人机系统设计在煤矿安全中的应用

摘 要

煤矿生产系统中人、机系统的不匹配，是煤矿生产中的隐性安全隐患，对其的分析研究，对于提高煤矿安全水平具有极其重要的作用。

本论文主要对煤矿的人机系统设计进行了优化改善。利用人机工程学理论，对煤矿生产系统中的人、机、人机匹配方面进行了分析，找出了这三个方面存在的安全问题及隐患。通过人机系统设计原理，对人、机方面进行优化，并进行两者协调性上的改善，使人与机器设备之间相互适应，功能分配合理，增强了煤矿人机系统的安全性、可靠性，对于提高煤矿安全水平具有重要作用。

关键词： 煤矿安全；人机工程学；人机系统设计

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Abstract

In the mine production system,human-machine system does not match with the mine production which is implicit security risks, their analysis and research to improve the level of coal mine safety has an extremely important role.

This thesis mainly coal man-machine system design has been optimized to improve. The use of ergonomics theory, the coal production systems of people machines man-machine matching aspects of the analysis,and find these three areas identified safety problems and risks to be solved. Through man-machine system design theory, human, machine aspects of optimization, and make improvements on the coordination of both human beings and mutual adaptation between machines, functional allocation is reasonable, and enhance the human-machine system of coal mine safety and reliability, for improving mine safety standards have an important role.

Keywords： coal mine safety；ergonomics；man-machine system design

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目 录

1 绪论 ............................................................ 1 1.1 研究背景 ...................................................... 1 1.2 研究内容及其意义 .............................................. 1 2 事故案例与方法理论 .............................................. 2 2.1 事故案例及其分析 .............................................. 2 2.2 人机工程学在煤矿安全中的适用性分析 ............................ 3 3 人机系统设计 .................................................... 5 3.1 人机系统开发的步骤 ............................................ 5 3.2 人机系统评价的工具——系统分析检查表 .......................... 7 3.3 人机特性比较 .................................................. 8 3.4 人机功能分配 ................................................. 10 4 应用人机系统设计实现矿井安全生产的措施 ......................... 10 4.1 人方面的改进措施 ............................................. 10 4.2 人机界面设计 ................................................. 14 4.3 人机功能分配 ................................................. 16 4.4 避免或减少机器对人的生理、心里的不良影响 ..................... 17 4.5 矿井机械的安全设计 ........................................... 18 结论 ............................................................. 22 参考文献 .......................................................... 23 致谢 ............................................................. 24

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1 绪论

1.1 研究背景

2006年我国煤矿行业的百万吨死亡率 2.041，2008年为1.128，2011年下降到0.564。虽然安全水平有了很大幅度的提高，但是横向对比来看，2006年印度、南非、波兰等发展中的煤炭大国，煤矿百万吨死亡率约为0.5，先进国家如美国、澳大利亚，大概是0.03、0.05，可见我国煤矿安全建设相对落后，煤矿安全水平仍然比较低。

人们在总结国外煤矿安全经验时,往往突出其地质条件优越、技术设备先进、监督监管体系完善,其实除了这些因素,国外很多煤炭企业的安全基础工作做得都非常到位,在安全系统设计、作业方法优化、生产环境改善以及现场管理等方面做的都很扎实[1]。了解到这一点，国内在提高煤矿安全水平的研究方面，正越来越重视到安全工程、人机工程、工业工程等设备设计方法和生产管理方法的拓展及应用。

1.2 研究内容及其意义

本文应用人机系统设计的理论和方法，从安全目标出发，运用人机工程学的基本理论、观点和方法，对安全事故、设备、环境进行分析以及对人的心理和行为进行分析和研究，研究解决生产人机系统中的安全问题，从人机关系中找到预防事故的方法。通过建立合理而可行的人机系统，为煤矿工人创造安全、舒适的劳动环境和工作条件。研究的范围和内容主要可分为以下几个方面：

（1）研究人的生理特征和心理特征，为工作设计和安全工程技术设计提供人机学参数。

（2）研究人机界面的设计布置与人的感官特性、控制器的设计布置与人的反应器官特性、操作系统及技术资料与人的认知特性等相匹配。

（3）研究机器的噪声、色彩，避免其对操作者产生的不良影响。 （4）研究机器的安全设计，通过安全装置和防护装置，给操作者提供一个安全的工作环境

（5）研究人机合理分工，使人与机器能够发挥各自优势，安全的完成两者不能独立完成的工作任务。

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2 事故案例与方法理论

2.1 事故案例及其分析

案例一：2002年7月19日，陕西渭南蒲白矿务局马村煤矿，采煤一队零点班在113514工作面回采，早班9时左右，因验收员发现该组有3根支柱迎山不合格，曹某去调整支柱迎山角，当调整顺槽溜子机尾支柱时，拔柱过程中不慎跌倒在运行的顺槽溜子机尾上，被拉到工作机头与顺槽溜子搭接处挤压致死。

