煤矿井下人-环境系统模型构建及工效影响研究

刘树伦，齐 帅，李蔬宏，李青柳，李春峰

(1.邯郸矿业集团技术部，河北 邯郸 056300；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

煤矿井下作业人员处于生产一线，他们的工作既要保障设备的正常运行，又要及时发现存在的隐患，直接关系着煤炭企业的安全高效生产。煤矿井下的作业环境较为恶劣，对作业人员的身心健康和工作效率有着很大的影响，通常是引发事故最深层次却又很容易被忽视的原因[1]。它既可以直接导致事故的发生，又能作用于人或者机器间接引发生产事故。目前，我国煤矿井下作业环境对人员工效的影响虽已引起煤矿工作者和专家的重视，但至今还未获得实用且具有普遍意义的数据。

鉴于煤炭企业的实际情况，从根本上治理较为恶劣的作业环境是相当困难的。除采取一些有效的工程技术改善措施外，还应该利用人类工效学理论，对影响人员工效的作业环境因素进行因果分析与评价，为煤炭企业安全高效生产决策提供服务。人类工效学研究的目的，就是达到在生产中提高效率，保证人员的安全、健康和舒适[2]。也就是说，以整个生产系统中的人为着眼点来提高作业人员的工作效率与安全生产。因此，通过研究煤矿井下人-环境系统及工效的影响，实现人与作业环境的最佳匹配，最大限度发挥人的潜能和可靠性，对如何改善煤矿企业安全生产条件，促进煤矿安全高效生产具有理论意义和实践参考价值。

1 煤矿井下人-环境系统模型的构建

采煤作业的生产过程都是在一定的环境中进行的，而作业环境的质量影响着生产系统的效率和人员的安全、健康、舒适。煤矿井下工作面环境，可以分为地质环境和作业环境两部分，其中作业环境更具有不确定性[3]。广义的作业环境，是劳动者进行生产活动时所在环境空间的总称，是劳动者所在劳动场所的外部环境条件[4],由煤层的自然条件、作业空间及通道和作业环境舒适度等组成。本文选择可测量、易获取的井下环境参数为研究对象，将煤矿井下作业环境定义为：在煤矿井下工作面的受限空间范围内，由于掘进、采煤、运输等生产过程而形成的对作业人员的舒适、健康、安全和工作效率以及作业系统的正常运转有一定影响的综合环境，包括温度、湿度、粉尘浓度、照明强度、噪声强度和气流速度等。

按照人类工效学观点，生产系统中的作业环境首先对作业人员的生理和心理产生影响，而这种影响又被作业人员带入生产系统进而影响整个系统的安全、健康和高效。徐州三河尖矿多年的调查统计资料显示，在更为恶劣的作业环境下，作业人员因疲劳导致的出勤率下降17%，采掘工作面劳动效率下降20%～30%，最高达40%～50%[5]。作业人员对作业环境的满意度进一步加重了作业的难度和强度，采面环境质量和作业负荷的变化都影响着作业人员的工作效率[6]。可见，作业环境对作业人员的疲劳程度、环境满意度和作业负荷产生影响，进而影响了作业人员的工作效率。基于以上分析，本文构建煤矿井下人-环境系统模型如图1所示。

图1 煤矿井下人-环境系统模型

2 作业环境参数的现场测定及其对作业人员影响的分析

2.1 井下作业环境参数的现场测定

选择煤矿井下可测量、易获取的作业环境参数对其进行测定，包括温度、湿度、气流速度、粉尘浓度、噪声强度和照度等。经现场测定，徐矿集团A煤矿和京煤集团B煤矿井下作业环境参数，除温度和相对湿度有较大差异外，其他环境参数相差不大，如表1所示。

表1 A、B矿作业环境参数测定结果

2.2 煤矿井下作业环境对作业人员影响的分析

在大量文献资料研究和对煤矿企业各部门的工作人员深入访谈的基础上设计问卷，经多次交流并修改达到信度、效度等方面的要求，包括疲劳主观反映、作业环境满意度和主观劳动负荷指数3部分内容组成。调查对象为上述两矿井具有代表性的掘进和采煤两个工种的作业人员，采用现场集中解释后当场完成并收回的方式，在作业人员上井后1个小时内集中有序完成。

1) 作业人员的疲劳主观反映，包括身体、精神和感觉3个方面的30项内容。对所获取的数据用SPSS19.0统计软件进行F值和P值检验。F值是方差分析的一个指标，P值为结果可信度的一个递减指标，是将观察结果认为有效即具有总体代表性的犯错概率。F值越大，P值越小，表示结果越可靠。一般地，0.05通常被认为是P值可接受错误的边界水平。

2) 作业环境满意度包括作业人员对温度E1、湿度E2、气流速度E3、粉尘浓度E4、噪声强度E5和照度E6等6个环境参数的满意度，按满意度从低到高依次分为以下5个等级：0为极度不满意，1为很不满意，2为不满意，3为基本满意，4为满意，5为非常满意。环境满意度指数(ESI)计算方法为

