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炮掘工作面粉尘防护评价因子及隶属度函数的确定

文档作者：魏摇勇文档来源：平顶山工业职业技术学院机械工程学院		点击数：	更新时间： 2025年10月22日
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上一篇：射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用

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收稿日期:2015-08-29;2016-04-07 修订
基金项目:河南省科技厅2014 年重点科技攻关计划项
目(142102310184)
作者简介:魏摇勇(1974—),男,河南平顶山人,硕士,副
教授,主要研究方向为职业危害防控技术。E-mail:subtway@
126. com。
魏勇. 炮掘工作面粉尘防护评价因子及隶属度函数的确定[J]. 矿业安全与环保,2016,43(3):103-106.
文章编号:1008-4495(2016)03-0103-04
炮掘工作面粉尘防护评价因子及隶属度函数的确定
魏摇勇
(平顶山工业职业技术学院机械工程学院,河南平顶山467001)
摘要:以炮掘工作面为例,阐述了筛选粉尘防护评价因子的过程,确定出二级评价因子。根据每个
评价因子的具体情况,结合相关技术资料和现场调研数据,采用数学建模的方法建立了9 个评价因子
的隶属度函数,有助于粉尘防护量化评价的实施。
关键词:炮掘工作面;粉尘防护;评价因子;量化;隶属度函数
中图分类号:TD714摇摇摇文献标志码:A摇摇摇网络出版时间:2016-06-05 19:33
网络出版地址:http: / / www. cnki. net/ kcms/ detail/50. 1062. TD. 20160605. 1933. 048. html
Determination of Evaluation Factors and Its Membership Function for
Dust Protection in Heading Face by Blasting
WEI Yong
(Department of Mechanical Engineering, Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001, China)
Abstract: In this paper, the process of screening the evaluation factors of dust protection was expounded by taking the
heading face by blasting as an example, and the secondary evaluation factors were determined. The membership functions of 9
evaluation factors were set up with the mathematical modeling method according to the specific situation of each evaluation factor
and combined with the relevant technical information and field survey data, which is conducive to further carry out the
quantitative evaluation of dust protection.
Keywords: heading face by blasting; dust protection; evaluation factor; quantitation; membership function
摇摇2010 年职业病统计数据显示,一半以上新增尘
肺病例分布在煤炭行业。目前尘肺病仍是我国最严
重的职业病。矿工尘肺职业病的产生与煤矿井下工
作环境中的粉尘密切相关。煤矿企业近年来都在积
极布置防尘设施,改善井下工作环境,但目前在粉尘
管理评估工作中主要是采取专家打分的方式评估煤
矿粉尘防护,其主观性的缺点显而易见。因此,迫切
需要建立一套行之有效的量化评价方法。量化评价
常用的数学方法有模糊数学、灰色理论等。这些数
学方法在应用中,首先要从影响煤矿企业降尘效果
的因素中筛选出评价因子,然后再建立每个评价因
子的隶属度函数,以便于量化评价的进一步实施。
下面以炮掘工作面为例,说明评价因子筛选及隶属
度函数的建模。
1摇评价因子的筛选
炮掘工作面粉尘防护评价因子筛选的主要依据
是:炮掘过程中产生粉尘的生产工序,以及产尘作业
