具有實時瓦斯監測功能的新型智能礦工服設計

金 鵬， 薛哲彬， 戈 垚

(1. 江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 設計學院， 江蘇 無錫 214122)

中國是煤礦開采大國，煤礦資源豐富。從20世紀七八十年代開始，我國通過引進機械化生產線和優化生產結構等措施，使煤礦從業人員大幅減少[1]，但采煤工、掘進工和這類需要井下作業的人員仍然存在著相當的體量。

礦工服是礦井工作人員穿著的一類職業服裝。就目前而言，井下礦工的個人防護裝備包括安全帽、礦燈、工作服、手套、水靴等[2]。按照行業標準，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工每10個月更換1次工作服[1]。因此，煤礦開采業對礦工服的需求巨大，礦工服的研發生產有著廣闊的發展前景。

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

1 礦工服研究現狀

由于礦井下的特殊環境，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產品的改進款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世紀六七十年代，歐美國家提出抗靜電織物的概念與要求，并應用于礦工服中[9]。抗靜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，使其帶有導電性能[12]。

目前，國內針對礦工服的研究集中在面料性能以及服裝結構與舒適性方面。例如：徐利等[13]在總結國內外礦工服發展現狀的基礎上提出礦工防護服應更趨向于舒適、安全和人性化的觀點；王藝等[14]提出了礦工服的模塊化設計方法，實現了礦工服的模塊化劃分及整合，并用模塊化的設計思維實現服裝功能的最大化；李小銀等[15]針對礦難中的水難設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 研究技術路線

為改善礦工在井下作業時的安全性與舒適性，現擬開發一種新型礦工服。該新型礦工服在滿足井下作業要求的前提下，利用服裝結構設計與面料選取來改善服裝舒適性。同時利用單片機技術，對作業人員周圍環境中的瓦斯濃度進行監測，當瓦斯濃度過高時，及時警示作業人員與地面監測人員。

首先對井下環境進行分析，依據環境特點分析得到礦工服的設計要點，而后根據設計要點，分別從載體設計和功能設計2方面出發進行礦工服的設計。其中載體設計分為結構設計與面料改性2方面；功能設計分為瓦斯監控設計與警示標志設計2方面。在完成新型礦工服的設計與制作后，分別對礦工服的舒適性與功能性做出測試，以評判其是否達到預定要求。

圖1 技術路線圖Fig.1 Research framework

3 新型礦工服設計方案

3.1 井下工作環境特點分析

煤礦井下的勞作強度大，工作環境惡劣，其主要環境特點如下：1)井下的掘進、開采、運輸等環節都存在大量煤灰與粉塵；2)井下煤體在開采過程會產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)氣候環境惡劣，以山西西曲礦為例，其井下濕度達到80%，溫度約為13 ℃，其氣候環境對服裝有一定要求[17]。

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

3.2 礦工服載體設計

首先從改善礦工服穿著舒適性的角度，對現有礦工服的結構及面料進行改良設計。

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%麻纖維構成。銀纖維具有良好的導電性能，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行涂層整理[18]。

依據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行測試，測試結果：為該面料經過多次洗滌(洗滌標準為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)，滿足標準要求；同時依據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行測試，在經10次測試后，織物試樣質量損失率的平均值為0.372%，導熱系數、陰燃時間、續燃時間平均值分別為0.063 3 W/(m·K)、1.01 s、0 s，其結果均符合相應標準，表明該面料可用于礦工服的制作。

3.2.2 服裝結構設計

為穿脫方便，該新型礦工服在總體結構上采用分體式設計，腰部使用輕質皮腰帶扣緊以防止煤灰進入。其領子采用立領與翻領相結合的領型，在領面加裝松緊帶與襻帶。領部的可調節性不會影響穿著舒適性。在袖口與腳口處設置紐扣與襻帶，日常穿著時可以松開，在工作時可扣緊防止煤灰進入。在膝蓋處利用相變材料進行加厚設計，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。該面料由超細滌綸纖維制成，利用其芯吸效應增加服裝透氣透濕性能。同時對面料進行防塵整理，其面料中的細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入服裝。

3.3 安全警示模塊設計

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

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

依據上述因素，在本設計中，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。本設計中反光條材質為高亮度反光PVC(聚氯乙烯)。服裝結構如圖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 瓦斯監測模塊設計

為提高井下流動作業人員的安全性，及時發現礦井下可能出現的瓦斯泄漏，并對井下作業人員和地面監測人員予以警示，現于服裝上增加一個瓦斯監測模塊。該模塊采用瓦斯監測傳感器對瓦斯濃度進行監測，并搭配處理器、蜂鳴器、Wi-Fi模塊對環境中的瓦斯濃度進行實時監測和報警。

