采掘工作面除塵措施評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及應(yīng)用研究

趙清亞，蔣仲安，王 佩，施蕾蕾

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

煤礦粉塵作為造成工人職業(yè)病危害的重要誘因，其治理工作一直是礦山安全生產(chǎn)的重點(diǎn)之一。而采煤、掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵量占煤礦總產(chǎn)塵量的80%以上，因此成為粉塵治理工作的重中之重。

目前，國(guó)內(nèi)粉塵評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各項(xiàng)除塵技術(shù)指標(biāo)多數(shù)仍為定性指標(biāo)，這對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性及適用性都有一定程度的誤差影響。為此，本文依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2012版）、《綜合防塵樣板化礦井標(biāo)準(zhǔn)及檢查評(píng)定辦法》（2011版）（簡(jiǎn)稱《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》）、《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》（AQ1020－2006）（簡(jiǎn)稱《煤礦粉塵防治》）、《煤礦作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害防治規(guī)定》（2010）（簡(jiǎn)稱《煤礦職業(yè)危害》）的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)影響采掘工作面除塵效果的三級(jí)定性指標(biāo)，分別選取其主要影響因素細(xì)化為四級(jí)定量指標(biāo)，并采用層次分析及模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)合的方法對(duì)其除塵效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)是一種在綜合考慮多種模糊因素基礎(chǔ)上，對(duì)給定對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，它涉及三個(gè)要素：因素集U、評(píng)語(yǔ)集V和單層次決策模型B，在單層次決策模型基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素的模糊綜合評(píng)價(jià)。

1 建立采掘工作面除塵效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系U

根據(jù)相關(guān)國(guó)家法律法規(guī)及采掘工作面實(shí)際生產(chǎn)情況，建立了四級(jí)指標(biāo)體系：共包含1個(gè)一級(jí)指標(biāo)A；2個(gè)二級(jí)指標(biāo)B1、B2；18個(gè)三級(jí)指標(biāo) Ci（i＝1，2，……18）；以及26個(gè)四級(jí)指標(biāo)dj（j＝1，2，……26），詳細(xì)指標(biāo)體系及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 采掘工作面防塵措施評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 綜采工作面防塵B1

1.1.1 煤層注水C1

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：除特殊情況外，“采煤工作面應(yīng)采取煤層注水防塵措施。注水過(guò)程中應(yīng)對(duì)流量及壓力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)量”，煤層注水四級(jí)指標(biāo)具體選取如下所示。

1）注水壓力d1（MPa）。注水壓力越大，水的滲透力越強(qiáng)，但也并非越大越好。長(zhǎng)鉆孔注水壓力可分三類：低壓，2.5～3MPa；中壓，3～10MPa；高壓，10～15MPa。中深鉆孔注水壓力則為1～5MPa。

2）注水流量d2（m3／（h·m））。小流量注水對(duì)煤層潤(rùn)濕效果最好，《問(wèn)答》中提到“靜壓注水流量一般為：0.001～0.027m3／（h·m）；動(dòng)壓注水量一般為：0.002～0.24m3／（h·m）。”

3）注水量d3（m3／t）。注水量是影響煤體濕潤(rùn)程度和降塵效果的主要因素，一般中厚煤層噸煤注水量為 0.015～0.03m3／t，厚煤層為0.025～0.04m3／t。

4）注水后煤體水分增加率d4（%）?！睹旱V粉塵防治》規(guī)定“單孔注水總量應(yīng)使該鉆孔預(yù)濕煤體平均水分含量增量大于或等于1.5%，但不宜超過(guò)6%。”

1.1.2 采煤機(jī)內(nèi)噴霧C2

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“采煤機(jī)內(nèi)噴霧壓力d5不得小于2.0MPa?！眹婌F流量取決于噸煤耗水量和煤炭生產(chǎn)率，查閱礦山實(shí)際報(bào)告可知：噴霧耗水量d6一般不少于100～150L／min。

1.1.3 采煤機(jī)外噴霧C3

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“外噴霧應(yīng)安裝使用負(fù)壓二次降塵裝置或高壓荷電噴霧裝置，外噴霧壓力d7不得低于8MPa?！?/p>

1.1.4 放頂煤噴霧C4

《煤礦職業(yè)危害》規(guī)定“放頂煤采煤工作面的放煤口，必須安裝高壓噴霧裝置，噴霧壓力d8不低于8MPa?！?/p>

1.1.5 液壓支架移架時(shí)噴霧C5

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“支架每架安裝一組架間噴霧，噴霧壓力d9不低于8MPa。每組架間噴霧須有不少于5個(gè)噴嘴d10。”

1.1.6 放煤口噴霧C6

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“每組支架安裝一組放煤口噴霧，每組不少于2個(gè)噴嘴d12，并實(shí)現(xiàn)放煤噴霧自動(dòng)化，噴霧壓力d11不低于8MPa。”