图2.1 马村煤矿事故示意图

案例二：2002年7月19日18时30分，陕西渭南蒲白矿务局白水煤矿，班前安排王某某等人打光爆眼，孙某等6人移装岩机两项任务。王某打左帮最后一个眼时，因支设钻架宽度不够，汽腿正好架设在贴帮放置的耙斗框边。同时邵某等2人将装岩机开关往里移，移到开关电缆拉紧为止。约18时30分在移装岩机距道头2米时，因机子推不动，就向后退了一下，再向前猛推。这时装岩机开关倒地突然送上电，带动耙斗向外移动，将正在打眼的王某某拉到，仰面摔倒在两帮渣堆之间的坑内，经局医院抢救无效，于7月27日10时30分死亡。

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图2.2 白水煤矿事故示意图

通过对此类事故的经过进行分析，得出了一下两点主要的事故致因：

（1）职工长时间工作，身心疲惫，注意力分散，自我防范意识相对较差；对周围环境的观察不细，对违章行为的意识较差；在作业过程中因体力下降容易出现失误，发生失误时的自救能力相对下降。

（2）机电运输设备安全防护和保护设施不完善，设备的安装不符合要求，信号联络不畅等，是造成该起事故的另一重要原因。

从该事故可以看出，通过对人、机系统的研究，对于提高煤矿安全水平、降低事故发生几率，有及其重要的作用。

2.2 人机工程学在煤矿安全中的适用性分析

2.2.1 名称与定义

人机工程学是广泛运用人体测量学、生理学、心理学、卫生学、系统科学、管理学及工程技术等学科的理论和知识，主要研究人、机和环境（人机结合面）之间的关系，怎样使人和机器相互适应，更加协调、高效和安全工作的科学。人机工程学的特点是，在研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，将使用“机”的人和所设计的机以及人与机所共处的环境作为一个系统来研究，称为“人—机—环境”系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。 2.2.2 适用性分析

近年来，随着煤炭生产机械化水平的提高，煤矿井下人、机、环境系统越来越复杂，这种复杂的系统处理不好，不但影响到煤炭生产效率，还会影响到煤矿

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安全。以安全生产为着眼点，利用人机工程学来分析和认识煤矿人、机、环境系统的特点与问题，可以为煤矿人、机、环境系统的优化提供基础，以保证工作效率的提高和人员的安全(包括健康)[2]。

基于人机工程学的我国煤矿安全生产的分析，可将影响矿井安全生产或者造成事故的基本原因，归纳为人的因素、机的因素、环境的因素。 （1）煤矿安全中人的因素分析

在煤矿人、机、环境系统中，人是主体，是操作机械完成生产任务的关键，也是安全事故的主要致因。矿工在生产现场操作机器中，不能按规定操作或操作不准确，从而使系统中的人、机和环境受到损害，造成事故发生。调查矿业煤矿事故中人的不安全行为因素，主要表现在以下几个方面：一是矿工文化程度低，技术素质差，井下生产人员多为农民工，初中以下文化程度占多数，并且流动性大，工作经验欠缺，操作不熟练。二是部分矿工安全意识淡薄，不能按安全规程作业，“三违”问题较多。三是井下生产时间长，劳动强度大，一个班要十几个小时，容易产生疲劳和失误。四是井下高温、潮湿、通风不畅等导致人的生理、心理异常，造成的反应迟钝、操作失误[3]。 （2）煤矿安全中机的因素分析

在煤矿人、机、环境系统中，机械是由人来操作进行作业生产的工具，由于其性能的问题，机械也是造成事故的原因。机的不安全因素是指机械设备因设计不合理、缺少宜人化、安全性能差、出现故障等。从上文的两个事故案例来看，机的原因引发的不安全因素，主要表现在以下几个方面：一是部分矿井机械化、自动化程度低，用人多，缺乏自动安全防护功能。二是设备选型与本矿地质条件、煤层厚度不适宜，设备效能发挥失常。三是机械设备质量有问题，安全可靠性差，从而导致机电等故障。四是大功率机电液一体化采掘机械结构复杂，外形粗大、笨拙、带棱角，使人产生压迫感与操作困难。五是井下机械设备在运行中产生的噪音和震动过大，影响到操作人员的心理和工作状态。 （3）煤矿安全中环境的因素分析

在煤矿人、机、环境系统中，井下生产作业环境是人、机在信息交换和功能上接触或互相影响的结合面（或称界面），是影响煤矿人、机、环境系统安全的又一重要因素。煤矿大部分是井下作业，特殊的作业条件带来煤矿整体工作环境比较恶劣。通过上文案例中煤矿的调查了解，引发事故的有关环境因素主要表现在以下几个方面：一是随着井下的延伸，自然灾害增多，如水、火、瓦斯、煤尘、冒顶等；二是河流水库、盗采沙坑等地面隐患给井下可能带来灾难。三是薄煤层、老矿井残留煤等特殊开采，由于作业条件异常而产生事故。四是井下工作面机器的噪声、震动、温度、湿度以及照明通风等指标不达标，影响矿工身心健康导致

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事故。五是井下系统、巷道、采面设计布局不合理导致事故发生[4]。

