韋善陽(yáng)，楊 濤

(1.國(guó)家級(jí)安全人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室,北京 東燕郊 101601；2. 礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 東燕郊 101601；3. 華北科技學(xué)院，安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

工作面掘進(jìn)是獨(dú)頭巷道開掘，前方和周圍的地質(zhì)條件具有很大的不確定性，環(huán)境地質(zhì)條件比較惡劣，諸如頂板冒落、煤與瓦斯突出事故等時(shí)有發(fā)生[1]。隨著采煤科技的提高，機(jī)械化掘進(jìn)成為發(fā)展的趨勢(shì)。為了安全、高效、經(jīng)濟(jì)掘進(jìn)，必須深入研究掘進(jìn)工作面的人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)，找出最佳的生產(chǎn)方案[2,4]。本文基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)理論和方法研究掘進(jìn)工作面人—機(jī)—環(huán)境耦合效應(yīng)[5,6],通過(guò)最優(yōu)化人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)中三者之間相互作用和彼此影響等的關(guān)聯(lián)關(guān)系從而尋找出它們聯(lián)合起來(lái)產(chǎn)生最佳工作效應(yīng)的組合方案，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的安全、高效生產(chǎn)。

1 掘進(jìn)工作面人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)各子系統(tǒng)分析

1.1 人子系統(tǒng)要素分析

人是掘進(jìn)工作面人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)中最重要的有機(jī)因素，而且隨著機(jī)械化技術(shù)的提升，人的關(guān)鍵作用對(duì)安全生產(chǎn)的重要性越加重要[7]。在系統(tǒng)中人的因素主要體現(xiàn)在以下8個(gè)方面：

1) 安全觀，良好的安全觀念使工人更加注重生產(chǎn)安全，由此產(chǎn)生的行為是生產(chǎn)過(guò)程中按章辦事，工作前做好全面的安全檢查，遇到問(wèn)題首先考慮的是人的生命安全，更容易規(guī)避事故的發(fā)生。

2) 性格，不同的行為人具有不同的個(gè)性特點(diǎn)，掘進(jìn)工作是比較繁重而且危險(xiǎn)的工作，對(duì)個(gè)體的要求比較嚴(yán)格，需要具備良好的性格特性和習(xí)慣。

3) 體能，掘進(jìn)工作對(duì)體能的要求很高，主要是工作環(huán)境比較惡劣:高溫、高濕、高強(qiáng)度、低空氣，低能見(jiàn)度、長(zhǎng)時(shí)間、小空間。在如此環(huán)境中作業(yè)要求工作人員必須體格健壯，體能良好。

4) 心里健康，由于工作環(huán)境特殊，作業(yè)特別，心里和生理壓力比較大，良好的心理承受能力是勝任掘進(jìn)工作的一個(gè)重要要求。

5) 經(jīng)驗(yàn)和技能，掘進(jìn)工作面對(duì)的是未全可知的地質(zhì)條件，具有很多的不確定性，長(zhǎng)期工作積累的經(jīng)驗(yàn)和技能是安全高效生產(chǎn)的保證。

6) 應(yīng)變能力，由于掘進(jìn)工作面對(duì)的是復(fù)雜的地質(zhì)條件，突發(fā)事件不時(shí)發(fā)生，好的應(yīng)變能力能轉(zhuǎn)危為安，保障生命和財(cái)產(chǎn)安全。

7) 團(tuán)隊(duì)意識(shí)，掘進(jìn)工作具有較多的作業(yè)工序，如掘進(jìn)機(jī)造作，巷道支護(hù)，煤體搬運(yùn)等，有分工，也要求具有良好的合作和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

8) 教育水平，隨著機(jī)械化的進(jìn)一步提高，對(duì)知識(shí)水平的要求也相應(yīng)的提高，掘進(jìn)工作人員應(yīng)當(dāng)具備一定程度的教育水平方能較好的完成工作。

