衛(wèi)琛浩，史雅娜，黨文龍，馬 嘯，高一可，李 超，李盟潔，李茂慶

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100)

0 引言

我國(guó)能源工業(yè)中，煤炭是主體能源，煤礦工人數(shù)也是全球最多，由于受地質(zhì)環(huán)境的影響，95%的煤礦作業(yè)是地下開采。作為一種特殊環(huán)境的職業(yè)，礦井作業(yè)人員要長(zhǎng)期處于距地面幾百米以下的礦井中進(jìn)行工作[1]，而大多數(shù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件差、黑暗潮濕、工作面狹窄，還時(shí)刻伴隨著瓦斯、煤塵、水、火、頂板等災(zāi)害的威脅[2-3]。因此，為保障廣大煤礦從業(yè)人員的生命安全，使用預(yù)防職業(yè)危害的有效防護(hù)用品顯得尤為重要。

近年來隨著我國(guó)煤礦開采深度的增加，沖擊地壓?jiǎn)栴}越來越突出，沖擊地壓的發(fā)生嚴(yán)重威脅煤礦作業(yè)人員的人身安全[4]。沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤(巖)體由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。沖擊地壓發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波并以突然、猛烈的形式將煤巖體拋出，導(dǎo)致作業(yè)人員被砸傷、掩埋甚至致死[5-8]。目前現(xiàn)有防護(hù)服雖種類繁多，但還沒有專門針對(duì)井下沖擊地壓而設(shè)計(jì)的防護(hù)服。

針對(duì)煤礦井下沖擊地壓的問題，課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型礦用納米吸能防沖擊服，經(jīng)過防護(hù)機(jī)理分析、材料選擇、多方試驗(yàn)檢測(cè)和對(duì)比，防沖擊服各項(xiàng)指標(biāo)均滿足煤礦安全生產(chǎn)規(guī)定要求，發(fā)生緊急情況時(shí)能夠有效保護(hù)井下作業(yè)人員的人身安全。

1 防沖擊服結(jié)構(gòu)及防護(hù)機(jī)理

長(zhǎng)期從事礦井工作會(huì)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，像沖擊地壓的發(fā)生會(huì)直接危害人的生命安全，因此，在特定的工作場(chǎng)景下需要裝備防沖擊服。目前防沖擊服的形式雖多樣，但大多數(shù)都存在多種問題：從活動(dòng)功能來看，礦井作業(yè)人員在工作時(shí)勞動(dòng)幅度大，防護(hù)服穿著不靈活，不易穿脫，穿著后不能夠?qū)崿F(xiàn)兩臂的自由運(yùn)動(dòng)、以及人體的跪、跳、蹲、跑、轉(zhuǎn)體等活動(dòng)，在工作過程中極不方便[9]；從功能性來看，為了提供沖擊吸能和穩(wěn)定性，往往會(huì)增加金屬材質(zhì)，在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)金屬碎片會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)增加?？傮w來說，目前現(xiàn)有的防護(hù)服不能夠滿足靈活性和防護(hù)性能的整體要求，導(dǎo)致防護(hù)服相對(duì)笨重，實(shí)用性差。基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖擊性能的綜合考慮，需對(duì)防護(hù)服進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

美國(guó)學(xué)者GOLDMAN R F在功能服裝設(shè)計(jì)研制過程中提出“4F”原則，即Fashion(時(shí)尚性)、Fit(適合性)、Feel(舒適性)、Function(功能性)[10]。因此新型防沖擊服結(jié)構(gòu)結(jié)合人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示，其由內(nèi)襯板嵌套構(gòu)成，內(nèi)襯板由多個(gè)組合護(hù)板通過選用合適面料將其包覆縫制；組合護(hù)板由抗壓板和緩沖層組成，整體具有多層緩沖吸能效果?？箟喊宀捎幂p質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料，抗沖擊力強(qiáng)；緩沖層貼近人體一側(cè)，采用納米吸能材料制成納米吸能緩沖層。目前關(guān)于納米吸能材料已有大量的研究，它是一種非牛頓流體，主要由納米多孔材料和非浸潤(rùn)性功能液體組成，吸能密度可達(dá)到30 J/g以上，常規(guī)狀態(tài)下為均勻可流動(dòng)液體。吸能機(jī)理如圖2所示，在外力沖擊作用時(shí)，外界動(dòng)能會(huì)迫使非浸潤(rùn)性功能液體流入納米多孔材料孔道內(nèi)部，將外力機(jī)械功轉(zhuǎn)化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，外力撤銷后，功能液體流出納米孔道，材料可多次重復(fù)利用。這樣在受到?jīng)_擊力的時(shí)候可以瞬時(shí)響應(yīng)，逐層緩沖耗能，最終將沖擊載荷耗散在緩沖層，實(shí)現(xiàn)了礦井作業(yè)人員的有效防護(hù)?；诖耍瑢⒎雷o(hù)性、功能性融入礦井作業(yè)勞動(dòng)中，考慮服裝舒適性的同時(shí)，貼合人體，注入靈活性，不影響彎腰下蹲等動(dòng)作，使得井下作業(yè)人員穿著作業(yè)時(shí)更加安全、方便、高效。

