機掘工作面粉塵防護設(shè)施影響因子及其隸屬度函數(shù)的確定*

魏勇　白曉

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院　河南平頂山467001）

機掘工作面粉塵防護設(shè)施影響因子及其隸屬度函數(shù)的確定*

魏勇白曉

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院河南平頂山467001）

闡述了篩選機掘工作面粉塵防護設(shè)施影響因子過程并確定了二級因子，結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料和現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，針對每個因子采用數(shù)學(xué)建模的方法建立了隸屬度函數(shù)，有助于進一步量化評價的實施。

機掘工作面 粉塵 影響因子 隸屬度函數(shù) 量化

0　引言

2011年修訂的《中華人民共和國職業(yè)病防治法》頒布后，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局進一步加強了建設(shè)項目職業(yè)病危害預(yù)評價和控制效果評價，要求煤礦企業(yè)進一步強化其粉塵防護的力度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，一般煤礦掘進工作面產(chǎn)塵量約占20%～38%。雖然掘進工作面產(chǎn)塵量不是最多的工作場所，但是85%以上的煤礦塵肺病患者工作地點在巖巷掘進工作面。其原因主要是掘進工作面粉塵中游離SiO2含量較高，其對場所工作人員危害性大。而且掘進巷道一般是頂端堵死的盲道，掘進機作業(yè)過程中巷道通風(fēng)形不成循環(huán)風(fēng)，產(chǎn)生的粉塵不能在短時間內(nèi)迅速的擴散。因此，機掘工作面的粉塵問題十分嚴重。在中平能化集團個別煤礦現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)顯示，未采取防塵措施的掘進機工作時粉塵濃度非常高。機掘工作面高濃度粉塵不但嚴重危及礦工的身體健康和勞動安全，而且降低了勞動生產(chǎn)效率，影響煤礦經(jīng)濟效益。煤礦企業(yè)近年來加大投入不斷改善掘進面工作環(huán)境，但是不同煤礦掘進工作面防塵設(shè)施組合不同，如何量化評價防塵設(shè)施的好壞是煤礦管理中的難題。下面以機掘工作面為例說明防塵設(shè)施影響因子的篩選以及隸屬度函數(shù)的建立。

1　機掘工作面評價因子的篩選

機掘工作面的粉塵主要產(chǎn)生于掘進機掘進過程中的切割和裝載。圖1為其主要生產(chǎn)工序及其對應(yīng)防塵措施。為降低作業(yè)區(qū)粉塵濃度，掘進機一般都配備有內(nèi)噴霧和外噴霧，噴霧降塵效果是首先需要關(guān)注的問題。濕式除塵中依靠液滴捕集塵粒的機理主要是依靠慣性碰撞、截留和布朗擴散三種效應(yīng)，根據(jù)流體力學(xué)和噴霧降塵機理的研究，降塵效率與噴霧壓力、噴嘴口徑、噴嘴數(shù)量、巷道斷面積和粉塵粒度等因素之間存在密切關(guān)系。巷道通風(fēng)主要是利用新鮮空氣流動來帶走粉塵污染的空氣以降低粉塵，通風(fēng)效果首先考慮的就是平均風(fēng)速，巷道通風(fēng)中存在最低排塵風(fēng)速和最優(yōu)排塵風(fēng)速。除此之外，巷道的通風(fēng)量也是需要關(guān)注的因素。礦井局部通風(fēng)方式中壓入式、抽出式、混合式各有特點，也影響粉塵的流動。有的煤礦在掘進工作面布置有除塵器。除塵器通常有兩個除塵技術(shù)指標(biāo)：總粉塵除塵效率和呼吸性粉塵除塵效率，不同廠家設(shè)備指標(biāo)值有所不同，因此評價時就主要依據(jù)這兩個指標(biāo)。凈化水幕是凈化入風(fēng)流和降低污風(fēng)流礦塵濃度的有效方法，在煤礦井下大量采用，也是需要關(guān)注的因素。

