谢桥煤矿综采工作面“人—机—环境”系统研究与应用

赵启峰，刘媛媛，张 超

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;3.华北科技学院安全培训处，北京东燕郊 101601)

0 引言

地下煤炭开采工作环境恶劣，工作负荷大，工作对象具有较大的不确定性，这些不利因素对煤炭开采工作人员和机器产生显著影响，同时也使得人、机、环境三者关系的相互协调显得尤为重要[1－2]。为了实现生产，人必须在采煤工作面特定的环境下使用机器、设备和工具。因此，矿井生产中人和机器设备工具紧密地联系在一起，形成一个不可分割的整体，即人、机、环境系统[3－4]。煤矿作业中涉及到人、机械及环境三者之间的协作分工，因此，也需要用人机工程学的理论来开展对煤矿作业的研究。本文将运用系统工程的观点，以人的生理、心理特征为依据，正确处理人、机器、环境等影响要素的关系，结合谢桥煤矿13116综采工作面“人—机—环境”系统特点及开采技术条件，深入研究该矿综采面“人—机—环境”三者相互作用关系，完善人机工程系统匹配，并实现三者之间的协调和系统整体性能的优化，其目的在于改善谢桥煤矿采煤工作人员的工作条件，增加采煤机械设备工作的可靠性，提高采煤工作效率，使人员工作更为安全和舒适。

1 谢桥矿综采工作面“人—机—环境”研究概述

谢桥煤矿13116工作面是东翼B组采区设计更改后的首采工作面，位于原东二采区东翼，煤层底板标高为－420.2～－438.9 m，地面标高+21.4～+26.4 m。工作面可采走向长度1350 m，工作面斜长240.1m，所采6#煤层，平均煤厚2.91 m，平均倾角11.3°。工作面采用走向长壁综合机械化采煤法，工作面装备ZZ6400－18/38型支撑掩护式液压支架、MG－610/1400－WD型电牵引双滚筒采煤机、SGZ－1000/1400刮板输送机、SZZ－1000/400转载机、SSJ－1200/250×2皮带机、PCM250(3300v)破碎机。该工作面在近一年的开采实践中，由于机器故障、人因失误、地质条件等因素引起的事故对该面安全生产和系统稳定性产生诸多不利影响，严重时导致生产中断。因此有必要对13116工作面的“人—机—环境”三者相互制约机理进行研究，从人机工程学的角度找到该工作面安全生产中存在的问题，并提出相应的控制对策。

鉴于此，谢桥煤矿13116工作面“人—机—环境”主要研究内容包括:(1)从“采煤作业人员、采煤机械、作业环境”三个子系统出发，对影响各子系统的相关因素进行分类，分析汇总三者相关信息，并进行量化。(2)从采煤循环全过程出发，完善人机工程系统匹配，并指导现场生产实践。

2 综采工作面人、机器、环境子系统分析与评价

2.1 “人”子系统

在特定的综采工作面“人—机—环境”系统中，采煤机械、地质环境相对稳定，而采煤作业人员是一切行为的主体，始终起到主导作用。同时，人又极易受到环境的影响，有较大的自由度和不规范性质。由人直接、间接引起的失误可分为下列三大类[5－7]。

2.1.1 按照整个采煤循环进行失误分析

从工作面采场设计、设备配套、安装、调试，到设备的正常运转、日常维修，直至采煤结束后设备回撤，整个采煤循环过程，“人机”相互关系中，主要由人造成的失误见表1。

表1 采煤面“人机”相互关系中失误因素分析(按采煤循环过程分类)

2.1.2 按照采煤各工种分工不同进行失误分析

表2 采煤面“人机”相互关系中失误因素分析(按采煤工种分类)

2.1.3 按照人的素质不同进行失误分析

表3 采煤面“人机”相互关系中失误因素分析(按人的素质进行分类)

