煤巖樣品處理平臺設計

屈文濤，王冠霖，徐劍波，王勃

西安石油大學 機械工程學院（陜西 西安 710065）

隨著基礎研究的不斷發展，各類檢測設備和儀器不斷向體積小型化、功能多樣化、操作簡單化方向發展。根據不同行業現場的要求，產生了集成現代科學儀器和實驗技術優勢的多功能移動實驗室[1]。移動實驗室憑借著突出的現場性、時效性、集成化等特點，廣泛應用于地質調查、疫情防控[2]、災害防治等領域。雖然我國在移動實驗室的設計、研發、應用方面都有著較為成熟的經驗，但在煤層氣含氣量檢測方面的應用還是空白。同時，國內外對空間的布局設計及其評價主要體現在汽車、建筑等傳統環境中，針對移動實驗室內部某一空間的布局設計的研究卻很少。因此，引入人機工程學原理，根據器材布置原則、人體尺度原則、設備擺放時的最佳位置等設計原則，設計出一款可以使操作人員安全、舒適、高效工作的煤巖樣品處理平臺，最終通過Jack軟件驗證該設計方案的合理性。

1 煤巖樣品處理現狀調查分析

根據安澤縣煤層氣項目部井場的調查研究發現，現場巖心樣品處理工作主要存在以下問題：①現場實驗人員處理樣品時大多采用蹲姿，當工作量較大時會引起操作人員身體上的不適；②部分工具沒有進行合理的擺放，容易產生安全隱患；③現場沒有合適的工作平臺，操作人員在處理時工作效率較低；④含氣量檢測場地沒有排氣扇和氣體檢測等安全裝置；⑤操作人員往往忽視了煤巖樣品處理過程中廢棄物的處理。

根據煤層氣含氣量檢測規范可知：①采取到的巖心樣品分為柱狀、顆粒狀和粉末狀三類；②樣品到達地面后必須在10 min內裝入解吸罐密封；③樣品到達地面后，需提出夾矸及雜物；④若巖心樣品受到泥漿污染，應適當用潔凈抹布或清水沖洗后迅速按煤層剖面順序裝罐密封；顆粒、粉末狀樣品通過篩選，挑選較純部分迅速用清水沖洗鉆井液，然后裝入解吸罐并密封；⑤每次裝罐的巖心樣品質量不得少于800 g，在采取率不足時，最低不少于300 g，同時應當備注說明；⑥裝罐時，樣品裝至罐口處1 cm，樣品量不足時，應在裝樣前給罐底加入適量填料，如玻璃圓柱體；⑦針對煤巖樣品，應記錄其裝樣時間、采樣日期、樣重等參數。

通過對現場煤巖樣品處理存在的問題以及煤層氣含氣量檢測規范中所規定的處理方法綜合分析，處理平臺的設計應當考慮實驗人員的身體尺寸、操作的舒適性和安全性等因素[3]。根據器具的布置原則和人體尺度原則，使人-器具-空間三者相統一，以達到設計方案的實用性與合理性[4]。因此在設計時應注意以下問題：①根據人的活動空間范圍，如操作的最大范圍、最佳作業空間、手操作的適宜范圍和前屈或者下蹲的空間范圍對處理平臺的高、中、低區域的空間進行合理布局[5]；②根據處理流程調整煤巖樣品處理平臺樣式，使其符合樣品處理的操作動線，使流程更加合理與便利；③設置專門的解吸罐放置區以便操作人員取用；④需要用到的各類器具，如扳手、榔頭等，應收納在固定位置，避免因掉落引起傷害；⑤在處理平臺上方加設排氣扇、甲烷氣體濃度檢測裝置等，避免因室內甲烷濃度過高造成安全事故。

2 巖心樣品處理平臺設計

人、設備、被加工物等所占的空間稱為作業空間[6]。在有限的空間內進行布局設計時，充分考慮“人”的因素和設備的布置原則，可以有效地提高操作人員的工作效率，降低操作人員的疲勞程度，使操作人員可以安全、準確、舒適地開展工作。