圖1　掘進機掘進工序及防塵措施

依據(jù)上述分析并結(jié)合有關(guān)煤礦粉塵防護設(shè)施技術(shù)資料和中平能化集團下屬煤礦現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，建立了機掘工作面粉塵防護設(shè)施2級評價因子，其中包含5個1級因子和16個2級因子，如表1所示。

表1　機掘工作面粉塵防護設(shè)施評價因子

2　評價因子隸屬度函數(shù)的確定

進行粉塵防護設(shè)施的量化評價，首先要對每個評價因子構(gòu)建隸屬度函數(shù)。在實際問題中選擇恰當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型是很重要的，如選取不當(dāng)，則會影響效果。在量化評價中，多數(shù)影響因子都有取值界限，常用的隸屬度函數(shù)主要兩種，一種為“梯形分布”［1］；另一種為“邏輯斯蒂分布”。在評價因子隸屬度數(shù)學(xué)建模過程中，查閱了大量書籍和資料，走訪了中平能化集團下屬若干煤礦 ，獲取了大量的資料和數(shù)據(jù)，依次建立了16個2級評價因子的隸屬度函數(shù)。

2.1掘進機噴霧降塵隸屬度函數(shù)的確定

掘進機噴霧系統(tǒng)有內(nèi)噴霧和外噴霧兩部分組成。內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)噴霧壓力一般均采用靜壓 ，壓力在1.5～3 MPa之間。影響噴霧降塵效率的5個變量因素為：噴霧壓力 p，噴嘴數(shù)量 n，噴嘴口徑 d，捕集區(qū)截面積 s，粉塵粒徑 dp［2］。噴嘴口徑一般介于1.5～2.5 mm之間，粉塵粒徑介于2～7μm之間，捕集區(qū)截面積介于8～15 m2之間，內(nèi)噴霧噴嘴數(shù)量介于6～8之間，外噴霧噴嘴數(shù)量介于10～16之間。

為了方便建立數(shù)學(xué)模型，上述參數(shù)均在充分調(diào)研中平能化集團十幾個下屬煤礦數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行加權(quán)平均處理后確定為當(dāng)量參數(shù)。當(dāng)評價某個變量時，其他變量取當(dāng)量參數(shù)進行數(shù)學(xué)建模。掘進工作面當(dāng)量參數(shù)值為：捕集區(qū)截面積A當(dāng)=11 m2，粉塵粒徑dp當(dāng)=4.45μm，噴霧壓力 p當(dāng)=2 MPa，噴嘴口徑d當(dāng)=1.5 mm，機掘內(nèi)噴霧噴嘴數(shù)量 n當(dāng)=7，機掘外噴霧噴嘴數(shù)量 n當(dāng)=14。

邏輯斯蒂函數(shù)是井下噴霧降塵效率曲線擬合效果很好的隸屬度函數(shù)數(shù)學(xué)模型［2］，利用邏輯斯蒂函數(shù)可以依次建立噴霧降塵效率與不同噴嘴口徑、噴霧壓力、捕集區(qū)截面積、粉塵粒徑等單因素影響下的數(shù)學(xué)模型。

內(nèi)噴霧多因素隸屬度函數(shù)為：

2.2通風(fēng)排塵隸屬度函數(shù)建立

2.2.1平均風(fēng)速

礦塵的擴散主要受控于風(fēng)流，必須控制好通風(fēng)排塵的風(fēng)速、風(fēng)量［3］。為了使送入工作面風(fēng)量和含塵空氣充分混合并排走粉塵，需要足夠的風(fēng)速。如果風(fēng)速過高，又可能吹起巷道壁上附著的礦塵而抵消風(fēng)流的稀釋作用，使礦塵濃度反而增高?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：掘進中的煤巷允許的風(fēng)速為0.25～4 m/s［4］。巷道最優(yōu)排塵風(fēng)速為0.4～0.7 m/s，最低排塵風(fēng)速為0.15～0.25 m/s。