对应的防尘设施。炮掘工作面采用钻孔爆破法掘
进,其主要生产工序及其对应防尘措施见图1。
图1摇钻孔爆破掘进主要生产工序及对应的防尘措施
如果掘进中采用湿式钻孔作业,湿式作业时供
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水的压力、耗水量等都对产尘量有影响。爆破作业
时,采用水炮泥爆破降尘效果明显,爆破后是否及时
进行高压喷雾也是影响粉尘浓度的重要因素。粉尘
沉积在岩壁上在爆破中容易产生二次飞扬,因此冲
洗巷道及岩帮也有一定的防尘效果。巷道通风是掘
进工作的重要配套工艺,通风排尘主要是利用新鲜
空气流动以带走被粉尘污染的空气,因此考核通风
效果首先考虑的就是平均风速,在巷道通风过程中
存在最低排尘风速和最优排尘风速[1-2] 。风量的大
小由于局部通风机技术参数、矿井巷道截面积以及
矿井生产情况的不同而有较大差异,因此重点考虑
巷道的有效通风量这一指标。不同的矿井局部通风
方式也有区别,压入式、抽出式、混合式各有特点,因
此要确定不同通风方式影响粉尘降尘效果的差异性
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[3] ,在煤矿井下被广泛应用,也作为一
个评价因子入选。
基于上述分析,以平煤集团炮掘工作面为模型,
结合煤矿粉尘防护相关技术资料和平煤集团实际
调研数据,建立了炮掘工作面粉尘防护二级评价因
子,其中包含4 个1 级因子,8 个2 级因子,如表1
所示。
表1摇炮掘工作面粉尘防护评价因子
1 级因子2 级因子
钻孔防尘
供水压力
耗水量
爆破前后防尘
水炮泥爆破
爆破后高压喷雾
巷道及装岩洒水
通风排尘
平均风速
有效风量率
通风方式
净化水幕防尘
2摇隶属度函数建模
在实践中发现,影响煤矿企业降尘效果的多数
评价因子都有取值界限,因此使用较多的隶属度函
数数学建模方法主要有两种, 一种为“ 梯形分
布冶[4] ;另一种为“逻辑斯蒂分布冶[5] 。根据每一个
评价因子的具体情况,确定一个合适的隶属度函数
是量化评价的重点和难点。在隶属度函数确定过程
中查阅了大量书籍和资料,走访了平煤集团十几个
煤矿,获取了大量的数据,建立了9 个评价因子的隶
属度函数。
2郾1摇钻孔防尘隶属度函数建模
2郾1郾1摇供水压力
供水压力以0郾3 MPa 为宜[6] ,压力小则降尘效
果相对较差。以此建立隶属度函数为:
滋=
p
0郾3,0臆p<0郾3
1,p逸{ 0郾3
(1)
式中p 为供水压力,MPa。
2郾1郾2摇耗水量
耗水量2 ~3 L/ min 为宜[6] ,耗水量小则降尘效
果相对较差。以此建立隶属度函数为:
滋=
q
3 ,0臆q<3
1,q逸{ 3
(2)
式中q 为耗水量,L/ min。
2郾2摇爆破前后防尘隶属度函数建模
2郾2郾1摇水炮泥爆破
水炮泥爆破中,降尘效果依赖于水炮泥袋中的
装水量。平煤集团下属煤矿常用的水炮泥袋充满水
后的直径约为38 mm,有效装水长度约为215 mm,
则单个水炮泥袋装水量约为240 cm3。参考相关文
献试验方法[7] ,当炮掘工作面在无水炮泥,以及水炮
泥装填量分别为1 个(240 cm3 )、2 个(480 cm3 )、
3 个(720 cm3)时,统一测试爆破30 min 后工作面总
粉尘浓度平均值,如表2 所示。
表2摇平煤集团下属煤矿炮掘工作面水炮泥粉尘浓度数据
水炮泥装水量/
cm3
爆破30 min 后工作面总粉尘
浓度平均值/ (mg/ m3 )
相对降尘
效率
0(无水炮泥) 83郾9 0
240 44郾1 0郾47
480 14郾1 0郾83
720 2郾8 0郾97
摇摇在origin 中以相对降尘效率建立逻辑斯蒂方程:
滋=1郾13- 1郾13
1+(V / 284)1郾97
水炮泥爆破降尘隶属度函数为:
滋=
0,V =0
1郾13- 1郾13
1+(V / 284)1郾97 ,V { >0 (3)
式中V 为水炮泥装填水体积,cm3
2郾2郾2摇爆破后高压喷雾
爆破高压喷雾效果一定程度上取决于喷嘴耗水
量的大小、喷嘴安装地点及放炮前后的喷雾时间[3] 。
岩巷掘进放炮,采用高压喷雾10 ~15 min,空气中含
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尘量能降到卫生标准以下[3] 。单个喷嘴的耗水量与
喷雾压力p 有密切的关系。喷雾压力p 影响两个变
量:雾滴的喷出速度和粒径大小。雾滴的喷出速度
Ud邑p [8] ,雾滴的粒径大小D50 邑p-0郾35 [9] ,雾滴的喷
出速度和粒径大小分布对降尘效率有重要影响。另
外喷雾持续时间的长短也影响降尘效率。喷雾时间
延长,降尘效果更好。逻辑斯蒂函数是井下喷雾降
尘效率曲线拟合效果较好的隶属度函数数学模
型[5] ,依据高压喷雾时间和降尘效果之间的实验数
据[10] ,建立逻辑斯蒂方程为:
滋=1郾03- 1郾03
1+(t / 0郾2)0郾89 (4)
