采煤机滚筒参数与尘肺病患病率关系的数学模型

李晓豁，焦 丽，沙永东，杨婷婷，何 洋，李 婷

(辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000)

采煤机滚筒参数与尘肺病患病率关系的数学模型

李晓豁，焦 丽，沙永东，杨婷婷，何 洋，李 婷

(辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000)

为了研究采煤机滚筒设计参数对尘肺病患病率的影响，以期改进滚筒设计、降低尘肺病患病率，以采煤机截割粉尘的产生机理和现场采集的数据为基础，在假定工作面呼吸性粉尘浓度与采煤机截割比能耗成线性关系的条件下，通过对采煤机滚筒各设计参数与呼吸性粉尘浓度、尘肺病患病机理之间关系的研究，给出了工人接尘量的计算方法。综合分析各因素的影响，建立了采煤机滚筒设计参数和尘肺病患病率之间关系的数学模型，并对该模型进行了显著性检验。结果表明:回归方程具有显著意义，数学模型具备较好的拟合性。该项研究可为改进现有采煤机滚筒的设计，减少截割粉尘、降低尘肺病发生、预测新设计采煤机工作时对尘肺病患病率的影响以及为采煤机工作性能的评价提供理论依据。

采煤机;滚筒;采煤工作面;粉尘浓度;尘肺病患病率;数学模型

收稿日期: 2013-06-01
基金项目:国家自然科学基金项目( 59774033) ;辽宁省科学技术计划项目( 2008403010) ;辽宁省安全生产监督管理局安全生产科技发展计划项目(辽安监规划[2009]88号文)
第一作者简介:李晓豁( 1953-)，男，辽宁省锦州人，教授，博士生导师，研究方向:现代机械设计理论与方法、机电液系统的仿真与应用、工矿装备运行理论与设计、车辆系统动态特性与控制，E-mail: lixiaohuo@163．com。

0引言

煤矿井下的粉尘是恶化作业环境、影响矿工身体健康、降低机器工作可靠性与使用寿命、导致粉尘爆炸的主要根源[1-4]。据统计，全国煤矿的尘肺病患者约48万人，每年新增患者超过1. 5万人，年均死亡大约2 300人，由尘肺病造成的直接经济损失高达80亿元，而由于粉尘爆炸给国家财产和人民生命安全造成的影响和损失更是巨大和惨痛。检测结果表明，在机械化采煤工作面，采煤机截割过程产生的粉尘约占整个工作面粉尘总量的80%，正是这些粉尘恶化工作面环境，对矿工的身体健康和煤炭生产的安全造成极大的危害。

有研究发现[5-11]，采煤机的设计参数决定着机器的产尘量，工作面的粉尘浓度，是影响工作面环境、引发尘肺病的主要因素。为此，国内、外对于采煤机工作面粉尘的形成机理、降尘方法进行了大量的研究[12-20]，这些研究对于搞清工作面粉尘成因，采取有效措施改善工作面环境具有重要的意义。然而，在建立采煤机滚筒设计参数与尘肺病发病率之间的关系方面，相关的研究还不多见。笔者将在尘肺病患病机理、截割产尘机理研究的基础上，以实验结果和现场检测数据为依据，利用线性回归的方法建立采煤机滚筒设计参数和尘肺病患病率的数学模型，分析各参数与尘肺病患病率的关系。

1尘肺病患病机理

当工人在采煤工作面工作时，悬浮在空气中的呼吸性粉尘会随着人体呼吸被带入呼吸道、气管和肺部，一直深入到肺泡。当肺泡中的粉尘沉积量(又称接尘量)达到20 g时，就会100%地患上尘肺病[21-24]。

在笔者的研究中，将一个人在工作面工作一年肺泡中所沉积的粉尘量，与可以导致患尘肺病的肺泡中的临界粉尘量的比值，定义为在工作面工作一年所患尘肺病的概率。

通过上述分析可知，一个人的接尘量与工作时间、呼吸状况(主要是每分钟呼吸次数和肺泡一次通气量)、呼吸性粉尘体积浓度有关，而呼吸性粉尘体积浓度是与采煤机滚筒的设计参数密切相关的[25-26]。

2粉尘收集的基本条件

为了研究采煤机滚筒参数与工作面环境的关系，从多个矿业集团(煤业集团)及其卫生所、职业病防治中心共收集了100组数据，其中包括工作面粉尘检测数据、在工作面工作一年肺部的粉尘沉积量以及相应的采煤机设计参数和运动参数。

在收集这些数据的过程中，遵循以下测性条件:

( 1)测尘工作面均为综采工作面，测尘时采煤机处于正常割煤状态，被测对象是在这种状态下工作的工人;

( 2)选择防尘技术比较规范的矿井，测尘时采煤机内、外喷雾系统均处于正常工作状态;

( 3)测尘时工作面通风状态正常;

( 4)测尘点选在采煤机的头、尾处，以及工作面的回风处;

( 5)采煤机工作煤层为中硬煤层;