1.2 機(jī)械子系統(tǒng)要素分析

掘進(jìn)工作面的機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)包括掘進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、瓦斯和一氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、運(yùn)煤系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)又由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，而且次子系統(tǒng)又可以劃分為更細(xì)的系統(tǒng)，直到元件。對(duì)于二級(jí)系統(tǒng)的設(shè)備要求性能可靠，符合井下作業(yè)空間狹小、高溫、高濕，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，并符合煤礦生產(chǎn)的煤安型或本安型。人工操作的設(shè)備應(yīng)該符合人體特性和操作習(xí)慣。下圖1為三級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備三級(jí)系統(tǒng)圖

1.3 環(huán)境系統(tǒng)要素分析

煤礦生產(chǎn)掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境比較惡劣[8]。典型的特點(diǎn)有如下幾個(gè)。

1) 獨(dú)頭巷道，作業(yè)空間狹小。巷道寬高一般不大于4 m，在放入掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備之后一般只能容一人側(cè)身通過(guò)。

2) 高溫、高濕、高粉塵濃度、低能見(jiàn)度。由于在掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)備放熱，地?zé)岬仍?，巷道溫度比較高，掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量煤臣，濃度大時(shí)甚至看不清前方的煤壁，巷道充斥著大量灰白粉塵，可見(jiàn)度很低，為了降低粉塵濃度在開掘時(shí)進(jìn)行灑水降塵，地面和空氣中濕度較高。

3) 地質(zhì)條件復(fù)雜，危險(xiǎn)性高。巷道掘進(jìn)面臨著前方不可知的地質(zhì)條件，伴隨著各種有害氣體的產(chǎn)生，面臨著頂板垮落，煤與瓦斯突出的威脅等。

4) 設(shè)備和人員擁擠。巷道開掘使用的設(shè)備比較多，在狹小的空間中人員和設(shè)備擁擠，施工不方便。

圖2顯示為巷道掘進(jìn)過(guò)程。

圖2 巷道掘進(jìn)

2 子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析

在掘進(jìn)工作面系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)之間的直接關(guān)系是串聯(lián)關(guān)系，任何一個(gè)系統(tǒng)存在故障將直接引起整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，也即非安全生產(chǎn)[9-10]。而各個(gè)子系統(tǒng)的次級(jí)子系統(tǒng)之間既存在并聯(lián)關(guān)系也存在串聯(lián)關(guān)系。為了保證掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行，要求各二級(jí)系統(tǒng)必須保證正常運(yùn)行。建立簡(jiǎn)單的模型為公式(1)所示。

F(xi)=f1(xi)·f2(xi)·f3(xi)

(1)

式中

F(xi)——掘進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行；

F1(xi)——人的安全行為；

F2(xi)——設(shè)備的正常狀態(tài)；

F3(xi)——環(huán)境的正常條件。

隨著采煤科技的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備性能的提高，掘進(jìn)工作面設(shè)備的安全性和可靠性比較高，在此條件下人的素質(zhì)和能力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到了關(guān)鍵和核心作用[11]。對(duì)于井下掘進(jìn)工作面由于環(huán)境的變化有一定的規(guī)律，在采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施后，人—機(jī)系統(tǒng)的耦合對(duì)巷道開掘起到關(guān)鍵作用。圖3所示為掘進(jìn)工作面作業(yè)系統(tǒng)。

圖3 掘進(jìn)工作面作業(yè)系統(tǒng)

3 提高系統(tǒng)效能方法

根據(jù)對(duì)掘進(jìn)工作面各子系統(tǒng)要素的分析和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析可以得出提高系統(tǒng)整體性能的方法主要應(yīng)當(dāng)從以下三方面入手[12-14]:

1) 提高人的安全行為。①堅(jiān)持以人為本，建立以人為核心的安全管理體制；②經(jīng)常開展安全法制教育，安全知識(shí)教育和訓(xùn)練；③典型事故案例教育和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練；④注重建立企業(yè)的安全文化。

2) 提高機(jī)械設(shè)備性能和操作系統(tǒng)集成化。①?gòu)臋C(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)之初就考慮作業(yè)環(huán)境的影響以及應(yīng)用人體解剖學(xué)理論和操作習(xí)慣設(shè)計(jì)最適合人體工作的操作平臺(tái)。②設(shè)備必須具備良好的安全控制裝置，防止意外發(fā)生時(shí)，能保障人的安全。③注意設(shè)備的日常維修和維護(hù)。

