体脑疲劳交互影响下煤矿工人作业改善研究

王新平，畅涛涛，孙林辉

(西安科技大学 管理学院，陕西 西安 710054)

因煤矿特殊的生产环境，造成矿工的工作体力和压力要远高于其他行业工人。矿工体力和压力过大时，不仅会产生矿工脑疲劳，还会严重影响矿工身体健康和其行为选择[1]，对煤炭生产安全构成极大的威胁。国家安全生产监督管理总局对中国煤炭事故伤亡人数进行统计，发现矿井事故中由于人为因素导致的占到95%以上。煤炭工人行为因素对煤矿作业安全影响极为重要[2]。郭伏等[3]研究发现单调作业极易引起体力疲劳和精神疲劳。几十年来，体 疲劳一直是人因工程研究的重要课题，然而，由于设备信息化以及自动化程度逐渐提高，体脑疲劳研究成为现代学者关注的重点。现阶段采煤过程中，煤矿工人不仅要完成采掘和机器维修等体力作业，同时也要进行机器控制和文件记录等脑力工作。体力和脑力的综合作用增加了煤矿工人的疲劳感，会使其作业灵活性降低，严重时会引起人因失误[4]，而且长期体脑疲劳会引发职业性疾病。

体脑疲劳研究是安全领域关注的重要课题，颇受煤炭行业的重视。体脑疲劳是由于作业者长时间体力和脑力共同作业所导致的一种身心疲倦的状态，也是降低工作效率、诱发安全事故的重要原因之一[5]。Lorist等[6]对同时进行体力作业和认知任务的实验者进行观察，发现体疲劳会对大脑认知产生严重的影响。脑疲劳是指在连续或强烈的脑力劳动过程中，由于脑细胞的活力被抑制而引起信息流的增加和紊乱，最终形成慢性疲劳综合征[7]，影响人体新陈代谢系统[8]。Marcora等[9]研究发现脑疲劳会导致体力作业持续时间的下降及体疲劳感觉增强。总之，虽然目前对体脑疲劳交互影响的深入研究较少，但是根据现有的研究可以认定两者是互相影响的。

通过对现有文献进行梳理，发现以往的学者对体脑疲劳交互影响研究较少。但在很多工作场合和实际生活中，尤其煤炭行业，如果单独地研究脑疲劳或体疲劳而不关注体脑疲劳的交互影响，难以准确揭露疲劳的科学本质，也很难找到减轻体脑疲劳、提高工作效率的科学方法。因而本文对煤矿工人的体力疲劳情况、脑力疲劳情况和工作内容与休息情况进行调研分析，并针对煤矿工人作业疲劳状况，提出有效的改进措施。这对于缓解体脑疲劳以及预防意外事故发生都有极其重要的意义。

1 研究对象及方法

研究对象为陕西某矿业公司的135名煤矿工人，全部为男性，所涉及的岗位有采煤机司机(46名)、单体支护工(39名)、采煤打眼工(50名)，均为井下一线作业工人。调研对象的年龄在20~50岁之间，工龄为1~10年不等。

测量工人作业疲劳的主要方法有主观疲劳评价法、心理学测试法、生物化学测试法以及综合测试方法等[10]。主观疲劳评价法是常用疲劳评价量表，采用现场问答的方式对被试对象进行调查，并对疲劳等级进行划分，被试者根据自己主观感受判断疲劳程度[11]。主观疲劳评价法操作便捷，并且能够准确反映被试者的生理疲劳和心理疲劳，因此这种方法广泛应用在全身性作业疲劳、心理作业疲劳和综合作业疲劳的测量方面[12]。该方法与科学的统计方法相结合，更加直观且科学地反映被试者作业疲劳情况。

本文选择主观疲劳评价法研究作业疲劳，将北欧肌肉骨骼调查问卷和疲劳评定量表(FAI)相结合，设计出一款体脑疲劳评价量表问卷，分析煤矿工人在作业过程中的体疲劳与脑疲劳情况。体疲劳从被试者头部、颈部、肩部、前臂、后臂、手(腕)、腰部、脚(踝)和全身进行测量，脑疲劳从被试者视疲劳、噪声疲劳、记忆力疲劳、注意力疲劳、头脑昏沉、思考困难、工作失误率、对工作厌倦、容易犯困进行测量。同时，本研究使用的方法还包括访谈法和现场观察法，调查了工人的作业负荷、作业内容、作业时长和操作时的基本动作等。最后采用SPSS 24.0软件进行数据分析。