( 6)煤层的含水量约为1%。

3 数学模型

3. 1 工人的接尘量

按前面的定义，工人在工作面工作一年的接尘量

式中:ρ——工作面呼吸性粉尘体积质量，mg/m3;

t——年工作时间，min;

�——每次呼吸肺泡通气量，按工作强度和个体素质确定，mL/次;

φ——工作时的呼吸频率，次/min;

η——粉尘沉积率，因只有2%的粉尘驻留在肺泡中，因此取η=0. 02。

3. 2 工人患尘肺病的概率

根据文献[27-28]可知，工作面粉尘浓度与采煤机截割比能耗成线性关系。研究表明，当煤层含水量一定时，在采煤机正常截割、且符合上述测尘条件时，工作面的粉尘中各种粒度的粉尘是成比例的。因此，可以认为工作面的呼吸性粉尘浓度与采煤机的截割比能耗为线性关系。

取滚筒直径d、螺旋叶片头数z、截线间距b、每线齿数i、最大切屑厚度，v为采煤机牵引速度，ω为滚筒转速)为自变元fj( j = 1，2，…，5)，则工人在给定的采煤机参数下工作一年患尘肺病的概率

式中: lj——第j个自变元系数，( j =0，1，2，…，5) ;

fij——第i个样本的第j个自变元;

εi——除fi1、fi2、fi3、fi4、fi5外各随机因素的影响，又称误差项。

对于n组数据，有如下矩阵形式的方程组

设l0、l1、l2、l3、l4、l5的估计值分别为m0、m1、m2、m3、m4、m5，则回归方程式中: p^i——pi的估计值。

经整理，得

可表示为

n

为了比较回归方程中各自变元对p的影响程度，以提高计算精度，将数据进行标准化处理，利用相关系数rij、riq来构造正规方程组。

记为

求出回归系数后，便可得到最小二乘法意义下的回归模型

3. 3尘肺病患病率与采煤机滚筒设计参数的关系

将已知数据、求得的结果等代入式( 7)，得到采煤工作面尘肺病患病率p与采煤机滚筒各参数的数学模型

4 模型检验

为了确定所建立模型的拟合精度，需对其进行显著性检验。

因回归平方和

其自由度为fR= y( y为自变元的总个数)，而残差的平方和

其自由度为fE= n-y-1。

由于统计量

可见，在显著性水平下拒绝接受原假设，说明该回归方程具有显著性意义。因反映观测值与回归值间相关程度的决定系数R2= SR/Spp= 0. 914 1>0. 8，由此可知，该模型具有较好的拟合程度。

5 结束语

该研究给出了工人在工作面工作一年的接尘量计算方法，建立了在给定采煤机滚筒参数条件下工作一年患尘肺病的概率模型，为定量分析尘肺病发病率奠定了基础。通过假定工作面呼吸性粉尘浓度与采煤机截割比能耗成线性关系，综合考虑各因素，建立了呼吸性粉尘浓度与采煤机滚筒设计参数之间关系的广义线性模型，经显著性检验，证明该模型具有较好的拟合程度。建立的尘肺病发病率与采煤机滚筒设计参数关系的数学模型，可以为分析和确定不同采煤机滚筒参数下的尘肺病患病率提供参考。

该研究为预测采煤机工作过程人员的接尘量、尘肺病患病率提供了依据，也为定量地分析采煤机滚筒设计参数对尘肺病患病率的影响创造了条件。这对于评价采煤机工作对工作面环境和作业人员尘肺病患病率的影响具有重要意义。

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(编辑 徐 岩)

Mathematic model on relation between shearer drum parameters and sick rate of pneumoconiosis

LI Xiaohuo，JIAO Li，SHA Yongdong，YANG Tingting，HE Yang，LI Ting

( College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

This paper pursues a drum design improvement aimed at lowering pneumoconiosis prevalence by investigating the effect of shearer drum design parameters on sick rate of pneumoconiosis and features a calculation method specifically tailored for determining the amount of dust to which workers are exposed．The method follows from an investigation into the relationships between shearer drum design parameters on the one hand and respirable dust concentration and sick rate of pneumoconiosis on the other，depending on the mechanism on which a shearer produces dust while working and data collected from coal faces，and on the assumption that there exists a linear relation between respirable dust concentration coming from a coal face and specific cutting energy consumption．The comprehensive analysis of the influence of various factors leads to the development of mathematic model on the relation between shearer drum design parameters and sick rate of pneumoconiosis，followed by a significance test．The finding suggests that the regression equation has significant meaning and mathematical model has a better fitting．It follows that the study may serve as a theoretical basis for achieving an improved design of shearers to reduce cutting dust and lower sick rate of pneumoconiosis，forecasting an effect of a newly designed shearer work on sick rate of pneumoconiosis，and evaluating the working performance of shearers．

shearer; drum; coal face; dust concentration; sick rate of pneumoconiosis; mathematic model

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 018

TD421. 6; X928. 1; R135. 2; X503. 1

2095-7262( 2014) 01-0081-04

A