3 人机系统设计

3.1 人机系统开发的步骤

表3.1 人机系统开发步骤 系统开发阶段 各阶段的主要内容 人机系统设计应注意的事项 主要人员的要求和制约条件 系统使用上的制约条件和环境上的制明确系统的重要事项 确定使命 约条件；组成系统中人员的数量和质量 能确保的主要人员明确适用条件 的数量和质量，能够得到的训练设备 详细划分系统的主要事项 分析系统的功能 详细划分系统的主要事项及其性能 对各项设想进行比较 系统的功能分配；与设计有关的必要系统构思的发展（对系统分析和系统规划 可能的构思进行分析评价） 条件，与人员有关的必要条件；功能分析；主要人员的配备与训练方案的制定 根据功能分配，预测所需人选择最佳设想和必要的设计条件 人机系统的实验评价设想与其他专家组进行权衡 员的数量和质量，以及训练计划和设备；提出试验评价的方法；设想与其他子系统的关系和准备采取的决策 系统设计 预备设计 设计是应考虑与人准备适用的人机工程数据 对人机功能分配和系统功能的各种方案进行比较研究；对各种性能的作业进行分析；调查决定必要的信息显示与控制的种类 设想系统的性能 预测对精神、动机的影响 对安全性和舒适性有关条件的检验 人机工程学专家的设计事例 对主要人员的特性、训练等有关问题的调查和预测 确定目标 实施系统的轮廓及其分布图 第 8 页 共 24 页(引用请注明出处-孤鹰上传)

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有关的因素 提出人机工程设计标准；关设计细则 设计细则与人的作业的关系 于信息与控制必要性的研究与实现方法的选择与开发；研究作业性能；居住性研究 参与系统设计最终方案的确定；最后决定人机之间的功在系统的最终构成阶段，协调人机系统；操作和保养的具体设计 详细分析研究；设计适应性高的机器；人所处空间的安排 能分配；使人在作业过程中，信息、联络、行动能够迅速、准确地进行；对安全性的考虑；防止热情下降的措施；显示装置、控制装置的选择和设计；控制面板的配置；提高维修性对策；空间设计、人员与机器的配置；决定照明、温度、噪声等环境条件和保护措施 人员的指导训练和人员的培养计划 配备计划与其他专家小组的折中方案 决定使用说明书的内容和式样；决定系统的运行和保养所需人员的数量和质量；训练计划的开展和器材的配置 设计图样阶段的评价；模型或操纵训练用模拟装置的人机关系评价；确定评价标准规划阶段的评价；模系统的试验和评价 型制作阶段原型、最终模型的缺陷诊断和修改建议 人机工程学试验评价；根据试验数据的分析，修改设计 （试验法、数据种类、分析法等）；对安全性、舒适性、工作热情的影响评价；机械设计的变动，使用程序的变动，人的作业内容变动，人员素质的提高，训练方法的改善，对系统规划的反馈 生产 使用 生产 使用、保养 以上几项为准 以上几项为准 以上几项为准 以上几项为准 第 9 页 共 24 页(引用请注明出处-孤鹰上传)

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3.2 人机系统评价的工具——系统分析检查表

系统分析检查表主要的检查内容分为信息显示、操纵装置、作业空间和环境要素四个部分，在绘制检查表时，根据实际针对的调查内容，可将四个部分置于一张表中，也可单独使用某一个部分作为调查内容。针对煤矿生产中的人机系统的特点，提供以下系统分析检查表供评价时参考。 表3.2 系统分析检查表 单元名称 检查项目内容 信息指示是否充分 亮度是否足以看清信息指示 警报指示装置的位置是否引人注意 仪表控制台的事故信号灯是否为与操作者的视信息显示 野中心 标志记号是否意思明确 仪表是否容易被操作把手等遮挡 仪表与控制装置在位置上对应关系是否明确 仪表盘是否会容易累积粉尘 仪表盘累积粉尘是否影响分辨读数 操纵装置是否设置在手易达到的范围内 操纵装置是否按不同功能和不同系统分组 不同的操纵装置在形状、颜色、大小上是否有区别 按钮的表面大小、揿压深度和表面形状是否合理 操纵装置 手控操纵机构的形状、大小和形状是否与施力大小相符合 从生理上考虑，施力大小是否合理？是否有静态施力状态 紧急停车装置设置的位置是否合理 操纵装置的布局是否能保证操作者能以最佳体位进行操作 作业地点的空间是否足够宽敞 作业空间 仪表及操纵机构的不知是否便于操作者采取方便的工作姿势？是否避免长时间保持站立姿势？是否避免出现频繁的前屈弯腰动作 第 10 页 共 24 页(引用请注明出处-孤鹰上传)

