手工搬運作業下礦工腰部肌肉疲勞分析

田水承，陳 盈，鄒 元

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721505)

肌肉骨骼疾病大多由過度運動引發[1]，被定義為肌肉、神經、肌腱、韌帶、關節、軟骨和椎間盤的損傷及疾病。2016年全球3.015 7億骨骼病例報告中，約有1 470萬人受肌肉骨骼疾病影響，且22%的受傷部位是腰背部，其次是腿部[2]。煤礦從業人員是煤炭工業發展的第一生產力，據統計，2010—2014年我國共有470萬井下作業人員[3]。經研究發現，肌肉骨骼疾病已經成為嚴重的職業健康疾病之一，礦工易受惡劣工作環境和繁重工作任務等因素影響而患上肌肉骨骼疾病[4]，患病率約為78.4%[5]。嘈雜的環境極易造成礦工情緒波動[6]，且對礦工的行為產生負面效應[7]，嚴重威脅著礦工的身心健康[8]，進而會促使事故的發生。單調、機械性循環作業極易導致煤礦工人腰部損傷，尤其是輔助運輸礦工(本研究統稱為“礦工”)，負責駕駛各種無軌膠輪車，工作時間長，車程顛簸；此外，其還需協助井下其他作業人員裝卸設備、物料等，無疑增加了自身腰部壓力。隨著對肌肉骨骼疾病病因學研究的深入，人們逐漸意識到肌肉骨骼疾病對礦工工作狀態影響的嚴重性，肌肉骨骼疾病不僅帶給礦工身體病痛，還會加劇消極心理[9]。確保礦工的身心健康是保障煤礦安全生產的必要前提[10]。

目前，針對礦工的工作狀態與肌肉骨骼疾病之間的關系研究鮮有報道[11]。研究礦工腰部肌肉疲勞發展的情況及對其工作狀態的影響，評估礦工手工搬運作業任務中的肌肉骨骼疾病患病風險，以期為煤礦井下作業設計和工作安排提供參考，進而預防肌肉骨骼疾病的產生。

1 試驗方案及過程

1.1 被試者

陜西麟北煤業開發有限責任公司31名輔助運輸礦工自愿參與本次試驗，被試礦工均為右利手，且具有正常的視力或矯正視力，被試礦工基本信息如表1所示。

表1 被試礦工基本信息

表1中Ibm是體質量指數(又稱為“體重指數”)，由每個被試礦工的體重和身高計算得出，且所有被試礦工均沒有一年及以上的精神疾病史和肌肉骨骼類疾病史，身體健康。本研究方案已經外部科學倫理委員會審查和批準。所有被試礦工均配合在測試前24 h內不進行強烈體力運動，不喝咖啡和酒。

1.2 儀器設備

1)拉力測量儀器：艾德堡公司的HANDPI數顯式拉力計(HP-10K)，用于測量被試礦工腰部肌力值。

2)主觀疲勞評價：采用Borg RPE量表[12]，量值范圍為6～20，用于評估測量試驗前后被試礦工腰背部的疲勞或不適的主觀感受。

3)其他設備：礦用貨運皮卡、20 kg油桶、身高-體重秤、血壓計，用于獲得被試礦工身高、體重、心率和血壓值。

1.3 試驗設計

為滿足煤礦井下溫濕度環境和人體環境適應性要求，排除環境因素對誘發人體肌肉疲勞的影響，試驗選在5月份實施。因試驗所用設備均不防爆，故試驗模擬場景選自礦業公司無軌膠輪車車間(密閉的環境空間)。試驗要求被試礦工遵循下井作業的穿戴要求(井下工服、安全帽、礦燈、自救器、膠靴等)穿戴好自身裝備，所用到的車輛均為井下現用車輛，真實模擬煤礦井下作業場景。在搬運作業任務前測量被試礦工身高、體重、血壓、心率和腰背部拉力；搬運作業包括手工油桶裝卸車和水平搬運兩個任務(循環交替進行)，每個任務階段時長10 min，搬運任務總時長30 min；搬運作業任務共3個階段，間歇期測量被試礦工的腰部肌力、血壓、心率及BRPE值。礦工腰部肌肉疲勞試驗流程見圖1。

圖1 礦工腰部肌肉疲勞試驗流程圖

為了獲得等效的腰背部力量測試結果，受試者站在連有拉力計的平板上，抓住平板上方38 cm處的手柄，彎曲腰部，用腰部肌肉的最大力量向上拉手柄(如圖2所示)，獲得向上的最大拉力，即礦工腰部肌肉的拉力最大自愿收縮值FMVC。3次搬運作業任務完成后，被試礦工主觀疲勞評價值高達17及以上則所有試驗結束，若未滿足要求則考慮適當延長搬運作業時間5～10 min。

