【摘 要】 应用人机工程及可靠性理论，分析了连续作业时间和割煤机运行方式对综采工作面人员操作可靠性的影响，建立了割煤机运行方式的优化模型。根据模型所选择的割煤机运行方式，既能提高工作面产量，也能提高人员操作可靠性，有利于综采工作面高效安全生产。
【关键词】 综采工作面 人员操作可靠性 割煤机 运行方式
Analysis of the Reliability of Manual Manipulation
and Optimization of the Operating Pattern of Coal Cutting Machine
in Full－Mechanized Mining Face
Wang Weijun
(Xiangtan Polytechnic University) Abstract Applying the theory of reliability and ergonomics,the impacts of continuous working time and the operating pattern of the coal cutting machine in full mechanized mining face on the reliability of manual manipulation were analyzed.The model for optimizing the operating pattern of the coal cutting machine was established,by which the coal output could be increased and the rehability of manual manipulation could be improved,so that it was also beneficial to the safety in full-mechanized mining face.
Key words： Full mechanized mining face Reliability of manual manipulation
Coal cutting machine Operating pattern 1 前 言
在综采工作面人－机系统中，随着机械设备可靠性的提高，人员操作可靠性已成为影响综采面生产和安全的最主要的因素之一。人员操作可靠性，不但受到井下工作环境的影响，也与如何控制割煤机的运行速度有关。笔者在现场观测的基础上，分析了综采工作面人员操作可靠性与作业时间、割煤机运行速度的关系，认为要提高人员操作可靠性，实现综采面的安全高效生产，在不同时段对割煤机的运行速度进行调整是必要的。
2 连续作业时间对操作可靠性的影响
相对于地面工作而言，综采工作面的工作环境有其特殊性，存在工作空间狭小、照明条件差、风速大、噪声大、粉尘污染大、空气质量差等不利因素的影响。作业者在这种环境中劳动，很容易疲劳，连续工作时间越长，操作失误率也越高，操作可靠性就越低。
图1 人员操作可靠度与连续工作时间关系图
目前，煤矿井下一般为“三八”或“四六”工作制。在观测中发现，前2小时，工人操作基本正常，以后的失误逐渐增加，工人渐显疲劳，大部分故障或事故发生在后半个班的时间里。
设工人在前2小时工作时间对操作可靠度的影响系数为1(没有影响)，根据某矿某一工作面的观测资料整理（三八工作制），得到在连续工作时间内；对割煤机司机和移架工的操作可靠度影响系数的计算式，其表达如下：
式中，r(t)——连续工作时间对操作人员的操作可靠度影响系数；k——常数，对割煤机司机为0.022, 支架工为0.028。
3 割煤机运行速度对人员操作可靠性的影响
一般情况是，在综采工作面的生产过程中，只要开采条件和设备条件允许，为尽可能提高产量，割煤机司机总是使割煤机以最快的速度运行。然而，从观测过程中可以看到，随着割煤机速度的加快，司机和移架工也必须加快操作速度，同时，注意力必须高度集中。这样，便更容易疲劳，操作失误就会增多，导致操作可靠度急剧下降。表1为在不同割煤机运行速度下，司机和移架工的操作失误次数在上班开始2小时内（正常状态）的观测数据。
表1 割煤机司机和移架工操作观测数据
割煤机速度
（m/s） |
割煤机司机 |
移架工 |
| 操作次数 |
失误次数 |
可靠度 |
操作次数 |
失误次数 |
可靠度 |
| 〗5.0 |
258 |
29 |
0.887 |
464 |
45 |
0.903 |
| 4.5 |
269 |
19 |
0.929 |
403 |
29 |
0.928 |
| 4.0 |
246 |
11 |
0.955 |
368 |
18 |
0.951 |
| 3.5 |
239 |
5 |
0.979 |
359 |
11 |
0.969 |
| 3.0 |
220 |
4 |
0.982 |
329 |
8 |
0.975 |
| 2.5 |
218 |
4 |
0.982 |
327 |
8 |
0.976 |
|
图2 操作可靠度随割煤机运行速度变化曲线 根据表1所列数据，可得出割煤机司机和移架工在正常状态下操作可靠度随割煤机运行速度的变化曲线：
4 人员操作可靠度分析
从上述分析可知，在综采工作面的人——机系统中，割煤机司机和移架工的操作可靠性不但受到环境因素及连续作业时间的影响，还受到割煤机运行速度的影响，而两者又是相互独立的，因此，综采工作面人员的操作可靠度的计算式如下：
