手工搬運(yùn)作業(yè)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(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505)

肌肉骨骼疾病大多由過(guò)度運(yùn)動(dòng)引發(fā)[1]，被定義為肌肉、神經(jīng)、肌腱、韌帶、關(guān)節(jié)、軟骨和椎間盤(pán)的損傷及疾病。2016年全球3.015 7億骨骼病例報(bào)告中，約有1 470萬(wàn)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(yè)人員是煤炭工業(yè)發(fā)展的第一生產(chǎn)力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010—2014年我國(guó)共有470萬(wàn)井下作業(yè)人員[3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，肌肉骨骼疾病已經(jīng)成為嚴(yán)重的職業(yè)健康疾病之一，礦工易受惡劣工作環(huán)境和繁重工作任務(wù)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(huán)境極易造成礦工情緒波動(dòng)[6]，且對(duì)礦工的行為產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)[7]，嚴(yán)重威脅著礦工的身心健康[8]，進(jìn)而會(huì)促使事故的發(fā)生。單調(diào)、機(jī)械性循環(huán)作業(yè)極易導(dǎo)致煤礦工人腰部損傷，尤其是輔助運(yùn)輸?shù)V工(本研究統(tǒng)稱為“礦工”)，負(fù)責(zé)駕駛各種無(wú)軌膠輪車，工作時(shí)間長(zhǎng)，車程顛簸；此外，其還需協(xié)助井下其他作業(yè)人員裝卸設(shè)備、物料等，無(wú)疑增加了自身腰部壓力。隨著對(duì)肌肉骨骼疾病病因?qū)W研究的深入，人們逐漸意識(shí)到肌肉骨骼疾病對(duì)礦工工作狀態(tài)影響的嚴(yán)重性，肌肉骨骼疾病不僅帶給礦工身體病痛，還會(huì)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(chǎn)的必要前提[10]。

目前，針對(duì)礦工的工作狀態(tài)與肌肉骨骼疾病之間的關(guān)系研究鮮有報(bào)道[11]。研究礦工腰部肌肉疲勞發(fā)展的情況及對(duì)其工作狀態(tài)的影響，評(píng)估礦工手工搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)中的肌肉骨骼疾病患病風(fēng)險(xiǎn)，以期為煤礦井下作業(yè)設(shè)計(jì)和工作安排提供參考，進(jìn)而預(yù)防肌肉骨骼疾病的產(chǎn)生。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1 被試者

陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司31名輔助運(yùn)輸?shù)V工自愿參與本次試驗(yàn)，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(zhì)量指數(shù)(又稱為“體重指數(shù)”)，由每個(gè)被試礦工的體重和身高計(jì)算得出，且所有被試礦工均沒(méi)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(jīng)外部科學(xué)倫理委員會(huì)審查和批準(zhǔn)。所有被試礦工均配合在測(cè)試前24 h內(nèi)不進(jìn)行強(qiáng)烈體力運(yùn)動(dòng)，不喝咖啡和酒。

1.2 儀器設(shè)備

1)拉力測(cè)量?jī)x器：艾德堡公司的HANDPI數(shù)顯式拉力計(jì)(HP-10K)，用于測(cè)量被試礦工腰部肌力值。

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

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

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為滿足煤礦井下溫濕度環(huán)境和人體環(huán)境適應(yīng)性要求，排除環(huán)境因素對(duì)誘發(fā)人體肌肉疲勞的影響，試驗(yàn)選在5月份實(shí)施。因試驗(yàn)所用設(shè)備均不防爆，故試驗(yàn)?zāi)M場(chǎng)景選自礦業(yè)公司無(wú)軌膠輪車車間(密閉的環(huán)境空間)。試驗(yàn)要求被試礦工遵循下井作業(yè)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(xiàn)用車輛，真實(shí)模擬煤礦井下作業(yè)場(chǎng)景。在搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)前測(cè)量被試礦工身高、體重、血壓、心率和腰背部拉力；搬運(yùn)作業(yè)包括手工油桶裝卸車和水平搬運(yùn)兩個(gè)任務(wù)(循環(huán)交替進(jìn)行)，每個(gè)任務(wù)階段時(shí)長(zhǎng)10 min，搬運(yùn)任務(wù)總時(shí)長(zhǎng)30 min；搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)共3個(gè)階段，間歇期測(cè)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(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 礦工腰部肌肉疲勞試驗(yàn)流程圖

為了獲得等效的腰背部力量測(cè)試結(jié)果，受試者站在連有拉力計(jì)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(yùn)作業(yè)任務(wù)完成后，被試礦工主觀疲勞評(píng)價(jià)值高達(dá)17及以上則所有試驗(yàn)結(jié)束，若未滿足要求則考慮適當(dāng)延長(zhǎng)搬運(yùn)作業(yè)時(shí)間5～10 min。

