综放工作面作业人员可靠性分析

张 驎，程 琛，徐明伟

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

煤矿综采放顶煤生产系统复杂，工作面不断处于动态发展过程中，人员自身素质、机械设备、环境因素三者都影响着作业人员的可靠性，生产过程中人的任何操作失误都可能引起事故的发生。尽管生产系统本质可靠性、安全性很高，但由于人自身生理、心理特点和行为特性，不可避免会发生误操作，人是生产的主体，是最活跃的因素，同时人的失误也是人—机—环境系统中重要的潜在事故源[1－3]。因此研究系统中人的可靠性，进而提高整个系统的可靠性就显得非常重要。

综放工作面事故即可能是设备故障引起，也可能由操作者操作失误引起，而环境对人的失误操作也会造成很大影响，因此在研究作业人员的可靠性时，应将人、机器、环境三大因素进行综合考虑，随着机械设备性能的不断提高，人和环境因素是研究的重点。

1 综放工作面中人的作用

在综放工作面生产系统中，尽管机械化操作能解决许多人不能解决的难题，但实践也表明:人员可以进行各种类型的工作，处理意外事故，发挥机器的最大效能，具有很强的灵活性和主动性[4－5]。即:(1)当机械设备部分出现故障时，人员能进行修理，使生产系统恢复正常工作，从而提高其安全性和可靠性;(2)能组织协调各工种的工作，使工作面的生产工序连贯，避免因局部人员操作不当使整个系统停止工作;(3)对工作面各类仪表显示的信息，工作面生产过程中存在的部分安全隐患能及时做出判断和决策，并快速做出反应;(4)生产过程中遇到的煤壁片帮、断层、及放煤过程控制放煤量等问题都需要发挥人的主观能动性，进行观察处理。表1是综放工作面人员在安全生产过程中所起的作用。

表1 综放工作面生产中人员在隐患排除中的作用

然而，在综放工作面这种特殊的环境条件下，人员又会受到如高温高湿、噪声、粉尘、低光照度、作业空间狭小以及作业危险性等因素的影响，人员生理和心理上都发生了相应变化[6]。因此人员在作业过程中时常会出现疲劳、注意力分散、动作的准确性与协调性降低等现象。此外，人的操作往往具有非线性、时变性和随机性等特点，因而由于作业人员自身的生理和心理上的障碍，可能出现对操作上的误判断、误操作和误安装，导致不良的后果。表2是近10年综采工作面部分与人的失误有关的事故实例。

表2 综采工作面人因事故实例

从上述表中可以看出，各类人因事故的产生，都离不开违章作业、盲目指挥、监管力度不够等，人员操作的可靠性对生产系统的影响不可忽视。即在综放工作面人—机—环境系统中，可以因人的有效参与而使得系统的安全可靠性增加，也可以因人的某些机能障碍产生人的失误，导致生产系统可靠性降低造成人员伤亡。

2 人员失误及可靠性影响因素分析

2.1 人员失误的特点

一般情况下，综放工作面人员失误可以理解为人员在生产过程中产生的各项失误，按照工种进行分类有:(1)放煤失误:放煤过快过载而造成的停机、放煤过量而漏研、造成的卡溜、断链等;(2)割煤失误:摇臂调高系统控制失误、割煤打坏截齿、采煤机操作失误等;(3)移架推溜失误:操作顺序紊乱，咬架、倾斜、漏研等;(4)端头支架失误:支护质量不高或没有及时支护等;(5)设备维护失误:配件更新不合理，修理不及时、不彻底等;(6)管理组织失误:交接班不及时、人员冗余度太大、决策失误等[7－9]。在实际生产过程中，尽管有许多差错，由于人又是能迅速改变其思想、看法与行为的一种特殊系统，因此，有时即使想错了或者做错了，但能及时地加以迅速纠正而没有造成丝毫后果，这样的差错就不能视为人的操作失误。所以，人员的失误可以定义为:在正常的条件下，规定时间内，人的行为的结果偏离了系统规定的目标，并产生了不良后果[10]。综放工作面人的失误一方面影响系统的安全性，另一方面影响系统的生产效率。在综放工作面这种恶劣的作业环境下，人员的失误具有如下特点。

