手工搬运作业下矿工腰部肌肉疲劳分析

时间：2024-07-28

田水承，陈盈，邹元

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054； 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054；3.陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西宝鸡 721505)

肌肉骨骼疾病大多由过度运动引发[1]，被定义为肌肉、神经、肌腱、韧带、关节、软骨和椎间盘的损伤及疾病。2016年全球3.015 7亿骨骼病例报告中，约有1 470万人受肌肉骨骼疾病影响，且22%的受伤部位是腰背部，其次是腿部[2]。煤矿从业人员是煤炭工业发展的第一生产力，据统计，2010—2014年我国共有470万井下作业人员[3]。经研究发现，肌肉骨骼疾病已经成为严重的职业健康疾病之一，矿工易受恶劣工作环境和繁重工作任务等因素影响而患上肌肉骨骼疾病[4]，患病率约为78.4%[5]。嘈杂的环境极易造成矿工情绪波动[6]，且对矿工的行为产生负面效应[7]，严重威胁着矿工的身心健康[8]，进而会促使事故的发生。单调、机械性循环作业极易导致煤矿工人腰部损伤，尤其是辅助运输矿工(本研究统称为“矿工”)，负责驾驶各种无轨胶轮车，工作时间长，车程颠簸；此外，其还需协助井下其他作业人员装卸设备、物料等，无疑增加了自身腰部压力。随着对肌肉骨骼疾病病因学研究的深入，人们逐渐意识到肌肉骨骼疾病对矿工工作状态影响的严重性，肌肉骨骼疾病不仅带给矿工身体病痛，还会加剧消极心理[9]。确保矿工的身心健康是保障煤矿安全生产的必要前提[10]。

目前，针对矿工的工作状态与肌肉骨骼疾病之间的关系研究鲜有报道[11]。研究矿工腰部肌肉疲劳发展的情况及对其工作状态的影响，评估矿工手工搬运作业任务中的肌肉骨骼疾病患病风险，以期为煤矿井下作业设计和工作安排提供参考，进而预防肌肉骨骼疾病的产生。

1 试验方案及过程

1.1 被试者

陕西麟北煤业开发有限责任公司31名辅助运输矿工自愿参与本次试验，被试矿工均为右利手，且具有正常的视力或矫正视力，被试矿工基本信息如表1所示。

表1 被试矿工基本信息

表1中Ibm是体质量指数(又称为“体重指数”)，由每个被试矿工的体重和身高计算得出，且所有被试矿工均没有一年及以上的精神疾病史和肌肉骨骼类疾病史，身体健康。本研究方案已经外部科学伦理委员会审查和批准。所有被试矿工均配合在测试前24 h内不进行强烈体力运动，不喝咖啡和酒。

1.2 仪器设备

1)拉力测量仪器：艾德堡公司的HANDPI数显式拉力计(HP-10K)，用于测量被试矿工腰部肌力值。

2)主观疲劳评价：采用Borg RPE量表[12]，量值范围为6～20，用于评估测量试验前后被试矿工腰背部的疲劳或不适的主观感受。

3)其他设备：矿用货运皮卡、20 kg油桶、身高-体重秤、血压计，用于获得被试矿工身高、体重、心率和血压值。

1.3 试验设计

为满足煤矿井下温湿度环境和人体环境适应性要求，排除环境因素对诱发人体肌肉疲劳的影响，试验选在5月份实施。因试验所用设备均不防爆，故试验模拟场景选自矿业公司无轨胶轮车车间(密闭的环境空间)。试验要求被试矿工遵循下井作业的穿戴要求(井下工服、安全帽、矿灯、自救器、胶靴等)穿戴好自身装备，所用到的车辆均为井下现用车辆，真实模拟煤矿井下作业场景。在搬运作业任务前测量被试矿工身高、体重、血压、心率和腰背部拉力；搬运作业包括手工油桶装卸车和水平搬运两个任务(循环交替进行)，每个任务阶段时长10 min，搬运任务总时长30 min；搬运作业任务共3个阶段，间歇期测量被试矿工的腰部肌力、血压、心率及BRPE值。矿工腰部肌肉疲劳试验流程见图1。

