金 鵬， 薛哲彬， 戈 垚

(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學(xué) 設(shè)計學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

中國是煤礦開采大國，煤礦資源豐富。從20世紀(jì)七八十年代開始，我國通過引進(jìn)機(jī)械化生產(chǎn)線和優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)等措施，使煤礦從業(yè)人員大幅減少[1]，但采煤工、掘進(jìn)工和這類需要井下作業(yè)的人員仍然存在著相當(dāng)?shù)捏w量。

礦工服是礦井工作人員穿著的一類職業(yè)服裝。就目前而言，井下礦工的個人防護(hù)裝備包括安全帽、礦燈、工作服、手套、水靴等[2]。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，淺層采煤工每6個月更換1次工作服，中深層采煤工和掘進(jìn)工每10個月更換1次工作服[1]。因此，煤礦開采業(yè)對礦工服的需求巨大，礦工服的研發(fā)生產(chǎn)有著廣闊的發(fā)展前景。

本文首先從煤礦井下環(huán)境特點入手，分析得到礦工服的設(shè)計要點，而后分別對服裝舒適性及功能性進(jìn)行深入探討，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新型礦工服裝與設(shè)備的設(shè)計與制作。最后通過實驗測試等手段對所設(shè)計的服裝設(shè)備進(jìn)行功能監(jiān)測與驗證，并總結(jié)提出礦工服的改良建議及未來發(fā)展趨勢。

1 礦工服研究現(xiàn)狀

由于礦井下的特殊環(huán)境，礦工服在滿足耐磨性的同時，還需要滿足阻燃和抗靜電的要求。

現(xiàn)在流行的阻燃纖維主要有改性腈綸、滌綸、丙綸、芳綸等[3]。其中以Nomex最為著名，該纖維具有永久阻燃特性，因此大量用于消防服、礦工服等服裝制作[4]。其中Nomex產(chǎn)品的改進(jìn)款NomexIIIA由93%Nomex纖維、5%Kevlar纖維(芳綸1414)、2%抗靜電纖維組成，由于該纖維符合礦井下工作需求，已被大量應(yīng)用于礦工服的制作[5]。此外，其他類型的紡織用阻燃纖維也在礦工服中得到大量應(yīng)用，如PBI(聚苯并咪唑纖維)、PBO(聚對苯撐苯并二噁唑纖維)、PTFE(聚四氟乙烯纖維)、PEEK(聚醚醚酮)等[6-8]。這些纖維由于耐磨性好，更加符合礦工服的需求。

國外對抗靜電纖維的研究起步較早。20世紀(jì)六七十年代，歐美國家提出抗靜電織物的概念與要求，并應(yīng)用于礦工服中[9]?？轨o電纖維主要分為抗靜電劑型、金屬系、炭黑系、高分子型、納米級金屬氧化物型5種類型[10]。抗靜電劑型抗靜電纖維是利用抗靜電劑在纖維表面形成導(dǎo)電層，加快電荷逸散[11]。金屬系與炭黑系抗靜電纖維是將金屬纖維或碳纖維與普通紡織纖維混紡，使其帶有導(dǎo)電性能[12]。

目前，國內(nèi)針對礦工服的研究集中在面料性能以及服裝結(jié)構(gòu)與舒適性方面。例如：徐利等[13]在總結(jié)國內(nèi)外礦工服發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出礦工防護(hù)服應(yīng)更趨向于舒適、安全和人性化的觀點；王藝等[14]提出了礦工服的模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)了礦工服的模塊化劃分及整合，并用模塊化的設(shè)計思維實現(xiàn)服裝功能的最大化；李小銀等[15]針對礦難中的水難設(shè)計了一種背帶式的可漂浮礦工服，該服裝可用于水難中礦工的自我救援。

2 研究技術(shù)路線

為改善礦工在井下作業(yè)時的安全性與舒適性，現(xiàn)擬開發(fā)一種新型礦工服。該新型礦工服在滿足井下作業(yè)要求的前提下，利用服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與面料選取來改善服裝舒適性。同時利用單片機(jī)技術(shù)，對作業(yè)人員周圍環(huán)境中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高時，及時警示作業(yè)人員與地面監(jiān)測人員。