R(t,v)=r(t)*r(v) (2) 式中，R(t,v)——在t时刻，割煤机运行速度为v时的人员作业可靠度；r(v)——在正常状态下，割煤机运行速度为v时的人员作业可靠度。
图3 割煤机司机可靠度变化曲线
图4 支架工可靠度变化曲线
根据式(2)，可计算并作出该综采工作面人员操作可靠度随时间和割煤机运行速度的变化曲线。
5 割煤机运行方式选择
5.1 工作面产量计算
一般情况下，综采工作面产量可根据下式计算：
Q=RvTmγBc (3)
式中，Q——工作面班产量，t；R——人机系统有效度；v——割煤机运行速度，m/min；T——班工作时间，min;m——采高，m；γ——煤层容重，t/m3；B——割煤机切深，m；c——资源回收率，％。
式(3)中，人—机系统有效度为：
R=Rj*Rr （4）
式中，Rj——机械设备子系统有效度；Rr——操作人员子系统有效度，
Rr=rg(t,v)*rz(t,v) (5)
式中，rg(t,v)——时刻t，割煤机速度为v时,割煤机司机的操作可靠度，rz(t,v)——时刻t，割煤机速度为v时,支架工的操作可靠度；
该工作面采高为2.5m，煤层容重为1.35/m3,割煤机切深为0.6m；资源回收率为95％。经测定，机械设备子系统有效度为0.831,则小时产量Qh为：
Qh=95.9rg(t，vt)rz(t,vt)vt (6)
式中，vt——t时刻割煤机的运行速度，m/min。
由于人员操作的可靠度和割煤机的运行速度均为连续变量，为便于计算，将其离散化，把一个班8小时分成8个单元，假设这两个参数在每个单元内保持不变，则可通过以下模型求出最佳割煤机运行方式。
5.2 割煤机运行方式的确定
从上述分析和计算可知，当割煤机低速运行时，人员操作可靠度较高。当割煤机高速运行时，人员操作的可靠度较低。可见，综采工作面产量并不一定随割煤机运行速度的加快而增长，而是与割煤机运行速度和人员操作的可靠度同时相关，随二者乘积的增大而增长。从安全方面考虑，当出现二者乘积相等的运行方式时，应选择人员操作的可靠度较高，割煤机运行速度较低的运行方式。
假设割煤机在前2个单元（小时）以最大速度运行，在以后的6小时，每个单元都有6种运行速度可供选择，则割煤机可有46656种运行方式，通过计算机模拟得到3种较优的运行方式，见表2。
表2 割煤机较优运行方式参数表 |
| 运行单元 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Q |
方式
1 |
vt |
5 |
5 |
4.5 |
4.5 |
4 |
4 |
3.5 |
3 |
2519 |
| Rr |
0.801 |
0.801 |
0.845 |
0.82 |
0.843 |
0.817 |
0.844 |
0.816 |
方式
2 |
vt |
5 |
5 |
5 |
4.5 |
4 |
4 |
4 |
3.5 |
2143 |
| Rr |
0.801 |
0.801 |
0.724 |
0.82 |
0.843 |
0.817 |
0.674 |
0.683 |
方式
3 |
vt |
5 |
5 |
5 |
4.5 |
4.5 |
4.5 |
4 |
3.5 |
2133 |
| Rr |
0.801 |
0.801 |
0.724 |
0.82 |
0.718 |
0.698 |
0.674 |
0.683 |
表中给出了三种较好的割煤机运行方式，其产量相差均小于2％，产量可视为相等，如只考虑工作面的班产量，则三种方式可任选其一。然而，运行方式1的各个单元的人员操作可靠度均大于0.8，高于其它方式。因此，从安全角度考虑，应选方式1为最佳。
6 结 语
分析了连续作业时间和割煤机运行速度对人员操作的可靠度的影响，具有一定的理论价值和现实意义。表明当割煤机运行速度不变时，人员操作可靠度随时间逐渐下降。如在运行过程中，合理调整割煤机的运行速度，可以达到提高人员操作可靠性和工作面产量的目的。 作者简介：王卫军 1965年生，副教授，湘潭工学院资源工程系副主任。1990年毕业于贵州工业大学，获硕士学位，现为中国矿业大学在读博士生。一直从事采矿工程专业的教学、科研工作，先后发表论文30篇，有专著1本。
作者单位：湘潭工学院
作者地址：湖南湘省潭市；湘潭工学院资源工程学院；邮编：411201 参考文献
1 欧阳文昭. 安全人机工程学. 武汉：中国地质大学出版社，1991.5.
2 王卫军. 综采工作面人－机系统可靠性与作业环境的研究. 中国安全科学学报，1998.4.
3 Pandof KB,Givoni B, Goldman RF. Predicting energy expenditure with loads while standing walking very slowly . J Appl Physiol 1977, 43(4).
4 Eastman Engineering Company . Erginomic Design for People at work . Lifetime Learning Publications 1982 . 10. |
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