综放工作面人—机—环境系统相融性与安全高效开采研究.pdf

工程硕士专业学位论文 综放工作面人机环境系统相融性与安 全高效开采研究 Research on the Integration of Human MachineEnvironment System and Safe and Efficient Mining in the Face of Fully Mechanized Carving 作 者程琛 校内导师张驎 教授 校外导师杨建立 高工 华北科技学院 2015 年 6 月 万方数据 中图分类号 X9 学校代码 11104 UDC 密 级 公开 华北科技学院 工程硕士专业学位论文 综放工作面人机环境系统相融性与安全高效 开采研究 Research on the Integration of HumanMachine Environment System and Safe and Efficient Mining in the Face of Fully Mechanized Carving 作 者 程琛 校内导师 张驎 校外导师 杨建立 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 研究生处 学科专业 安全工程 研究方向 安全生产监管与应急救援 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一五年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解华北科技学院有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理，即①研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于华北科技学院， 学校有权保存并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保 密论文外） ；②为教学和科研目的，学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以允许使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文，学校可以将公 开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、 浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 本学位论文属于 □保密，在 年解密后适用本授权书。 □不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位 浏览。 （请在以上相应方框内打“√” ） 作者签名 校内导师签名 年 月 日 校外导师签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 校内导师签字 校外导师签字 年 月 日 万方数据 致致谢谢 在论文即将完成之际，首先要感谢我的恩师张驎教授。张老师渊博的专业知 识、开阔的学术视野、认真踏实不骄不躁的工作态度，是我永远的学习榜样。 在论文的选题、开题以及论文中理论分析、实验研究的开展过程中，都得到 了张老师的精心指导和帮助。读研的三年是我在专业学习上进步的三年，张老师 针对我的学习中的不足提出了很多积极的建议， 对我知识结构的系统化起到了极 为重要的作用；张老师不仅在学习上给我指导，在思想上、生活上也对我关怀备 至，让我度过了三年充实而又愉快的研究生生活，让我从思想上逐步走向成熟。 同时感谢我的校外导师杨建立高工，在做论文期间，多次到煤矿现场实践， 杨老师对我现场实践期间存在的困难都给与了极大的帮助， 对论文中关于现场实 践内容给了宝贵的建议。 感谢张超老师多次在做论文与开展实验中给与的帮助与指导 感谢李红涛老师多次指导我做论文的研究思路 感谢常忠乾师兄，程韶强同学以及所有帮助过我的老师和同学们 感谢山西某矿崔猛科长、郝队长、俎科长、范飞技术等朋友对我现场调研的 帮助 鉴于本人才疏学浅，水平有限，加之时间短暂，文中难免会有一些不足、疏 漏甚至错误之处，恳请各位老师批评指正，以便在今后的学习和工作中逐步改进 和完善。衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文。 万方数据 I 摘摘 要要 煤矿综采放顶煤工作面是一个复杂多变的人机环境系统。 由于人自身生 理、心理与行为特性中的缺点，机器设备本身的设计缺陷与运行中的隐患，以及 作业环境的恶劣程度与地质条件的不确定性，这些因素都是造成事故，影响生产 效率的主要因素。通过优化人、机器、环境三个系统要素，从系统匹配、协调的 角度出发，研究使综放工作面人机环境系统运行状态达到安全目标最优，是 实现煤矿安全高效开采的一个重要途径。 在人机环境系统工程、安全心理学、人机工效学理论研究的基础上，分 析了煤矿综放工作面人员、机器、环境三大系统的构成要素，最终选取了影响工 作面安全高效开采的 9 个人员相关指标、 6 个机器相关指标和 7 个环境相关指标。 从协同学理论、耦合理论和熵理论的角度分析了综放工作面系统性特点，并说明 了综放工作面系统相融性是指工作面人、机器、环境三个系统之间相互配合、相 互协调、 相互促进的动态关系， 其目的是通过系统相融实现工作面安全高效开采。 根据物理学中的容量耦合度模型与系统协调度的概念， 引入了人机环境系统 相融度模型，根据此模型对山西某矿 61B3 工作面进行了相融度评价分析，并根 据评价结果从人员、机器设备、环境三个方面提出了技术与管理措施。最后验证 了相融性的提高利于工作面生产的安全高效性。 该论文有图 24 幅，表 62 个，参考文献 65 篇。 关键词关键词综放工作面；人机环境系统；相融；安全高效开采 万方数据 II Abstract Coal mine fully mechanized caving coal face is a complicated human-machine-environment system.Due to peoples physical, psychological and faults of behavior characteristics,the design defect of the machine itself and the hidden trouble of the operation,As well as the severity of the operating environment and the uncertainty of the geological conditions,These factors are the principal factor of causing accidents and affecting production efficiency.By optimizing human, machines, environmental three system elements,from the perspective of system matching and coordination,studing to make the operating state of fully mechanized caving coal face attain optimum of safety goal,is a important way to achieve safely and efficiently exploitation of coal mine. On the basis of human-machine-environment system engineering, safety psychology and human-computer ergonomics theory research,Analyzed component about the three system of Coal mine fully mechanized caving coal face is human,machine and environment, Finally selected the nine personnel related index, six machine related index and seven environment related indicators of impacting working face safe and efficient mining . From the perspective of synergetics theory, the coupling theory and entropy theory analyzed the systematic characteristics of full-mechanized caving mining face, and illustrated the system compatibility of full-mechanized caving mining face refers to the dynamic relations of work face, machine and environment mutual cooperation ，coordinating and promoting between the three systems, so as to achieve safely and efficiently working face mining through the system integrated .According to the capacity coupling model and system coordination degree in physics concept, introduced the human - machine - environment system model of compatibility degree, analyses the uation of degree of compatibility to a mine of shanxi b3 coal face according to the model , and according to the uation results from the aspects of personnel, machinery, equipment, environment put forward