煤岩样品处理平台设计

屈文涛，王冠霖，徐剑波，王勃

西安石油大学 机械工程学院（陕西 西安 710065）

随着基础研究的不断发展，各类检测设备和仪器不断向体积小型化、功能多样化、操作简单化方向发展。根据不同行业现场的要求，产生了集成现代科学仪器和实验技术优势的多功能移动实验室[1]。移动实验室凭借着突出的现场性、时效性、集成化等特点，广泛应用于地质调查、疫情防控[2]、灾害防治等领域。虽然我国在移动实验室的设计、研发、应用方面都有着较为成熟的经验，但在煤层气含气量检测方面的应用还是空白。同时，国内外对空间的布局设计及其评价主要体现在汽车、建筑等传统环境中，针对移动实验室内部某一空间的布局设计的研究却很少。因此，引入人机工程学原理，根据器材布置原则、人体尺度原则、设备摆放时的最佳位置等设计原则，设计出一款可以使操作人员安全、舒适、高效工作的煤岩样品处理平台，最终通过Jack软件验证该设计方案的合理性。

1 煤岩样品处理现状调查分析

根据安泽县煤层气项目部井场的调查研究发现，现场岩心样品处理工作主要存在以下问题：①现场实验人员处理样品时大多采用蹲姿，当工作量较大时会引起操作人员身体上的不适；②部分工具没有进行合理的摆放，容易产生安全隐患；③现场没有合适的工作平台，操作人员在处理时工作效率较低；④含气量检测场地没有排气扇和气体检测等安全装置；⑤操作人员往往忽视了煤岩样品处理过程中废弃物的处理。

根据煤层气含气量检测规范可知：①采取到的岩心样品分为柱状、颗粒状和粉末状三类；②样品到达地面后必须在10 min内装入解吸罐密封；③样品到达地面后，需提出夹矸及杂物；④若岩心样品受到泥浆污染，应适当用洁净抹布或清水冲洗后迅速按煤层剖面顺序装罐密封；颗粒、粉末状样品通过筛选，挑选较纯部分迅速用清水冲洗钻井液，然后装入解吸罐并密封；⑤每次装罐的岩心样品质量不得少于800 g，在采取率不足时，最低不少于300 g，同时应当备注说明；⑥装罐时，样品装至罐口处1 cm，样品量不足时，应在装样前给罐底加入适量填料，如玻璃圆柱体；⑦针对煤岩样品，应记录其装样时间、采样日期、样重等参数。

通过对现场煤岩样品处理存在的问题以及煤层气含气量检测规范中所规定的处理方法综合分析，处理平台的设计应当考虑实验人员的身体尺寸、操作的舒适性和安全性等因素[3]。根据器具的布置原则和人体尺度原则，使人-器具-空间三者相统一，以达到设计方案的实用性与合理性[4]。因此在设计时应注意以下问题：①根据人的活动空间范围，如操作的最大范围、最佳作业空间、手操作的适宜范围和前屈或者下蹲的空间范围对处理平台的高、中、低区域的空间进行合理布局[5]；②根据处理流程调整煤岩样品处理平台样式，使其符合样品处理的操作动线，使流程更加合理与便利；③设置专门的解吸罐放置区以便操作人员取用；④需要用到的各类器具，如扳手、榔头等，应收纳在固定位置，避免因掉落引起伤害；⑤在处理平台上方加设排气扇、甲烷气体浓度检测装置等，避免因室内甲烷浓度过高造成安全事故。

2 岩心样品处理平台设计

人、设备、被加工物等所占的空间称为作业空间[6]。在有限的空间内进行布局设计时，充分考虑“人”的因素和设备的布置原则，可以有效地提高操作人员的工作效率，降低操作人员的疲劳程度，使操作人员可以安全、准确、舒适地开展工作。

人机的操作应当充分考虑人体尺寸参数，操作人员作业时，肢体的最短运动路线、最舒适的作业范围被称为最佳作业范围。以95%的人满意为原则，根据人机工程学的人体测量数据得出在立姿时人的手眼操作最佳高度为800~1 300 mm，在水平面上，手臂活动及手部操作舒适的范围为身体前方394 mm、宽度1 194 mm的区域，以此区域作为煤岩样品处理平台操作范围，见表1。

表1 样品处理空间尺寸

总结并整理以上数据，针对操作人员的操作舒适范围，应用于样品处理平台布局设计。

1）在设计煤岩样品处理操作台时，需要确保操作人员在处理平台操作姿态的舒适性、操作流程的合规性以及操作环境的安全性，使操作人员以舒适的操作姿态安全、高效地完成整套样品处理流程。通过综合现场调研得到的数据和煤层气含气量检测标准中对于样品处理的要求来分析样品处理平台的功能与布局，使操作人员在处理样品时便于观察操作对象。为了获得良好的操作空间，样品处理平台的高度设计，应相近于操作人员立姿时的肘高度[7]。同时，将样品处理平台的上部与底部空间用于样品和器具的收纳放置。底部收纳区开合方式采用抽拉式收纳，便于操作人员安全地取放，同时也可以将里面的物品更加清晰地呈现在操作人员面前。上部收纳区采用门式开合，用于存放取用频率较低的器具和应急物品等。

2）根据操作人员需求的角度考虑，样品处理台采取L型操作台布置，根据样品的清洗、筛选、装罐3个步骤来划分独立的操作区。操作人员在处理样品时，只用转动上半身便可以在3个独立的操作区之间自由转换，避免了在各个操作区间来回走动，形成了一个三角形的区域布局。