其中i=1,2…6；M=6。

3) 主观劳动负荷指数调查包括6个负荷因素(疲劳F1、危险度评估F2、工作复杂程度F3、必要的注意力F4、工作节奏F5、可靠性F6)和2个非负荷因素(工作兴趣H1、工作的独立性H2)。疲劳指数(SFI)计算方法见式(1)。

其中i=1,2,…,6；j=1,2；N=8。按照个人的反应程度判定为6 级，具体如表2所示。

表2 主观疲劳指数(SFI)判定等级

3 数据处理结果

研究对象为上述两矿井具有代表性的掘进和采煤两个工种的作业人员，共计112名，均为男性。其中，A煤矿井下作业人员48名，平均年龄为33.15±7.24岁，平均工龄为11.23±5.86年；B煤矿井下作业人员64名，平均年龄为32.57±6.36岁，平均工龄为10.83±5.18年。共发放问卷106份，经筛选整理后收回有效问卷99份，并以此为原始数据借助SPSS19.0统计软件进行处理，计算结果见表3～5。

表3 A、B矿作业人员疲劳主观症状出现率

表4 A、B矿作业人员环境满意度指数(ESI)

4 分析讨论

从两矿井作业环境参数的现场测定数据来看，其温度参数存在显著差异，A煤矿井下作业温度在28～30℃，B煤矿井下作业环境温度在19～23℃。《煤矿安全规程》第一百零二条规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃[7]，当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。由此可判定，徐矿集团A煤矿为高温矿井，京煤集团B煤矿为非高温矿井。目前，我国共有62处高温矿井，从业人员339 231人，其中接触高温的有43 031人，占12.7%[8]。可见，对高温矿井作业环境的改善是十分必要和迫切的。

1) 高温矿井和非高温矿井作业人员疲劳主观症状，在身体、精神和感觉3个方面的出现率均存在显著差异，其中精神和感觉症状差异更为明显，尤以采煤工种更为突出。这与其温度相对更高，劳动负荷更大有关。研究表明：在非高温矿井，作业人员皮肤温度升高，出汗、体力下降、心血管和消化系统发生了变化；在高温矿井，作业人员心理状态进一步恶化，出现了烦闷、心慌意乱等症状。

2) 在高温矿井中，温度是影响作业人员环境满意度的最主要因素，而在非高温矿井中，照明和粉尘成为主要影响因素。对于高温矿井，为了保障作业人员的安全、舒适、健康和高效，首要工作就是采取降温措施：加大通风量；研究和设计新型的工作服和安全帽，既要蒸发散热率高，又要透湿性能好；提供足够的饮用水来恢复身体散失的水分，尽量创造出比较舒适的热环境。对于非高温矿井，应该把注意力集中在照明和防治粉尘工作上来，其措施和方法很多，这里就不再赘述。这样有的放矢地来改善井下作业环境，既可以有效地提高作业环境质量，又可以为煤炭企业管理人员节省精力和成本。

3) 煤矿井下掘进和采煤两工种劳动负荷很大，在较为恶劣的作业环境下，就近一步加重了其工作的难度和强度，采面环境质量和作业负荷的变化都影响着作业人员的工作效率。根据疲劳指数(SFI)等级准则判定A矿井作业人员的疲劳指数在3～4范围内，表明导致问题因素必须在短期内改进或立即采取改进措施；B矿井作业人员的疲劳指数在1～2范围内，表明基本不需要采取措施。在调查中我们还发现，由于煤矿井下生产的特殊条件，即使在作业人员休息时也不能脱离较为恶劣的环境，这在一定程度上阻碍了作业人员体能和精神上的恢复。

机械化程度的提高和作业环境的改善，可以大幅度降低作业人员的劳动强度。

5 结论

1) 在大量文献资料研究的基础上，从人类工效学的角度定义了煤矿井下作业环境的概念。选择可测量、易获取的作业环境参数和影响作业人员工效的因素，构建了煤矿井下作业的人-环境系统模型。

2) 经对不同矿井不同岗位作业人员的调查和现场环境参数的测定，分析得出：高温矿井和非高温矿井作业人员疲劳主观症状，在身体、精神和感觉3个方面的出现率均存在显著差异，其中采煤工种精神和感觉症状差异尤为突出；温度是影响煤矿井下作业人员生理和心理的最主要因素，其次是照度和粉尘浓度；采煤作业人员受作业环境影响的程度最高，须尽快对其作业环境采取改进措施。

[1] 焦强.矿井人-机-环境系统的本质安全化研究[D].西安：西安科技大学,2010.

[2] 蔡启明，余臻，庄长远.人因工程[M].北京：科学出版社,2005.

[3] 贾传鹏.基于IE的综放工作面人机环境系统研究[D].淮南：安徽理工大学,2008.

[4] 李森.管理工效学[M].北京：清华大学出版社,北京交通大学出版社,2008.

[5] 李化敏，付凯.煤炭深部开采面临的主要技术问题及对策[J].采矿与安全工程学报,2006,23(4):468-471.

[6] 赵世军，李勇军.采面环境质量和作业负荷对作业人员安全与健康影响的研究[J].矿业安全与环保,2003,30(3)：25-27.

[7] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[8] 刘卫东，张岩松，王丽华.我国煤矿高温矿井摸底调查情况[J].职业与健康,2012,28(9)：1136-1138.