圖2 被試礦工腰部拉力測(cè)量

2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1 腰部肌力分析

每位礦工試驗(yàn)前需測(cè)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(yùn)作業(yè)10 min后F′MVC10均值為(1.27±0.002 3) kN，搬運(yùn)作業(yè)20 min后F′MVC20均值為(1.22±0.002 4) kN，搬運(yùn)作業(yè)30 min后F′MVC30均值為(1.19±0.002 5) kN。礦工腰部肌力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)前及搬運(yùn)測(cè)試30 min內(nèi)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(yùn)作業(yè)時(shí)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(píng)估肌肉疲勞的重要指標(biāo)[13]。被試礦工手工搬運(yùn)重物而使腰部拉力下降速率(v)可采用公式(1)計(jì)算：

v=(FMVC-F′MVC)/t

(1)

計(jì)算得出礦工手工搬運(yùn)作業(yè)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?jiàn)隨著手工搬運(yùn)時(shí)間的增加，被試礦工腰部拉力下降的速率增快。

外部負(fù)重在試驗(yàn)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(jì)算公式如下：

fMVC=(Fload/FMVC)×100%

(2)

外部負(fù)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(yùn)作業(yè)前及搬運(yùn)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?jiàn)，被試礦工執(zhí)行手工搬運(yùn)任務(wù)前后肌力最大隨意收縮百分比增加，且隨搬運(yùn)時(shí)間的增加而增大，表明腰部肌肉疲勞fMVC增大，其變化趨勢(shì)及發(fā)展過(guò)程如圖4所示。

圖4 腰部肌肉疲勞發(fā)展過(guò)程曲線

由圖可4知，短期手工搬運(yùn)作業(yè)中，礦工肌肉疲勞顯現(xiàn)3個(gè)時(shí)期：疲勞孕育期、疲勞發(fā)展期和疲勞增長(zhǎng)期，且發(fā)展期fMVC值增長(zhǎng)最快。

2.2 主觀評(píng)價(jià)分析

每位被試礦工在完成一個(gè)階段的手工搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)后，會(huì)對(duì)自身疲勞主觀感知程度(Rating of Perceived Exertion,BRPE)進(jìn)行評(píng)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(gè)體因素有著內(nèi)在的相關(guān)性，如年齡、身高(cm)、體重(kg)、體質(zhì)量指數(shù)(kg/m2)、心率(次/min)和血壓(Pa)等。通過(guò)對(duì)BRPE進(jìn)行逐步回歸分析，得到各指標(biāo)對(duì)BRPE的一元線性回歸預(yù)測(cè)模型：

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

(3)

公式(3)擬合系數(shù)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(zhì)量指數(shù)、搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)后的心率和動(dòng)脈血壓，P代表顯著性。心率(P=0.001)是BRPE預(yù)測(cè)模型中顯著性最強(qiáng)的因素，被試礦工年齡、體質(zhì)量指數(shù)顯著影響主觀疲勞BRPE值。

平均絕對(duì)偏差(Mean Absolute Deviation,DMA)常被用于衡量預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的差異程度，其表達(dá)式如下:

(4)

式中：DMA為平均絕對(duì)偏差；n為測(cè)量指標(biāo)x的總數(shù);xt,i為x的第i個(gè)真實(shí)值；xp,i為x的第i個(gè)預(yù)測(cè)值。

將31名被試礦工的年齡、Ibm和3個(gè)搬運(yùn)階段后的心率和血壓值代入公式(3)，計(jì)算得到BRPE的預(yù)測(cè)值BRPE，p，再與真實(shí)值BRPE，t作比較得出DMA。研究中BRPE的DMA均值為8.72。手工搬運(yùn)作業(yè)10 min后，BRPE預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比情況如圖5所示。

圖5 BRPE預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比

由圖5可知，BRPE的平均絕對(duì)偏差DMA變化呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，BRPE的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值差異程度較小，故本研究所構(gòu)建的BRPE一元線性回歸預(yù)測(cè)模型有效。被試礦工完成10、20、30 min 3個(gè)階段的手工搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)后，BRPE的總平均評(píng)分結(jié)果分別是6.71、9.16、12.65、17.10。BRPE評(píng)分疲勞狀態(tài)變化圖如圖6 所示。

圖6 BRPE主觀肌肉疲勞狀態(tài)變化

由圖6可知，被試礦工BRPE主觀肌肉疲勞狀態(tài)變化趨勢(shì)與腰部肌肉疲勞發(fā)展趨勢(shì)相似，主觀肌肉疲勞感知與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，即礦工腰部肌肉疲勞感知隨作業(yè)時(shí)間增加而上升。長(zhǎng)時(shí)間的搬運(yùn)作業(yè)使礦工主觀疲勞感經(jīng)過(guò)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)后迅速增強(qiáng)，表明30 min的搬運(yùn)作業(yè)能誘發(fā)被試礦工的疲勞感，且迅速進(jìn)入強(qiáng)烈的疲勞感知狀態(tài)。

