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炮掘工作面粉塵防護評價因子及隸屬度函數的確定

文檔作者：魏搖勇文檔來源：平頂山工業職業技術學院機械工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年10月22日
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收稿日期:2015-08-29;2016-04-07 修訂
基金項目:河南省科技廳2014 年重點科技攻關計劃項
目(142102310184)
作者簡介:魏搖勇(1974—),男,河南平頂山人,碩士,副
教授,主要研究方向為職業危害防控技術。E-mail:subtway@
126. com。
魏勇. 炮掘工作面粉塵防護評價因子及隸屬度函數的確定[J]. 礦業安全與環保,2016,43(3):103-106.
文章編號:1008-4495(2016)03-0103-04
炮掘工作面粉塵防護評價因子及隸屬度函數的確定
魏搖勇
(平頂山工業職業技術學院機械工程學院,河南平頂山467001)
摘要:以炮掘工作面為例,闡述了篩選粉塵防護評價因子的過程,確定出二級評價因子。根據每個
評價因子的具體情況,結合相關技術資料和現場調研數據,采用數學建模的方法建立了9 個評價因子
的隸屬度函數,有助于粉塵防護量化評價的實施。
關鍵詞:炮掘工作面;粉塵防護;評價因子;量化;隸屬度函數
中圖分類號:TD714搖搖搖文獻標志碼:A搖搖搖網絡出版時間:2016-06-05 19:33
網絡出版地址: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
搖搖2010 年職業病統計數據顯示,一半以上新增塵
肺病例分布在煤炭行業。目前塵肺病仍是我國最嚴
重的職業病。礦工塵肺職業病的產生與煤礦井下工
作環境中的粉塵密切相關。煤礦企業近年來都在積
極布置防塵設施,改善井下工作環境,但目前在粉塵
管理評估工作中主要是采取專家打分的方式評估煤
礦粉塵防護,其主觀性的缺點顯而易見。因此,迫切
需要建立一套行之有效的量化評價方法。量化評價
常用的數學方法有模糊數學、灰色理論等。這些數
學方法在應用中,首先要從影響煤礦企業降塵效果
的因素中篩選出評價因子,然后再建立每個評價因
子的隸屬度函數,以便于量化評價的進一步實施。
下面以炮掘工作面為例,說明評價因子篩選及隸屬
度函數的建模。
1搖評價因子的篩選
炮掘工作面粉塵防護評價因子篩選的主要依據
是:炮掘過程中產生粉塵的生產工序,以及產塵作業
對應的防塵設施。炮掘工作面采用鉆孔爆破法掘
進,其主要生產工序及其對應防塵措施見圖1。
圖1搖鉆孔爆破掘進主要生產工序及對應的防塵措施
如果掘進中采用濕式鉆孔作業,濕式作業時供
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Jun郾2016
水的壓力、耗水量等都對產塵量有影響。爆破作業
時,采用水炮泥爆破降塵效果明顯,爆破后是否及時
進行高壓噴霧也是影響粉塵濃度的重要因素。粉塵
沉積在巖壁上在爆破中容易產生二次飛揚,因此沖
洗巷道及巖幫也有一定的防塵效果。巷道通風是掘
進工作的重要配套工藝,通風排塵主要是利用新鮮
空氣流動以帶走被粉塵污染的空氣,因此考核通風
效果首先考慮的就是平均風速,在巷道通風過程中
存在最低排塵風速和最優排塵風速[1-2] 。風量的大
小由于局部通風機技術參數、礦井巷道截面積以及
礦井生產情況的不同而有較大差異,因此重點考慮
巷道的有效通風量這一指標。不同的礦井局部通風
方式也有區別,壓入式、抽出式、混合式各有特點,因
此要確定不同通風方式影響粉塵降塵效果的差異性
指標。凈化水幕是凈化入風流和降低污風流礦塵濃
度的有效方法[3] ,在煤礦井下被廣泛應用,也作為一
個評價因子入選。
基于上述分析,以平煤集團炮掘工作面為模型,
結合煤礦粉塵防護相關技術資料和平煤集團實際