首先對井下環(huán)境進(jìn)行分析，依據(jù)環(huán)境特點分析得到礦工服的設(shè)計要點，而后根據(jù)設(shè)計要點，分別從載體設(shè)計和功能設(shè)計2方面出發(fā)進(jìn)行礦工服的設(shè)計。其中載體設(shè)計分為結(jié)構(gòu)設(shè)計與面料改性2方面；功能設(shè)計分為瓦斯監(jiān)控設(shè)計與警示標(biāo)志設(shè)計2方面。在完成新型礦工服的設(shè)計與制作后，分別對礦工服的舒適性與功能性做出測試，以評判其是否達(dá)到預(yù)定要求。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Research framework

3 新型礦工服設(shè)計方案

3.1 井下工作環(huán)境特點分析

煤礦井下的勞作強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，其主要環(huán)境特點如下：1)井下的掘進(jìn)、開采、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)都存在大量煤灰與粉塵；2)井下煤體在開采過程會產(chǎn)生一系列的有毒有害氣體，其中以爆炸性氣體——瓦斯(主要成分為甲烷)危害最大[16]；3)氣候環(huán)境惡劣，以山西西曲礦為例，其井下濕度達(dá)到80%，溫度約為13 ℃，其氣候環(huán)境對服裝有一定要求[17]。

基于以上特點，新型礦工服在設(shè)計時需要兼顧舒適、防塵、防靜電等特性，同時也需要對瓦斯監(jiān)控等安全問題進(jìn)行合理解決。

3.2 礦工服載體設(shè)計

首先從改善礦工服穿著舒適性的角度，對現(xiàn)有礦工服的結(jié)構(gòu)及面料進(jìn)行改良設(shè)計。

3.2.1 面料選取

礦工服對面料要求較高，要求其具有防塵、防靜電、拒水拒油、阻燃等功能。采用新型的銀纖維混紡面料作為新型礦工服的主體材料，該面料由9.4%銀纖維、84.6%棉纖維、6%麻纖維構(gòu)成。銀纖維具有良好的導(dǎo)電性能，可保證面料的防靜電性能；同時使用效果較好的含氟拒水拒油整理劑與含磷的阻燃劑進(jìn)行涂層整理[18]。

依據(jù)GB/T 12703.1—2008《紡織品 靜電性能的評定 第1部分：靜電壓半衰期》、GB/T 12703.3—2009《紡織品 靜電性能的評定 第3部分：電荷量》、GB/T 12703.4—2010《紡織品 靜電性能的評定 第4部分：電阻率》對該面料的抗靜電性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果：為該面料經(jīng)過多次洗滌(洗滌標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 8629—2001《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》中7 A程序洗滌)后，靜電壓半衰期、電荷面密度、表面電阻率分別為1.7 s(A級)、0.3 μC/件、3×105Ω(A級)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；同時依據(jù)GB/T 21196.2—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第3部分:質(zhì)量損失的測定》與GB/T 17591—2006《阻燃織物》對織物耐磨性與阻燃性進(jìn)行測試，在經(jīng)10次測試后，織物試樣質(zhì)量損失率的平均值為0.372%，導(dǎo)熱系數(shù)、陰燃時間、續(xù)燃時間平均值分別為0.063 3 W/(m·K)、1.01 s、0 s，其結(jié)果均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，表明該面料可用于礦工服的制作。

3.2.2 服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

為穿脫方便，該新型礦工服在總體結(jié)構(gòu)上采用分體式設(shè)計，腰部使用輕質(zhì)皮腰帶扣緊以防止煤灰進(jìn)入。其領(lǐng)子采用立領(lǐng)與翻領(lǐng)相結(jié)合的領(lǐng)型，在領(lǐng)面加裝松緊帶與襻帶。領(lǐng)部的可調(diào)節(jié)性不會影響穿著舒適性。在袖口與腳口處設(shè)置紐扣與襻帶，日常穿著時可以松開，在工作時可扣緊防止煤灰進(jìn)入。在膝蓋處利用相變材料進(jìn)行加厚設(shè)計，在保證耐磨性的同時保證其舒適性。在后背、前胸、腋下等易出汗部位做倒伏開口處理，在開口處使用防塵透濕面料。該面料由超細(xì)滌綸纖維制成，利用其芯吸效應(yīng)增加服裝透氣透濕性能。同時對面料進(jìn)行防塵整理，其面料中的細(xì)小孔隙可以使氣體分子和水分子通過，而直徑較大的灰塵則無法通過，在保證服裝舒適性的同時可以避免煤灰進(jìn)入服裝。