图1 矿工腰部肌肉疲劳试验流程图

为了获得等效的腰背部力量测试结果，受试者站在连有拉力计的平板上，抓住平板上方38 cm处的手柄，弯曲腰部，用腰部肌肉的最大力量向上拉手柄(如图2所示)，获得向上的最大拉力，即矿工腰部肌肉的拉力最大自愿收缩值FMVC。3次搬运作业任务完成后，被试矿工主观疲劳评价值高达17及以上则所有试验结束，若未满足要求则考虑适当延长搬运作业时间5～10 min。

图2 被试矿工腰部拉力测量

2 数据结果分析

2.1 腰部肌力分析

每位矿工试验前需测量一次最大腰部肌力FMVC，31名被试矿工FMVC均值为(1.30±0.002 3) kN；搬运作业10 min后F′MVC10均值为(1.27±0.002 3) kN，搬运作业20 min后F′MVC20均值为(1.22±0.002 4) kN，搬运作业30 min后F′MVC30均值为(1.19±0.002 5) kN。矿工腰部肌力测试结果如图3所示。

图3 试验前及搬运测试30 min内被试矿工的腰部肌力

由图3可知，被试矿工腰部肌力随着手工搬运作业时间(t)的增加而逐渐衰减。

拉力下降速率(v)和肌力最大随意收缩百分比(fMVC)是评估肌肉疲劳的重要指标[13]。被试矿工手工搬运重物而使腰部拉力下降速率(v)可采用公式(1)计算：

v=(FMVC-F′MVC)/t

(1)

计算得出矿工手工搬运作业10、20、30 min后的腰部拉力下降速率分别为0.076、0.137、0.190 kN/min。可见随着手工搬运时间的增加，被试矿工腰部拉力下降的速率增快。

外部负重在试验前拉力的百分比即肌力最大随意收缩百分比，用fMVC表示，其计算公式如下：

fMVC=(Fload/FMVC)×100%

(2)

外部负重(20 kg油桶)给予被试矿工的压力Fload为0.196 kN，从而得出被试矿工手工搬运作业前及搬运10、20、30 min后的肌力最大随意收缩百分比分别为15.26%、15.60%、16.16%、16.61%。可见，被试矿工执行手工搬运任务前后肌力最大随意收缩百分比增加，且随搬运时间的增加而增大，表明腰部肌肉疲劳fMVC增大，其变化趋势及发展过程如图4所示。

图4 腰部肌肉疲劳发展过程曲线

由图可4知，短期手工搬运作业中，矿工肌肉疲劳显现3个时期：疲劳孕育期、疲劳发展期和疲劳增长期，且发展期fMVC值增长最快。

2.2 主观评价分析

每位被试矿工在完成一个阶段的手工搬运作业任务后，会对自身疲劳主观感知程度(Rating of Perceived Exertion,BRPE)进行评分。BRPE值是被试矿工的主观疲劳感受，所以受主观因素影响较大，但与被试矿工个体因素有着内在的相关性，如年龄、身高(cm)、体重(kg)、体质量指数(kg/m2)、心率(次/min)和血压(Pa)等。通过对BRPE进行逐步回归分析，得到各指标对BRPE的一元线性回归预测模型：

BRPE=0.141G+0.041Ibm+0.062Rh+0.034pa

(3)

公式(3)拟合系数R2=0.844，式中G(P<0.05)、Ibm(P<0.05)、Rh(P=0.005)和pa分别代表被试矿工年龄、体质量指数、搬运作业任务后的心率和动脉血压，P代表显著性。心率(P=0.001)是BRPE预测模型中显著性最强的因素，被试矿工年龄、体质量指数显著影响主观疲劳BRPE值。

平均绝对偏差(Mean Absolute Deviation,DMA)常被用于衡量预测值与真实值之间的差异程度，其表达式如下:

(4)

式中：DMA为平均绝对偏差；n为测量指标x的总数;xt,i为x的第i个真实值；xp,i为x的第i个预测值。

将31名被试矿工的年龄、Ibm和3个搬运阶段后的心率和血压值代入公式(3)，计算得到BRPE的预测值BRPE，p，再与真实值BRPE，t作比较得出DMA。研究中BRPE的DMA均值为8.72。手工搬运作业10 min后，BRPE预测值与真实值对比情况如图5所示。