续表

2.2 “机器”子系统

2.2.1 “机器”子系统有效度计算

13116综采工作面整个生产循环系统是由“破煤、装煤、运煤、支护”等多个工艺环节组成，从整体上看，可作为一个大的逻辑串联系统。为了使整个综采工作面设备系统正常运转，各环节都不能出现失误。因此，对综采工作面机器子系统的分析可以简略的按照串联系统进行分析，建立串联模型[8]。假设综采面“机器”子系统由N个部件串联组成，各个组成部件的寿命服从指数分布，设备的故障率为λi，修复率为μi，其串联模型如图1所示。

图1 综采面“机器”子系统串联模型

1)系统故障率计算

在串联系统中，任一单元的故障均导致系统故障，所以系统正常运转小于或至多等于各串联单元可靠度的最小值。

在各单元的故障统计独立的条件下:

又因为所有的单元服从指数分布，则:

2)系统有效度计算

系统状态0表示N个部件正常，状态i表示第i个部件故障维修，其余正常。

系统稳态有效度:

上式经过变换可转换为:

特殊情况，当N个相同部件串联时:

按照上式对13116综采面系统稳态有效度指标进行计算，可得整个系统的稳态有效度为0.92。虽然有效度值较高，但这仅仅是采煤面三大设备正常运转的有效度，除此之外，还包括其它设备如转载机、破碎机、胶带机、乳化液泵等也要正常运转。因此，要提高综采面各机械可靠程度，需采取措施提高维修率，使系统的平均工作时间增多，降低故障率，增加综采面的生产能力。

2.2.2 “机器”子系统故障规律分析

综采工作面设备在运行中，由于机器设计不合理，安全性能差、操作错误、环境因素影响等不利条件，在其不同部位上会产生不同类型的故障。如图2所示，设备故障曲线随时间的变化大致可分为三个阶段:早期故障期、偶然故障期和耗损故障期[9]。13116综采工作面设备(采煤机、刮板输送机、液压支架、胶带机、转载机、破碎机、泵站以及变电站等)与大多数产品故障分布规律相同，故障率和时间故障分布曲线也服从图2所示的设备故障规律曲线。①在早期故障期内，13116综采工作面设备故障的主要原因是设计参数不合适，制造工艺存在缺陷，因此在设备设计初期应考虑人机工程匹配问题，设备选型与购买时应该注意测试和检验;②在偶然故障期内，要尽力做好设备的维护和保养工作，使这一段时间尽量延长;③在耗损故障期内，应掌握元部件耗损欺的规律，定期更换元部件。

图2 综采工作面设备故障曲线

2.3 “环境”子系统

作业环境直接影响“人—机—环境”系统的效率和操作者的身心健康与安全。随着谢桥煤矿逐步进入深部开采，瓦斯、高温等成为困扰工人作业的重要环境因素，改进谢桥煤矿综采工作面作业环境成为该矿“人—机—环境”系统工程中的一个重要任务。因此，需要重点研究谢桥煤矿综采工作面对工人工作舒适度、工作效率和系统正常运转有显著影响的环境因素，主要包括:采煤工作面有害气体(瓦斯浓度)、通风、温度、噪声、煤尘、照明等。

3 合理优化“人—机—环境”系统实现矿井安全生产的措施

3.1 减少人为失误

13116综采面在“人—机—环境”系统优化过程中，把人的因素放在第一位，实现从“管物”向“管人”的转变。主要措施包括:①在职工中开展安全技能教育，提高职工的安全技能和安全意识，使职工具备辨别危险、解决危险因素的能力。例如，在谢桥矿综采队全面推行“手指口述”，提高人员操作的准确性。②改革综采队工作、休息制度，改善职工的工作和生活环境，例如，谢桥矿改革采煤面人员作息制度，尽量避免“撇钩延点”，减少工人因疲劳造成的错误操作。③加强工人心理素质的培养，人尽其才，在工种分配和劳动组合上，尽量考虑每个矿工的性格特点。例如，在谢桥煤矿综采队，对重要设备的操作人员进行心理健康问卷调查，然后按照每位工人的心理素质，安排工种分工。

