謝橋煤礦綜采工作面“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)研究與應(yīng)用

趙啟峰，劉媛媛，張 超

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，北京東燕郊 101601;2.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601;3.華北科技學院安全培訓處，北京東燕郊 101601)

0 引言

地下煤炭開采工作環(huán)境惡劣，工作負荷大，工作對象具有較大的不確定性，這些不利因素對煤炭開采工作人員和機器產(chǎn)生顯著影響，同時也使得人、機、環(huán)境三者關(guān)系的相互協(xié)調(diào)顯得尤為重要[1－2]。為了實現(xiàn)生產(chǎn)，人必須在采煤工作面特定的環(huán)境下使用機器、設(shè)備和工具。因此，礦井生產(chǎn)中人和機器設(shè)備工具緊密地聯(lián)系在一起，形成一個不可分割的整體，即人、機、環(huán)境系統(tǒng)[3－4]。煤礦作業(yè)中涉及到人、機械及環(huán)境三者之間的協(xié)作分工，因此，也需要用人機工程學的理論來開展對煤礦作業(yè)的研究。本文將運用系統(tǒng)工程的觀點，以人的生理、心理特征為依據(jù)，正確處理人、機器、環(huán)境等影響要素的關(guān)系，結(jié)合謝橋煤礦13116綜采工作面“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)特點及開采技術(shù)條件，深入研究該礦綜采面“人—機—環(huán)境”三者相互作用關(guān)系，完善人機工程系統(tǒng)匹配，并實現(xiàn)三者之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化，其目的在于改善謝橋煤礦采煤工作人員的工作條件，增加采煤機械設(shè)備工作的可靠性，提高采煤工作效率，使人員工作更為安全和舒適。

1 謝橋礦綜采工作面“人—機—環(huán)境”研究概述

謝橋煤礦13116工作面是東翼B組采區(qū)設(shè)計更改后的首采工作面，位于原東二采區(qū)東翼，煤層底板標高為－420.2～－438.9 m，地面標高+21.4～+26.4 m。工作面可采走向長度1350 m，工作面斜長240.1m，所采6#煤層，平均煤厚2.91 m，平均傾角11.3°。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，工作面裝備ZZ6400－18/38型支撐掩護式液壓支架、MG－610/1400－WD型電牽引雙滾筒采煤機、SGZ－1000/1400刮板輸送機、SZZ－1000/400轉(zhuǎn)載機、SSJ－1200/250×2皮帶機、PCM250(3300v)破碎機。該工作面在近一年的開采實踐中，由于機器故障、人因失誤、地質(zhì)條件等因素引起的事故對該面安全生產(chǎn)和系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生諸多不利影響，嚴重時導致生產(chǎn)中斷。因此有必要對13116工作面的“人—機—環(huán)境”三者相互制約機理進行研究，從人機工程學的角度找到該工作面安全生產(chǎn)中存在的問題，并提出相應(yīng)的控制對策。

鑒于此，謝橋煤礦13116工作面“人—機—環(huán)境”主要研究內(nèi)容包括:(1)從“采煤作業(yè)人員、采煤機械、作業(yè)環(huán)境”三個子系統(tǒng)出發(fā)，對影響各子系統(tǒng)的相關(guān)因素進行分類，分析匯總?cè)呦嚓P(guān)信息，并進行量化。(2)從采煤循環(huán)全過程出發(fā)，完善人機工程系統(tǒng)匹配，并指導現(xiàn)場生產(chǎn)實踐。

2 綜采工作面人、機器、環(huán)境子系統(tǒng)分析與評價

2.1 “人”子系統(tǒng)

在特定的綜采工作面“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中，采煤機械、地質(zhì)環(huán)境相對穩(wěn)定，而采煤作業(yè)人員是一切行為的主體，始終起到主導作用。同時，人又極易受到環(huán)境的影響，有較大的自由度和不規(guī)范性質(zhì)。由人直接、間接引起的失誤可分為下列三大類[5－7]。

2.1.1 按照整個采煤循環(huán)進行失誤分析

從工作面采場設(shè)計、設(shè)備配套、安裝、調(diào)試，到設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)、日常維修，直至采煤結(jié)束后設(shè)備回撤，整個采煤循環(huán)過程，“人機”相互關(guān)系中，主要由人造成的失誤見表1。

表1 采煤面“人機”相互關(guān)系中失誤因素分析(按采煤循環(huán)過程分類)

2.1.2 按照采煤各工種分工不同進行失誤分析

表2 采煤面“人機”相互關(guān)系中失誤因素分析(按采煤工種分類)

2.1.3 按照人的素質(zhì)不同進行失誤分析

表3 采煤面“人機”相互關(guān)系中失誤因素分析(按人的素質(zhì)進行分類)

續(xù)表

2.2 “機器”子系統(tǒng)