图5 BRPE预测值与真实值对比

由图5可知，BRPE的平均绝对偏差DMA变化呈线性增长趋势，BRPE的预测值与真实值差异程度较小，故本研究所构建的BRPE一元线性回归预测模型有效。被试矿工完成10、20、30 min 3个阶段的手工搬运作业任务后，BRPE的总平均评分结果分别是6.71、9.16、12.65、17.10。BRPE评分疲劳状态变化图如图6 所示。

图6 BRPE主观肌肉疲劳状态变化

由图6可知，被试矿工BRPE主观肌肉疲劳状态变化趋势与腰部肌肉疲劳发展趋势相似，主观肌肉疲劳感知与时间呈正相关关系，即矿工腰部肌肉疲劳感知随作业时间增加而上升。长时间的搬运作业使矿工主观疲劳感经过相对稳定的状态后迅速增强，表明30 min的搬运作业能诱发被试矿工的疲劳感，且迅速进入强烈的疲劳感知状态。

2.3 相关性分析

为探讨个体Ibm对腰部肌力下降速率v、肌力最大随意收缩百分比fMVC及身体疲劳主观感知的影响，本研究遵从不同级别Ibm均衡原则，将31名被试矿工的Ibm值划分为L(21.07±1.59)、M(25.14±0.83)、H(27.13±2.80)3个水平等级，试验结果如图7所示。

图7 3个等级Ibm与肌肉疲劳指标的关系

图7中数据显示，被试矿工Ibm与腰部肌力下降速率v负相关，速率v随Ibm值的增加而减小，表明体型越肥胖的矿工腰部肌力随作业时间的增加下降速率增快，腰部力量衰减越快，越易诱发疲劳；被试矿工Ibm与肌力最大随意收缩百分比fMVC正相关，说明体型越肥胖的矿工fMVC值越大，最大腰部肌力越小；被试矿工Ibm与BRPE值正相关，即体型越肥胖的矿工，疲劳主观感受越强。

3 讨论

实际煤矿井下搬运作业中，货物量一般是一定的，不会随着矿工拉力的大小而调整质量，所以本研究中，采取了固定的负荷质量。通常单个货物的质量是相同的，依据人体所能承受的负荷范围，故选取20 kg油桶作为搬运负荷对象，以期短时间诱发人体肌肉疲劳。运动强度或肌力最大随意收缩百分比(fMVC)被确认为是影响肌肉疲劳结果的主要因素之一[14]，且fMVC低于15%，疲劳效应可忽略不计[15]。本研究中被试矿工的fMVC范围在15%～17%，平均值15.9%，均高于15%，故数据结果有效，可以反映肌肉疲劳的发展程度。

分析被试矿工的主观疲劳感知评分结果发现，搬运作业10 min后，BRPE均值为9.16(±1.85)；20 min 后，BRPE均值为12.65(±1.66)；直到30 min搬运任务结束后，BRPE值高达17.10(±1.37)及以上。说明本研究的试验设计可以诱发被试矿工的肌肉疲劳，且搬运作业结束后被试矿工有强烈的疲劳感。随着搬运作业时间的增加，疲劳感知从缓慢期过渡到稳定期后迅速进入增长期。并且年龄、Ibm和Rh等指标显著影响BRPE值，故年龄越大、体型越胖、性格较急躁的矿工更易感觉到疲劳。

人体工程学中，识别影响因变量的个体因素有助于理解数据分析结果。Ibm指数是衡量人体胖瘦程度及健康程度的一个标准，正常范围在18.5～23.9 kg/m2，在24.0～27.9 kg/m2属于体质量指数偏高，29.0 kg/m2以上属于过高，高的Ibm意味着高比例的身体脂肪或肌肉质量。Ibm也是影响疲劳率的重要因素，因为其是代表个体身体特征的常用指标之一[16]。本研究中，被试矿工Ibm的平均水平值为(24.27±3.32) kg/m2，属于体质量指数偏高，为了均衡不同级别的Ibm，利于统计分析，将被试矿工的Ibm划分成3个水平等级[17]。研究发现被试矿工Ibm与肌力最大随意收缩百分比fMVC和主观疲劳感知BRPE值正相关，与腰部肌力下降速率v负相关，Ibm值越大，被试矿工的肌力下降速度越快，疲劳程度越强。这一结果与以往的研究结论一致，推动了Ibm指标对疲劳程度影响研究的发展。