略談人機工程在煤礦機械設計中的應用

張寶生

摘要：煤礦生產活動對人機工程的安全性、舒適性、高效性和經濟性的要求越來越高。從煤礦機械操縱裝置的宜人化、煤礦機械實施"安全色"、煤礦井下信號的有效發布及煤礦噪聲環境得到改善等方面總結了煤礦人機工程的應用現狀,從煤礦安全人機工程、煤礦綠色人機工程、煤礦虛擬人機工程、煤礦智能人機工程以及煤礦數字人機工程等方面探討了煤礦人機工程的未來發展趨勢。

關鍵詞:人工工程；煤礦；機械設計

中圖分類號： X752 文獻標識碼： A

引言

人機工程學是研究“人-機-環境”系統中，人、機、環境三大要素之間的關系，為解決系統中人的效能、健康問題提供理論與方法的科學。作為資源性行業，煤礦在其生產過程中，不但涉及到自身生產系統中“人-機-環境”的問題，而且其生產活動又同時作用于其自身之外的人與環境。

一、煤礦生產活動對人機工程的需求

煤礦是世界上最為復雜的生產系統和企業形式，煤炭行業也是最危險的行業之一。在煤礦井下生產過程中，人和設備除受到井下各種地質災害的侵害之外，其工作環境也非常惡劣，如工作空間狹窄、空氣潮濕、光線暗淡、粉塵超標、有害氣體的威脅、采掘工作面噪聲源多且大以及工作場所不斷移動等。惡劣的工作環境導致人的精神狀態不佳、工作效率低下，機電設備的可靠性降低，事故頻發。近年來，隨著煤礦采掘機械化程度的不斷提高，煤礦機電設備的體積、質量和功率不斷增大，其結構也更加復雜，操控技術水平的要求也越來越高，為實現安全生產，迫切需要從人機工程學角度出發，對煤礦機電設備進行合理的人機工程設計，使設備、工具宜人化，同時改善煤礦井工作環境，使人處于較好的工作狀態中，以減少危險因素，降低事故率，提高安全生產水平。

二、人機工程在煤礦中的應用現狀

隨著礦井開采深度的不斷加大，煤礦開采環境和開采條件的復雜性導致“人-機-環境”系統也越來越呈現出復雜性，煤礦對人機工程的要求越來越高。目前，煤礦生產的機械化和現代化程度較過去有了根本性提高，人機工程在一定程度上得到了應用，人機、人環交互的安全性和效率大為改善，具體表現在下述幾個方面。

2.1 煤礦機械開始注重宜人化設計

在當前我國煤礦普遍存在井下作業環境惡劣、工人素質不高和勞動強度大的基本情況下，煤礦機械進行宜人化設計尤為重要。通過機械的宜人化設計，可以降低工人的勞動強度，減少人為操作失誤的概率、提高勞動生產率和安全生產水平。宜人化設計是以人機工程學原理為基礎，以人為本的“人-機-環境”集成系統設計，通過系統的優化選擇和設計，使人與機器設備之間相互適應，功能分配合理，達到“人-機-環境”系統協調。宜人化設計的主要內容體現在以下 3 個方面。

(1) 人機界面的優化

人機界面是人與機器之間實現信息交流和傳遞的媒介，因此，人機界面設計力求簡潔明了，在井下惡劣環境和工人長時間高強度的勞動條件下，實現人機交流簡單高效。例如，在機械化采煤工作面狹小的空間內，老式液壓支架多采用手動操作閥來實現液壓支架的落架、支架和移架，操作繁瑣；新式液壓支架運用電液控制系統，通過控制面板控制液壓支架，大大提高了人機交流的效率。

(2) 人機數據的應用

在采用人機數據進行設計時，應充分考慮人體功能學，將操縱機構的運動方向設定得符合大多數操作者的習慣，從而使操作動作安全高效。例如，采煤機滾筒調高手把扳動方向與滾筒升降方向協調一致；盡量利用自然操作動作或借助操作者某個身體部位的重力 (如腳踏開關) 進行操作。

(3) 造型美觀舒適化

大多數煤礦機械給人“生硬、不友好”的印象，在井下長時間單調的工作條件下，工人不自覺地會對所操作的裝備產生不愉快情緒，容易導致操作失誤，影響安全生產。舒適美觀的外觀造型，將會愉悅工人的心情，對裝備產生感情，減少操作失誤。例如，絞車房絞車手柄設計采用球型或弧形設計，握在手里使人感覺很舒服等。

2.2煤礦機械設備實施“安全色”

安全色是一種視覺語言，也是一種環境，是傳遞安全信息含義的顏色，也是營造舒適工作環境的顏色。煤礦是一個生產場所特殊的行業，其周圍環境是由灰色、褐色或黑色的沉積巖系巖體或煤體構成，此色彩環境下容易使工人產生一種單調感和壓抑感，在長時間、高強度勞動過程中，會使工人對周圍環境產生抵觸和不滿情緒，使工人精神倦怠，容易造成操作失誤，影響安全生產。因此，從煤礦生產裝備色彩設計入手，正確運用色彩設計來改善煤礦井下的視覺環境，激發工人的工作熱情，保持良好的精神狀態，從而提高工作效率，減少人為事故的發生，成為煤礦提高安全生產水平的重要措施之一。

近年來，人機工程技術中的色彩調節在煤礦機械中得到了運用，按照我國已制定的色標，井下各種機械設備、運輸車輛等逐步采用了紅、黃、藍、綠等明快顏色。如采煤機、液壓支架、運輸機以及電氣開關等，根據它們的工作環境，采用了與井下原生色彩環境形成強烈反差，具有刺激、興奮、活躍效果的鮮明色彩，一方面有利于消除人的視覺疲勞，活躍工作環境，使工人在工作期間保持愉快的心情和良好的精神狀態；另一方面對于裝備本身而言，正確運用色彩使操作者容易辨認，尤其對那些易于丟失、不易尋找的裝備尋找方便，因此，煤礦井下安全色彩基本上以純度低、明度高、鮮艷的暖色為主。

