具有实时瓦斯监测功能的新型智能矿工服设计

金 鹏， 薛哲彬， 戈 垚

(1. 江南大学 纺织科学与工程学院， 江苏 无锡 214122； 2. 江南大学 设计学院， 江苏 无锡 214122)

中国是煤矿开采大国，煤矿资源丰富。从20世纪七八十年代开始，我国通过引进机械化生产线和优化生产结构等措施，使煤矿从业人员大幅减少[1]，但采煤工、掘进工和这类需要井下作业的人员仍然存在着相当的体量。

矿工服是矿井工作人员穿着的一类职业服装。就目前而言，井下矿工的个人防护装备包括安全帽、矿灯、工作服、手套、水靴等[2]。按照行业标准，浅层采煤工每6个月更换1次工作服，中深层采煤工和掘进工每10个月更换1次工作服[1]。因此，煤矿开采业对矿工服的需求巨大，矿工服的研发生产有着广阔的发展前景。

本文首先从煤矿井下环境特点入手，分析得到矿工服的设计要点，而后分别对服装舒适性及功能性进行深入探讨，并在此基础上进行新型矿工服装与设备的设计与制作。最后通过实验测试等手段对所设计的服装设备进行功能监测与验证，并总结提出矿工服的改良建议及未来发展趋势。

1 矿工服研究现状

由于矿井下的特殊环境，矿工服在满足耐磨性的同时，还需要满足阻燃和抗静电的要求。

现在流行的阻燃纤维主要有改性腈纶、涤纶、丙纶、芳纶等[3]。其中以Nomex最为著名，该纤维具有永久阻燃特性，因此大量用于消防服、矿工服等服装制作[4]。其中Nomex产品的改进款NomexIIIA由93%Nomex纤维、5%Kevlar纤维(芳纶1414)、2%抗静电纤维组成，由于该纤维符合矿井下工作需求，已被大量应用于矿工服的制作[5]。此外，其他类型的纺织用阻燃纤维也在矿工服中得到大量应用，如PBI(聚苯并咪唑纤维)、PBO(聚对苯撑苯并二噁唑纤维)、PTFE(聚四氟乙烯纤维)、PEEK(聚醚醚酮)等[6-8]。这些纤维由于耐磨性好，更加符合矿工服的需求。

国外对抗静电纤维的研究起步较早。20世纪六七十年代，欧美国家提出抗静电织物的概念与要求，并应用于矿工服中[9]。抗静电纤维主要分为抗静电剂型、金属系、炭黑系、高分子型、纳米级金属氧化物型5种类型[10]。抗静电剂型抗静电纤维是利用抗静电剂在纤维表面形成导电层，加快电荷逸散[11]。金属系与炭黑系抗静电纤维是将金属纤维或碳纤维与普通纺织纤维混纺，使其带有导电性能[12]。

目前，国内针对矿工服的研究集中在面料性能以及服装结构与舒适性方面。例如：徐利等[13]在总结国内外矿工服发展现状的基础上提出矿工防护服应更趋向于舒适、安全和人性化的观点；王艺等[14]提出了矿工服的模块化设计方法，实现了矿工服的模块化划分及整合，并用模块化的设计思维实现服装功能的最大化；李小银等[15]针对矿难中的水难设计了一种背带式的可漂浮矿工服，该服装可用于水难中矿工的自我救援。

2 研究技术路线

为改善矿工在井下作业时的安全性与舒适性，现拟开发一种新型矿工服。该新型矿工服在满足井下作业要求的前提下，利用服装结构设计与面料选取来改善服装舒适性。同时利用单片机技术，对作业人员周围环境中的瓦斯浓度进行监测，当瓦斯浓度过高时，及时警示作业人员与地面监测人员。

首先对井下环境进行分析，依据环境特点分析得到矿工服的设计要点，而后根据设计要点，分别从载体设计和功能设计2方面出发进行矿工服的设计。其中载体设计分为结构设计与面料改性2方面；功能设计分为瓦斯监控设计与警示标志设计2方面。在完成新型矿工服的设计与制作后，分别对矿工服的舒适性与功能性做出测试，以评判其是否达到预定要求。

图1 技术路线图Fig.1 Research framework

3 新型矿工服设计方案

3.1 井下工作环境特点分析

煤矿井下的劳作强度大，工作环境恶劣，其主要环境特点如下：1)井下的掘进、开采、运输等环节都存在大量煤灰与粉尘；2)井下煤体在开采过程会产生一系列的有毒有害气体，其中以爆炸性气体——瓦斯(主要成分为甲烷)危害最大[16]；3)气候环境恶劣，以山西西曲矿为例，其井下湿度达到80%，温度约为13 ℃，其气候环境对服装有一定要求[17]。