該硬件裝置置于可拆卸的網格面料中，使用時貼在服裝的胸口處。當傳感器附近的瓦斯氣體濃度達到《煤礦安全規程》中對瓦斯濃度的限定值時，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備的終端設備傳輸實時數據并警示數據監測人員，從而實現對模塊的遠程監控。

3.4.1 硬件模塊設計

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%的環境中使用。

使用Arduino Lite開發板作為硬件開發時所使用的處理器，該處理器尺寸僅為45 mm×18 mm，同時采用Atmel ATmega328單片機，支持TX、RX、AREF端，并兼容UNO系統，其具有體積小、能耗低、工作狀態穩定等優點，貼合本設計中的處理器需求。

同時，為了便于實時監控瓦斯濃度，使用ESP8266模塊鏈接到終端設備。該模塊為工業級Wi-Fi模塊，型號為ESP-01S。本文設計中，該ESP模塊將在IP地址創建一個網頁，并將數據發送到該IP地址，然后在網頁上實時顯示瓦斯的具體濃度。該IP地址所鏈接的網頁可以使用所連接的設備(如手機、電腦、平板等)進行訪問。

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引腳相連以進行數據傳輸。10號引腳為蜂鳴器供電，各模塊之間的GND(接地)引腳相連。各模塊之間使用導電紗線相連。

圖3 連接示意圖Fig.3 Connection diagram

3.4.2 運行程序設計

代碼編譯與上傳均通過Arduino IDE軟件實現。Arduino IDE是專為Arduino硬件設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。同時設置串口通信與Wi-Fi模塊的波特率為9 600 bit/s，并規定引腳的輸入輸出模式。最后調用函數，在ESP提供的IP地址設置服務器，并對此服務器傳輸數據。

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

圖4 終端網頁示意圖Fig.4 Schematic diagram of terminal web page

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

圖5 瓦斯監測模塊運行流程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，對其進行服裝舒適性測試、警示功能測試與瓦斯監測功能測試。

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。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(溫度為20 ℃，相對濕度為50%)靜坐10 min，隨后再開始實驗[20]。

根據礦井下濕度高、風速低的環境特點，實驗時將環境倉內設置溫度為35 ℃，濕度調整為70%，風速為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。依據井下工作強度，讓受試人員穿著普通礦工服以2 m/s的速度在跑步機上行走，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；對比實驗中環境條件完全相同，受試人員穿著新型礦工服進行測試。將實驗全部結束后的數據進行歸納匯總。表1、2示出主觀評測法得出的數據。由于7為最舒適狀態，數據與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據平均值為4.17，穿著改良后的礦工服數據平均值為5.45。可看出，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，本文研究還設置了礦工服舒適性的客觀評價環節，以考察主客觀測試結果的一致性。該階段測試是通過測量皮膚表面溫度這一數據來判斷服裝的熱學性能。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值。可明顯看出在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

依據評測結果可看出，無論是對服裝舒適性的主觀評價，還是依據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于傳統礦工服。

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環境中進行，通過測試穿著礦工服人員在光照強度為0.5、1.0、5.0 lx的條件下，其身體輪廓及關鍵部位的可辨識度對新型礦工服的視覺警示功能進行判斷。

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行評價，將評價分值設為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。結合井下工作環境，調整室內的光照強度，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姿勢下的可見度，記錄其評分。

結果顯示，在光照強度分別為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 瓦斯監測功能測試

根據《煤礦安全規程》[20]中對瓦斯濃度的規定，采掘工作面的進風風流不超過0.5%，回風風流不超過1%。在對傳感器進行提前校準的時候，可調整瓦斯含量為0.5%時，Arduino IDE中顯示的數字信號為400，因此，本文研究將監測模塊的反應閾值設定為400。

針對瓦斯的監測于密閉實驗艙內進行，將環境倉內濕度調整為70%，風速調整為0.5 m/s。將新型礦工服穿著于假人上，通過往環境倉中注入瓦斯氣體，觀測Arduino IDE中串口繪圖器的數值、蜂鳴器的狀態以及終端設備顯示的數據變化來判斷新型礦工服的整體硬件性能。

同時，ESR8266會每秒向終端設備發送1次串口監視器的數據。網頁會根據接收到的數據進行不同顯示。

實驗表明，該新型礦工服中的瓦斯監測模塊靈敏度高、反饋機制完整，在遇到瓦斯泄漏情況時可及時向井下作業人員與井上工作人員報警，可用于實地監測瓦斯濃度。

5 結束語

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

同時，本設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，其會對環境產生一定污染；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)瓦斯監測模塊所用的電源為5 V電子組，經測試在多次連續使用后其電壓會降低，對設備工作會產生一定影響；4)電子產品在日常使用時會有一定損耗，其使用壽命暫時無法測定。

未來對礦工服的設計與研究應在改善其舒適性的同時，注重其功能性的開發。如針對礦井下的信號傳輸改善，礦井下作業設備間的協同操作，對礦工進行定位及身體指標檢測等。