式中t 为高压喷雾持续时间,min。
爆破后高压喷雾隶属度函数建模时主要考虑雾
滴的喷出速度、雾滴粒径大小和喷雾持续时间这
3 个变量。它们在MLT 系统中物理实体的量纲为:
雾滴大小L,速度大小LT-1,喷雾时间T。采用量纲
分析的方法可以得到喷雾降尘效率与喷雾压力与喷
雾时间的函数关系[11] 。在平煤集团下属煤矿统计
数据显示,爆破后高压喷雾压力7臆p臆15 MPa,喷雾
持续时间t逸5 min。综合上面分析,建立爆破后高
压喷雾隶属度函数为:
滋=
p æè
ç öø
÷ 15
0郾85 1郾03- 1郾03
1+(t / 0郾2)
æ
è ç
ö
ø ÷
0郾89 ,7臆p臆15
1,p>15,t { >5
(5)
2郾2郾3摇巷道及装岩洒水
放炮前后距离工作面30 m 以内巷道及装岩洒
水[6] ,洒水小于30 m 范围降尘效率下降。以此建立
隶属度函数为:
滋=
l
30,l<30
1,q逸{ 30
(6)
式中l 为距工作面距离,m。
2郾3摇通风排尘隶属度函数建模
2郾3郾1摇平均风速
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[12] 。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,但如果风
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郾25 ~4 m/ s[13] 。
巷道最优排尘风速为0郾4 ~0郾7 m/ s,最低排尘风速为
0郾15 ~0郾25 m/ s[3] 。在压入式通风的掘进工作面,应
按距风筒末端8 ~ 10 m 处的巷道断面计算风流的
速度[14] 。
平煤集团下属煤矿统计数据显示,平巷掘进中
测定的矿工呼吸带总粉尘平均浓度转换成相对降尘
效率与平均风速之间的关系如图2 所示。
图2摇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郾15 m/ s
而小于0郾8 m/ s 风速与相对降尘效率函数方程为:滋=
0郾85-0郾59/ [1+(v / 0郾21)2郾36];大于0郾8 m/ s 而小于
4 m/ s 风速与相对降尘效率函数方程为:滋= 0郾25+
0郾475/ [1+(v / 3郾98)3郾69 ]。平均风速小于0郾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:
滋=
0, v<0郾15
0郾85-0郾59/ [1+(v / 0郾21)2郾36],0郾15臆v臆0郾8
0郾25+0郾475/ [1+(v / 3郾98)3郾69],0郾84
(7)
式中v 为平均风速,m/ s。
2郾3郾2摇有效风量率
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[15] ,以此建立隶属度函数为:
滋(x)= P有效,0臆P有效<1
1,P有效{ =1 (8)
2郾3郾3摇通风方式
通风方式对风流混合系数k 有影响[1] ,进而影
响通风量。风量混合系数k 取值如下:抽出式通风
k =0郾08 ~0郾30,取平均值为0郾19;压入式通风k =
0郾24 ~0郾33,取平均值为0郾29;实践表明,混合式通
风除尘效率较高[16] ,混合式通风k =0郾59 ~0郾89,取
平均值为0郾74[1] 。以此建立隶属度函数为:
滋=
0郾19,抽出式通风
0郾29,压入式通风
0郾74,
ì
î
í ïï
ïï
混合式通风
(9)
2郾4摇净化水幕防尘隶属度函数建模
回风口和耙装机后各安装1 道水幕,水幕要封
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闭全断面[6] ,一般3 道水幕能降尘达95% 以上[3] 。
以此建立隶属度函数为:
滋=
n
3 ,0臆n<3
1,n逸{ 3
(10)
式中n 为工作面附近水幕安装数量。
3摇结语
1)依据国家有关标准和规范,以炮掘工作面为
例,结合煤矿粉尘防护有关技术资料以及在平煤集
团调研数据,深入分析并确定了粉尘防护二级评价
因子。
2)根据每个评价因子的具体情况,采取不同的
数学建模方法建立了9 个评价因子的隶属度函数。
隶属度函数的建立有助于炮掘工作面防尘量化评价
工作的进一步实施。
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(责任编辑:陈玉涛
蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛
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(责任编辑:李摇琴)
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