圖1 礦用納米吸能防沖擊服

圖2 納米吸能材料吸能機(jī)理

2 防沖擊服的材料選擇

礦用防護(hù)服的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循功能服裝的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也應(yīng)結(jié)合特殊而復(fù)雜的工作環(huán)境，所以防沖擊服的服裝材料選擇非常重要[11-12]。本款防沖擊服所采用的材料遵循MT/T 843—1999《礦工普通工作服》的要求，同時(shí)保證在《煤炭工業(yè)職工勞動(dòng)防護(hù)用品發(fā)放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的使用期限內(nèi)，滿足防火、防水、防靜電的“三防”要求，以最大限度保障礦井作業(yè)人員作業(yè)勞動(dòng)的安全性、舒適度。

礦用納米吸能防沖服所涉及的材料有面料、抗壓板和緩沖材料等。面料選用超高分子量聚乙烯纖維，這種纖維具有高剪切強(qiáng)度、耐沖擊和高模量的特殊屬性，在面對(duì)外力或者銳器威脅時(shí)可耐沖擊，同時(shí)作為面料，耐疲勞、耐摩擦性能優(yōu)良。在面料包覆的內(nèi)襯組合護(hù)板，其中抗壓板選用輕質(zhì)纖維增強(qiáng)塑料，該種材料除了可抗沖擊以外，加工工藝簡(jiǎn)單，可用于大規(guī)模生產(chǎn)；同時(shí)在模塊化的抗壓板背部粘連緩沖層。緩沖層則采用柔性材料封裝新型納米吸能材料研制而成。在外力沖擊作用時(shí)，納米吸能材料面對(duì)非線性、高速?zèng)_擊甚至多次沖擊時(shí)，緩沖吸能效果優(yōu)異。目前該材料的研制已滿足阻燃抗靜電性能，可在礦井底下使用。

3 防沖擊服的性能研究

3.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前適用于國(guó)內(nèi)防護(hù)服的性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護(hù)服裝防靜電服》，包括了防護(hù)服的防護(hù)面積、防靜電能力、面料斷裂強(qiáng)度、耐磨性能和衣片的縫紉強(qiáng)力。

3.2 測(cè)試儀器和設(shè)備

測(cè)試委托國(guó)家安全生產(chǎn)徐州勞動(dòng)防護(hù)用品檢測(cè)檢驗(yàn)中心，測(cè)試涉及的儀器有：XQB 46-10加熱型全自動(dòng)洗衣機(jī)、YG741型縮水率烘箱、YG026型織物強(qiáng)力機(jī)、落球沖擊試驗(yàn)儀、Y522型圓盤式織物耐磨機(jī)和ZC-90G型高絕緣電阻測(cè)量?jī)x。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 基本性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護(hù)服裝防靜電服》檢測(cè)本礦用納米吸能防沖擊服的基本性能，主要通過對(duì)防護(hù)面積、面料斷裂強(qiáng)力、耐磨性能、衣片縫紉強(qiáng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過測(cè)試得出，礦用納米吸能防沖擊服符合礦井作業(yè)人員穿戴的基本要求，基本性能達(dá)標(biāo)?；拘阅茉u(píng)價(jià)見表1。

表1 礦用納米吸能防沖擊服基本性能評(píng)價(jià)

3.3.2 防靜電能力

煤礦生產(chǎn)過程中重復(fù)觸碰、分離的作業(yè)動(dòng)作往復(fù)會(huì)產(chǎn)生摩擦，這會(huì)使得作業(yè)設(shè)備產(chǎn)生靜電，當(dāng)該靜電點(diǎn)位達(dá)到上千上萬伏時(shí)，會(huì)累積大批量電荷，大于一定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量后會(huì)產(chǎn)生火花或者放電等情況。此時(shí)靜電火花最小值比周圍可燃瓦斯氣體的臨界值大時(shí)，會(huì)發(fā)生火災(zāi)或者爆炸等安全事故，這會(huì)直接威脅礦井工作人員的人身安全，同時(shí)給煤礦企業(yè)帶來極大損失，因此礦井作業(yè)人員防護(hù)服的防靜電能力很重要[13-15]。文中通過參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12014—2019《防護(hù)服裝防靜電服》進(jìn)行對(duì)比測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，用來評(píng)估礦用納米吸能防沖擊服的防靜電能力。