3.3 安全警示模塊設(shè)計

由于礦井下光線昏暗，服裝需要一定的警示功能，以便于作業(yè)人員在昏暗環(huán)境下能正常進(jìn)行作業(yè)。

警示功能的設(shè)計需要考慮到以下幾點：1)避免對服裝本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大改變，以免對作業(yè)人員的活動產(chǎn)生影響；2)不能對服裝舒適性產(chǎn)生較大影響；3)考慮到制作方便、成本較低等因素；4)考慮到能產(chǎn)生足夠的警示效果。

依據(jù)上述因素，在本設(shè)計中，警示功能由粘貼于醒目部位(如前胸、手臂、背部、小腿等處)的反光條來實現(xiàn)。本設(shè)計中反光條材質(zhì)為高亮度反光PVC(聚氯乙烯)。服裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中灰色部分為反光條粘貼部位。

圖2 熒光條粘貼部位Fig.2 Place of reflective strip pasted. (a) Front structure drawing; (b) Reverse structure drawing

3.4 瓦斯監(jiān)測模塊設(shè)計

為提高井下流動作業(yè)人員的安全性，及時發(fā)現(xiàn)礦井下可能出現(xiàn)的瓦斯泄漏，并對井下作業(yè)人員和地面監(jiān)測人員予以警示，現(xiàn)于服裝上增加一個瓦斯監(jiān)測模塊。該模塊采用瓦斯監(jiān)測傳感器對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，并搭配處理器、蜂鳴器、Wi-Fi模塊對環(huán)境中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實時監(jiān)測和報警。

該硬件裝置置于可拆卸的網(wǎng)格面料中，使用時貼在服裝的胸口處。當(dāng)傳感器附近的瓦斯氣體濃度達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》中對瓦斯?jié)舛鹊南薅ㄖ禃r，由處理器控制的蜂鳴器開始工作，同時硬件裝置會向所連接設(shè)備的終端設(shè)備傳輸實時數(shù)據(jù)并警示數(shù)據(jù)監(jiān)測人員，從而實現(xiàn)對模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.4.1 硬件模塊設(shè)計

瓦斯傳感器使用MQ-2氣體傳感器。該傳感器可探測多種礦井下爆炸性氣體，如沼氣(主要是甲烷)、氫氣及甲烷同系物(乙丙烷等)，可在溫度為-10～50 ℃、濕度低于95%的環(huán)境中使用。

使用Arduino Lite開發(fā)板作為硬件開發(fā)時所使用的處理器，該處理器尺寸僅為45 mm×18 mm，同時采用Atmel ATmega328單片機(jī)，支持TX、RX、AREF端，并兼容UNO系統(tǒng)，其具有體積小、能耗低、工作狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點，貼合本設(shè)計中的處理器需求。

同時，為了便于實時監(jiān)控瓦斯?jié)舛龋褂肊SP8266模塊鏈接到終端設(shè)備。該模塊為工業(yè)級Wi-Fi模塊，型號為ESP-01S。本文設(shè)計中，該ESP模塊將在IP地址創(chuàng)建一個網(wǎng)頁，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到該IP地址，然后在網(wǎng)頁上實時顯示瓦斯的具體濃度。該IP地址所鏈接的網(wǎng)頁可以使用所連接的設(shè)備(如手機(jī)、電腦、平板等)進(jìn)行訪問。

具體連接示意圖如圖3所示。由電池組組成的5 V電源分別與MQ-2傳感器的VCC引腳、Arduino Lite處理器的0號引腳、ESP-01模塊的VCC引腳相連，為其供電。Arduino Lite處理器的A0引腳、2號引腳、3號引腳分別與MQ-2傳感器的A0引腳、ESP-01模塊的TX與RX引腳相連以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。10號引腳為蜂鳴器供電，各模塊之間的GND(接地)引腳相連。各模塊之間使用導(dǎo)電紗線相連。

圖3 連接示意圖Fig.3 Connection diagram

3.4.2 運行程序設(shè)計

代碼編譯與上傳均通過Arduino IDE軟件實現(xiàn)。Arduino IDE是專為Arduino硬件設(shè)計使用的開源編程軟件。為使Arduino的引腳可使用RX與TX通信，需要在IDE軟件中添加Serial庫。同時設(shè)置串口通信與Wi-Fi模塊的波特率為9 600 bit/s，并規(guī)定引腳的輸入輸出模式。最后調(diào)用函數(shù)，在ESP提供的IP地址設(shè)置服務(wù)器，并對此服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