2 调查结果与分析

2.1 矿工作业分析

为深入了解采煤工人作业基本情况和休息情况，本研究对采煤机操控、单体支护和采煤打眼3个典型煤炭生产岗位的数名矿工进行了调研。调研发现，采煤机司机的岗位一般不会轻易换岗；单体支护岗位的工作内容为检查顶板支护、管路和各种用具，最终挂梁和打点柱；采煤机操控岗位的工作内容为检查采煤机以及周边环境，启动采煤机和采煤作业；采煤打眼岗位的工作内容为备齐注液枪、锨、镐、侧式供水钻杆、钻头等工具，然后用手镐刨点定位，用电钻打眼，如图1所示。

图 1 煤矿工人作业图Figure 1 Pictures of coal miners working

调查发现，每个工种根据岗位安全操作规程进行规范化操作，但是操作中体力劳动占的部分比较多，多为挂梁、打点柱和打眼，小型设备较重，对采煤工人的体力透支较高。煤矿井下环境复杂，具有粉尘多、灯光暗、温度低、噪音大、作业面狭窄等特点，更易增加采煤工人脑力负荷[13]。煤矿工人每天工作8 h，偶尔会有加班情况，中午休息时间根据季节平均为2 h，上午和下午有简短的休息时间。当工人感到身心疲惫时会用手部按摩或者小范围活动进行舒缓，在下班之后会通过体育活动、打游戏和听音乐等休闲活动缓解疲劳。

2.2 信效度检验及相关性分析

在预测试中，信度检验结果显示整体的克隆巴赫系数(Cronbach α系数)是0.951，但其个别变量的系数低于0.7，对问卷进行二次修正并获得足够样本后，本文继续采用克隆巴赫系数作为调查问卷的信度指标。SPSS分析结果如表1显示，所有题项的整体克隆巴赫系数高达0.913，大于0.8，表示整体信度非常好。

表 1 信度分析Table 1 Reliability analysis

为了检测使用者所设计的心理或行为特质达到的满意程度，可以用效度(Validity)作为评判标准。首先对所有变量和测量指标进行检验，表2显示KMO值为0.891，说明设计变量间的关系是比较好的。巴特利特球形度检验在0.000的水平上显著。检验结果说明变量间的关系比较好。

表 2 KMO和巴特利特检验Table 2 KMO and Bartlett tests

表 3 相关性分析(Pearson相关系数)Table 3 Relevance analysis (Pearson correlation coefficient)

相关性分析研究各变量之间是否存在某种相互依存关系，以及相关的程度和相关方向。本文对体疲劳指标和脑疲劳指标之间的相关性进行分析，分析体脑疲劳交互影响，当绝对值小于0.4时为低相关，0.4~0.7为显著性相关，大于0.7为强相关。从表3可以看到，体脑疲劳中的各个指标之间均存在相关性，体脑疲劳大部分存在显著的相关关系(显著水平0.01和0.05)，其中，头部疲劳和脑疲劳中部分指标存在强相关。

2.3 体疲劳分析

表4为分析得到的煤矿工人体疲劳主观疲劳评价表，采用李克特7级量表，分数1~7表示疲劳最低到疲劳最高。分析煤矿工人各个身体部位的疲劳值和全身疲劳值，统计各工种的疲劳情况和所有工人的综合疲劳情况。从图2可以直观看出，3个综合采煤队数据虽然有略微差别，但大体上的疲劳趋势趋于一致。煤矿工人的疲劳主要集中在腰部、肩膀、前臂、后臂、手(腕)，而膝部、脚(踝)的疲劳也不容忽视。工人的全身疲劳均处在量表的中间位置，说明煤矿工人的劳动会产生相应的体疲劳。

表 4 煤矿工人体疲劳主观疲劳评价Table 4 Physical fatigue subjective fatigue evalution of coal mine workers