technology and management measures . Finally,the paper verify the improvement of the compatibility in favor of the safety and efficiency of the working face production. Key words Comprehensive Face; Human-machine-environment System; Safe and efficient mining 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 .......................................................................................................................... III 图清单图清单 ....................................................................................................................... VII 表清单表清单 ........................................................................................................................ IX 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 课题的研究背景和意义.................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状.............................................................................................. 2 1.3 研究的内容、目的及技术路线...................................................................... 7 2 综放工作面人综放工作面人机机环系统分析环系统分析 ........................................................................... 9 2. 1 人子系统研究............................................................................................... 10 2.2 机器子系统研究............................................................................................ 16 2.3 环境子系统研究............................................................................................ 20 3 综放工作面人综放工作面人机机环境系统相融性分析环境系统相融性分析 .......................................................... 23 3.1 与相融性相关的理论.................................................................................... 23 3.2 相融性及分析方法........................................................................................ 25 3.3 相融性评价指标的选取................................................................................ 31 3.4 相融性指标评价............................................................................................ 36 4 山西某煤矿山西某煤矿 61B3 放顶煤工作面实例研究放顶煤工作面实例研究 ........................................................... 46 4.1 矿井基本概况................................................................................................ 46 4.2 该矿 61B3 放顶煤工作面基本情况 ............................................................. 48 5 61B3 工作面人工作面人机机环境系统相融度的计算环境系统相融度的计算 ..................................................... 59 5.1 工作面指标权重的计算................................................................................ 59 5.2 2014 年 37 月 61B3 工作面相融度的计算 ............................................... 61 5.3 工作调查统计情况........................................................................................ 65 5.4 提高 61B3 工作面安全高效开采水平的对策 ............................................. 67 5.5 2014 年 9 月2015 年 1 月 61B3 工作面相融度的计算 ............................ 70 6 结论及展望结论及展望 ............................................................................................................. 75 6.1 结论................................................................................................................ 75 6.2 展望................................................................................................................ 75 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 77 万方数据 IV 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 83 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 85 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 87 万方数据 V Contents Abstract ...................................................................................................................... II Contents_Toc421185120 ........................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables .............................................................................................................. IX 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 The Background and Significance of the Subject Research ............................. 1 1.2 Research status both at home and abroad ......................................................... 2 1.3 The Content, Objective and Technical Route of the Research.......................... 7 2 Analysis of HumanMachineEnvironment System in the Face of Fully Mechanized Carving .................................................................................................... 9 2. 1 Research on the Subsystem of Human........................................................... 10 2.2 Research on the Subsystem of Machine ......................................................... 16 2.3 Research on the Environment System .......................................................... 