回答 是 否 备注 太原科技大学经济与管理学院毕业论文

如果是坐姿工作，是否有放脚的空间？从工作位置和到眼睛的距离来考虑，工作面的高度是否合适 机器、显示装置、操纵装置和工具的不知是否能保证人的最佳视觉条件、最佳听觉条件和最佳触觉条件 设备布置是否考虑进入作业姿势和退出作业姿势的充分空间 设备布置是否注意安全和交通问题 大型仪表盘的位置是否能满足作业人员操纵仪表、巡视仪表和在控制台前操作的空间尺寸 危险作业点是否留有足够的退避空间 对可能产生渗漏的生产设备，是否设有收集和排放设施 危险作业区和危险作业点是否隔离 作业区的环境温度是否适宜 全区照明和局部照明之比是否适当，是否有忽明忽暗、频闪现象，是否有产生眩光的可能 作业区的湿度是否适宜 环境要素 作业区的粉尘怎样 作业区的通风条件怎样，强制通风的排风能力及分布位置是否符合规定的要求 噪声是否超过卫生标准，采用的措施有效否 电磁波的辐射量怎样，是否有防护措施 3.3 人机特性比较

表3.3 人机特性比对表

项目 速度 逻辑推理 计算 机器 占优势 擅长演绎而不易于改变演绎程序 人 时间延时大约为1s 擅长于归纳，容易改变其逻辑程序 快且精确，但不擅于纠正误差 慢且易产生误差，但擅于修正误差 第 11 页 共 24 页(引用请注明出处-孤鹰上传)

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按照恰当设计制造的机器，在完成可靠性 规定的作业中可靠性很高，而且保持恒定，不能处理意外的事态。 在超负荷条件下可靠性突降。 可靠性与成本有关 连续性 灵活性 耐久性高，能长期连续工作，但需要适当维护 如果是专用机械，不调整则不能改变其作业用途 就人脑而言，其可靠性远超过机械，但在极度疲劳与紧急事态下，很可能变得极不可靠，人的技术水平、经验以及生理和心理状况对可靠性有较大影响，可处理意外紧急事态 容易产生疲劳，不能长时间的连续工作，且受年龄、性别和健康状况等因素的影响 通过教育训练，具有多方面的应变能力，适应和应付突发事件能力强 在较宽的能量范围内承受刺激因素，支配输入灵敏度 具有某些超人的感觉，比如有感觉电离辐射的能力 感受器适应刺激因素的变化，如眼睛能感受各种位置、运动和颜色，善于鉴别图像，能够从高噪声中分辨信号，易受超过限度的外界环境刺激的影响 智力 无（智能机除外） 拥有观察力、注意力、记忆力、思维力、想象力、创造力 操作处理能力 功率输出 记忆 操纵力、速度、精密度、操作量、可进行各种控制，手具有非常大的自由度，操作范围等均优于人的能力，在处能极巧地进行各种操作。从视觉、听觉、理液体、气体、固体方面比人强，变位和重量感觉上得到的信息可以完全反但对柔软物体的处理能力比人差 恒定 馈给控制器 不能长时间地保持恒定功率，必须适当休息，不能适应恶略的环境 可存储大量信息，并进行多种途径存取，擅长于对原则和策略的记忆 最适用于文字的再现和长期存储 3.4 人机功能分配

（1）比较分配原则

通过人与机器的特性比较，对其工作进行客观的和符合逻辑的分配。如笨重的、快速的、精细的、规律性的、单调的、高阶运算的、支持大功率的、错做复杂的、环境条件恶劣的作业以及需要检测人不能识别的物理信号的作业，分配给机器承担。指令和程序的安排，图形的辨认或多种信息输入时，机器系统的监控、维修、设计、创造、故障处理以及应付突然事件等工作，由人承担。 （2）剩余分配原则

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在功能分配时，首先考虑机器所能承担的系统功能，然后将剩余部分功能分配给人。在这当中，必须掌握和了解机器本身的可靠度，如果盲目地将功能强加于机器，则会造成系统的不安全性。 （3）经济分配原则

以经济效益为原则，合理恰当地进行人机功能分配。如某一特定功能由机器承担时，需要重新设计、生产、和制造；由人来承担时，则需要培训、支付费用等。这两者的经济效益需要通过比较和计算来确定功能的分配。 （4）宜人分配原则

系统的功能分配要符合人生理和心理的多种需求，有意识地发挥人的技能。 （5）弹性分配原则

系统的某些功能可以同时分配给人或机器，这样人可以自由选择参与系统行为的程度。例如许多控制系统可以自动完成，也可以手动完成，尤其现代计算机的控制系统，要有多种人机接口，从而实现不同程度的人机对话。

4 应用人机系统设计实现矿井安全生产的措施

4.1 人方面的改进措施

由于矿井工作环境的特殊性，为了设计出符合人的生理、心理特点的机械，使操作者在作业时处于舒适的状态和适宜的环境中，达到体能消耗最少，又提高劳动效率的目的，设计人员在产品设计阶段就必须充分了解机械的使用范围和人体各部分尺寸范围，大量使用人体测量数据。

如石门、巷道、硐室、罐笼等，其尺寸应以人体数据第95百分位数为依据。距离运转着的机器部件的有效半径、紧急出口尺寸等的确定，应以第99百分位数为依据[5]。装载机、铲运机的驾驶位置和观察窗的大小、操纵手柄的形状和大小、维修空间的形式和大小等，在设计时应将设备操纵机构尽量集中在人的主操作位置上，操纵机构的运动方向也应符合大多数操作者的习惯，这样可使操作者的动作既安全又有效果。如手柄向左移动时，被操纵的机构也应向左移动。用于操纵的螺旋装置在无特殊要求时，一般应为右旋螺纹。另外操纵力的大小关系到操作者的劳动强度，应控制在合适的数据范围内。