基于以上特点，新型矿工服在设计时需要兼顾舒适、防尘、防静电等特性，同时也需要对瓦斯监控等安全问题进行合理解决。

3.2 矿工服载体设计

首先从改善矿工服穿着舒适性的角度，对现有矿工服的结构及面料进行改良设计。

3.2.1 面料选取

矿工服对面料要求较高，要求其具有防尘、防静电、拒水拒油、阻燃等功能。采用新型的银纤维混纺面料作为新型矿工服的主体材料，该面料由9.4%银纤维、84.6%棉纤维、6%麻纤维构成。银纤维具有良好的导电性能，可保证面料的防静电性能；同时使用效果较好的含氟拒水拒油整理剂与含磷的阻燃剂进行涂层整理[18]。

依据GB/T 12703.1—2008《纺织品 静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》、GB/T 12703.3—2009《纺织品 静电性能的评定 第3部分：电荷量》、GB/T 12703.4—2010《纺织品 静电性能的评定 第4部分：电阻率》对该面料的抗静电性能进行测试，测试结果：为该面料经过多次洗涤(洗涤标准为GB/T 8629—2001《纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序》中7 A程序洗涤)后，静电压半衰期、电荷面密度、表面电阻率分别为1.7 s(A级)、0.3 μC/件、3×105Ω(A级)，满足标准要求；同时依据GB/T 21196.2—2007《纺织品 马丁代尔法织物耐磨性的测定 第3部分:质量损失的测定》与GB/T 17591—2006《阻燃织物》对织物耐磨性与阻燃性进行测试，在经10次测试后，织物试样质量损失率的平均值为0.372%，导热系数、阴燃时间、续燃时间平均值分别为0.063 3 W/(m·K)、1.01 s、0 s，其结果均符合相应标准，表明该面料可用于矿工服的制作。

3.2.2 服装结构设计

为穿脱方便，该新型矿工服在总体结构上采用分体式设计，腰部使用轻质皮腰带扣紧以防止煤灰进入。其领子采用立领与翻领相结合的领型，在领面加装松紧带与襻带。领部的可调节性不会影响穿着舒适性。在袖口与脚口处设置纽扣与襻带，日常穿着时可以松开，在工作时可扣紧防止煤灰进入。在膝盖处利用相变材料进行加厚设计，在保证耐磨性的同时保证其舒适性。在后背、前胸、腋下等易出汗部位做倒伏开口处理，在开口处使用防尘透湿面料。该面料由超细涤纶纤维制成，利用其芯吸效应增加服装透气透湿性能。同时对面料进行防尘整理，其面料中的细小孔隙可以使气体分子和水分子通过，而直径较大的灰尘则无法通过，在保证服装舒适性的同时可以避免煤灰进入服装。

3.3 安全警示模块设计

由于矿井下光线昏暗，服装需要一定的警示功能，以便于作业人员在昏暗环境下能正常进行作业。

警示功能的设计需要考虑到以下几点：1)避免对服装本身结构产生较大改变，以免对作业人员的活动产生影响；2)不能对服装舒适性产生较大影响；3)考虑到制作方便、成本较低等因素；4)考虑到能产生足够的警示效果。

依据上述因素，在本设计中，警示功能由粘贴于醒目部位(如前胸、手臂、背部、小腿等处)的反光条来实现。本设计中反光条材质为高亮度反光PVC(聚氯乙烯)。服装结构如图2所示，图中灰色部分为反光条粘贴部位。

图2 荧光条粘贴部位Fig.2 Place of reflective strip pasted. (a) Front structure drawing; (b) Reverse structure drawing

3.4 瓦斯监测模块设计

为提高井下流动作业人员的安全性，及时发现矿井下可能出现的瓦斯泄漏，并对井下作业人员和地面监测人员予以警示，现于服装上增加一个瓦斯监测模块。该模块采用瓦斯监测传感器对瓦斯浓度进行监测，并搭配处理器、蜂鸣器、Wi-Fi模块对环境中的瓦斯浓度进行实时监测和报警。

该硬件装置置于可拆卸的网格面料中，使用时贴在服装的胸口处。当传感器附近的瓦斯气体浓度达到《煤矿安全规程》中对瓦斯浓度的限定值时，由处理器控制的蜂鸣器开始工作，同时硬件装置会向所连接设备的终端设备传输实时数据并警示数据监测人员，从而实现对模块的远程监控。

