煤矿井下巷道行走人体下肢关节损伤研究

作     者：卢奔 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李开伟

授予年度：2023年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：煤矿巷道 步行 关节损伤 建模仿真 

摘      要：煤矿井下巷道环境复杂,机械化辅助运输难以及时完善,行走仍是煤矿井下巷道中的主要通行方式。一般巷道中都布置轨道、皮带或其他大型设备,人行道空间受限,且井下巷道路面受采动影响,常出现高低起伏情况,不利于行走。长时间在复杂路况行走容易造成人体下肢关节疲劳损伤,煤矿井下工人面临下肢关节损伤的职业病风险。井下巷道类型多样,不同巷道布置设施和通行方式不同,垂直巷道主要通过罐笼运送人员,倾斜巷道和水平巷道主要以矿车运输和步行为主。井下巷道中温度、通风、噪音和照明等环境因素会加剧行走时人体疲劳,易导致下肢关节损伤。井下工作人员须按照规定着装和携带安全设备,厚重衣物束缚人体下肢关节运动,降低行走效率。井下不同工种携带设备不同,机电队携带重量达5.2kg,瓦斯检测队携带负重7kg,地测队携带设备重量约12.5kg,负重增大下肢关节负荷,损伤风险增加。人体步行周期可分为支撑相和摆动相,根据人体肢体特征建立由躯干、大腿、小腿、足组成的人体7刚体模型,对摆动相静力学分析,得出了不同时刻下肢膝、踝关节力矩公式。结合煤矿井下巷道人机环境特征分别建立人体倾斜巷道上坡行走、着装束缚、巷道起伏路面行走、不同负重方式行走模型,得到倾斜巷道上坡行走人体膝、踝关节力矩公式。着装束缚会导致步长减小,增加触地次数从而增加关节损伤风险,起伏路面和负重都会增加膝、踝关节力矩。仿真5°、10°、15°、20°倾角巷道步行姿势,发现随着坡度倾角的增大,膝关节具有任务执行能力人口百分比从98%下降到了25%,踝关节具有任务执行能力人口百分比从100%下降到了21%,坡度为10°时的平均能耗已经接近能耗上限值。巷道起伏地面对膝、踝关节受力影响明显,左右倾斜地面膝、踝关节具有任务执行能力人口为57%、22%,前后倾斜地面膝、踝关节具有任务执行能力人口为79%、24%。不同负重方式会使人体关节受力不同,腰挎式负重相比较手提式和肩挎式对下肢负荷较小。通过对煤矿巷道人机环境分析,结合刚体模型分析和JACK、Solid Works联合建模仿真,探究了易导致煤矿巷道步行人体下肢损伤影响因素,对巷道布置、工人穿戴及矿井组织提供改善建议。论文有图31篇,表16个,参考文献83篇。