基于以上原因，在设计机具时必须根据人们的生理特征以及付出力度大小进行综合考虑。例如以人体的高度为例，如操作台、仪表盘、操纵杆等用具的设计高度和安装高度，都要根据人体的高度为基本依据[6]。

制定合理的作息制度，保证井下作业人员每天工作时间不超过8 h,同时保证充足的工间休息时间。德国学者E. A. 米勒研究后认为,一般人连续劳动480 min而中间不休息的最大能量消耗界限为16. 7 kJ ,这一能量消耗水平也被称为耐力

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水平。如果作业时的能耗超过这一界限,劳动者就必须使用体内的能量贮备(假定标准能量贮备是100. 5 kJ ) 。井下作业是一项劳动强度级别在三级以上的工作,在某些岗位上能量消耗往往会超过人的耐力水平。为了补充体内的能量贮备,就必须在作业过程中插入必要的工间休息。工间休息时间可以按下式计算: 设作业时增加的能量消耗量为M, 工作日总共工时为T, 其中实际劳动时间为T劳, 休息时间为T修,则:

T = T劳+ T修

实际劳动时间为100. 5 kJ 能量贮备被耗尽的时间,所以:

T劳= 100. 5 kJ / (M - 16. 7)

由于总的能量消耗满足平均能量消耗不超过16. 7 kJ /min,所以:

T劳×M = ( T劳+ T修) ×16. 7 T修= (M /16. 7 - 1) ×T劳

即每进行T劳时间的劳动,就需要进行T修时间的休息。煤矿企业可以根据各工位作业时增加的能量消耗量M来合理制定各工位的工间休息时间[7]。

4.2 人机界面设计

人机界面是指人与机器进行交互的方式，是用户与机器互相传递信息的媒介。它包括信息的输入、输出(如图4.1)、机械的高度和各操纵柄的分布。人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性，其研究对象主要包括显示装置和操纵装置两部分[8]。

人机系统

反馈 反馈 用户 系统

图4.1 人、机、人机界面

4.2.1 显示装置设计

视觉显示装置在矿山机械产品有着广泛的应用，如运载设备中的各种显示仪表、提升机控制室里的指示装置以及生产现场的各种信号灯。在进行视觉显示装置设计时需要考虑的人机工程学问题有：操作者与显示装置之间的观察距离；操作者所处的位置及显示装置相对于操作者的最佳布置区域；显示装置显示形式及其匹配条件的选择。根据人机工程学对人体生理特性的研究，人在进行操作时的视距范围在38-76cm之间，双眼的视野范围在左右60°、上下30°的区域里(见图

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4.2)。在此范围内。人眼不需要频繁的转动就能看清物体，不容易引起视觉疲劳。因此，各种仪表宜设置在操作者眼睛左右60°、视平线上下30°的正面视野内，视距控制在40-55cm内。重要仪表如提升机深度指示器必须布置在30°视角内，布置高度大致与眼睛相平，以略低于视平线为最佳。在布置有多个仪表或信号灯的区域里，仪表的排布应与司机的观看顺序一致，从左至右或由上到下排列，且各个仪表正常位置变化所对应的指针方向应该相同[9]。 90~104° 62° 30~60°

右眼视界界限 5~30° 10~20°

0°标准视线 眼睛

10~20°

左眼视界界限 5~30°

90~104° 62° 30~60°

图4.2 人的水平视野

4.2.2 操纵装置的设计

操作者站立操作的采煤机，可根据人机工程学的站姿操作台设计原则进行设计：高度的设计应综合考虑功能和操作的舒适性及操作者的身高。操作者的身高根据人体测量的统计函数方差调整确定。采煤机操作系统包括左、右截割的起、运、停；泵电机和采煤机的起、运、停；运输机和采煤机急停的通、断；泵站的左右选择和备用手柄8个部分。为了便于操作人员区分和记忆这8个功能手柄，保证操作的方便与准确，应按照其使用顺序、频率以及功能的重要性等人机工程学原则，对采煤机手动操作系统界面进行整体设计[10]。

(1)使用频率原则：8个手柄中，泵电机、采煤机、运输机、站选择、左截割和右截割手柄使用频率高，几乎在每次操作中都会用到。急停手柄在机器运转异常、可能出现危险时，起到紧急停止作业功能，具有安全保护作用。因急停和备用手柄在特殊情况下使用。所以使用频率低于其它手柄。

(2)功能重要性原则：8个手柄中，急停手柄虽然使用频率低，但它对制止事故发生、保证人员和机器的安全起到至关重要的作用。因此，急停手柄的功能重要性要高于其它手柄。左、右截割和站选择手柄是操作过程中的主要工作手柄，

