

2128

96

<0.5

闷热

97

0.52.0

97

2.02.5

稍热

2829

97

<1.0

闷热

97

1.02.0

97

2.03.0

稍热

97

>3

凉爽

2930

97

<1.5

闷热

95

1.53.0

96

3.04.0

稍热

95

>4.0

凉爽

>30

95

>4.0

表8-3-2井下不同风流有效温度对人体的影响

有效温度(℃)

热感觉

生理学作用

肌体反应

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