2.1.1 必然性

综采放顶煤生产实践证明:通过定期的安全教育与技能培训，设计良好的人机界面，改善作业环境等方法能够显著地减少人员操作差错率。但根据墨非定律:如果一台机器存在操作错误的可能性，那么一定会有人错误地操作它[11]。加之，在综放工作面中，噪声、粉尘、低光照度等因素对人员的生理、心理和工作能力都造成了一定的影响，同时，长时间单调的劳动也容易使人产生疲劳。因此，人的失误就具有必然性的特征。

2.1.2 随机性

在综放工作面人—机—环境系统中，综放工作面生产系统在空间上是立体分布的，而且还随着时间的变化动态的发展，其运行过程及其状态有独特的特性。人是系统的主体，是操作失误得以发生的主要因素，而人本身又是个极其复杂的系统，具有明显的时变特性[12]。因此，每个人的失误发生的时间、部位、场合以及发生在谁身上都是随机的，不肯定的，很难用确切的数学模型来表达，随机失误往往是不可预测的。

2.1.3 突然性

人的失误不像机器性能衰减或构件强度降低那样，有一个渐变的过程。它造成的事故往往会突然爆发出来，使操作者立即处于措手不及的境地而造成生产系统的失效。事故往往是突然发生的，而导致事故的潜在隐患是早就存在的，只是未被发现。一旦条件成熟，潜在的危险就会酿成事故[13]。

2.1.4 隐蔽性

人员的失误往往是在操作者误认为正确的情况下发生的，由于人的习惯性和迟滞性，对自己的差错纠正能力比较低，例如工人在一次违章作业或没有按照作业标准工作时可能没有产生事故，便产生偷懒、侥幸的心理，如不矫正，久而久之必产生事故。因此，必须有严厉的规章制度和监管体制，才能有效和及时发现人员的不安全行为。

2.2 人员可靠性分析

综放工作面作业人的失误不仅与其自身素质、专业知识水平、安全意识、工作态度等有关，而且还与机械设备是否存在设计缺陷、是否符合人机工程学、是否保养维护良好等有很大关系。同时，作业人员长期处于高温、高湿、粉尘浓度大、照度环境差、噪声严重等的环境中工作，这些都影响人的操作，下面就从人机环的角度对人员可靠性进行分析。

2.2.1 人自身影响因素

人由于具有主观意识和主观能动性，所以人本身就是一个复杂且难控的系统，人的生理和心理因素对人的行为影响较大，但由于这些因素对人的行为的影响是不定的，所以很难确定他们对人的行为是如何影响的，经研究发现，人的年龄、工龄及受教育水平对人的生理及心理的形成起着较大作用[14]。为此，通过研究作业人员的年龄、工龄、受教育水平对其可靠性的影响，可以定量地描述人自身对人可靠性的影响。

根据现场事故伤亡人员年龄、工龄、受教育水平的调查分析，建立人的年龄、工龄、受教育水平对人可靠性的影响如下。

人的年龄因素对人可靠性的影响系数为:

式中，δ1—年龄因素对人可靠性的影响系数;τ1—年龄(年)。

人的工龄因素对人可靠性的影响系数为:

式中，δ2—工龄因素对人可靠性的影响系数;τ2—工龄(年)。

人的受教育水平因素对人可靠性的影响系数为:

式中，δ3—受教育水平因素对人可靠性的影响系数;τ3—受教育时间(年)。

2.2.2 机对人可靠性影响

机械设备对作业人员可靠性的影响，主要考虑机械设备的设计制造是否符合人机工程学原理，随着我国科技水平的提高，煤矿机械化程度的推进，机械设备已达到了人机适宜的水平[15]。为此，机械设备对作业工人的可靠性的影响在本文中不再考虑。

2.2.3 环境因素对人可靠性影响

由于煤矿综放工作面属于井下作业，工作环境特殊，这就决定了对处在此环境中的作业人员可靠性的研究更有意义，找出影响人可靠性的主要因素，为提高作业人员的可靠性，降低事故伤亡率提供理论依据。在综放工作面，影响作业人员可靠性的因素很多，但研究认为，主要有热环境、噪声、照度、

煤尘浓度等四个因素，而且这四个因素对人员可靠性的影响也最为明显[16]。通过现场调研、实验测试，分析了不同环境因素对人员可靠性的影响。

1)热环境

热环境是指工作面上的空气温度、湿度、风速等。这些因素影响着人体的热平衡，根据现场观测数据的统计分析温度对综放生产人员可靠度的影响系数为:

式中，k1—温度对综放生产人员可靠度的影响系数;θ—温度，℃。

2)噪声环境

工作面生产时，采煤机、液压支架、刮板输送机、拖车、移支架、泵站、破碎机声是综采噪声的主要来源。强烈的噪声除了引起人心率加快、肌肉紧张等生理作用外，还将损害人的作业效能。经现场测定，噪声对综放生产人员可靠度的影响系数为:

式中，k2—噪声对综放生产人员可靠度的影响系数;L—温度强度，dB(A)。

3)照明环境

地下采煤，工人所处的光环境是人工照明。根据现场测试，照度对综放工作面人员可靠度的影响系数为:

式中，k3—照明对综放生产人员可靠度的影响系数;E—光照度，Lx。

4)煤尘环境

在机械化采煤、放煤、运输、转载过程中，都要产生大量的煤尘，煤尘是生产人员尘肺病的根源;同时大量的煤尘也使操作者看不清周围的装置和目标，容易在操作中出现差错，从而造成事故。由于各种原因，使得一些综放面煤尘浓度大大超标。经现场测定，煤尘对综放生产人员可靠度的影响系数k4:

式中，k4—煤尘对综放生产人员可靠度的影响系数;x—煤尘浓度，mg/m3。

3 综放工作面人员可靠性分析的数学模型

根据控制论原理可知，人的行为模式为一个闭环系统，人们在接受刺激后，把接受到的信息传递给大脑，经大脑分析后通过支配相应的身体部位表现出来，变现为对外的反应，这个过程就是S－OR行为模式。由于人在接受—处理—输出等过程都可能产生失误，对人的可靠性都有影响，所以人的可靠性受人的行为模式的影响[17]。根据人的行为过程模式，日本东京大学井口雅一教授提出了一种确定人的操作基本可靠度的计算方法:

式中:α1—信息输入过程的基本可靠度，考虑感知信号及其意义时有失误，取0.9999;

α2—判断决策过程的基本可靠度，考虑进行判断时有失误，取0.9995;

α3—操作输出过程的基本可靠度，考虑输出信息时，运动器官执行失误，取0.999。

针对综放工作面热害、噪声大、光照度低、煤尘浓度大等环境因素对人的影响，机械设备对人操作的影响，以及人自身行为模式，建立影响人的可靠性模式，如图1所示。

图1 人的可靠性模式图

在前面分析人和环境因素对作业人员可靠性的影响、人的行为模式的基础上，建立了综放工作面个人作业可靠度的计算模型:

其中:R为综放工作面个人作业的可靠度

γ表示人员作业的基本可靠度;

δ1表示年龄对作业人员可靠性的影响系数;

δ2表示工龄对作业人员可靠性的影响系数;

δ3表示受教育水平对作业人员可靠性的影响系数;

k1表示热环境对作业人员可靠度的影响系数;

k2表示噪声环境对作业人员可靠度的影响系数;

k3表示照明环境对作业人员可靠度的影响系数;

k4表示煤尘环境对作业人员可靠度的影响系数。

在实际研究中，关于δ值可根据作业人员自身情况获得，k值可通过现场测试获取，因而本模型具有实际价值。

4 结论

1)在综放工作面人—机—环境系统中，人始终是主体，是决定因素。人员可以进行各种类型的工作，处理意外事故，发挥机器的最大效能，具有很强的灵活性和主动性。事故的发生是“人、机、环境”三个因素相互作用与影响的结果，追寻事故的根源，人的因素也是主要因素。因此，控制人的行为，提高人员的可靠性，是防止伤亡事故的关键问题，也是安全管理的中心内容。

2)综放工作面生产系统是一个多环节、动态的、复杂的系统，人在作业过程中会受到各种因素的影响，并可能导致其操作的失误。通过上诉分析可知，若要提高人员作业可靠性，需从人、机、环境三个方面进行改善。①强化对人的的优选、培训和教育，建立健全管理制度;②加强对机械设备的检修和维护，优化设计各种手柄、显示和控制装置，以便更好地适合工人的操作;③针对某些深部高温矿井，可增设矿井空调;针对噪声，可优化采煤机结构、必要时佩戴耳塞等;针对照明，可在采煤机和液压支架上安装聚光灯等;针对煤尘，改善喷雾装置，提高采煤机和放煤窗口上的除尘效果。

3)基于可靠性理论，对综放工作面人员可靠性的影响因素进行了分析，根据现场测试得到的数据，建立了作业人员可靠性模型，这种用定量计算的方法对作业人员可靠性进行评估具有实际意义。

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