电磁辐射对矿工身体健康的影响在国内外文献中报道很少, 为了研究井下电磁辐射对矿工身体健康的影响, 首先对矿井内的电磁辐射源进行分析, 分析了矿井内的电磁辐射环境, 然后重点讨论这些电磁辐射源对人体的生物学效应———热效应和非热效应, 并结合国内外电磁辐射作业环境有关的安全标准, 给出对井下电磁辐射的防护措施和办法。

1 矿井内主要的电磁辐射源分析 1.1 矿井供电系统

煤矿用电来自电力系统或矿区发电厂, 输出电压一般在110kV, 送到矿山变电所的电压是35kV, 然后再由矿区地面变电所用两条高压电缆, 变成6kV的高压电经井筒送到井下中央变电所, 经固定变电所与移动变电所分配给各工作面的用户。由于井下潮湿、巷道狭小、有落顶和岩石塌陷等现象, 因此对井下供电线路一般都采用专用的矿用电缆———铠装电缆、橡套电缆和塑料电缆^[1]。

高压地下电缆和变电站输送的是50Hz工频电流, 其本身不产生高频电磁辐射, 主要危害是当输送电压较高时, 在导线周围或变电站附近产生工频电场和工频磁场。尽管采用的矿用电缆大部分都是经过屏蔽处理的, 但仍会漏泄出一定能量的工频电磁场。这些低频电磁辐射能量分布在井下所有安装有电缆的巷道、车场与工作面当中。

从1988年开始, 我国国家环保局颁布了《电磁辐射防护规定》等一系列国家标准。但是目前还没有关于超高压输变电设施的工频电场、磁场强度限值标准, 所以根据《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》 (HJ/T24- 1998), 推荐以4kV/m作为居民区工频电场验收标准, 并参考国际辐射保护协会关于对公众全天辐射时的工频限值0.1mT (80A/m)作为磁感应强度的验收标准^[2]。

1.2 大型机电设备

井下的大型机电设备主要包括矿用电气设备、矿井提升设备、矿井运输设备、通风设备和采掘设备等。这些高电压、大功率的机电设备, 尤其是发动机在启停或运转过程中, 整流子与电刷之间, 相互接触部分存在着过渡间隙, 产生电弧或者火花, 在设备周围会产生脉冲性的电波, 频谱从中波一直到超短波。

1.3 井下通讯设施

目前井下用于通讯的设施主要有:井下通讯电缆、泄露电缆、井下对讲机等。但是随着通信技术的发展与煤矿信息化的普及, 井下通讯设施也由原先单一化的有线通信逐步向有线与无线通信相结合的方向过渡。例如近几年在井下安装使用的井下人员定位系统, 工作于433MHz和2.4 GHz频段。井下通讯设施产生的电磁辐射主要以高频为主。

2 矿井电磁辐射对人体产生的生物学效应

当电磁辐射作用于有机体时, 一部分能量被吸收, 另外一部分被反射。被吸收的能量大部分又将转化为分子能, 造成温度升高。电磁辐射对生物加热所产生的生理影响, 通常称为热效应。除了热效应外, 还能产生非热效应。正在试验的非热效应包括:甲状腺肿大、头痛、记忆力衰退、心率变化、性机能障碍以及行为障碍等^[3]。

致热效应学说比较合理的解释了电磁场使生物体生热的原因, 但是不能解释低强度的电磁辐射所引起的脑电、心电及血压等生理或病理的变化。最近几年的研究发现, 极低频电磁场(0 ~ 300Hz)对健康的危害已经引起学者的广泛关注, 尤其是极低频电磁场的暴露与肿瘤危险度的关系。众多的流行病学研究结果表明, 长期暴露在极低频电磁场环境中可以增加肿瘤的危险度, 尤其是白血病、脑和乳腺的肿瘤^[4]。

2.1 井下电磁辐射对人体的热效应

可以把生物体视为由电阻与电容构成的复杂结合体, 将其比喻为装满生理食盐水的大容器是极为恰当的。电介质中整个分子呈中性, 但中性分子的电荷分布是不均衡的。当然, 电介质分子的正负电荷在平时有的是重合的, 有的是不重合的。正、负电荷的中心重合时, 称为非极性分子; 正、负电荷的中心不重合时, 称为极性分子。在电场作用下, 非极性分子的正、负电荷分别朝相反的方向运动, 使分子发生了极化作用, 被极化了的分子称为偶极子。在电场作用下, 极性分子发生重新排列, 这种作用称为偶极子的取向作用。由于射频电磁场方向变化很快, 使得偶极子迅速发生取向作用(位移电流)。在取向过程中, 由于偶极子与周围分子(粒子)发生碰撞摩擦而产生大量的热。

井下工作人员是每天3班制, 即每天工作8h, 因此在井下大型机电设备附近的工作人员, 以及经常使用通讯设备的矿工, 必然会较长时间的暴露在高频电磁辐射环境中, 尽管设备的金属外壳可以屏蔽掉一些电磁辐射能量, 但是还会有一些漏泄出来, 这样的话矿工身体会产生一定量的热效应, 而且井下环境湿度很大, 不利于散热, 因此将会影响到矿工的身体健康, 应该引起重视。