2.2.1 “機器”子系統(tǒng)有效度計算

13116綜采工作面整個生產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)是由“破煤、裝煤、運煤、支護”等多個工藝環(huán)節(jié)組成，從整體上看，可作為一個大的邏輯串聯(lián)系統(tǒng)。為了使整個綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，各環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)失誤。因此，對綜采工作面機器子系統(tǒng)的分析可以簡略的按照串聯(lián)系統(tǒng)進行分析，建立串聯(lián)模型[8]。假設(shè)綜采面“機器”子系統(tǒng)由N個部件串聯(lián)組成，各個組成部件的壽命服從指數(shù)分布，設(shè)備的故障率為λi，修復率為μi，其串聯(lián)模型如圖1所示。

圖1 綜采面“機器”子系統(tǒng)串聯(lián)模型

1)系統(tǒng)故障率計算

在串聯(lián)系統(tǒng)中，任一單元的故障均導致系統(tǒng)故障，所以系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)小于或至多等于各串聯(lián)單元可靠度的最小值。

在各單元的故障統(tǒng)計獨立的條件下:

又因為所有的單元服從指數(shù)分布，則:

2)系統(tǒng)有效度計算

系統(tǒng)狀態(tài)0表示N個部件正常，狀態(tài)i表示第i個部件故障維修，其余正常。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有效度:

上式經(jīng)過變換可轉(zhuǎn)換為:

特殊情況，當N個相同部件串聯(lián)時:

按照上式對13116綜采面系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有效度指標進行計算，可得整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度為0.92。雖然有效度值較高，但這僅僅是采煤面三大設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的有效度，除此之外，還包括其它設(shè)備如轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶機、乳化液泵等也要正常運轉(zhuǎn)。因此，要提高綜采面各機械可靠程度，需采取措施提高維修率，使系統(tǒng)的平均工作時間增多，降低故障率，增加綜采面的生產(chǎn)能力。

2.2.2 “機器”子系統(tǒng)故障規(guī)律分析

綜采工作面設(shè)備在運行中，由于機器設(shè)計不合理，安全性能差、操作錯誤、環(huán)境因素影響等不利條件，在其不同部位上會產(chǎn)生不同類型的故障。如圖2所示，設(shè)備故障曲線隨時間的變化大致可分為三個階段:早期故障期、偶然故障期和耗損故障期[9]。13116綜采工作面設(shè)備(采煤機、刮板輸送機、液壓支架、膠帶機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站以及變電站等)與大多數(shù)產(chǎn)品故障分布規(guī)律相同，故障率和時間故障分布曲線也服從圖2所示的設(shè)備故障規(guī)律曲線。①在早期故障期內(nèi)，13116綜采工作面設(shè)備故障的主要原因是設(shè)計參數(shù)不合適，制造工藝存在缺陷，因此在設(shè)備設(shè)計初期應(yīng)考慮人機工程匹配問題，設(shè)備選型與購買時應(yīng)該注意測試和檢驗;②在偶然故障期內(nèi)，要盡力做好設(shè)備的維護和保養(yǎng)工作，使這一段時間盡量延長;③在耗損故障期內(nèi)，應(yīng)掌握元部件耗損欺的規(guī)律，定期更換元部件。

圖2 綜采工作面設(shè)備故障曲線

2.3 “環(huán)境”子系統(tǒng)

作業(yè)環(huán)境直接影響“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)的效率和操作者的身心健康與安全。隨著謝橋煤礦逐步進入深部開采，瓦斯、高溫等成為困擾工人作業(yè)的重要環(huán)境因素，改進謝橋煤礦綜采工作面作業(yè)環(huán)境成為該礦“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)工程中的一個重要任務(wù)。因此，需要重點研究謝橋煤礦綜采工作面對工人工作舒適度、工作效率和系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)有顯著影響的環(huán)境因素，主要包括:采煤工作面有害氣體(瓦斯?jié)舛?、通風、溫度、噪聲、煤塵、照明等。

3 合理優(yōu)化“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)的措施

3.1 減少人為失誤

13116綜采面在“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)優(yōu)化過程中，把人的因素放在第一位，實現(xiàn)從“管物”向“管人”的轉(zhuǎn)變。主要措施包括:①在職工中開展安全技能教育，提高職工的安全技能和安全意識，使職工具備辨別危險、解決危險因素的能力。例如，在謝橋礦綜采隊全面推行“手指口述”，提高人員操作的準確性。②改革綜采隊工作、休息制度，改善職工的工作和生活環(huán)境，例如，謝橋礦改革采煤面人員作息制度，盡量避免“撇鉤延點”，減少工人因疲勞造成的錯誤操作。③加強工人心理素質(zhì)的培養(yǎng)，人盡其才，在工種分配和勞動組合上，盡量考慮每個礦工的性格特點。例如，在謝橋煤礦綜采隊，對重要設(shè)備的操作人員進行心理健康問卷調(diào)查，然后按照每位工人的心理素質(zhì)，安排工種分工。