在中平能化集團下屬煤礦統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，平巷掘進中測定的工人呼吸帶平均礦塵濃度與平均風(fēng)速之間的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　巷道平均風(fēng)速與相對降塵效率

利用origin進行邏輯斯蒂曲線擬合，大于0.15 m/s而小于0.7 m/s風(fēng)速與相對降塵效率函數(shù)方程為：μ=0.85-0.59/［1+（v/0.21）2.36］；大于0.7 m/ s而小于4 m/s風(fēng)速與相對降塵效率函數(shù)方程為：μ =0.25+0.475/［1+（v/3.98）3.69］。平均風(fēng)速小于0.15 m/s和大于4 m/s是煤礦安全規(guī)程所不允許的，因此此兩種情況下認為降塵效率為0，“一票否決”。以此建立隸屬度函數(shù)為：v為平均風(fēng)速m/s。

2.2.2有效風(fēng)量率

增大送入工作面的風(fēng)量，可以稀釋粉塵濃度。掘進工作面風(fēng)量占局部通風(fēng)機工作風(fēng)量的百分數(shù)稱為有效風(fēng)量率 P有效［5］，以此建立隸屬度函數(shù)為：

2.2.3通風(fēng)方式

通風(fēng)方式對風(fēng)流混合系數(shù) k有影響，進而影響通風(fēng)量。風(fēng)量混合系數(shù) k值如下：抽出式通風(fēng)取k=0.08～0.30，平均值為0.19；壓入式通風(fēng)取 k= 0.24～0.33，平均值為0.29；混合式通風(fēng)取 k=0.59～0.89，平均值為0.74。以此建立隸屬度函數(shù)為：

2.3除塵器除塵隸屬度函數(shù)建立

除塵器主要有兩個除塵技術(shù)指標(biāo)：除塵器總粉塵除塵效率和呼吸性粉塵除塵效率。

2.3.1除塵器總粉塵除塵效率

以總粉塵除塵效率 η總建立隸屬度函數(shù)為：

2.3.2除塵器呼吸性粉塵除塵效率

以呼吸性粉塵除塵效率 η呼建立隸屬度函數(shù)為：

2.4水幕凈化防塵隸屬度函數(shù)建立

一般設(shè)置3道水幕能降塵達95%以上，回風(fēng)口和耙裝機后各安裝1道水幕，水幕要封閉全斷面［6］。以此建立隸屬度函數(shù)為：

式中，n為水幕安裝數(shù)量。

3　結(jié)論

（1）以機掘工作面為例，利用有關(guān)技術(shù)資料和調(diào)研數(shù)據(jù)，分析并確定了煤礦機掘工作面粉塵防護設(shè)施評價因子。

（2）采取不同的數(shù)學(xué)建模方法依次建立了16個2級評價因子的隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)的建立有助于進一步開展機掘工作面粉塵量化評價工作。

［1］賀仲雄 .模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社 ，1983.

［2］魏勇.煤礦采掘裝備噴霧降塵效率曲線擬合［J］.礦山機械，2015，43（11）：130-133.

［3］金龍哲，李晉平 ，孫玉福.礦井粉塵防治理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［5］蔡永樂，胡創(chuàng)義.礦井通風(fēng)與安全［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［6］AQ 1020—2006煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范［S］.

The Determination of Evaluation Factors and Its Membership Function of the Dust Protection Facilities on Coal Tunneling Face

WEIYong BAIXiao
（Depertment of Mechanical Engineering，Pingdingshan Industrial College of Technology Pingdingshan，Henan 467001）

This paper explains the evaluation factors of the dust protection facilities on coal tunneling face and determines level 2 evaluation factors and combined with the related technical data and the site survey data，the membership functions of each evaluation factor are set up by using the method ofmathematicalmodeling，which is conducive to further carry outthe quantitative evaluation.

coal tunneling face dust evaluation factors membership function quantify

河南省科技廳重點科技攻關(guān)計劃項目（142102310184）。

魏勇，男，1974年生，碩士 ，副教授。主要研究方向：職業(yè)危害防控技術(shù)。

（2015-08-25）