3）为了使操作人员在样品处理平台内更加舒适便捷地进行样品处理操作，对底部收纳区进行特殊设计，使样品处理平台更加人性化。样品按类型划分收纳区域，煤岩样品、水样划分专用收纳区，避免移动实验室运输过程中由于行车不稳定造成样品损坏。

4）为了使操作人员更加直观地了解样品装罐后的质量及罐内压力，在样品罐放置区底部增加对应的传感器，显示器以60°置于面板处，以便实时显示样品装罐后是否满足要求。同时将样品罐放置区设置在便于操作人员可以舒适、安全提取的位置，避免因提取解吸罐造成伤害。

5）由于煤岩样品处理平台处在一个封闭的环境中，因此在处理平台上方安装排气扇和甲烷气体浓度检测装置，避免因甲烷浓度过高而造成安全事故，为操作人员提供一个安全的工作环境；在底部设置废料收集区，可以将操作过程中产生的废料集中处理，避免造成污染。

6）由于井场环境相比于传统检测实验室较差，因此处理平台的材质和涂装关乎到移动实验室内的安全问题和操作人员的心理感受。由于煤岩样品本身的特性，处理平台材质应选取便于清洁且具有较强耐磨性、耐冲击性的环氧树脂和防火板，既保证了其功能性，同时还有一定的安全性。

样品处理平台主要尺寸如图1所示。

图1 样品处理平台示意图（单位：mm）

该设计方案在收纳放置、处理流程布局、器具取用以及安全方面进行了考虑，使处理流程合乎规范的同时更加高效、安全。

3 人机工程仿真分析

在人机工程学评价中，常用的人机工学评价类型有可达域、视域、舒适度分析[8]。为验证岩心样品处理平台设计方案的合理性，通过Jack软件对操作人员进行煤岩样品处理时的可达域，观察操作对象是否位于视野内的可视域以及操作部分流程时身体的疲劳程度三方面进行人机工学分析。

在Jack中构建人体模型[9]，由于井场作业环境与劳动强度等因素，导致现场作业人员大多为男性，且没有特别明显的年龄区域。因此样品处理空间应符合该范围内的中国用户，根据国家标准GB 10000—1988中提供的《中国成年人体尺寸》尺寸数据，在建立人体模型时选择第95百分位男性。将建立好的样品处理空间三维模型带入Jack软件中，同时设置成与人体模型相同的比例，如图2所示。

图2 Jack软件数字人体模型

3.1 可达域分析

在煤岩样品处理平台设计方案中，设备布局是否满足人体的可达域要求，手是否可以触及到物品并实现预定操作，避免因物品处于操作范围之外而造成危险。通过对95百分位男性的人体模型添加约束条件，调整手臂、肘部等关节，调整人体模型模拟清洗、筛选样品时的动作。通过Jack软件仿真分析可知，该方案中样品清理区、筛选区布局合理，各操作之间互不干涉，且操作人员操作姿势评价良好，可以舒适、安全地完成上述操作。Jack软件分析结果如图3所示。

由于煤岩样品、水样、样品残渣等大多置于底部收纳区，且煤样为样品处理过程中取用频率较高的物品，因此需对处于低身位的底部收纳区进行人机分析验证，判断其是否符合人体操作时舒适、安全的要求。通过模拟人体在低身位状态下取放物品的姿态，发现可以轻松取放位于底部收纳区的物品。Jack软件分析结果如图3所示。

图3 Jack软件操作可达域

3.2 可视域分析

可视域的评价标准合格与否，主要是考虑操作、观察对象是否位于操作人员的视野内。在视域分析时，一般选择第5或95百分位两种男性身体数据为例，涵盖90%的人群。在正常立姿下，头部转动最舒适的仰视角度为12°~25°，左右视角区域为±50°[10]。

显示屏可视情况验证。第95百分位男性身体数据为例，在处理平台保持正常站姿的情况下，可以方便地查看到位于处理平台左侧解吸罐放置区的显示屏，设计方案符合要求，Jack软件分析结果如图4所示。

图4 Jack软件可视域

顶部收纳区可视情况验证。由于急救箱等取用频率较低的物品大多位于顶部收纳区，且一般质量较大，稍有不慎就会造成人员受伤，因此需要对顶部收纳区进行可视域验证，将数字人体模型模拟在立姿状态下取放物品的使用场景，经验证，数字人体模型也可以较为清楚地观察到顶部收纳区所放置的物品，Jack软件分析结果如图4所示。

3.3 舒适度分析

在煤岩样品处理过程中,样品装罐后，需要将解吸罐从放置区向上提取后送至解吸区，是样品处理过程中频率较高的一道工序。将人体模型调整至对应的操作姿态，同时为解吸罐加上8 kg质量，经Jack软件静力学分析可知，人体模型右肩膀部位略显不适，但由于取放解吸罐是短期工作，操作人员不会长时间维持该动作，因此解吸罐放置区的布局较为合理。Jack软件分析结果如图5所示。

图5 Jack软件舒适度

4 结论

为提高现场操作人员的工作效率和工作时的舒适性、安全性，将人机工程学运用到处理平台的布局设计中。通过对现场问题的分析，结合行业规范、器材布置以及布局划分等方面对煤岩样品处理平台给出了设计方案，并应用Jack虚拟仿真软件对设计方案的三维模型进行了视域和可达域等分析，验证了方案的合理性。对其他处理平台的布局设计提供了借鉴和参考价值。