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它们影响着采煤位置和采煤方式，是采煤作业过程中操作人员主要调整的手柄，具有非常重要的功能。泵电机、采煤机和运输机手柄是使采煤机和运输机处于运转状态的驱动手柄，在采煤过程中它们不需要进行调整而处于静态，因此，它们功能重要性稍弱于上述几个手柄。备用手柄的功能重要性处于最后的位置，

(3)使用顺序原则：使用顺序为泵电机、运输机、采煤机。然后是站选择和左、右截割，备用和急停是临时使用手柄。

4.3 人机功能分配

从第三章中的人机特性比较可以看出，人机功能分配的一般规律是：凡是快速的、精密的、笨重的、有危险的、单调重复的、长期连续不停的、复杂的、高速运算的、流体的、环境恶劣的工作，适于由机器承担；凡是对机器系统工作程序的指令安排与程序设计、系统运行的监督控制、机器设备的维修与保养、情况多变的非简单重复工作和意外事件的应激处理等，则分配给人去承担较为合适。

以山东省鲁西煤矿为例，鲁西煤矿现主采煤层为3层煤，平均煤厚2.35m，煤层构造复杂，采用轻型支架综采工艺开采。在开采过程中，由于采煤工作面受地质条件影响，原煤回采不彻底或者由于顶板条件不好，造成原煤丢入采空区的现象经常发生。从安全方面考虑，由于3层煤自然发火期短，容易造成煤炭自然发火，对工作面生产造成了威胁；从劳动强度上考虑，清理浮煤的工作绝大多数都是人工用铁锹将浮煤清理至架前，然后再用铁锹把浮煤清理到刮板输送机上。所以为了更好地回收架后煤，合理地解决上述问题，根据现场条件，设计制作了一种可移动液动力带式输送机，较好地解决了这一问题。

根据工作面实际和质量标准化要求，为解决综采工作面架后浮煤清理的需要，移动式液动力带式输送机应同时满足可移动化、机械化和动力来源与液压支架一体化的要求。

（1）带式输送机实现机械化

目前鲁西矿上第三层工作面清理架后煤的程序是：由一名作业人员将支架后浮煤先铲到支架前与刮板输送机之间，再由另一名作业人员再次将浮煤用铁锨铲到刮板输送机上。这种作业程序步骤繁多，工作效率低。采用带式输送机后，则由作业人员将浮煤直接铲到带式输送机上，运送到刮板输送机上，再运出工作面。通过可移动液动力带式输送机实现了机械化，大大减轻了作业人员的劳动强度，简化了作业步骤，提高了劳动效率。 （2）带式输送机实现可移动化

由于工作面地质条件不断变化，丢失在架后浮煤的位置无规律性，所以应实现带式输送机的可移动化，使它能够随工作面地质条件的变化，以及架后浮煤的位置而方便地移动。

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（3）动力来源与液压支架一体化

由于井下生产条件变化大，受工作面环境的限制，使用其他动力源，不方便可行，而且具有很大的安全隐患。采用液压支架的高压液体作为动力源，既实现了便利操作，又保证了工作面的安全生产。

通过此可移动液动力带式输送机的加入，合理地分配了人机功能，对于人员的安全有了很大的保障。

4.4 避免或减少机器对人的生理、心里的不良影响

矿井中机器的噪声、色彩等，会对矿工的身体和心里造成影响，使得员工控制意志力降低、注意力涣散、工作能力下降、动作不准确、反应迟钝等，从而易引发事故。

4.4.1 机器噪声控制

井下设备工作时噪声污染严重，多在90dB以上，声音在70dB—110dB之间时，人就会感觉到很吵，这种环境严重影响到了操作者本人的工作状态。过高的噪声不仅会危害到人体健康，还会增加人体的疲劳，影响人的反应能力和情绪，使人产生生理和心理上的不良反应。同时，机器产生的噪声会引起掩蔽效应，即使人与人之间信息的传递产生障碍，降低了人们通过听觉判断事物的能力，导致人的行为出现差错，工伤事故明显上升。例如，煤矿井下的风钻、风镐、局部通风机等机电设备产生的噪声，会妨碍人们及时地辨别岩石移动或顶板冒落前所发出的的声响，造成安全事故。

所以，在煤矿机械设备的设计阶段就应该考虑到噪声的控制，进而消除或减少噪声源。例如对煤矿通风机与局部通风机进行噪声控制，就要从设计入手，在通风机选型，空气动力学设计与机械设计时，保证通风机工作时噪声较低，或者改变风机内部流道尺寸，在不影响技术经济指标的条件下，降低空气动力噪声，以达到对声源噪声的有效控制[11]。 4.4.2 机器色彩控制

由于采煤机械产品的使用环境恶劣，人们往往只注重其功能的完善以及提高强度和可靠性等方面，对于产品的外观色彩则不够重视。一些调查资料表明，机械的色彩设计不当，从而导致视读不清，出现误操作与相当部分的矿山安全事故有关[12]，不同的色彩对人的生理和心理有不同的影响作用。针对不同的使用者、不同的产品、不同的工作环境，运用色彩的生理学、心理学理论，科学地选择色彩，充分发挥色彩的视觉心理作用，创造良好的色彩环境，将有助于提高人们的工作效率，保障人的健康和生产安全。

