机掘工作面粉尘防护设施影响因子及其隶属度函数的确定*

魏勇　白晓

（平顶山工业职业技术学院机械工程学院　河南平顶山467001）

机掘工作面粉尘防护设施影响因子及其隶属度函数的确定*

魏勇白晓

（平顶山工业职业技术学院机械工程学院河南平顶山467001）

阐述了筛选机掘工作面粉尘防护设施影响因子过程并确定了二级因子，结合相关技术资料和现场调研数据，针对每个因子采用数学建模的方法建立了隶属度函数，有助于进一步量化评价的实施。

机掘工作面 粉尘 影响因子 隶属度函数 量化

0　引言

2011年修订的《中华人民共和国职业病防治法》颁布后，国家安全生产监督管理总局进一步加强了建设项目职业病危害预评价和控制效果评价，要求煤矿企业进一步强化其粉尘防护的力度。统计数据显示，一般煤矿掘进工作面产尘量约占20%～38%。虽然掘进工作面产尘量不是最多的工作场所，但是85%以上的煤矿尘肺病患者工作地点在岩巷掘进工作面。其原因主要是掘进工作面粉尘中游离SiO2含量较高，其对场所工作人员危害性大。而且掘进巷道一般是顶端堵死的盲道，掘进机作业过程中巷道通风形不成循环风，产生的粉尘不能在短时间内迅速的扩散。因此，机掘工作面的粉尘问题十分严重。在中平能化集团个别煤矿现场测量数据显示，未采取防尘措施的掘进机工作时粉尘浓度非常高。机掘工作面高浓度粉尘不但严重危及矿工的身体健康和劳动安全，而且降低了劳动生产效率，影响煤矿经济效益。煤矿企业近年来加大投入不断改善掘进面工作环境，但是不同煤矿掘进工作面防尘设施组合不同，如何量化评价防尘设施的好坏是煤矿管理中的难题。下面以机掘工作面为例说明防尘设施影响因子的筛选以及隶属度函数的建立。

1　机掘工作面评价因子的筛选

机掘工作面的粉尘主要产生于掘进机掘进过程中的切割和装载。图1为其主要生产工序及其对应防尘措施。为降低作业区粉尘浓度，掘进机一般都配备有内喷雾和外喷雾，喷雾降尘效果是首先需要关注的问题。湿式除尘中依靠液滴捕集尘粒的机理主要是依靠惯性碰撞、截留和布朗扩散三种效应，根据流体力学和喷雾降尘机理的研究，降尘效率与喷雾压力、喷嘴口径、喷嘴数量、巷道断面积和粉尘粒度等因素之间存在密切关系。巷道通风主要是利用新鲜空气流动来带走粉尘污染的空气以降低粉尘，通风效果首先考虑的就是平均风速，巷道通风中存在最低排尘风速和最优排尘风速。除此之外，巷道的通风量也是需要关注的因素。矿井局部通风方式中压入式、抽出式、混合式各有特点，也影响粉尘的流动。有的煤矿在掘进工作面布置有除尘器。除尘器通常有两个除尘技术指标：总粉尘除尘效率和呼吸性粉尘除尘效率，不同厂家设备指标值有所不同，因此评价时就主要依据这两个指标。净化水幕是净化入风流和降低污风流矿尘浓度的有效方法，在煤矿井下大量采用，也是需要关注的因素。

图1　掘进机掘进工序及防尘措施

依据上述分析并结合有关煤矿粉尘防护设施技术资料和中平能化集团下属煤矿现场调研数据，建立了机掘工作面粉尘防护设施2级评价因子，其中包含5个1级因子和16个2级因子，如表1所示。

表1　机掘工作面粉尘防护设施评价因子

2　评价因子隶属度函数的确定

进行粉尘防护设施的量化评价，首先要对每个评价因子构建隶属度函数。在实际问题中选择恰当的隶属度函数构建数学模型是很重要的，如选取不当，则会影响效果。在量化评价中，多数影响因子都有取值界限，常用的隶属度函数主要两种，一种为“梯形分布”［1］；另一种为“逻辑斯蒂分布”。在评价因子隶属度数学建模过程中，查阅了大量书籍和资料，走访了中平能化集团下属若干煤矿 ，获取了大量的资料和数据，依次建立了16个2级评价因子的隶属度函数。

2.1掘进机喷雾降尘隶属度函数的确定

掘进机喷雾系统有内喷雾和外喷雾两部分组成。内、外喷雾系统喷雾压力一般均采用静压 ，压力在1.5～3 MPa之间。影响喷雾降尘效率的5个变量因素为：喷雾压力 p，喷嘴数量 n，喷嘴口径 d，捕集区截面积 s，粉尘粒径 dp［2］。喷嘴口径一般介于1.5～2.5 mm之间，粉尘粒径介于2～7μm之间，捕集区截面积介于8～15 m2之间，内喷雾喷嘴数量介于6～8之间，外喷雾喷嘴数量介于10～16之间。