3.4.1 硬件模块设计

瓦斯传感器使用MQ-2气体传感器。该传感器可探测多种矿井下爆炸性气体，如沼气(主要是甲烷)、氢气及甲烷同系物(乙丙烷等)，可在温度为-10～50 ℃、湿度低于95%的环境中使用。

使用Arduino Lite开发板作为硬件开发时所使用的处理器，该处理器尺寸仅为45 mm×18 mm，同时采用Atmel ATmega328单片机，支持TX、RX、AREF端，并兼容UNO系统，其具有体积小、能耗低、工作状态稳定等优点，贴合本设计中的处理器需求。

同时，为了便于实时监控瓦斯浓度，使用ESP8266模块链接到终端设备。该模块为工业级Wi-Fi模块，型号为ESP-01S。本文设计中，该ESP模块将在IP地址创建一个网页，并将数据发送到该IP地址，然后在网页上实时显示瓦斯的具体浓度。该IP地址所链接的网页可以使用所连接的设备(如手机、电脑、平板等)进行访问。

具体连接示意图如图3所示。由电池组组成的5 V电源分别与MQ-2传感器的VCC引脚、Arduino Lite处理器的0号引脚、ESP-01模块的VCC引脚相连，为其供电。Arduino Lite处理器的A0引脚、2号引脚、3号引脚分别与MQ-2传感器的A0引脚、ESP-01模块的TX与RX引脚相连以进行数据传输。10号引脚为蜂鸣器供电，各模块之间的GND(接地)引脚相连。各模块之间使用导电纱线相连。

图3 连接示意图Fig.3 Connection diagram

3.4.2 运行程序设计

代码编译与上传均通过Arduino IDE软件实现。Arduino IDE是专为Arduino硬件设计使用的开源编程软件。为使Arduino的引脚可使用RX与TX通信，需要在IDE软件中添加Serial库。同时设置串口通信与Wi-Fi模块的波特率为9 600 bit/s，并规定引脚的输入输出模式。最后调用函数，在ESP提供的IP地址设置服务器，并对此服务器传输数据。

设计中的终端显示界面采用网页显示。网页使用CSS与JavaScript语言进行编写。网页主体部分由实时时间、人员、设备状态、测量值、是否超过警戒值5部分组成，并在右下角设置页面刷新功能。网页的设备状态、测量值、是否超过警戒值部分会根据ESP-01S模块发送的数值大小进行变化，在数值低于200显示为黑色，200～400时显示为橙色，高于400时显示为红色。具体设计如图4所示。

图4 终端网页示意图Fig.4 Schematic diagram of terminal web page

当MQ-2传感器所处环境中存在瓦斯时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，此时传感器会将电导率的变化转换成与该气体浓度对应的数字信号，并将该数字信号反馈给Arduino Lite处理器。该处理器接收到数字信号后，会判断该数字信号是否大于400，并据此控制相应元件的工作状态。其判断流程如图5所示。

图5 瓦斯监测模块运行流程Fig.5 Gas monitoring module running process

4 实验验证

为验证该新型矿工服的舒适性是否得到改善，对其进行服装舒适性测试、警示功能测试与瓦斯监测功能测试。

4.1 服装舒适性测试

4.1.1 舒适度主观评价

结合井下工作人员的实际年龄和生理特征，选取10名身高为(176±3)cm，体重为(73±3.3)kg，年龄为(22～28)岁的健康男性受试者参与舒适性主观评价实验。在测试前，所有受试者将被告知本文实验的具体步骤以及需要他们配合的相关工作。测试对象穿着本文研究提出的改良矿工服和普通矿工服。

本文实验规定受试者采用七分制评分量表来描述他们穿着矿工服时的舒适性状态。其中：1分表示非常不舒适；4分表示舒适性一般；7分为非常舒适。

实验前受测试人员在室内(温度为20 ℃，相对湿度为50%)静坐10 min，随后再开始实验[20]。

根据矿井下湿度高、风速低的环境特点，实验时将环境仓内设置温度为35 ℃，湿度调整为70%，风速为0.5 m/s[19]。并在受试人员的腋下、前胸、后背、大腿、膝盖处贴上贴片，以测量其皮肤表面温度。依据井下工作强度，让受试人员穿着普通矿工服以2 m/s的速度在跑步机上行走，实验过程中每1 min记录受试人员的舒适性感受与皮肤各部位温度，共计10 min；对比实验中环境条件完全相同，受试人员穿着新型矿工服进行测试。将实验全部结束后的数据进行归纳汇总。表1、2示出主观评测法得出的数据。由于7为最舒适状态，数据与7的偏离值越大说明舒适性越差。计算得穿着普通矿工服的数据平均值为4.17，穿着改良后的矿工服数据平均值为5.45。可看出，改良后矿工服的舒适度有所提升。