設(shè)計中的終端顯示界面采用網(wǎng)頁顯示。網(wǎng)頁使用CSS與JavaScript語言進(jìn)行編寫。網(wǎng)頁主體部分由實時時間、人員、設(shè)備狀態(tài)、測量值、是否超過警戒值5部分組成，并在右下角設(shè)置頁面刷新功能。網(wǎng)頁的設(shè)備狀態(tài)、測量值、是否超過警戒值部分會根據(jù)ESP-01S模塊發(fā)送的數(shù)值大小進(jìn)行變化，在數(shù)值低于200顯示為黑色，200～400時顯示為橙色，高于400時顯示為紅色。具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 終端網(wǎng)頁示意圖Fig.4 Schematic diagram of terminal web page

當(dāng)MQ-2傳感器所處環(huán)境中存在瓦斯時,傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，此時傳感器會將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度對應(yīng)的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號反饋給Arduino Lite處理器。該處理器接收到數(shù)字信號后，會判斷該數(shù)字信號是否大于400，并據(jù)此控制相應(yīng)元件的工作狀態(tài)。其判斷流程如圖5所示。

圖5 瓦斯監(jiān)測模塊運行流程Fig.5 Gas monitoring module running process

4 實驗驗證

為驗證該新型礦工服的舒適性是否得到改善，對其進(jìn)行服裝舒適性測試、警示功能測試與瓦斯監(jiān)測功能測試。

4.1 服裝舒適性測試

4.1.1 舒適度主觀評價

結(jié)合井下工作人員的實際年齡和生理特征，選取10名身高為(176±3)cm，體重為(73±3.3)kg，年齡為(22～28)歲的健康男性受試者參與舒適性主觀評價實驗。在測試前，所有受試者將被告知本文實驗的具體步驟以及需要他們配合的相關(guān)工作。測試對象穿著本文研究提出的改良礦工服和普通礦工服。

本文實驗規(guī)定受試者采用七分制評分量表來描述他們穿著礦工服時的舒適性狀態(tài)。其中：1分表示非常不舒適；4分表示舒適性一般；7分為非常舒適。

實驗前受測試人員在室內(nèi)(溫度為20 ℃，相對濕度為50%)靜坐10 min，隨后再開始實驗[20]。

根據(jù)礦井下濕度高、風(fēng)速低的環(huán)境特點，實驗時將環(huán)境倉內(nèi)設(shè)置溫度為35 ℃，濕度調(diào)整為70%，風(fēng)速為0.5 m/s[19]。并在受試人員的腋下、前胸、后背、大腿、膝蓋處貼上貼片，以測量其皮膚表面溫度。依據(jù)井下工作強(qiáng)度，讓受試人員穿著普通礦工服以2 m/s的速度在跑步機(jī)上行走，實驗過程中每1 min記錄受試人員的舒適性感受與皮膚各部位溫度，共計10 min；對比實驗中環(huán)境條件完全相同，受試人員穿著新型礦工服進(jìn)行測試。將實驗全部結(jié)束后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納匯總。表1、2示出主觀評測法得出的數(shù)據(jù)。由于7為最舒適狀態(tài)，數(shù)據(jù)與7的偏離值越大說明舒適性越差。計算得穿著普通礦工服的數(shù)據(jù)平均值為4.17，穿著改良后的礦工服數(shù)據(jù)平均值為5.45?？煽闯?，改良后礦工服的舒適度有所提升。

表1 前5 min主觀測評平均值Tab.1 Mean value of subjective assessment for the first 5 min

表2 后5 min主觀測評平均值Tab.2 Mean value of subjective assessment for the last 5 min

4.1.2 舒適度客觀評價

除了主觀測試，本文研究還設(shè)置了礦工服舒適性的客觀評價環(huán)節(jié)，以考察主客觀測試結(jié)果的一致性。該階段測試是通過測量皮膚表面溫度這一數(shù)據(jù)來判斷服裝的熱學(xué)性能。圖6示出10名受試人員皮膚表面平均溫度隨時間變化的數(shù)值?？擅黠@看出在1 min后，穿著普通礦工服時人體皮膚溫度上升速度明顯快于穿著改良礦工服時皮膚溫度的上升速度，說明改良后的礦工服具有更加優(yōu)異的舒適性。

圖6 人體皮膚表面溫度變化值Fig.6 Variation of body surface temperature

依據(jù)評測結(jié)果可看出，無論是對服裝舒適性的主觀評價，還是依據(jù)皮膚表面溫度差別得到的客觀評價，新型礦工服的舒適性都要優(yōu)于傳統(tǒng)礦工服。

