基于人—机—环境耦合效应的掘进工作面安全高效生产

韦善阳，杨 涛

(1.国家级安全人机工程实验室,北京 东燕郊 101601；2. 矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601；3. 华北科技学院，安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

工作面掘进是独头巷道开掘，前方和周围的地质条件具有很大的不确定性，环境地质条件比较恶劣，诸如顶板冒落、煤与瓦斯突出事故等时有发生[1]。随着采煤科技的提高，机械化掘进成为发展的趋势。为了安全、高效、经济掘进，必须深入研究掘进工作面的人—机—环境系统，找出最佳的生产方案[2,4]。本文基于人机环境系统科学理论和方法研究掘进工作面人—机—环境耦合效应[5,6],通过最优化人—机—环境系统中三者之间相互作用和彼此影响等的关联关系从而寻找出它们联合起来产生最佳工作效应的组合方案，实现掘进工作面的安全、高效生产。

1 掘进工作面人—机—环境系统各子系统分析

1.1 人子系统要素分析

人是掘进工作面人—机—环境系统中最重要的有机因素，而且随着机械化技术的提升，人的关键作用对安全生产的重要性越加重要[7]。在系统中人的因素主要体现在以下8个方面：

1) 安全观，良好的安全观念使工人更加注重生产安全，由此产生的行为是生产过程中按章办事，工作前做好全面的安全检查，遇到问题首先考虑的是人的生命安全，更容易规避事故的发生。

2) 性格，不同的行为人具有不同的个性特点，掘进工作是比较繁重而且危险的工作，对个体的要求比较严格，需要具备良好的性格特性和习惯。

3) 体能，掘进工作对体能的要求很高，主要是工作环境比较恶劣:高温、高湿、高强度、低空气，低能见度、长时间、小空间。在如此环境中作业要求工作人员必须体格健壮，体能良好。

4) 心里健康，由于工作环境特殊，作业特别，心里和生理压力比较大，良好的心理承受能力是胜任掘进工作的一个重要要求。

5) 经验和技能，掘进工作面对的是未全可知的地质条件，具有很多的不确定性，长期工作积累的经验和技能是安全高效生产的保证。

6) 应变能力，由于掘进工作面对的是复杂的地质条件，突发事件不时发生，好的应变能力能转危为安，保障生命和财产安全。

7) 团队意识，掘进工作具有较多的作业工序，如掘进机造作，巷道支护，煤体搬运等，有分工，也要求具有良好的合作和团队意识。

8) 教育水平，随着机械化的进一步提高，对知识水平的要求也相应的提高，掘进工作人员应当具备一定程度的教育水平方能较好的完成工作。

1.2 机械子系统要素分析

掘进工作面的机械设备系统包括掘进机械系统、供电系统、瓦斯和一氧化碳监测系统、通风系统、除尘系统、运煤系统、支护系统等。各个子系统又由若干个子系统构成，而且次子系统又可以划分为更细的系统，直到元件。对于二级系统的设备要求性能可靠，符合井下作业空间狭小、高温、高湿，长时间持续作业的生产环境，并符合煤矿生产的煤安型或本安型。人工操作的设备应该符合人体特性和操作习惯。下图1为三级系统构成图。

图1 掘进机械设备三级系统图

1.3 环境系统要素分析

煤矿生产掘进工作面作业环境比较恶劣[8]。典型的特点有如下几个。

1) 独头巷道，作业空间狭小。巷道宽高一般不大于4 m，在放入掘进机等设备之后一般只能容一人侧身通过。

2) 高温、高湿、高粉尘浓度、低能见度。由于在掘进过程中设备放热，地热等原因，巷道温度比较高，掘进过程中产生大量煤臣，浓度大时甚至看不清前方的煤壁，巷道充斥着大量灰白粉尘，可见度很低，为了降低粉尘浓度在开掘时进行洒水降尘，地面和空气中湿度较高。

3) 地质条件复杂，危险性高。巷道掘进面临着前方不可知的地质条件，伴随着各种有害气体的产生，面临着顶板垮落，煤与瓦斯突出的威胁等。

4) 设备和人员拥挤。巷道开掘使用的设备比较多，在狭小的空间中人员和设备拥挤，施工不方便。

图2显示为巷道掘进过程。

图2 巷道掘进

2 子系统关联性分析

在掘进工作面系统中人、机、环境三个子系统之间的直接关系是串联关系，任何一个系统存在故障将直接引起整个系统不能正常运行，也即非安全生产[9-10]。而各个子系统的次级子系统之间既存在并联关系也存在串联关系。为了保证掘进工作的正常进行，要求各二级系统必须保证正常运行。建立简单的模型为公式(1)所示。

F(xi)=f1(xi)·f2(xi)·f3(xi)

(1)

式中

F(xi)——掘进系统正常运行；

F1(xi)——人的安全行为；

F2(xi)——设备的正常状态；

F3(xi)——环境的正常条件。

随着采煤科技的进步，机械设备性能的提高，掘进工作面设备的安全性和可靠性比较高，在此条件下人的素质和能力对整个系统的正常运行起到了关键和核心作用[11]。对于井下掘进工作面由于环境的变化有一定的规律，在采取适当的预防措施后，人—机系统的耦合对巷道开掘起到关键作用。图3所示为掘进工作面作业系统。

图3 掘进工作面作业系统

3 提高系统效能方法

根据对掘进工作面各子系统要素的分析和系统关联性分析可以得出提高系统整体性能的方法主要应当从以下三方面入手[12-14]:

1) 提高人的安全行为。①坚持以人为本，建立以人为核心的安全管理体制；②经常开展安全法制教育，安全知识教育和训练；③典型事故案例教育和作业标准化训练；④注重建立企业的安全文化。

2) 提高机械设备性能和操作系统集成化。①从机械设备的设计之初就考虑作业环境的影响以及应用人体解剖学理论和操作习惯设计最适合人体工作的操作平台。②设备必须具备良好的安全控制装置，防止意外发生时，能保障人的安全。③注意设备的日常维修和维护。

3) 改善作业环境。①加强掘进作业的安全技术措施的落实，坚持措施预防措施不落实不掘进；②加强作业环境的安全监测和监测，保证作业环境的安全；③加强降尘除尘，加强照明，加强工作面通风和噪音控制等。

单一的对某一个系统或者因素进行改善在一定程度上会有效果，实现效果的最大化，必须全面的从人—机—环境三方面全面提高。

4 结论

基于人—机—环境耦合效应的掘进工作面安全高效生产必须全面提升人、机、环境三个系统的安全性和可靠性以及协调性。

1) 人作为系统运行的主动因素和控制因素，人的安全行为往往对系统的运行起到核心作用，因此必须对人进行择优录用、经常培训和教育。

2) 一定条件下机械设备的性能和可靠性是基本稳定的，可视为常数，为了保证设备的正常运行，必须做好设备的日常保养和维修。尽可能的利用先进技术设备。

3) 加强环境控制，改善掘进工作面的作业条件，做好降尘除尘、降湿降温，以及提高照明等，营造相对好的作业环境。

4) 本文提出的人—机—环境系统耦合基础理论分析，为进一步进行相关理论研究提供了基础理论支持。

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