圖2 被試礦工腰部拉力測量

2 數據結果分析

2.1 腰部肌力分析

每位礦工試驗前需測量一次最大腰部肌力FMVC，31名被試礦工FMVC均值為(1.30±0.002 3) kN；搬運作業10 min后F′MVC10均值為(1.27±0.002 3) kN，搬運作業20 min后F′MVC20均值為(1.22±0.002 4) kN，搬運作業30 min后F′MVC30均值為(1.19±0.002 5) kN。礦工腰部肌力測試結果如圖3所示。

圖3 試驗前及搬運測試30 min內被試礦工的腰部肌力

由圖3可知，被試礦工腰部肌力隨著手工搬運作業時間(t)的增加而逐漸衰減。

拉力下降速率(v)和肌力最大隨意收縮百分比(fMVC)是評估肌肉疲勞的重要指標[13]。被試礦工手工搬運重物而使腰部拉力下降速率(v)可采用公式(1)計算：

v=(FMVC-F′MVC)/t

(1)

計算得出礦工手工搬運作業10、20、30 min后的腰部拉力下降速率分別為0.076、0.137、0.190 kN/min?？梢婋S著手工搬運時間的增加，被試礦工腰部拉力下降的速率增快。

外部負重在試驗前拉力的百分比即肌力最大隨意收縮百分比，用fMVC表示，其計算公式如下：

fMVC=(Fload/FMVC)×100%

(2)

外部負重(20 kg油桶)給予被試礦工的壓力Fload為0.196 kN，從而得出被試礦工手工搬運作業前及搬運10、20、30 min后的肌力最大隨意收縮百分比分別為15.26%、15.60%、16.16%、16.61%?？梢?，被試礦工執行手工搬運任務前后肌力最大隨意收縮百分比增加，且隨搬運時間的增加而增大，表明腰部肌肉疲勞fMVC增大，其變化趨勢及發展過程如圖4所示。

圖4 腰部肌肉疲勞發展過程曲線

由圖可4知，短期手工搬運作業中，礦工肌肉疲勞顯現3個時期：疲勞孕育期、疲勞發展期和疲勞增長期，且發展期fMVC值增長最快。

2.2 主觀評價分析

每位被試礦工在完成一個階段的手工搬運作業任務后，會對自身疲勞主觀感知程度(Rating of Perceived Exertion,BRPE)進行評分。BRPE值是被試礦工的主觀疲勞感受，所以受主觀因素影響較大，但與被試礦工個體因素有著內在的相關性，如年齡、身高(cm)、體重(kg)、體質量指數(kg/m2)、心率(次/min)和血壓(Pa)等。通過對BRPE進行逐步回歸分析，得到各指標對BRPE的一元線性回歸預測模型：

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

(3)

公式(3)擬合系數R2=0.844，式中G(P<0.05)、Ibm(P<0.05)、Rh(P=0.005)和pa分別代表被試礦工年齡、體質量指數、搬運作業任務后的心率和動脈血壓，P代表顯著性。心率(P=0.001)是BRPE預測模型中顯著性最強的因素，被試礦工年齡、體質量指數顯著影響主觀疲勞BRPE值。

平均絕對偏差(Mean Absolute Deviation,DMA)常被用于衡量預測值與真實值之間的差異程度，其表達式如下:

(4)

式中：DMA為平均絕對偏差；n為測量指標x的總數;xt,i為x的第i個真實值；xp,i為x的第i個預測值。

將31名被試礦工的年齡、Ibm和3個搬運階段后的心率和血壓值代入公式(3)，計算得到BRPE的預測值BRPE，p，再與真實值BRPE，t作比較得出DMA。研究中BRPE的DMA均值為8.72。手工搬運作業10 min后，BRPE預測值與真實值對比情況如圖5所示。

圖5 BRPE預測值與真實值對比

由圖5可知，BRPE的平均絕對偏差DMA變化呈線性增長趨勢，BRPE的預測值與真實值差異程度較小，故本研究所構建的BRPE一元線性回歸預測模型有效。被試礦工完成10、20、30 min 3個階段的手工搬運作業任務后，BRPE的總平均評分結果分別是6.71、9.16、12.65、17.10。BRPE評分疲勞狀態變化圖如圖6 所示。