图 2 煤矿工人体疲劳主观疲劳评价图Figure 2 Human fatigue subjective fatigue evaluation of coal mine workers

产生疲劳的原因是工人与机器配合不佳和生产方法的非规范化使用。在进行单体支护作业时，工人的发力点主要集中在臂部和肩部，如打梁作业中，工人需要对顶部面板进行固定和安装，期间需要多次举起设备进行作业，因而臂部和肩部都承受重大的下压力，工人普遍反映腰部、臂部和肩部是易疲劳部位。打眼工一天的工作都需要使用设备进行体力劳动，腰部、手(腕)承受的力累积下来就会形成体疲劳。采煤机司机相对于体力劳动较少，需要集中精力进行采煤机操控，脑力劳动较强。

表 5 煤矿工人脑疲劳主观疲劳评价Table 5 Mental fatigue subjective fatigue evaluation of coal mine workers

2.4 脑疲劳分析

表5和图3为统计分析得到的采煤工人脑疲劳主观疲劳评价指标值。从图3可以直观看出，工人的脑疲劳值除了噪声疲劳数值较高其余均不明显，记忆力、大脑思考等方面不会产生疲劳。调查表明，噪声疲劳和视疲劳是煤矿工人脑疲劳的主要影响因素。因为矿井下采煤机和其他仪器操作声音较大，作业环境较差，尤其是掘进和传输过程中，机器产生高分贝的噪音，煤矿工人与机器设备近距离接触，势必会影响身心健康。但也有工人表示工作久了会习惯井下环境和噪音，对其疲劳影响逐渐减小。此外，由于长时间工作，工人对工作厌倦也比较突出，因为工作环境相对较差，环境对心理和生理影响较大，每天的工作内容重复，经年累月工人会对工作内容产生厌倦。

煤矿工人操作规程固定，工人在熟练操作规程之后，表示操作流程较为简单且易懂，不会有辨别不清或者记忆方面的困扰。煤矿工人的平均年龄在40岁左右，身体机能不差，且长期从事同种工作，适应能力强。调查发现，经过夜间睡眠后疲劳就会消除，暂时未发现因长期从事煤炭开采工作而导致的脑力损伤或职业性疾病。

图 3 煤矿工人脑疲劳主观疲劳评价Figure 3 Mental fatigue subjective fatigue evaluation of coal mine workers

3 建议与讨论

在传统意义上，体脑疲劳交互是指作业者在工作过程中由于长时间作业不断消耗能量，导致机体内生理、心理和脑细胞的变化而导致工作能力的下降。在现代社会的快速发展下，来自工作的压力越来越大，以复杂多变为特点的现代作业疲劳已经取代了以长期单一为特点的传统作业疲劳。现代作业疲劳是指在传统疲劳的基础上，加入了现代化元素，不论是体力疲劳还是脑力疲劳都会通过相应的形式表现出来，最终展现在人的行为和工作状态中[14]。长时间的打眼作业会导致上肢酸痛，长时间注视采煤机能引起眼睛干涩、大脑恍惚。体脑疲劳交互状态下工人的工作效率和工作质量都会低于正常状态，体脑疲劳交互时反应相对缓慢，作业迟钝，失误率提升。因此，本文针对调查和研究所发现的体脑疲劳交互影响问题，提出以下建议。

3.1 矿工作业动作优化

从表3相关性分析可知，煤矿工人体疲劳和脑疲劳是一种共生存在的关系，体脑疲劳交互影响着煤炭工人正常作业。调研结果显示，煤矿工人长期工作体疲劳较为严重，操作规程误解和不恰当的工作姿势，都会带来工人的体疲劳，煤矿工人在打眼作业和支护作业时需要多次使用臂力支撑和下腰动作，腰部、手腕和小臂是极易疲劳的部位。采煤机司机主要动作是操控采煤机，由于设备庞大且难以控制方向，所以工人应时刻关注采煤机的动态，容易形成体脑疲劳。通过配备先进的探测仪器将数据直接传输到调度室，采煤机司机可以减少自己移动距离，相对减少体疲劳和脑疲劳。单体支护工在工作中身体转动幅度大，手持小型设备，极易引起体疲劳，因此，支护工间断性地更换角色，工人在挂梁工作1 h后可以进行打点柱工作，在工作的更换中可以减少工人的体疲劳，改变矿工换岗频次，提高工作效率[15]。爆破作业是煤炭开采的一种主要方式，工人打眼是爆破作业重要的环节，打眼工对爆破点的选择应遵循人因工程学理论，打眼过程中尽量采用站立打眼，不能随意更改作业姿势。在煤炭生产过程中，工人极易产生疲劳，所以正确的作业动作对于煤矿工人减缓体脑疲劳交互影响起到了决定性作用。