20 3 Analysis of the Systematic Integration of HumanMachineEnvironment in the Face of Fully Mechanized Carving .................................................................... 23 3.1 Theories Related to Integration ....................................................................... 23 3.2 Integration and Its Analysis ............................................................... 25 3.3 Choice of the uation Indicators of Integration ......................................... 31 3.4 uation of Integration Indicators ............................................................... 36 4 Case Study of a Colliery in Shanxi Province in Its 61B3 Face Mechanized Caving ......................................................................................................................... 46 4.1 General Situation of the Mine ......................................................................... 46 4.2 Fundamental Situation of the 61B3 Face Mechanized Caving ....................... 48 5 Calculation of the Integration of HumanMachine Environment System of 61B3 Face .................................................................................................................... 59 5.1 Calculation of the Weight Indicators of the Working Surface ........................ 59 5.2 Calculation of Integration of 61B3 Face from March, 2014 to July, 2014 ..... 61 5.3 Working Survey Statistics ............................................................................... 65 5.4 Countermeasures of Improvement of safe and efficient Mining in 61B3 Face ..67 5.5 Calculation of Integration of 61B3 Face from September, 2014 to January, 2015....................................................................................................................... 70 6 Conclusion and Prospect ........................................................................................ 75 万方数据 VI 6.1 Conclusion ...................................................................................................... 75 6.2 Prospect ........................................................................................................... 75 References ................................................................................................................... 77 Author’’s Resume ..................................................................................................... 83 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 85 Thesis/Dissertation Data Collection ......................................................................... 87 万方数据 VII 图清单图清单 List of Figures 图序号 图名称 页码 图 1-1 课题研究技术路线图 8 Figure 1-1 The technical route of research topics 8 图 2-1 放顶煤工作面布置图 9 Figure 2-1 The caving working face layout 9 图 2-2 部分单位违章次数比例直方图 13 Figure 2-2 the proportion of histogram of Some units illegal times 13 图 2-3 故障率曲线图 18 Figure 2-3 Failure rate graph 18 图 2-4 人机界面模型图 19 Figure 2-4 HMI model diagram 19 图 3-1 综放工作面人机环境系统动态交换图 25 Figure 3-1 Fully-mechanized caving human - machine - environment system dynamic exchange diagram 25 图 3-2 相融度模型构建流程图 26 Figure 3-2 The flow chart of compatibility degree model to build 26 图 3-3 层次分析法确定权重的步骤图 28 Figure 3-3 The steps of FIG of Analytic Hierarchy Process to determine the weight 28 图 3-4 层次分析法结构模型图 28 Figure 3-4 Analytic hierarchy process ahp structure model 28 图 3-5 人员因素相融评价指标 37 Figure 3-5 Personnel factor compatibility uation index 37 图 3-6 机的因素相融评价指标 40 Figure 3-6 Machine compatibility uation inds of factors 40 图 3-7 环境因素相融评价指标 42 Figure 3-7 Environmental factors compatibility uation index 42 图 4-1 61B3 工作面平面布置图 48 Figure 4-1 61B3 working face floor plan 48 图 4-2 61B3 工作面设备布置及支护示意图 51 Figure 4-2 61B3 face schematic diagram of the equipment layout and support 51 图 4-3 端部割三角煤斜切进刀示意图 52 万方数据 VIII Figure 4-3 窗体顶端 Miter feed schematic of end cut triangle coal 52 图 4-4 工作面正规循环图 56 Figure 4-4 Face regular cycle diagram 56 图 4-5 61B3 工作面照明系统位置示意图 57 Figure 4-5 61B3 Face Diagram of the lighting system 57 图 4-6 61B3 工作面防尘系统设备布置图 58 Figure 4-6 61B3 Face dust control system equipment layout 58 图 5-1 人员、机器、环境子系统有序贡献度曲线图 63 Figure 5-1 Human, machine and environment subsystems Ordered contribution graph 63 图 5-2 人员、机器、环境指标相融度曲线图 64 Figure 5-2 Human, machinery, environmental indicators Harmonization of graph 64 图 5-3 2014 年 3 月2014 年 7 月期间产量统计分布图 66 Figure 5-3 March 2014 - July 2014 production statistics profile 66 图 5-4 人员、机器、环境子系统有序贡献度曲线图 71 Figure 5-4 Human, machine and environment subsystems Ordered contribution graph 71 图 5-5 人员机器环境系统相融度曲线图 72 Figure 5-5 Human - Machine - Environment System Integrat