2.3 相關(guān)性分析

為探討個(gè)體Ibm對(duì)腰部肌力下降速率v、肌力最大隨意收縮百分比f(wàn)MVC及身體疲勞主觀感知的影響，本研究遵從不同級(jí)別Ibm均衡原則，將31名被試礦工的Ibm值劃分為L(zhǎng)(21.07±1.59)、M(25.14±0.83)、H(27.13±2.80)3個(gè)水平等級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 3個(gè)等級(jí)Ibm與肌肉疲勞指標(biāo)的關(guān)系

圖7中數(shù)據(jù)顯示，被試礦工Ibm與腰部肌力下降速率v負(fù)相關(guān)，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(yè)時(shí)間的增加下降速率增快，腰部力量衰減越快，越易誘發(fā)疲勞；被試礦工Ibm與肌力最大隨意收縮百分比f(wàn)MVC正相關(guān)，說(shuō)明體型越肥胖的礦工fMVC值越大，最大腰部肌力越??；被試礦工Ibm與BRPE值正相關(guān)，即體型越肥胖的礦工，疲勞主觀感受越強(qiáng)。

3 討論

實(shí)際煤礦井下搬運(yùn)作業(yè)中，貨物量一般是一定的，不會(huì)隨著礦工拉力的大小而調(diào)整質(zhì)量，所以本研究中，采取了固定的負(fù)荷質(zhì)量。通常單個(gè)貨物的質(zhì)量是相同的，依據(jù)人體所能承受的負(fù)荷范圍，故選取20 kg油桶作為搬運(yùn)負(fù)荷對(duì)象，以期短時(shí)間誘發(fā)人體肌肉疲勞。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度或肌力最大隨意收縮百分比(fMVC)被確認(rèn)為是影響肌肉疲勞結(jié)果的主要因素之一[14]，且fMVC低于15%，疲勞效應(yīng)可忽略不計(jì)[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(shù)據(jù)結(jié)果有效，可以反映肌肉疲勞的發(fā)展程度。

分析被試礦工的主觀疲勞感知評(píng)分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，搬運(yùn)作業(yè)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(yùn)任務(wù)結(jié)束后，BRPE值高達(dá)17.10(±1.37)及以上。說(shuō)明本研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以誘發(fā)被試礦工的肌肉疲勞，且搬運(yùn)作業(yè)結(jié)束后被試礦工有強(qiáng)烈的疲勞感。隨著搬運(yùn)作業(yè)時(shí)間的增加，疲勞感知從緩慢期過(guò)渡到穩(wěn)定期后迅速進(jìn)入增長(zhǎng)期。并且年齡、Ibm和Rh等指標(biāo)顯著影響B(tài)RPE值，故年齡越大、體型越胖、性格較急躁的礦工更易感覺(jué)到疲勞。

人體工程學(xué)中，識(shí)別影響因變量的個(gè)體因素有助于理解數(shù)據(jù)分析結(jié)果。Ibm指數(shù)是衡量人體胖瘦程度及健康程度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，正常范圍在18.5～23.9 kg/m2，在24.0～27.9 kg/m2屬于體質(zhì)量指數(shù)偏高，29.0 kg/m2以上屬于過(guò)高，高的Ibm意味著高比例的身體脂肪或肌肉質(zhì)量。Ibm也是影響疲勞率的重要因素，因?yàn)槠涫谴韨€(gè)體身體特征的常用指標(biāo)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(zhì)量指數(shù)偏高，為了均衡不同級(jí)別的Ibm，利于統(tǒng)計(jì)分析，將被試礦工的Ibm劃分成3個(gè)水平等級(jí)[17]。研究發(fā)現(xiàn)被試礦工Ibm與肌力最大隨意收縮百分比f(wàn)MVC和主觀疲勞感知BRPE值正相關(guān)，與腰部肌力下降速率v負(fù)相關(guān)，Ibm值越大，被試礦工的肌力下降速度越快，疲勞程度越強(qiáng)。這一結(jié)果與以往的研究結(jié)論一致，推動(dòng)了Ibm指標(biāo)對(duì)疲勞程度影響研究的發(fā)展。

4 結(jié)論

1)短期手工搬運(yùn)作業(yè)中，隨著作業(yè)時(shí)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(xiàn)孕育期、發(fā)展期和增長(zhǎng)期3個(gè)階段，疲勞程度在發(fā)展期加劇，腰部肌肉疲勞程度增長(zhǎng)明顯；

2)年齡G、體質(zhì)量指數(shù)Ibm和心率Rh指標(biāo)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(qiáng)，BRPE的一元線性回歸預(yù)測(cè)模型可以評(píng)估礦工的疲勞感知程度；

3)礦工體質(zhì)量指數(shù)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f(wàn)MVC及身體疲勞主觀感知BRPE，體重超標(biāo)、體型肥胖的礦工肌力下降速度越快，疲勞感越強(qiáng)。