为了方便建立数学模型，上述参数均在充分调研中平能化集团十几个下属煤矿数据的基础上进行加权平均处理后确定为当量参数。当评价某个变量时，其他变量取当量参数进行数学建模。掘进工作面当量参数值为：捕集区截面积A当=11 m2，粉尘粒径dp当=4.45μm，喷雾压力 p当=2 MPa，喷嘴口径d当=1.5 mm，机掘内喷雾喷嘴数量 n当=7，机掘外喷雾喷嘴数量 n当=14。

逻辑斯蒂函数是井下喷雾降尘效率曲线拟合效果很好的隶属度函数数学模型［2］，利用逻辑斯蒂函数可以依次建立喷雾降尘效率与不同喷嘴口径、喷雾压力、捕集区截面积、粉尘粒径等单因素影响下的数学模型。

内喷雾多因素隶属度函数为：

2.2通风排尘隶属度函数建立

2.2.1平均风速

矿尘的扩散主要受控于风流，必须控制好通风排尘的风速、风量［3］。为了使送入工作面风量和含尘空气充分混合并排走粉尘，需要足够的风速。如果风速过高，又可能吹起巷道壁上附着的矿尘而抵消风流的稀释作用，使矿尘浓度反而增高。《煤矿安全规程》规定：掘进中的煤巷允许的风速为0.25～4 m/s［4］。巷道最优排尘风速为0.4～0.7 m/s，最低排尘风速为0.15～0.25 m/s。

在中平能化集团下属煤矿统计数据显示，平巷掘进中测定的工人呼吸带平均矿尘浓度与平均风速之间的数据如图2所示。

图2　巷道平均风速与相对降尘效率

利用origin进行逻辑斯蒂曲线拟合，大于0.15 m/s而小于0.7 m/s风速与相对降尘效率函数方程为：μ=0.85-0.59/［1+（v/0.21）2.36］；大于0.7 m/ s而小于4 m/s风速与相对降尘效率函数方程为：μ =0.25+0.475/［1+（v/3.98）3.69］。平均风速小于0.15 m/s和大于4 m/s是煤矿安全规程所不允许的，因此此两种情况下认为降尘效率为0，“一票否决”。以此建立隶属度函数为：v为平均风速m/s。

2.2.2有效风量率

增大送入工作面的风量，可以稀释粉尘浓度。掘进工作面风量占局部通风机工作风量的百分数称为有效风量率 P有效［5］，以此建立隶属度函数为：

2.2.3通风方式

通风方式对风流混合系数 k有影响，进而影响通风量。风量混合系数 k值如下：抽出式通风取k=0.08～0.30，平均值为0.19；压入式通风取 k= 0.24～0.33，平均值为0.29；混合式通风取 k=0.59～0.89，平均值为0.74。以此建立隶属度函数为：

2.3除尘器除尘隶属度函数建立

除尘器主要有两个除尘技术指标：除尘器总粉尘除尘效率和呼吸性粉尘除尘效率。

2.3.1除尘器总粉尘除尘效率

以总粉尘除尘效率 η总建立隶属度函数为：

2.3.2除尘器呼吸性粉尘除尘效率

以呼吸性粉尘除尘效率 η呼建立隶属度函数为：

2.4水幕净化防尘隶属度函数建立

一般设置3道水幕能降尘达95%以上，回风口和耙装机后各安装1道水幕，水幕要封闭全断面［6］。以此建立隶属度函数为：

式中，n为水幕安装数量。

3　结论

（1）以机掘工作面为例，利用有关技术资料和调研数据，分析并确定了煤矿机掘工作面粉尘防护设施评价因子。

（2）采取不同的数学建模方法依次建立了16个2级评价因子的隶属度函数。隶属度函数的建立有助于进一步开展机掘工作面粉尘量化评价工作。

［1］贺仲雄 .模糊数学及其应用［M］.天津：天津科学技术出版社 ，1983.

［2］魏勇.煤矿采掘装备喷雾降尘效率曲线拟合［J］.矿山机械，2015，43（11）：130-133.

［3］金龙哲，李晋平 ，孙玉福.矿井粉尘防治理论［M］.北京：科学出版社，2010.

［4］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2011.

［5］蔡永乐，胡创义.矿井通风与安全［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［6］AQ 1020—2006煤矿井下粉尘综合防治技术规范［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

河南省科技厅重点科技攻关计划项目（142102310184）。

魏勇，男，1974年生，硕士 ，副教授。主要研究方向：职业危害防控技术。

（2015-08-25）