從表2中可以看出，礦用納米吸能防沖擊服的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻相對(duì)于普通防護(hù)服明顯更大，這是因?yàn)樵诘V用納米吸能防沖擊服的材料選擇時(shí)，完全考慮了礦井工作情況，選用材料包括自主研發(fā)的納米吸能材料配方均滿足阻燃抗靜電的要求。從礦用納米吸能防沖擊服的最外層至最內(nèi)層表面形成科學(xué)合理的抗靜電分子層，強(qiáng)化表面的平滑性，大大減小摩擦，降低靜電荷出現(xiàn)的概率。

表2 防靜電能力檢測(cè)

3.3.3 抗沖擊性能

針對(duì)上述提出的抗沖擊地壓?jiǎn)栴}，對(duì)比測(cè)試礦用納米吸能防沖擊服的抗沖擊性能和穩(wěn)定性。測(cè)試使用不同質(zhì)量的落錘，從1 m高度自由下落，沖擊防護(hù)服正面，觀察防護(hù)服的變化。

通過對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，普通防護(hù)服在面對(duì)質(zhì)量為1 kg、2 kg的落錘時(shí)，無破裂、無穿透；當(dāng)面對(duì)質(zhì)量為3 kg的落錘時(shí)，普通防護(hù)服出現(xiàn)破裂、穿透，如圖3所示。然而礦用納米吸能防沖擊服在面對(duì)質(zhì)量為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg的落錘時(shí)，無破裂、無穿透；當(dāng)面對(duì)質(zhì)量為6 kg的落錘時(shí)，礦用納米吸能防沖擊服內(nèi)襯板未發(fā)現(xiàn)破裂與穿透，拆開面料發(fā)現(xiàn)抗壓板面出現(xiàn)輕微破裂、輕微穿透，納米吸能緩沖層未出現(xiàn)破裂、穿透，如圖4所示。

圖3 普通防護(hù)服樣品抗沖擊試驗(yàn)前后對(duì)比

圖4 礦用納米吸能防沖擊服樣品抗沖擊試驗(yàn)前后對(duì)比

出現(xiàn)該種情況是因?yàn)榈V用納米吸能防沖擊服按照人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計(jì)，利用抗壓板和納米吸能緩沖層層層緩沖遞減，尤其是當(dāng)沖擊力到達(dá)貼近人體側(cè)的納米吸能緩沖層時(shí)，內(nèi)置的納米吸能材料可以瞬時(shí)將沖擊力轉(zhuǎn)化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，將沖擊載荷耗散在緩沖層，實(shí)現(xiàn)了礦井工人的個(gè)體防護(hù)。

4 結(jié)語

(1)針對(duì)礦井沖擊地壓和礦井作業(yè)人員作業(yè)勞動(dòng)存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)出一款礦用納米吸能防沖擊服，該防沖擊服結(jié)合人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計(jì)，由超高分子量聚乙烯纖維包覆內(nèi)襯板縫制而成；同時(shí)內(nèi)襯板由多個(gè)組合護(hù)板構(gòu)成，而組合護(hù)板是由抗壓板和納米吸能緩沖層組成，具有多層緩沖吸能效果。整個(gè)礦用納米吸能防沖擊服在受到外力沖擊時(shí)，從外到內(nèi)層層緩沖，尤其當(dāng)沖擊能量緩沖至最內(nèi)納米吸能緩沖層時(shí)，可瞬時(shí)吸能，減緩沖擊能量，最大程度地保障礦井作業(yè)人員在復(fù)雜工況下的安全性和舒適性，實(shí)現(xiàn)人體防護(hù)。

(2)針對(duì)礦用納米吸能防沖擊服進(jìn)行的測(cè)試，其滿足基本防護(hù)服性能要求；同時(shí)對(duì)比普通防護(hù)服，其防沖擊服表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能和穩(wěn)定性?？傊@種防沖擊服結(jié)合新材料開發(fā)應(yīng)用，針對(duì)具體問題，為極端環(huán)境下工作的作業(yè)人員所必備的防護(hù)服提供了一種研究思路及方向。