1.1.7 輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧C7

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“工作面前后部運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧應(yīng)固定在轉(zhuǎn)載機(jī)擋煤板上，每個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)應(yīng)安設(shè)2組噴霧d13?！?/p>

1.1.8 轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧C8

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧應(yīng)安設(shè)至少2個(gè)噴嘴d14，轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧要固定在轉(zhuǎn)載機(jī)頭上，并進(jìn)行封閉除塵。”

1.1.9 破碎機(jī)噴霧C9

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“破碎機(jī)必須采取有效的封閉措施噴霧降塵，噴嘴d15不少于5個(gè)?！边x取破碎機(jī)噴霧的噴嘴個(gè)數(shù)為其定量化四級(jí)指標(biāo)。

1.1.10 溜煤眼轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧C10

《煤礦職業(yè)危害》規(guī)定“煤倉(cāng)放煤口、溜煤眼放煤口采用噴霧降塵，噴霧壓力d16不得低于8MPa?！?/p>

1.1.11 進(jìn)風(fēng)巷水幕C11

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷水幕d17設(shè)置兩道。第1道距工作面不超過(guò)30m處；第2道設(shè)在工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流匯合點(diǎn)以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧?！?/p>

1.1.12 回風(fēng)巷風(fēng)流凈化水幕C12

《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“采煤工作面回風(fēng)巷應(yīng)安設(shè)至少兩道風(fēng)流凈化水幕d18，并宜采用自動(dòng)控制風(fēng)流凈化水幕。”

1.2 機(jī)掘工作面防塵B2

1.2.1 掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧C13

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧使用水壓d19不得小于3.0MPa?！?/p>

1.2.2 掘進(jìn)機(jī)外噴霧C14

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧使用水壓d20不得小于1.5MPa。”

1.2.3 轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧C15

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧應(yīng)安設(shè)至少2個(gè)噴嘴，相對(duì)固定。”選取噴霧裝置噴嘴個(gè)數(shù)d21為其定量化四級(jí)指標(biāo)。

1.2.4 配套除塵風(fēng)機(jī)C16

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“必須使用除塵風(fēng)機(jī)和控塵裝置，吸風(fēng)量d22不小于300m3／min。除塵風(fēng)機(jī)距截割頭d23不得大于5m。距迎頭距離d24不得小于150m。”

1.2.5 風(fēng)流凈化水幕C17

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“在距迎頭50m以內(nèi)安設(shè)1道水幕，水幕與綜掘機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。在掘進(jìn)工作面回風(fēng)口100m內(nèi)安設(shè)1道水幕d25，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?！?/p>

1.2.6 水質(zhì)過(guò)濾器C18

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“綜掘機(jī)進(jìn)水管路前端安設(shè)目數(shù)d26不低于120目的水質(zhì)過(guò)濾器，并跟機(jī)行走?！?/p>

2 利用層次分析法建立綜合評(píng)價(jià)模型

層次分析法的基本思路與人對(duì)一個(gè)復(fù)雜的決策問(wèn)題的思維判斷過(guò)程大體一樣。

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重分配

根據(jù)各個(gè)指標(biāo)（u1，u2，……，un）對(duì) U 的影響大小求取權(quán)重分配（w1，w2，……wn），應(yīng)用 T.L.Saaty等人提出的1～9尺度，即aij＝ai／aj的取值范圍為1，2，…9及其互反數(shù)1，1／2，…1／9，得到判斷矩陣，然后可采用冪法、和法或根法計(jì)算，確定權(quán)重。其中，和法較為簡(jiǎn)單但精確度不及根法，故而選取根法進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 構(gòu)建二級(jí)指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重分配集

表2 二級(jí)指標(biāo)層B對(duì)A的判斷矩陣（i＝1，2）

故權(quán)重集A＝（0.75，0.25），A表示二級(jí)指標(biāo)層B1、B2兩個(gè)因素相對(duì)于目標(biāo)層U的權(quán)重分配集。

2.1.2 構(gòu)造三級(jí)指標(biāo)層對(duì)二級(jí)指標(biāo)層的權(quán)重分配集

建立判斷矩陣，并利用MATLAB軟件計(jì)算其特征值及特征向量，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值如表3所示，判斷矩陣結(jié)果則如表4所示。

得權(quán) 重 集 B1＝ （0.2962，0.1767，0.1767，0.0518，0.1017，0.0494，0.0227，0.0227，0.0494，0.0227，0.0151，0.0151）即三級(jí)指標(biāo) C1～C12對(duì)于二級(jí)指標(biāo)B1的權(quán)重分配集。

同理，如表5所示，可得到三級(jí)指標(biāo)C13～C18對(duì)二級(jí)指標(biāo)B2的權(quán)重分配集為：B2＝（0.328，0.328，0.1472，0.1046，0.0598，0.0324）。