长期以来，煤矿井下是一个缺乏色彩的世界，灰蒙蒙的巷道，黑乎乎的机械设备，给人一种单调感和压抑感，不知不觉中影响着工人的情绪和劳动生产率，

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同时也影响生产安全。所以必须正确运用色彩设计改善煤矿井下机器造成的视觉环境，这是换发工人的工作热情、提高工作效率、减少事故发生的重要措施之一。

设备外观的主色调应该与环境的颜色区别开来，形成对比，以增强设备的识别性。如果设备采用与环境相近的色彩，一方面影响人的视觉判别，另一方面长时间处于这样的环境中，会令人感到冷漠、压抑，使人产生烦躁情绪。相反，若能充分利用色彩的特性和功能则能调动人的情绪，提高劳动效率，保障生产安全。为了让采煤机的色彩与环境区别开来，同时给工人以安全、稳定、舒适的感觉，可采用两色配合和套色处理。上部施以明度高的轻感色(如浅绿色、淡黄色、乳白色)，以区别于环境的灰暗色调，同时不会对操作者产生不良视觉刺激，让人感到明朗、清晰、容易辨认，下部则施以明度低的重感色(如深绿色、黑色)，以增强采煤机的稳定感。

在确定设备的主体色调的基础上，对于设备的一些重要部位，可采用高纯度的色彩加以点缀，加强色彩的对比效果，突出重要部位，同时可以起到调节设备整体外观的效果，使其更有生气。如在长臂铲、牙轮钻机的上下部选用不同的主色调，而在长臂和钻桨上涂上明快活泼的轻感色彩，以减少两个部位给人的不稳定感。这样的处理既可以降低由于色彩单一引起的烦闷情绪，又能避免色彩过于鲜艳多变加剧人的疲劳。又如在机器上的齿轮、皮带轮、飞轮、机械手柄、刀杆等外露并带有危险性的部分，涂以红色等刺激性色彩，以起到警戒作用。

井下各种机械设备、运输车辆应该选择淡绿、淡蓝、黄黑相间等明快颜色。巷道中的设备及运输车辆、综采工作面及掘进工作面的设备，如采煤机、液压支架、运输机以及电气开关等，应根据它们工作的环境，采用具有刺激、兴奋、活跃效果的鲜明色彩，使操作者容易辨认，工作期间心情愉悦，丢失后寻找方便。所以色彩要以纯度低、明度高、鲜艳的暖色为宜。例如采煤机、掘进机，宜采用亮红、橙、黄、乳黄、乳白等色。对运输机械应采用高明度、低纯度、明快的果色为佳。对于支护设备，特别是单体支柱易于丢失，不易寻找，因此宜采用低纯度、高明度的色彩或白色、乳白色等颜色。

4.5 矿井机械的安全设计

保障系统安全是人机工程学追求的主要目标之一，因而安全设计也是人机系统设计应用于煤矿安全建设研究的重要内容。

安全设计是通过采用安全装置或防护装置对一些危险进行预防的安全技术措施。安全装置与防护装置的区别是：安全装置是通过其自身的结构功能限制或防止机器的某些危险运动，或限制其运动速度、压力等危险因素，以防止危险的产生或减小风险；防护装置是通过物体障碍方式防止人或人体部分进入危险区。 4.5.1 安全装置

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安全装置是消除或减小风险的装置。它可以是单一的安全装置，也可以是和联锁装置联用的装置。常用的安全装置有：联锁装置、感应控制装置、自动停机装置等。

(1)联锁装置

当作业者要进入电源、动力源这类危险区时，必须确保先断开电源，以保证安全，这时可以运用联锁装置。图4.3中的开门断电及挂锁装置，操作手柄指向“I ON”位置时，断路器处于闭合状态，电控柜带电，柜门打不开。只有操作手柄指向“O OFF”位置，即断路器处于断开位置时，才能打开柜门，打开的同时断开电控柜电源。

图4.3 开门断电及挂锁装置

(2)利用感应控制安全距离

在操作机床等大型机械的时候，若身体的任何部位经过感应区进入机床作业空间的危险区域时，光电传感器则发出停止机床动作的命令，保护作业者免受意外伤害。还可以运用其它感应方式，如红外、超声、光电信号等。但必须注意，当人体侵入危险区时，检测信号必须准确无误，以确保安全。

以中国矿业大学2003年8月10日申请的专利——煤矿斜巷行人、行车联锁控制装置[13]为例，该装置由提升机液压制动闸，液压控制模块，红外线传感器，测量转速传感器，可编程序控制器PLC及报警装置等组成。在人进入斜巷绞车提升区时，红外线传感器给PLC发出信号，PLC使报警装置发出报警信号，同时经延时后通过液压制动器自动对绞车进行制动，并切断绞车电源，使绞车停止运行，从而实现人车不可同行，避免人车同行造成跑车事故引起人员伤亡。