2.3煤礦井下信號的有效發布

煤礦井下嘈雜的聲音和暗淡的光線對井下聲音信號和燈光信號的傳播有很大的負面影響。煤礦井下生產過程中的相關信息如何快速有效地在人與人之間、機器與人之間的傳播，對煤礦安全、高效生產具有重要作用，如瓦斯超限警報、提升機升降的信號、盲巷的標示、礦車行駛信號等。傳統的信號發布通常要么是鈴聲、要么是燈光。

近年來，井下信號可以同時以聲音和燈光的形式發布。聲光信號顯示器就是這樣一種煤礦設備，主要用于井下各生產系統和各作業工作面，以聲、光和游走字幕對作業工作面所處狀態發出安全指令。例如，絞車司機請確認：地點和周圍巷道是否有浮石、險塊、絞車基礎是否穩固、鋼絲繩是否排列整齊、無硬傷、無硬彎、無打結、無嚴重銹蝕、繩頭固定是否牢固、絞車制動閘、工作閘動作是否靈敏可靠、絞車構建是否齊全、可靠、護繩是否完好、絞車運轉聲音是否正常、無異常震動、無甩油現象等、清脆的語音提示，不但能緩解工人的勞動強度，也可根據用戶需求增加語音提示內容。當瓦斯超限時，儀器會以圖形顯示、語音和燈光警報等多種形式報警，防止各類事故發生。

2.4煤礦噪聲環境得到改善

煤礦井下生產裝備型號多、功率大，導致井下噪聲源多，單機噪聲極高，在井下相對狹小且封閉的生產空間內，噪聲發生反射、疊加等，從而使得煤炭工業成為噪聲構成最為復雜的行業之一，且噪聲存在于采掘、運輸以及通風等各個生產環節中。煤礦井下噪聲的危害體現在多個方面：噪聲將會損害工人的聽力，影響其與外界的正常交流；在強烈噪聲環境條件下，人的心情容易煩躁、情緒不穩、精力難以集中，導致操作失誤、信息傳遞的失誤或信息接收的失誤；噪聲還會淹沒各種聲頻安全報警信號，導致安全事故的發生。例如，煤礦井下的風鉆、風鎬以及局部通風機等機電設備產生的噪聲，會妨礙人們及時地辨別巖石移動或頂板冒落前所發出的聲響，造成安全事故。

近年來，在煤礦機械的設計階段就進行了噪聲控制的設計，例如，通過提高風機葉輪及轉軸的動平衡精度，減少不平衡振動控制噪聲；通過改變風機共振構件的固有頻率，降低其對激發力的響應來控制噪聲。

總之，近年來，人機工程技術在煤礦得到了較好的運用，出現了計算機控制、遙控操作和無人工作面，煤機的設計制造也在一定程度上貫徹了人機工程的思想，使人與煤機之間交互的安全性、舒適性越來越好。

三、煤礦人機工程的未來展望

隨著機械化水平的提高，煤礦井下“人-機-環境”系統越來越復雜，基于人機工程的安全高效開采是煤礦人機工程的重要發展趨勢。在設計礦井人機系統時，應注意把人、機、環境作為一個整體來考慮，最優或合理地分配人機的功能，保證系統在環境變動下達到要求的目標，即協調、舒適、高效、安全。

對人而言，一是在煤礦設計、生產和管理中，建立以人為中心的安全管理體制；二是在職工中開展安全思想、安全法制、安全知識、安全技能和典型事故案例教育，提高其安全意識、安全技能以及操作的準確性；三是對職工進行人文關懷，提高礦工的心理素質和身體素質；四是改革礦工的工作、休息制度，改善礦工的工作和生活環境，保證其精力充沛地工作。

對機器 (械) 而言，一是提高煤炭生產現代化水平，在推行采掘機械化的同時，提高提升、運輸、排水、通風等方面的現代化水平，盡量消除機器 (械) 的不安全；二是在煤礦機械的設計、制造中，進行結構優化，改變機器設備粗大、笨拙外觀造型，使機械的使用更加安全，操作更加宜人化；三是研發薄煤層等特殊煤層使用的采掘機械，減少現場人員直接進入不舒適、不安全工作面，實現采面的無人化；四是提高機械設備的自動化、數字化、智能化水平，替代手工操作，減少和防止人為的操作失誤；降低機械設備的噪聲和振動，對設備的顯示裝置與操縱裝置、人機距離與帶電體距離進行相合性設計。

四、結束語

從1981 年，在我國著名的科學家錢學森的指導下就已經開始了有關人－ 機－ 環境系統工程的研究，在老一輩科學、專家的共同努力下，奠定了一定的基礎。在新的世紀，我們更加要用新的方式來感知世界，符合人機工程的人性化的設計才是最前沿最實在的潮流趨勢。把人機工程應用于煤礦工程對設計出操作簡單可靠，安全省力，高效率的礦山機械有非常重要的意義將推動我國煤炭行業科技進步，提高煤礦生產的安全水平，使得煤炭行業大跨步的發展。

參考文獻：

[1]苗夢露.人機工程學在煤礦安全生產中的應用探討[J].煤炭技術.2011(07)

[2]周劍.人機工程學在礦井提升機上的應用[J].礦山機械.1993(09)

[3]趙洪福.試述煤礦通風中如何正確使用風機[J].黑龍江科技信息.2010(13)

[4]王建軍.人機工程學在人性化煤礦機械設計中的應用研究[J].機械管理開發.2010(02)