表3 1階～20階的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

表4 三級(jí)指標(biāo)層Cj對(duì)二級(jí)指標(biāo)B1的判斷矩陣（j＝1，2，……，12）

表5 三級(jí)指標(biāo)層Cj對(duì)二級(jí)指標(biāo)B2的判斷矩陣（j＝13，14，……，18）

2.1.3 構(gòu)造四級(jí)指標(biāo)層對(duì)三級(jí)指標(biāo)層的權(quán)重分配集

同樣的方法，構(gòu)造四級(jí)指標(biāo)dk（k＝1，2，……，26）對(duì)三級(jí)指標(biāo)Cj（j＝1，2…18）的18個(gè)權(quán)重集，分別列 舉 如 下：C1＝ （0.1998，0.0782，0.1998，0.5222）；C2＝（0.2500，0.7500）；C3＝1＝C4＝C7＝C8＝C9＝C10＝C11＝C12＝C13＝C14＝C15＝C17＝C18；C5＝（0.7500，0.2500）＝C6；C16＝（0.60，0.20，0，20），并經(jīng)驗(yàn)證得：權(quán)重集合均可通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.2 隸屬函數(shù)R的確定

2.2.1 構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集V

首先，依據(jù)煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程和相關(guān)文獻(xiàn)構(gòu)造評(píng)語(yǔ)集：V＝｛v1，v2，v3，v4｝，見(jiàn)表6。

表6 綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表

由表6可得等級(jí)參數(shù)列向量為：H＝［90，74.5，59.5，24，5］。

2.2.2 構(gòu)建隸屬函數(shù)F

常見(jiàn)的隸屬函數(shù)模糊分布有矩形分布、梯形分布，三角形分布以及正態(tài)分布等，其中三角形分布最易于計(jì)算。上限正態(tài)分布函數(shù)如下所示：（di為實(shí)際煤礦各指標(biāo)數(shù)據(jù)，且t1＞t2＞t3＞t4）。

其中指標(biāo)d1，d3～d22及d24～d26均屬于上限分布。

下限正態(tài)分布曲線則與之相反（具體公式略），四級(jí)指標(biāo)d2，d23屬于下限分布。

3 采掘工作面模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1 三級(jí)指標(biāo)C模糊綜合評(píng)價(jià)

是指四級(jí)指標(biāo)層d對(duì)三級(jí)指標(biāo)層C的評(píng)價(jià)，包括C1～C18矩陣的計(jì)算。

式中：k為三級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)；i為各個(gè)三級(jí)指標(biāo)所含四級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)；W＊k為四級(jí)指標(biāo)權(quán)重集；R＊k則由四級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣。例如，煤層注水隸屬度R＊1由注水壓力d1，流量d2，注水量d3及水分增加率d4四個(gè)指標(biāo)隸屬度綜合得到。R2～R18同理可得。

3.2 二級(jí)指標(biāo)B模糊綜合評(píng)價(jià)

是指三級(jí)指標(biāo)層C層對(duì)二級(jí)指標(biāo)B層的評(píng)價(jià)：綜采工作面B1包括C1～C12指標(biāo)的評(píng)價(jià)；機(jī)掘工作面B2包括C13～C18指標(biāo)的評(píng)價(jià)

3.3 一級(jí)指標(biāo)A模糊綜合評(píng)價(jià)

指二級(jí)指標(biāo)層B對(duì)一級(jí)指標(biāo)A的評(píng)價(jià)

其中，R由二級(jí)指標(biāo)B評(píng)價(jià)得到

W為二級(jí)指標(biāo)層權(quán)重集。

由此，可得等級(jí)分?jǐn)?shù)M為：M＝A·HT。

3.4 實(shí)例應(yīng)用

本文通過(guò)對(duì)某煤礦實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)收集，確定出各指標(biāo)權(quán)重W，并代入隸屬函數(shù)公式求得各四級(jí)指標(biāo)指標(biāo)隸屬度。

分別代入式（1）、式（2）及式（3），計(jì)算得出

故該煤礦防塵措施等級(jí)為V3：有待完善，評(píng)價(jià)結(jié)論與該煤礦實(shí)際情況基本相符。

4 結(jié)論

1）針對(duì)目前多數(shù)指標(biāo)體系存在的定性化不足，本文依據(jù)國(guó)家相關(guān)法律及規(guī)范，結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，建立了采掘工作面防塵措施量化四級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括18個(gè)三級(jí)指標(biāo)、26個(gè)四級(jí)指標(biāo)。

2）經(jīng)過(guò)比較、分析各類的評(píng)價(jià)方法優(yōu)缺點(diǎn)，最終選取層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合作為本文評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)一步建立了相關(guān)評(píng)價(jià)模型。

3）通過(guò)應(yīng)用某煤礦實(shí)際數(shù)據(jù)分析，得出其評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，與實(shí)際情況比較基本一致，故其具有一定參考和推廣價(jià)值。

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