4.2 視覺警示功能測試

視覺警示功能測試被安排在接近井下光照條件的昏暗室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行，通過測試穿著礦工服人員在光照強(qiáng)度為0.5、1.0、5.0 lx的條件下，其身體輪廓及關(guān)鍵部位的可辨識度對新型礦工服的視覺警示功能進(jìn)行判斷。

視覺警示功能測試挑選10名無視力障礙人員對礦工服的視覺警示功能進(jìn)行評價，將評價分值設(shè)為1分(無效果)、2分(效果一般)、3分(效果較好)、4分(效果很好)4檔。結(jié)合井下工作環(huán)境，調(diào)整室內(nèi)的光照強(qiáng)度，使受測試人員在距離3 m處觀察穿著新型礦工服的人員在不同作業(yè)姿勢下的可見度，記錄其評分。

結(jié)果顯示，在光照強(qiáng)度分別為0.5、1.0、5.0 lx時，10名測試人員對新型礦工服可見度的評分均值分別為3.6、3.8和3.9分，說明該礦工服在特定條件下具有良好的視覺警示效果。

4.3 瓦斯監(jiān)測功能測試

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[20]中對瓦斯?jié)舛鹊囊?guī)定，采掘工作面的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流不超過0.5%，回風(fēng)風(fēng)流不超過1%。在對傳感器進(jìn)行提前校準(zhǔn)的時候，可調(diào)整瓦斯含量為0.5%時，Arduino IDE中顯示的數(shù)字信號為400，因此，本文研究將監(jiān)測模塊的反應(yīng)閾值設(shè)定為400。

針對瓦斯的監(jiān)測于密閉實驗艙內(nèi)進(jìn)行，將環(huán)境倉內(nèi)濕度調(diào)整為70%，風(fēng)速調(diào)整為0.5 m/s。將新型礦工服穿著于假人上，通過往環(huán)境倉中注入瓦斯氣體，觀測Arduino IDE中串口繪圖器的數(shù)值、蜂鳴器的狀態(tài)以及終端設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)變化來判斷新型礦工服的整體硬件性能。

同時，ESR8266會每秒向終端設(shè)備發(fā)送1次串口監(jiān)視器的數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同顯示。

實驗表明，該新型礦工服中的瓦斯監(jiān)測模塊靈敏度高、反饋機(jī)制完整，在遇到瓦斯泄漏情況時可及時向井下作業(yè)人員與井上工作人員報警，可用于實地監(jiān)測瓦斯?jié)舛取?/p>

5 結(jié)束語

本文從煤礦環(huán)境入手，針對礦井下的環(huán)境特點，對礦工服進(jìn)行舒適性與功能性的改善與設(shè)計。針對其舒適性，主要從服裝結(jié)構(gòu)與面料性能入手，在改善穿著舒適性的同時，保證其安全性。其功能性設(shè)計包括2個方面，其一是針對礦井下昏暗工作環(huán)境進(jìn)行警示功能設(shè)計，通過在前胸、手臂、背部、小腿等醒目部位粘貼反光條實現(xiàn)。其二是對可能存在的瓦斯氣體進(jìn)行監(jiān)測與反饋，利用MQ-2氣體傳感器、Arduino Lite處理器、Arduino軟件平臺實現(xiàn)該功能。經(jīng)評測，該服裝的舒適性相較于傳統(tǒng)礦工服有較大改善；在昏暗環(huán)境中的警示功能良好；同時對瓦斯氣體監(jiān)測的靈敏性高，在瓦斯氣體達(dá)到警戒值時可以及時報警。

同時，本設(shè)計也存在一些不足之處：1)由于面料使用含氟的拒水拒油整理劑與含磷的阻燃整理劑，其會對環(huán)境產(chǎn)生一定污染；2)面料的拒水拒油與阻燃特性來源于整理劑，在經(jīng)過多次洗滌后，服裝的拒水拒油與阻燃能力會有所降低；3)瓦斯監(jiān)測模塊所用的電源為5 V電子組，經(jīng)測試在多次連續(xù)使用后其電壓會降低，對設(shè)備工作會產(chǎn)生一定影響；4)電子產(chǎn)品在日常使用時會有一定損耗，其使用壽命暫時無法測定。

未來對礦工服的設(shè)計與研究應(yīng)在改善其舒適性的同時，注重其功能性的開發(fā)。如針對礦井下的信號傳輸改善，礦井下作業(yè)設(shè)備間的協(xié)同操作，對礦工進(jìn)行定位及身體指標(biāo)檢測等。