3.2 作业环境优化

煤矿作业场所大多数为井下作业，作业条件比较艰苦。调查显示，我国95%以上的煤矿是井工煤矿，矿井深度平均在400 m以上，作业环境特殊性明显。根据实地调研以及研究发现矿井作业环境存在以下问题。

1) 矿井作业场所空间狭小。采煤作业面积根据煤层厚度而确定，中厚煤层作业面积相对较大，薄煤层作业空间比较窄小，给作业人员和运输人员造成不便，采掘作业面经常处在衔接交替之处，综采作业的条件较为恶劣。

2) 井下作业空间没有自然光照，作业工人须头戴矿灯照明，采掘仪器和一些运输设备运转时分贝较高，经常造成噪声超标。

3) 井下作业空间和巷道容易产生淋水现象，或者巷道内存有少量积水，导致矿井地面潮湿。

4) 在煤炭采掘进程中，伴随着煤炭粉尘和有害气体的产生，采煤深度较大的矿井伴有地热现象，矿井温度较高。作业场所井深巷远，加上辅助时间，煤矿工人在矿井时间较长，劳动强度较大。

因此，煤矿企业应对矿井环境进行优化。煤矿工人在掘进作业时，确保地质安全和生产安全的情况下应尽可能扩大井下空间，应配备先进的探测设备，改善矿井下的视觉环境，优化作业环境，减少作业工人移动距离[16]。井下作业环境必须遵循《中华人民共和国安全生产行业标准—煤矿井下安全标志》(AQ1017)相关规定，每个工人必须配备独立信号电源变压器和独立灯光。采用排水设备排出作业区间的积水，工人服装采用防水设备，对于淋水现象及时处理。按照国家规定对生产性粉尘和粉尘中游离SiO2含量、生产性毒物、噪声、放射线及其他有害物理因素等进行定期监测[17]。发现异常应及时处理，改善工作环境，减少煤矿工人体脑疲劳交互影响。

3.3 管理优化

通过对煤矿企业调研和观察发现，此煤矿的管理分为行政部门和安全生产调度指挥中心，调度指挥中心管理下级科室和区队，科室和区队的配合形成了整个生产系统。根据综采队的作业环境和作业内容，建议设置岗位定时轮换制度，对工人进行培训使其熟悉多个工作岗位，采煤工人可以在岗位内部进行人员调动，也可以在岗位之间进行岗位调动，这有利于减少工人体脑疲劳和提高工人的积极性。另外企业需要对休息制度进行优化，以往方式是工人固定时间才可以休息，休息方式也只是工人之间相互闲聊或者小范围活动，应适当增加工人的休息时间，工人可以走出矿井，到室外进行有氧呼吸，增设员工休息室等减缓工人的疲劳。煤矿企业也可通过优化绩效考核制度，关注矿工生理健康和心理健康问题等措施来提升煤矿工人的工作积极性。

4 结束语

我国的煤炭开采逐步向自动化时代转变，但仍需大量的一线矿工，煤矿工人在生产作业中既要进行体力劳动，也要进行脑力劳动，容易受到体脑疲劳交互的影响，导致严重的人因失误。预防和控制煤矿工人的人因失误是遏制煤矿重特大事故的根本途径。

本文研究得知，煤矿工人的体疲劳主要发生在腰部、肩膀、前臂和后臂等部位，噪声疲劳、视疲劳是影响工人脑疲劳的主要因素，因此建议对矿工的作业动作和作业规程进行优化。对于脑疲劳的缓解，煤矿企业应尽可能地改善工人工作环境，优化生产流程和管理制度，以充分保护劳动者健康，减少煤矿工人体脑疲劳交互影响，预防职业性疾病。