3.2 采煤工作面的人机工程匹配

完善人机工程系统匹配，主要是按照设备设计、选型、运行、维护等各个阶段的不同特点，研究人与机器的相互协调作用关系，克服机器设备的三大故障，提高人机互动准确度与舒适度[10－12]。人机工程匹配主要包括:①设计阶段提高人机工程匹配设计意识，操作装置的人机工程学设计，色彩的设计方面，注重细节，让采煤设备穿上“安全色”;②设备选型阶段应使设备选型与本矿地质条件、煤层厚度相适宜;③设备运行与维护阶段减少人为误操作，提高人机互动准确度，定期更换元部件等，见表4。

表4 采煤工作面的人机工程匹配

3.2.1 设备设计阶段

1)操作装置的人机工程设计。遵照“以人为本”的设计理念，使机械与环境的协调设计更好地适应和满足采煤作业人员的生理和心理。在机械产品设计初期就充分考虑采煤机械的使用范围和作业人员尺寸范围，充分考虑人体测量数据。例如:采煤机遥控器的有效半径、前后摇臂的转动幅度、电缆槽与煤机间距、液压支架护帮板与采煤机滚筒位置关系、液压支架操作手柄设置位置等，其尺寸应以人体功能学相关数据为依据，符合生物力学规律并布置在便于准确和迅速操纵的位置上。

2)在设备外观与色彩设计方面，让设备穿上“安全色”。采煤工作场所大都灰暗潮湿，本来就是一个缺乏色彩的地下世界，因此在设备设计初期，就应考虑合理的色彩布置。如采煤机、运输机及电气开关等使用“安全色”，传递安全信息含义，舒适愉快，减少人员误操作，提高人机互动的安全可靠性。

3.2.2 设备选型、运行与维护阶段

1)设备选型。应选择与本矿地质条件、开采条件相适宜的本质安全型设备，以充分发挥设备效能。

2)设备运行与维护阶段。减少人为误操作，提高人机互动准确度。谢桥矿综采队推行“手指口述”，确保采煤设备的操作人员能迅速、准确的感知和确认操作把手的位置以及显示器所显示的信息，以避免误判、错判造成事故。另外，在采煤机、刮板机等设备运行时设置了纠错装置和安全防护装置。

3.3 创造良好的采煤作业环境

1)瓦斯等有毒有害气体的防治。切实做好矿井通风管理，定期进行通风系统优化，降低瓦斯浓度，改善采煤作业环境的温度、湿度。

2)减少或消除噪音。综采工作面装备型号多、功率大，单机噪声极高，在采煤工作面及顺槽相对狭小的生产空间内，噪声发生反射、叠加等，更加重了噪音污染的危害。谢桥煤矿13116综采面在降低机械设备的噪音、震动方面也进行了有益尝试，例如:在刮板输送机机头电机、乳化液泵站等易产生高噪音的设备上安装消声装置;减少机械震动，提高回转件的动平衡等，来达到对噪音的有效控制。

3)光照调节。在采煤工作面合理分布光源和限制光源的亮度，避免眩光的出现影响矿工的正常工作，例如:13116综采面采场及上下顺槽使用了新型柔和亮度护眼型灯具。

4 结论

1)从人机工程学角度出发，按照采煤设备设计、选型、运行、维护等各个阶段的不同特点，完善人机工程系统匹配，研究人与机器的相互协调作用关系，减少人因失误，既能有效克服机器设备的三大故障，又能提高人机互动准确度与舒适度，对谢桥煤矿减少事故概率、提高系统可靠性具有一定的指导意义。

2)从采煤循环全过程出发，完善人机工程系统匹配，主要包括:设计阶段提高人机工程匹配设计意识，操作装置的人机工程学设计，色彩的设计方面，注重细节，让采煤设备穿上“安全色”;设备选型阶段应使设备选型与本矿地质条件、煤层厚度相适宜;设备运行与维护阶段减少人为误操作，提高人机互动准确度，定期更换元部件等。

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