3.2 采煤工作面的人機工程匹配

完善人機工程系統(tǒng)匹配，主要是按照設(shè)備設(shè)計、選型、運行、維護等各個階段的不同特點，研究人與機器的相互協(xié)調(diào)作用關(guān)系，克服機器設(shè)備的三大故障，提高人機互動準確度與舒適度[10－12]。人機工程匹配主要包括:①設(shè)計階段提高人機工程匹配設(shè)計意識，操作裝置的人機工程學設(shè)計，色彩的設(shè)計方面，注重細節(jié)，讓采煤設(shè)備穿上“安全色”;②設(shè)備選型階段應(yīng)使設(shè)備選型與本礦地質(zhì)條件、煤層厚度相適宜;③設(shè)備運行與維護階段減少人為誤操作，提高人機互動準確度，定期更換元部件等，見表4。

表4 采煤工作面的人機工程匹配

3.2.1 設(shè)備設(shè)計階段

1)操作裝置的人機工程設(shè)計。遵照“以人為本”的設(shè)計理念，使機械與環(huán)境的協(xié)調(diào)設(shè)計更好地適應(yīng)和滿足采煤作業(yè)人員的生理和心理。在機械產(chǎn)品設(shè)計初期就充分考慮采煤機械的使用范圍和作業(yè)人員尺寸范圍，充分考慮人體測量數(shù)據(jù)。例如:采煤機遙控器的有效半徑、前后搖臂的轉(zhuǎn)動幅度、電纜槽與煤機間距、液壓支架護幫板與采煤機滾筒位置關(guān)系、液壓支架操作手柄設(shè)置位置等，其尺寸應(yīng)以人體功能學相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，符合生物力學規(guī)律并布置在便于準確和迅速操縱的位置上。

2)在設(shè)備外觀與色彩設(shè)計方面，讓設(shè)備穿上“安全色”。采煤工作場所大都灰暗潮濕，本來就是一個缺乏色彩的地下世界，因此在設(shè)備設(shè)計初期，就應(yīng)考慮合理的色彩布置。如采煤機、運輸機及電氣開關(guān)等使用“安全色”，傳遞安全信息含義，舒適愉快，減少人員誤操作，提高人機互動的安全可靠性。

3.2.2 設(shè)備選型、運行與維護階段

1)設(shè)備選型。應(yīng)選擇與本礦地質(zhì)條件、開采條件相適宜的本質(zhì)安全型設(shè)備，以充分發(fā)揮設(shè)備效能。

2)設(shè)備運行與維護階段。減少人為誤操作，提高人機互動準確度。謝橋礦綜采隊推行“手指口述”，確保采煤設(shè)備的操作人員能迅速、準確的感知和確認操作把手的位置以及顯示器所顯示的信息，以避免誤判、錯判造成事故。另外，在采煤機、刮板機等設(shè)備運行時設(shè)置了糾錯裝置和安全防護裝置。

3.3 創(chuàng)造良好的采煤作業(yè)環(huán)境

1)瓦斯等有毒有害氣體的防治。切實做好礦井通風管理，定期進行通風系統(tǒng)優(yōu)化，降低瓦斯?jié)舛?，改善采煤作業(yè)環(huán)境的溫度、濕度。

2)減少或消除噪音。綜采工作面裝備型號多、功率大，單機噪聲極高，在采煤工作面及順槽相對狹小的生產(chǎn)空間內(nèi)，噪聲發(fā)生反射、疊加等，更加重了噪音污染的危害。謝橋煤礦13116綜采面在降低機械設(shè)備的噪音、震動方面也進行了有益嘗試，例如:在刮板輸送機機頭電機、乳化液泵站等易產(chǎn)生高噪音的設(shè)備上安裝消聲裝置;減少機械震動，提高回轉(zhuǎn)件的動平衡等，來達到對噪音的有效控制。

3)光照調(diào)節(jié)。在采煤工作面合理分布光源和限制光源的亮度，避免眩光的出現(xiàn)影響礦工的正常工作，例如:13116綜采面采場及上下順槽使用了新型柔和亮度護眼型燈具。

4 結(jié)論

1)從人機工程學角度出發(fā)，按照采煤設(shè)備設(shè)計、選型、運行、維護等各個階段的不同特點，完善人機工程系統(tǒng)匹配，研究人與機器的相互協(xié)調(diào)作用關(guān)系，減少人因失誤，既能有效克服機器設(shè)備的三大故障，又能提高人機互動準確度與舒適度，對謝橋煤礦減少事故概率、提高系統(tǒng)可靠性具有一定的指導意義。

2)從采煤循環(huán)全過程出發(fā)，完善人機工程系統(tǒng)匹配，主要包括:設(shè)計階段提高人機工程匹配設(shè)計意識，操作裝置的人機工程學設(shè)計，色彩的設(shè)計方面，注重細節(jié)，讓采煤設(shè)備穿上“安全色”;設(shè)備選型階段應(yīng)使設(shè)備選型與本礦地質(zhì)條件、煤層厚度相適宜;設(shè)備運行與維護階段減少人為誤操作，提高人機互動準確度，定期更換元部件等。

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