圖6 BRPE主觀肌肉疲勞狀態變化

由圖6可知，被試礦工BRPE主觀肌肉疲勞狀態變化趨勢與腰部肌肉疲勞發展趨勢相似，主觀肌肉疲勞感知與時間呈正相關關系，即礦工腰部肌肉疲勞感知隨作業時間增加而上升。長時間的搬運作業使礦工主觀疲勞感經過相對穩定的狀態后迅速增強，表明30 min的搬運作業能誘發被試礦工的疲勞感，且迅速進入強烈的疲勞感知狀態。

2.3 相關性分析

為探討個體Ibm對腰部肌力下降速率v、肌力最大隨意收縮百分比fMVC及身體疲勞主觀感知的影響，本研究遵從不同級別Ibm均衡原則，將31名被試礦工的Ibm值劃分為L(21.07±1.59)、M(25.14±0.83)、H(27.13±2.80)3個水平等級，試驗結果如圖7所示。

圖7 3個等級Ibm與肌肉疲勞指標的關系

圖7中數據顯示，被試礦工Ibm與腰部肌力下降速率v負相關，速率v隨Ibm值的增加而減小，表明體型越肥胖的礦工腰部肌力隨作業時間的增加下降速率增快，腰部力量衰減越快，越易誘發疲勞；被試礦工Ibm與肌力最大隨意收縮百分比fMVC正相關，說明體型越肥胖的礦工fMVC值越大，最大腰部肌力越小；被試礦工Ibm與BRPE值正相關，即體型越肥胖的礦工，疲勞主觀感受越強。

3 討論

實際煤礦井下搬運作業中，貨物量一般是一定的，不會隨著礦工拉力的大小而調整質量，所以本研究中，采取了固定的負荷質量。通常單個貨物的質量是相同的，依據人體所能承受的負荷范圍，故選取20 kg油桶作為搬運負荷對象，以期短時間誘發人體肌肉疲勞。運動強度或肌力最大隨意收縮百分比(fMVC)被確認為是影響肌肉疲勞結果的主要因素之一[14]，且fMVC低于15%，疲勞效應可忽略不計[15]。本研究中被試礦工的fMVC范圍在15%～17%，平均值15.9%，均高于15%，故數據結果有效，可以反映肌肉疲勞的發展程度。

分析被試礦工的主觀疲勞感知評分結果發現，搬運作業10 min后，BRPE均值為9.16(±1.85)；20 min 后，BRPE均值為12.65(±1.66)；直到30 min搬運任務結束后，BRPE值高達17.10(±1.37)及以上。說明本研究的試驗設計可以誘發被試礦工的肌肉疲勞，且搬運作業結束后被試礦工有強烈的疲勞感。隨著搬運作業時間的增加，疲勞感知從緩慢期過渡到穩定期后迅速進入增長期。并且年齡、Ibm和Rh等指標顯著影響BRPE值，故年齡越大、體型越胖、性格較急躁的礦工更易感覺到疲勞。

人體工程學中，識別影響因變量的個體因素有助于理解數據分析結果。Ibm指數是衡量人體胖瘦程度及健康程度的一個標準，正常范圍在18.5～23.9 kg/m2，在24.0～27.9 kg/m2屬于體質量指數偏高，29.0 kg/m2以上屬于過高，高的Ibm意味著高比例的身體脂肪或肌肉質量。Ibm也是影響疲勞率的重要因素，因為其是代表個體身體特征的常用指標之一[16]。本研究中，被試礦工Ibm的平均水平值為(24.27±3.32) kg/m2，屬于體質量指數偏高，為了均衡不同級別的Ibm，利于統計分析，將被試礦工的Ibm劃分成3個水平等級[17]。研究發現被試礦工Ibm與肌力最大隨意收縮百分比fMVC和主觀疲勞感知BRPE值正相關，與腰部肌力下降速率v負相關，Ibm值越大，被試礦工的肌力下降速度越快，疲勞程度越強。這一結果與以往的研究結論一致，推動了Ibm指標對疲勞程度影響研究的發展。

4 結論

1)短期手工搬運作業中，隨著作業時間的增加，礦工腰部肌力下降速率增快，且礦工肌肉疲勞顯現孕育期、發展期和增長期3個階段，疲勞程度在發展期加劇，腰部肌肉疲勞程度增長明顯；

2)年齡G、體質量指數Ibm和心率Rh指標顯著影響礦工主觀疲勞感知BRPE值，隨著礦工年齡、體重和Rh增高，礦工主觀疲勞感知變強，BRPE的一元線性回歸預測模型可以評估礦工的疲勞感知程度；

3)礦工體質量指數Ibm顯著影響腰部肌力下降速率v、肌力最大隨意收縮百分比fMVC及身體疲勞主觀感知BRPE，體重超標、體型肥胖的礦工肌力下降速度越快，疲勞感越強。