人機的操作應當充分考慮人體尺寸參數，操作人員作業時，肢體的最短運動路線、最舒適的作業范圍被稱為最佳作業范圍。以95%的人滿意為原則，根據人機工程學的人體測量數據得出在立姿時人的手眼操作最佳高度為800~1 300 mm，在水平面上，手臂活動及手部操作舒適的范圍為身體前方394 mm、寬度1 194 mm的區域，以此區域作為煤巖樣品處理平臺操作范圍，見表1。

表1 樣品處理空間尺寸

總結并整理以上數據，針對操作人員的操作舒適范圍，應用于樣品處理平臺布局設計。

1）在設計煤巖樣品處理操作臺時，需要確保操作人員在處理平臺操作姿態的舒適性、操作流程的合規性以及操作環境的安全性，使操作人員以舒適的操作姿態安全、高效地完成整套樣品處理流程。通過綜合現場調研得到的數據和煤層氣含氣量檢測標準中對于樣品處理的要求來分析樣品處理平臺的功能與布局，使操作人員在處理樣品時便于觀察操作對象。為了獲得良好的操作空間，樣品處理平臺的高度設計，應相近于操作人員立姿時的肘高度[7]。同時，將樣品處理平臺的上部與底部空間用于樣品和器具的收納放置。底部收納區開合方式采用抽拉式收納，便于操作人員安全地取放，同時也可以將里面的物品更加清晰地呈現在操作人員面前。上部收納區采用門式開合，用于存放取用頻率較低的器具和應急物品等。

2）根據操作人員需求的角度考慮，樣品處理臺采取L型操作臺布置，根據樣品的清洗、篩選、裝罐3個步驟來劃分獨立的操作區。操作人員在處理樣品時，只用轉動上半身便可以在3個獨立的操作區之間自由轉換，避免了在各個操作區間來回走動，形成了一個三角形的區域布局。

3）為了使操作人員在樣品處理平臺內更加舒適便捷地進行樣品處理操作，對底部收納區進行特殊設計，使樣品處理平臺更加人性化。樣品按類型劃分收納區域，煤巖樣品、水樣劃分專用收納區，避免移動實驗室運輸過程中由于行車不穩定造成樣品損壞。

4）為了使操作人員更加直觀地了解樣品裝罐后的質量及罐內壓力，在樣品罐放置區底部增加對應的傳感器，顯示器以60°置于面板處，以便實時顯示樣品裝罐后是否滿足要求。同時將樣品罐放置區設置在便于操作人員可以舒適、安全提取的位置，避免因提取解吸罐造成傷害。

5）由于煤巖樣品處理平臺處在一個封閉的環境中，因此在處理平臺上方安裝排氣扇和甲烷氣體濃度檢測裝置，避免因甲烷濃度過高而造成安全事故，為操作人員提供一個安全的工作環境；在底部設置廢料收集區，可以將操作過程中產生的廢料集中處理，避免造成污染。

6）由于井場環境相比于傳統檢測實驗室較差，因此處理平臺的材質和涂裝關乎到移動實驗室內的安全問題和操作人員的心理感受。由于煤巖樣品本身的特性，處理平臺材質應選取便于清潔且具有較強耐磨性、耐沖擊性的環氧樹脂和防火板，既保證了其功能性，同時還有一定的安全性。

樣品處理平臺主要尺寸如圖1所示。

圖1 樣品處理平臺示意圖（單位：mm）

該設計方案在收納放置、處理流程布局、器具取用以及安全方面進行了考慮，使處理流程合乎規范的同時更加高效、安全。

3 人機工程仿真分析

在人機工程學評價中，常用的人機工學評價類型有可達域、視域、舒適度分析[8]。為驗證巖心樣品處理平臺設計方案的合理性，通過Jack軟件對操作人員進行煤巖樣品處理時的可達域，觀察操作對象是否位于視野內的可視域以及操作部分流程時身體的疲勞程度三方面進行人機工學分析。