(3)自动停机装置

自动停机装置是指当人或物体超越安全限度的时候，使机器或其零部件停止运行或保证别的安全状态的装置。如触发线、可伸缩探头、压敏杠、压敏垫、光电传感装置、电容装置等。图4.4为矿用触控自动喷雾降尘装置，用于除去机车、皮带运行时产生的粉尘，当机车驶过或皮带停止运行，装置会自动停止喷雾，避

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免积水。

图4.4 矿用触控自动喷雾降尘装置

4.5.2 防护装置

防护装置也是机器的一个构成部分，这一部分的功能是以物体障碍方式专门提供安全防护的。如机壳、罩、屏、门、盖、封闭式装置等。防护装置可以单独使用，也可以与联锁装置联合使用。若单独使用时，只有当其关闭时，才能起防护作用；当其与联锁装置联合使用时，无论在任何位置都能起到防护作用。 防护装置一般分为固定式与活动式两种。

（1）固定式防护装置

固定式防护装置是指保持在所需位置不动的防护装置。其固定方式有两种，一种是永久固定(如焊接等)，另一种是用紧固件固定。这两种固定不用工具均可能将其打开或拆除。图4.5所示的煤矿铅酸电池防爆特殊型电源装置就属于固定式防护装置。

图4.5 煤矿铅酸电池防爆特殊型电源装置

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（2）活动式防护装置

活动式防护装置一般是通过机械方法与机器的构架或邻近的固定元件相连接的，并且不用工具就能将其打开。如图8所示的KL3LM（A）型锂电LED矿灯的灯头外壳部分，即为活动式防护装置。

图4.6 KL3LM（A）型锂电LED矿灯

4.5.3 其它安全措施

除上述安全装置设计以外，在人机工程学中，还有其它的一些安全措施，如遗留风险的通知和警告、附加预防措施以及个体防护措施等。 （1）遗留风险的通知和警告

对通过设计减小风险的各项技术措施和所采用的安全防护措施都无法解决的一些遗留风险，应通过使用信息的方式通知和警告使用者，使他们在使用机器时采用相应的补救安全措施。使用信息是由文字、标志、信号、符号或图表等组成的通讯环节，它们可单独使用，也可以联合使用。 （2）附加预防措施

附加预防措施是指除了一般通过设计减小风险，采用安全防护措施和提供各种使用信息外，对有些机器还需要另外采取的有关安全措施。如：急停措施，当人们陷入危险时的躲避和救援措施，保证机器的可维修性措施，断开动力源与能量泄放措施，安全进入机器的措施，机器及其零部件的稳定性措施等。 （3）个体防护措施

个体防护措施是作业者对事故的最后一道防线，它包含的范围极广，既可用于已有安全装置防止伤害的场合，也用在一些无法提供安全装置的危险作业场所。常用的个体防护器具有防护衣、头盔、保护镜、安全靴、口罩面具和手套等。

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结 论

煤矿是个复杂而又特殊的生产系统，煤矿的安全建设和事故预防，更是一个综合了多个学科的研究方向。本文利用人机工程学知识，对煤矿行业的人机系统进行分析，利用人机系统设计理论，对煤矿中的人机系统提出了一些优化改善措施，解决了一些人、机、人机匹配方面的安全隐患，对于提高煤矿行业安全水平、降低事故发生几率有良好的效果。

通过分析研究人机工程学应用于煤矿安全建设的作用，让我认识到人机工程学对于提高煤矿安全水平，有着很重要的作用，在煤矿生产过程中充分地利用人机工程学知识，将会大幅度提高我国煤矿行业的安全水平。

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参 考 文 献

[1] 刘同金.加强现场管理确保煤矿安全生产[J].煤矿安全，2000（9）:45-47 [2] 孙岩.浅论煤矿安全管理与人-机-环境的关系[B].工程研究，2012.10 [3] 杨东森,陶巍,张学成.煤矿事故中的人因工程[B].问题探讨，总第95期 [4] 王会琼. 煤矿企业安全文化的研究现状及展望[J].煤矿现代化2011(1) [5] 赵宏梅 刘春生．人机协调的采煤机操作系统设计[J]．黑龙江科技学院学

报，2007(5)：352．

[6] 李建中 任卫红 何定东.人机工程学[M]. 中国矿业大学出版社．2000 [7] 王 军. 中国现代煤矿安全管理分析与对策[J]. 安全生产科学技术, 2006,

2 (1).

[8] 曲芳 孟庆强.基于人机工程学的采煤机械设计研究[A].黑龙江科技学院机

械制造，2013，51(1)

[9] 李建中 任卫红 何定东．人机工程学[M]．中国矿业大学出版社．2000． [10] 罗坚.人机工程学在工业产品设计中的应用[J]．机电工程技术．2004(3)：

9—11．

[11] 王建军.人机工程学在人性化煤矿机械设计中的应用研究[J].机械管理开

发, 2010,25(2).

[12] 钟玮.论产品设计中的技术美[J]-商场现代化 2007(10)

[13] 柳世海 周国栋 徐金海 俞志新. 煤矿斜巷行人、行车联锁控制装置.中国.

CN03277602.0.[P]2003.08.10

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致 谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在老师和同学的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师——***老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师和同学表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情了的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

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