3) 改善作業(yè)環(huán)境。①加強(qiáng)掘進(jìn)作業(yè)的安全技術(shù)措施的落實(shí)，堅(jiān)持措施預(yù)防措施不落實(shí)不掘進(jìn)；②加強(qiáng)作業(yè)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)，保證作業(yè)環(huán)境的安全；③加強(qiáng)降塵除塵，加強(qiáng)照明，加強(qiáng)工作面通風(fēng)和噪音控制等。

單一的對(duì)某一個(gè)系統(tǒng)或者因素進(jìn)行改善在一定程度上會(huì)有效果，實(shí)現(xiàn)效果的最大化，必須全面的從人—機(jī)—環(huán)境三方面全面提高。

4 結(jié)論

基于人—機(jī)—環(huán)境耦合效應(yīng)的掘進(jìn)工作面安全高效生產(chǎn)必須全面提升人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性以及協(xié)調(diào)性。

1) 人作為系統(tǒng)運(yùn)行的主動(dòng)因素和控制因素，人的安全行為往往對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行起到核心作用，因此必須對(duì)人進(jìn)行擇優(yōu)錄用、經(jīng)常培訓(xùn)和教育。

2) 一定條件下機(jī)械設(shè)備的性能和可靠性是基本穩(wěn)定的，可視為常數(shù)，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，必須做好設(shè)備的日常保養(yǎng)和維修。盡可能的利用先進(jìn)技術(shù)設(shè)備。

3) 加強(qiáng)環(huán)境控制，改善掘進(jìn)工作面的作業(yè)條件，做好降塵除塵、降濕降溫，以及提高照明等，營(yíng)造相對(duì)好的作業(yè)環(huán)境。

4) 本文提出的人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)耦合基礎(chǔ)理論分析，為進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)理論研究提供了基礎(chǔ)理論支持。

[1] 鄭學(xué)召,羅振敏,王偉峰.基于安全人機(jī)工程學(xué)的礦山應(yīng)急救援多媒體系統(tǒng)設(shè) 計(jì)[J].煤炭工程,2011,(7):122-124.

[2] 楊宏剛,趙江平,郭進(jìn)平，等.人-機(jī)系統(tǒng)事故預(yù)防理論研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(2):21-26.

[3] 苗夢(mèng)露.人機(jī)工程學(xué)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用探討[J]. 煤炭技術(shù),2011,30(7):233-235.

[4] 李建中.人機(jī)工程學(xué)在煤炭工程中的應(yīng)用探討[J].煤炭工程，2006,(10):22-23.

[5] 樓霄翔.安全人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用[J].勞動(dòng)保護(hù)，2010,(5):82-83.

[6] 張建,吳超.安全人機(jī)系統(tǒng)原理理論研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2013,23(6):14-19.

[7] 羅一忠,吳愛(ài)祥,胡國(guó)斌，等.采場(chǎng)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,37(4):804-809.

[8] 吳立云,楊玉中.綜采工作面人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)安全性分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2008,16(3):437-443.

[9] 吳起,汪麗莉,匡蕾等.人的不安全行為對(duì)高危行業(yè)從業(yè)人員安全評(píng)價(jià)的影響研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008,18(5):28-35.

[10] 李紅濤,張驎.人機(jī)工程在煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].礦山機(jī)械，2013,41(5):1-4.

[11] 陳鵬,張國(guó)樞.礦井通風(fēng)“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)可靠性研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,23(1):22-24.

[12] 卜昌森,程衛(wèi)民,周剛，等.人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程安全分析與評(píng)價(jià)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2009,35(2):44-46.

[13] 劉偉,袁修干.人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].人類工效學(xué),2006,6(2):43-45.

[14] 曹琦.人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)本質(zhì)安全化原理[J].人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)本質(zhì)安全化原理,1996,16(2):33-35.