表1 前5 min主观测评平均值Tab.1 Mean value of subjective assessment for the first 5 min

表2 后5 min主观测评平均值Tab.2 Mean value of subjective assessment for the last 5 min

4.1.2 舒适度客观评价

除了主观测试，本文研究还设置了矿工服舒适性的客观评价环节，以考察主客观测试结果的一致性。该阶段测试是通过测量皮肤表面温度这一数据来判断服装的热学性能。图6示出10名受试人员皮肤表面平均温度随时间变化的数值。可明显看出在1 min后，穿着普通矿工服时人体皮肤温度上升速度明显快于穿着改良矿工服时皮肤温度的上升速度，说明改良后的矿工服具有更加优异的舒适性。

图6 人体皮肤表面温度变化值Fig.6 Variation of body surface temperature

依据评测结果可看出，无论是对服装舒适性的主观评价，还是依据皮肤表面温度差别得到的客观评价，新型矿工服的舒适性都要优于传统矿工服。

4.2 视觉警示功能测试

视觉警示功能测试被安排在接近井下光照条件的昏暗室内环境中进行，通过测试穿着矿工服人员在光照强度为0.5、1.0、5.0 lx的条件下，其身体轮廓及关键部位的可辨识度对新型矿工服的视觉警示功能进行判断。

视觉警示功能测试挑选10名无视力障碍人员对矿工服的视觉警示功能进行评价，将评价分值设为1分(无效果)、2分(效果一般)、3分(效果较好)、4分(效果很好)4档。结合井下工作环境，调整室内的光照强度，使受测试人员在距离3 m处观察穿着新型矿工服的人员在不同作业姿势下的可见度，记录其评分。

结果显示，在光照强度分别为0.5、1.0、5.0 lx时，10名测试人员对新型矿工服可见度的评分均值分别为3.6、3.8和3.9分，说明该矿工服在特定条件下具有良好的视觉警示效果。

4.3 瓦斯监测功能测试

根据《煤矿安全规程》[20]中对瓦斯浓度的规定，采掘工作面的进风风流不超过0.5%，回风风流不超过1%。在对传感器进行提前校准的时候，可调整瓦斯含量为0.5%时，Arduino IDE中显示的数字信号为400，因此，本文研究将监测模块的反应阈值设定为400。

针对瓦斯的监测于密闭实验舱内进行，将环境仓内湿度调整为70%，风速调整为0.5 m/s。将新型矿工服穿着于假人上，通过往环境仓中注入瓦斯气体，观测Arduino IDE中串口绘图器的数值、蜂鸣器的状态以及终端设备显示的数据变化来判断新型矿工服的整体硬件性能。

同时，ESR8266会每秒向终端设备发送1次串口监视器的数据。网页会根据接收到的数据进行不同显示。

实验表明，该新型矿工服中的瓦斯监测模块灵敏度高、反馈机制完整，在遇到瓦斯泄漏情况时可及时向井下作业人员与井上工作人员报警，可用于实地监测瓦斯浓度。

5 结束语

本文从煤矿环境入手，针对矿井下的环境特点，对矿工服进行舒适性与功能性的改善与设计。针对其舒适性，主要从服装结构与面料性能入手，在改善穿着舒适性的同时，保证其安全性。其功能性设计包括2个方面，其一是针对矿井下昏暗工作环境进行警示功能设计，通过在前胸、手臂、背部、小腿等醒目部位粘贴反光条实现。其二是对可能存在的瓦斯气体进行监测与反馈，利用MQ-2气体传感器、Arduino Lite处理器、Arduino软件平台实现该功能。经评测，该服装的舒适性相较于传统矿工服有较大改善；在昏暗环境中的警示功能良好；同时对瓦斯气体监测的灵敏性高，在瓦斯气体达到警戒值时可以及时报警。

同时，本设计也存在一些不足之处：1)由于面料使用含氟的拒水拒油整理剂与含磷的阻燃整理剂，其会对环境产生一定污染；2)面料的拒水拒油与阻燃特性来源于整理剂，在经过多次洗涤后，服装的拒水拒油与阻燃能力会有所降低；3)瓦斯监测模块所用的电源为5 V电子组，经测试在多次连续使用后其电压会降低，对设备工作会产生一定影响；4)电子产品在日常使用时会有一定损耗，其使用寿命暂时无法测定。

未来对矿工服的设计与研究应在改善其舒适性的同时，注重其功能性的开发。如针对矿井下的信号传输改善，矿井下作业设备间的协同操作，对矿工进行定位及身体指标检测等。