2.2 井下电磁辐射对人体的非热效应

非致热效应即特殊作用, 长期在低强度电磁辐射条件下工作会出现神经衰弱及心血管系统等机能紊乱, 这提示了电磁辐射的非致热效应存在的可能性。实验显示动物的条件反射出现反应潜伏期延长、反射脱落次数增多。据报道, 相当低强度的微波辐射就能诱发耳蜗及下丘脑的电活动。脑电波也可因射频电磁波作用而出现异常波。有人认为, 这是射频电磁场作用于生物的体表感受器, 兴奋了脑干网状结构的上行系统, 最后作用于大脑皮层; 也有人认为是直接作用于脑组织的缘故。还有报道称, 人体在低强度电磁辐射作用下, 尿中酮固醇含量增高。实验研究发现血液中胆碱脂酶受抑制, 下丘脑的促肾上腺皮质激素释放活性(CRF)及垂体的ACTH活性有改变。由此认为这是下丘脑-垂体-肾上腺系统的改变及交感神经-肾上腺系统神经体液调节功能紊乱所致。虽然电磁辐射非致热效应还需要大量的理论研究与试验论证, 但是已有的观察已足够引起我们的重视。尤其极低频(0.1 ~ 300Hz)电磁场给人们的生活和工作环境带来了一定程度的电磁污染, 它直接影响着人体健康。极低频电磁场通过诱导在机体中产生电场和电流与机体组织发生相互作用, 这是目前唯一所知的电磁场的作用机制。近年来, 极低频电磁场作为生物电磁学研究的一个“热点”, 已受到国内外学者的关注, 其中多数是针对50或60Hz的工频电磁场研究。

井下供电系统是主要的低频辐射源, 而且电缆几乎分布于井下的所有巷道中, 电压从低压127V一直到高压6kV。根据国家安全标准工频电场4kV/m和工频磁场0.1mT(80A/m)来看, 由于井下巷道较窄, 矿工离电缆距离较近, 因此井下的供电系统, 尤其是6kV高压供电系统可能会对人体健康产生一定的威胁, 应该引起重视。

3 井下电磁辐射的安全防护措施

国内外大量调查研究认为, 强度较大的射频电磁场, 对人体健康会产生不利的影响。为了保护在电磁场中作业人员的健康, 推动卫生防护措施的实施, 就需要制定对人体的容许辐射限量, 即通常的作业安全标准。美国规定在10 ~ 100 000MHz频段内, 最大容许的辐射强度为6min平均不超过10mW/cm², 俄罗斯规定对30 ~ 300MHz容许的最大的电场强度为50V/m, 磁场强度为5A/m, 中国规定的试行标准为0.1 ~ 300MHz电场强度不超过20V/m, 磁场强度不超过5A/m。

有了可以参考的辐射安全标准, 对作业人员才能有相应的安全防护措施。目前常用的安全防护措施主要有:辐射源屏蔽、辐射能量吸收以及个人防护等。

3.1 辐射源屏蔽

根据井下电缆和电气设备等辐射源的特点, 分成不同的辐射单元, 主要对振荡回路、高频输出变压器、输出馈线、工作线圈和电容极板等场源分别进行屏蔽。在条件允许的情况下, 单元屏蔽应该采用六面体全屏蔽方案, 并处理好接地, 这样才能大幅度的降低辐射电磁场强度。

屏蔽可以分为电场屏蔽和磁场屏蔽两种。电场屏蔽是用金属板或金属网等良导体或导电性能好的非金属制成的屏蔽体进行屏蔽, 屏蔽体应有良好的接地。辐射的电磁能量在屏蔽体上引起的电磁感应电流可通过地线流入大地。电场屏蔽用的屏蔽体多选用紫铜、铝等金属材料制造, 但是考虑到井下的特殊情况, 通常采用紫铜能更好一些。

磁场屏蔽就是利用导磁率高的金属材料封闭磁力线。当磁场变化时, 屏蔽体材料感应出涡流, 产生方向与原来磁通方向相反的磁通, 阻止原来的磁通穿出屏蔽体而外逸出去。井下各种电力电缆、控制电缆以及通信电缆随处可见, 而且沿着巷道布置, 与井下工作人员的距离较近, 因此应该尽量选用导电性能和导磁性能好的屏蔽材料。

3.2 辐射能量吸收

在实际防护上, 采用能量吸收材料防止电磁辐射是一项行之有效的技术措施。目前有两种防护方案应用较为普遍:第一种方案是仅用吸收材料吸收辐射能量; 第二种方案是将吸收材料与屏蔽材料叠加在一起, 既能吸收辐射能量又能防止投射。

吸收材料大致可以分为两类:一类为谐振型吸收材料, 另一类为匹配型吸收材料。谐振型吸收材料是利用某些材料的谐振特性制成, 厚度较小, 对频率范围很窄的微波辐射能量有吸收作用。匹配型吸收材料是利用材料和自由空间的阻抗匹配, 达到吸收微波辐射能量的目的。它与材料的谐振特性无关, 适于吸收较宽频率范围的微波辐射能量。制作吸收材料方法也较多, 例如在塑料、橡胶、胶木和陶瓷等材料中加入铁粉、石墨、木炭和水等都可以制成吸收材料。

3.3 个人防护措施

井下工作人员不仅受到电力电缆的极低频电磁辐射, 而且还受到高频以及微波电磁辐射, 暴露时间较长。尽管很多设备采用了金属外壳, 电缆也被屏蔽, 但是仍然有不可忽视的电磁能量漏泄, 因此除了上述的辐射源屏蔽措施以外, 还要重视对个人的防护措施。个人防护用品主要有金属头盔、金属屏蔽服以及防护眼镜等。

防辐射用的纺织品按照生产制备技术主要分为以下几类:金属丝和纱线的混编织物, 屏蔽效能为在0.15 MHz~ 20GHz范围内达60 dB以上, 但是手感较硬, 又厚又重; 金属纤维混纺织物, 屏蔽效能在0.15MHz~ 3GHz范围内达15 ~ 30 dB以上, 手感较好, 但弹性差; 化学镀金属织物, 屏蔽效能在0.15MHz~ 20GHz范围内达60dB以上, 质地轻柔、透气抗菌、耐腐蚀, 目前应用较为广泛^[5]。