Analysis of miners’ biomechanical characteristics during underground coal mining

Abstract

Purpose. Analysis and establishing regularities of changes in miner’s biomechanical characteristics during underground coal mining in order to reduce the number of accidents and injuries in coal mines. Methods. The complex research suggested using methods of mathematical analysis, mathematical statistics, probability theory, reliability theory, control theory, methods of biomechanics. Findings. The influence of miner’s biomechanical characteristics on productivity of the system “driver – cutter of the new technological level” is modeled and analyzed. We established regularities of safe operation of the system “driver – cutter of the new technological level” in conditions of the highly loaded face considering the influence of miner’s biomechanical parameters and determined limits of the face load for these parameters. Originality. For the first time the dependence of the total energy consumption on the value of cutter performance is established, which indicates that its movement along the face at a constant speed is more economical than moving at a variable speed, with the same average speed in both cases. The authors pioneered in assessing the degree of comfort of miners’ working conditions through the indicator of driver energy consumption per ton of excavated rock. It was also proposed to introduce the index of driver’s movement efficiency that is inversely proportional to the energy consumption per ton of rock mass and grows parabolically depending on the increase in the cutter speed and linearly in respect to increasing web width. Practical implications. The results are the basis for developing the method for calculating miner’s biomechanical parameters in highly loaded face.

Мета. Аналіз та встановлення закономірностей зміни біомеханічних характеристик гірників при підземному видобутку вугілля для зниження рівня аварійності та травматизму на вугільних шахтах. Методика. Використаний комплексний метод дослідження із застосуванням методів математичного аналізу, математичної статистики, теорії ймовірностей, теорії надійності, теорії управління, методів біомеханіки. Результати. Виконано моделювання і аналіз впливу біомеханічних характеристик гірників на продуктивність системи “машиніст – виїмковий комбайн нового технічного рівня”. Встановлено закономірності безпечного функціонування системи “машиніст – виїмковий комбайн нового технічного рівня” в умовах високонавантаженої лави, з урахуванням впливу біомеханічних параметрів гірників і визначені межі навантаження на лаву по цих параметрах. Наукова новизна. Вперше встановлено залежність загальних енерговитрат від величини подачі очисного комбайна, що вказує на те, що переміщення по лаві з постійною швидкістю є більш економічним, чим переміщення зі змінною при однаковій середній. Вперше для оцінки комфортності умов праці гірника введено показник енерговитрат машиніста на тону добутої гірської маси. Вперше запропоновано показник економічності переміщення машиніста, який обернено пропорційний енерговитратам на тону гірської маси, зростає в параболічній залежності зі збільшенням швидкості подачі комбайна і у лінійної – від ширини захвата. Практична значимість. Одержані результати покладені в основу методики розрахунку біомеханічних параметрів гірників у високонавантаженій лаві.

Цель. Анализ и установление закономерностей изменения биомеханических характеристик горнорабочих при подземной добыче угля для снижения уровня аварийности и травматизма на угольных шахтах. Методика. Использован комплексный метод исследований с применением методов математического анализа, математической статистики, теории вероятностей, теории надежности, теории управления, методов биомеханики. Результаты. Выполнено моделирование и анализ влияния биомеханических характеристик горнорабочих на производительность системы “машинист – выемочный комбайн нового технического уровня”. Установлены закономерности безопасного функционирования системы “машинист – выемочный комбайн нового технического уровня” в условиях високонагруженной лавы с учетом влияния биомеханических параметров горнорабочих и определены пределы нагрузки на лаву по этим параметрам. Научная новизна. Впервые установлена зависимость общих энергозатрат от величины подачи очистного комбайна, которая указывает на то, что перемещение по лаве с постоянной скоростью является более экономичным, чем перемещение с переменной при одинаковой средней. Впервые для оценки комфортности условий работы горняков введен показатель энергозатрат машиниста на тонну добытой горной массы. Впервые предложен показатель экономичности перемещения машиниста, который обратно пропорционален энергозатратам на тонну горной массы и возрастает в параболической зависимости от увеличения скорости подачи комбайна и в линейной – от ширины захвата. Практическая значимость. Полученные результаты положены в основу методики расчета биомеханических параметров горнорабочих в высоконагруженной лаве.