在Jack中構建人體模型[9]，由于井場作業環境與勞動強度等因素，導致現場作業人員大多為男性，且沒有特別明顯的年齡區域。因此樣品處理空間應符合該范圍內的中國用戶，根據國家標準GB 10000—1988中提供的《中國成年人體尺寸》尺寸數據，在建立人體模型時選擇第95百分位男性。將建立好的樣品處理空間三維模型帶入Jack軟件中，同時設置成與人體模型相同的比例，如圖2所示。

圖2 Jack軟件數字人體模型

3.1 可達域分析

在煤巖樣品處理平臺設計方案中，設備布局是否滿足人體的可達域要求，手是否可以觸及到物品并實現預定操作，避免因物品處于操作范圍之外而造成危險。通過對95百分位男性的人體模型添加約束條件，調整手臂、肘部等關節，調整人體模型模擬清洗、篩選樣品時的動作。通過Jack軟件仿真分析可知，該方案中樣品清理區、篩選區布局合理，各操作之間互不干涉，且操作人員操作姿勢評價良好，可以舒適、安全地完成上述操作。Jack軟件分析結果如圖3所示。

由于煤巖樣品、水樣、樣品殘渣等大多置于底部收納區，且煤樣為樣品處理過程中取用頻率較高的物品，因此需對處于低身位的底部收納區進行人機分析驗證，判斷其是否符合人體操作時舒適、安全的要求。通過模擬人體在低身位狀態下取放物品的姿態，發現可以輕松取放位于底部收納區的物品。Jack軟件分析結果如圖3所示。

圖3 Jack軟件操作可達域

3.2 可視域分析

可視域的評價標準合格與否，主要是考慮操作、觀察對象是否位于操作人員的視野內。在視域分析時，一般選擇第5或95百分位兩種男性身體數據為例，涵蓋90%的人群。在正常立姿下，頭部轉動最舒適的仰視角度為12°~25°，左右視角區域為±50°[10]。

顯示屏可視情況驗證。第95百分位男性身體數據為例，在處理平臺保持正常站姿的情況下，可以方便地查看到位于處理平臺左側解吸罐放置區的顯示屏，設計方案符合要求，Jack軟件分析結果如圖4所示。

圖4 Jack軟件可視域

頂部收納區可視情況驗證。由于急救箱等取用頻率較低的物品大多位于頂部收納區，且一般質量較大，稍有不慎就會造成人員受傷，因此需要對頂部收納區進行可視域驗證，將數字人體模型模擬在立姿狀態下取放物品的使用場景，經驗證，數字人體模型也可以較為清楚地觀察到頂部收納區所放置的物品，Jack軟件分析結果如圖4所示。

3.3 舒適度分析

在煤巖樣品處理過程中,樣品裝罐后，需要將解吸罐從放置區向上提取后送至解吸區，是樣品處理過程中頻率較高的一道工序。將人體模型調整至對應的操作姿態，同時為解吸罐加上8 kg質量，經Jack軟件靜力學分析可知，人體模型右肩膀部位略顯不適，但由于取放解吸罐是短期工作，操作人員不會長時間維持該動作，因此解吸罐放置區的布局較為合理。Jack軟件分析結果如圖5所示。

圖5 Jack軟件舒適度

4 結論

為提高現場操作人員的工作效率和工作時的舒適性、安全性，將人機工程學運用到處理平臺的布局設計中。通過對現場問題的分析，結合行業規范、器材布置以及布局劃分等方面對煤巖樣品處理平臺給出了設計方案，并應用Jack虛擬仿真軟件對設計方案的三維模型進行了視域和可達域等分析，驗證了方案的合理性。對其他處理平臺的布局設計提供了借鑒和參考價值。