調研數據,建立了炮掘工作面粉塵防護二級評價因
子,其中包含4 個1 級因子,8 個2 級因子,如表1
所示。
表1搖炮掘工作面粉塵防護評價因子
1 級因子2 級因子
鉆孔防塵
供水壓力
耗水量
爆破前后防塵
水炮泥爆破
爆破后高壓噴霧
巷道及裝巖灑水
通風排塵
平均風速
有效風量率
通風方式
凈化水幕防塵
2搖隸屬度函數建模
在實踐中發現,影響煤礦企業降塵效果的多數
評價因子都有取值界限,因此使用較多的隸屬度函
數數學建模方法主要有兩種, 一種為“ 梯形分
布冶[4] ;另一種為“邏輯斯蒂分布冶[5] 。根據每一個
評價因子的具體情況,確定一個合適的隸屬度函數
是量化評價的重點和難點。在隸屬度函數確定過程
中查閱了大量書籍和資料,走訪了平煤集團十幾個
煤礦,獲取了大量的數據,建立了9 個評價因子的隸
屬度函數。
2郾1搖鉆孔防塵隸屬度函數建模
2郾1郾1搖供水壓力
供水壓力以0郾3 MPa 為宜[6] ,壓力小則降塵效
果相對較差。以此建立隸屬度函數為:
滋=
p
0郾3,0臆p<0郾3
1,p逸{ 0郾3
(1)
式中p 為供水壓力,MPa。
2郾1郾2搖耗水量
耗水量2 ~3 L/ min 為宜[6] ,耗水量小則降塵效
果相對較差。以此建立隸屬度函數為:
滋=
q
3 ,0臆q<3
1,q逸{ 3
(2)
式中q 為耗水量,L/ min。
2郾2搖爆破前后防塵隸屬度函數建模
2郾2郾1搖水炮泥爆破
水炮泥爆破中,降塵效果依賴于水炮泥袋中的
裝水量。平煤集團下屬煤礦常用的水炮泥袋充滿水
后的直徑約為38 mm,有效裝水長度約為215 mm,
則單個水炮泥袋裝水量約為240 cm3。參考相關文
獻試驗方法[7] ,當炮掘工作面在無水炮泥,以及水炮
泥裝填量分別為1 個(240 cm3 )、2 個(480 cm3 )、
3 個(720 cm3)時,統一測試爆破30 min 后工作面總
粉塵濃度平均值,如表2 所示。
表2搖平煤集團下屬煤礦炮掘工作面水炮泥粉塵濃度數據
水炮泥裝水量/
cm3
爆破30 min 后工作面總粉塵
濃度平均值/ (mg/ m3 )
相對降塵
效率
0(無水炮泥) 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
搖搖在origin 中以相對降塵效率建立邏輯斯蒂方程:
滋=1郾13- 1郾13
1+(V / 284)1郾97
水炮泥爆破降塵隸屬度函數為:
滋=
0,V =0
1郾13- 1郾13
1+(V / 284)1郾97 ,V { >0 (3)
式中V 為水炮泥裝填水體積,cm3
2郾2郾2搖爆破后高壓噴霧
爆破高壓噴霧效果一定程度上取決于噴嘴耗水
量的大小、噴嘴安裝地點及放炮前后的噴霧時間[3] 。
巖巷掘進放炮,采用高壓噴霧10 ~15 min,空氣中含
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Jun郾2016 搖搖搖搖搖搖搖搖搖礦業安全與環保
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塵量能降到衛生標準以下[3] 。單個噴嘴的耗水量與
噴霧壓力p 有密切的關系。噴霧壓力p 影響兩個變
量:霧滴的噴出速度和粒徑大小。霧滴的噴出速度
Ud邑p [8] ,霧滴的粒徑大小D50 邑p-0郾35 [9] ,霧滴的噴
出速度和粒徑大小分布對降塵效率有重要影響。另
外噴霧持續時間的長短也影響降塵效率。噴霧時間
延長,降塵效果更好。邏輯斯蒂函數是井下噴霧降
塵效率曲線擬合效果較好的隸屬度函數數學模
型[5] ,依據高壓噴霧時間和降塵效果之間的實驗數
據[10] ,建立邏輯斯蒂方程為:
滋=1郾03- 1郾03
1+(t / 0郾2)0郾89 (4)
式中t 為高壓噴霧持續時間,min。
爆破后高壓噴霧隸屬度函數建模時主要考慮霧
滴的噴出速度、霧滴粒徑大小和噴霧持續時間這
3 個變量。它們在MLT 系統中物理實體的量綱為:
霧滴大小L,速度大小LT-1,噴霧時間T。采用量綱
分析的方法可以得到噴霧降塵效率與噴霧壓力與噴
霧時間的函數關系[11] 。在平煤集團下屬煤礦統計
數據顯示,爆破后高壓噴霧壓力7臆p臆15 MPa,噴霧
持續時間t逸5 min。綜合上面分析,建立爆破后高
壓噴霧隸屬度函數為:
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搖巷道及裝巖灑水
放炮前后距離工作面30 m 以內巷道及裝巖灑
水[6] ,灑水小于30 m 范圍降塵效率下降。以此建立
隸屬度函數為:
滋=
l
30,l<30
1,q逸{ 30
(6)
式中l 為距工作面距離,m。
2郾3搖通風排塵隸屬度函數建模
2郾3郾1搖平均風速
礦塵的擴散主要受控于風流,必須控制好通風排
塵的風速、風量[12] 。為了使送入工作面風量和含塵空
氣充分混合并排走粉塵,需要足夠的風速,但如果風
速過高,又可能吹起巷道壁上附著的礦塵而抵消風流
的稀釋作用,使礦塵濃度反而增高?！睹旱V安全規程》
規定:掘進中的煤巷允許的風速為0郾25 ~4 m/ s[13] 。
巷道最優排塵風速為0郾4 ~0郾7 m/ s,最低排塵風速為
0郾15 ~0郾25 m/ s[3] 。在壓入式通風的掘進工作面,應
按距風筒末端8 ~ 10 m 處的巷道斷面計算風流的
速度[14] 。
平煤集團下屬煤礦統計數據顯示,平巷掘進中
測定的礦工呼吸帶總粉塵平均濃度轉換成相對降塵
效率與平均風速之間的關系如圖2 所示。
圖2搖巷道平均風速與相對降塵效率
利用origin 進行邏輯斯蒂曲線擬合,大于0郾15 m/ s
而小于0郾8 m/ s 風速與相對降塵效率函數方程為: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 風速與相對降塵效率函數方程為:滋= 0郾25+
0郾475/ [1+(v / 3郾98)3郾69 ]。平均風速小于0郾15 m/ s
和大于4 m/ s 是煤礦安全規程所不允許的,因此此
兩種情況下認為降塵效率為0,一票否決。以此建立
隸屬度函數為:
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 為平均風速,m/ s。
2郾3郾2搖有效風量率
增大送入工作面的風量,可以稀釋粉塵濃度。
掘進工作面風量占局部通風機工作風量的百分數稱
為有效風量率P有效[15] ,以此建立隸屬度函數為:
滋(x)= P有效,0臆P有效<1
1,P有效{ =1 (8)
2郾3郾3搖通風方式
通風方式對風流混合系數k 有影響[1] ,進而影
響通風量。風量混合系數k 取值如下:抽出式通風
k =0郾08 ~0郾30,取平均值為0郾19;壓入式通風k =
0郾24 ~0郾33,取平均值為0郾29;實踐表明,混合式通
風除塵效率較高[16] ,混合式通風k =0郾59 ~0郾89,取
平均值為0郾74[1] 。以此建立隸屬度函數為:
滋=
0郾19,抽出式通風
0郾29,壓入式通風
0郾74,
ì
î
í ïï
ïï
混合式通風
(9)
2郾4搖凈化水幕防塵隸屬度函數建模
回風口和耙裝機后各安裝1 道水幕,水幕要封
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閉全斷面[6] ,一般3 道水幕能降塵達95% 以上[3] 。
以此建立隸屬度函數為:
滋=
n
3 ,0臆n<3
1,n逸{ 3
(10)
式中n 為工作面附近水幕安裝數量。
3搖結語
1)依據國家有關標準和規范,以炮掘工作面為
例,結合煤礦粉塵防護有關技術資料以及在平煤集
團調研數據,深入分析并確定了粉塵防護二級評價
因子。
2)根據每個評價因子的具體情況,采取不同的
數學建模方法建立了9 個評價因子的隸屬度函數。
隸屬度函數的建立有助于炮掘工作面防塵量化評價
工作的進一步實施。
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