采掘工作面除尘措施评价指标体系及应用研究

赵清亚，蒋仲安，王 佩，施蕾蕾

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

煤矿粉尘作为造成工人职业病危害的重要诱因，其治理工作一直是矿山安全生产的重点之一。而采煤、掘进工作面的产尘量占煤矿总产尘量的80%以上，因此成为粉尘治理工作的重中之重。

目前，国内粉尘评价指标体系中各项除尘技术指标多数仍为定性指标，这对评价结果的准确性及适用性都有一定程度的误差影响。为此，本文依据《煤矿安全规程》（2012版）、《综合防尘样板化矿井标准及检查评定办法》（2011版）（简称《防尘样板化标准》）、《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》（AQ1020－2006）（简称《煤矿粉尘防治》）、《煤矿作业场所职业危害防治规定》（2010）（简称《煤矿职业危害》）的相关规定，结合煤矿实际生产过程，对影响采掘工作面除尘效果的三级定性指标，分别选取其主要影响因素细化为四级定量指标，并采用层次分析及模糊综合评价结合的方法对其除尘效果进行综合评价。模糊综合评价是一种在综合考虑多种模糊因素基础上，对给定对象进行评价的方法，它涉及三个要素：因素集U、评语集V和单层次决策模型B，在单层次决策模型基础上进行多因素的模糊综合评价。

1 建立采掘工作面除尘效果评价指标体系U

根据相关国家法律法规及采掘工作面实际生产情况，建立了四级指标体系：共包含1个一级指标A；2个二级指标B1、B2；18个三级指标 Ci（i＝1，2，……18）；以及26个四级指标dj（j＝1，2，……26），详细指标体系及其分级标准如表1所示。

表1 采掘工作面防尘措施评价指标体系

1.1 综采工作面防尘B1

1.1.1 煤层注水C1

《煤矿安全规程》规定：除特殊情况外，“采煤工作面应采取煤层注水防尘措施。注水过程中应对流量及压力等参数进行计量”，煤层注水四级指标具体选取如下所示。

1）注水压力d1（MPa）。注水压力越大，水的渗透力越强，但也并非越大越好。长钻孔注水压力可分三类：低压，2.5～3MPa；中压，3～10MPa；高压，10～15MPa。中深钻孔注水压力则为1～5MPa。

2）注水流量d2（m3／（h·m））。小流量注水对煤层润湿效果最好，《问答》中提到“静压注水流量一般为：0.001～0.027m3／（h·m）；动压注水量一般为：0.002～0.24m3／（h·m）。”

3）注水量d3（m3／t）。注水量是影响煤体湿润程度和降尘效果的主要因素，一般中厚煤层吨煤注水量为 0.015～0.03m3／t，厚煤层为0.025～0.04m3／t。

4）注水后煤体水分增加率d4（%）。《煤矿粉尘防治》规定“单孔注水总量应使该钻孔预湿煤体平均水分含量增量大于或等于1.5%，但不宜超过6%。”

1.1.2 采煤机内喷雾C2

《煤矿粉尘防治》规定“采煤机内喷雾压力d5不得小于2.0MPa。”喷雾流量取决于吨煤耗水量和煤炭生产率，查阅矿山实际报告可知：喷雾耗水量d6一般不少于100～150L／min。

1.1.3 采煤机外喷雾C3

《防尘样板化标准》规定“外喷雾应安装使用负压二次降尘装置或高压荷电喷雾装置，外喷雾压力d7不得低于8MPa。”

1.1.4 放顶煤喷雾C4

《煤矿职业危害》规定“放顶煤采煤工作面的放煤口，必须安装高压喷雾装置，喷雾压力d8不低于8MPa。”

1.1.5 液压支架移架时喷雾C5

《防尘样板化标准》规定“支架每架安装一组架间喷雾，喷雾压力d9不低于8MPa。每组架间喷雾须有不少于5个喷嘴d10。”

1.1.6 放煤口喷雾C6

《防尘样板化标准》规定“每组支架安装一组放煤口喷雾，每组不少于2个喷嘴d12，并实现放煤喷雾自动化，喷雾压力d11不低于8MPa。”

1.1.7 输送机转载点喷雾C7

《防尘样板化标准》规定“工作面前后部运输机转载点喷雾应固定在转载机挡煤板上，每个转载点应安设2组喷雾d13。”

1.1.8 转载机转载点喷雾C8

《防尘样板化标准》规定“转载点喷雾应安设至少2个喷嘴d14，转载机转载点喷雾要固定在转载机头上，并进行封闭除尘。”

1.1.9 破碎机喷雾C9

《防尘样板化标准》规定“破碎机必须采取有效的封闭措施喷雾降尘，喷嘴d15不少于5个。”选取破碎机喷雾的喷嘴个数为其定量化四级指标。

1.1.10 溜煤眼转载点喷雾C10

《煤矿职业危害》规定“煤仓放煤口、溜煤眼放煤口采用喷雾降尘，喷雾压力d16不得低于8MPa。”

1.1.11 进风巷水幕C11

《防尘样板化标准》规定“采煤工作面进风巷水幕d17设置两道。第1道距工作面不超过30m处；第2道设在工作面进风巷风流汇合点以内，并实现自动喷雾。”

1.1.12 回风巷风流净化水幕C12

《技术规范》规定“采煤工作面回风巷应安设至少两道风流净化水幕d18，并宜采用自动控制风流净化水幕。”

1.2 机掘工作面防尘B2

1.2.1 掘进机内喷雾C13

《煤矿粉尘防治》规定“掘进机内喷雾使用水压d19不得小于3.0MPa。”

1.2.2 掘进机外喷雾C14

《煤矿粉尘防治》规定“掘进机内喷雾使用水压d20不得小于1.5MPa。”

1.2.3 转载点喷雾C15

《防尘样板化标准》规定“转载点喷雾应安设至少2个喷嘴，相对固定。”选取喷雾装置喷嘴个数d21为其定量化四级指标。

1.2.4 配套除尘风机C16

《防尘样板化标准》规定“必须使用除尘风机和控尘装置，吸风量d22不小于300m3／min。除尘风机距截割头d23不得大于5m。距迎头距离d24不得小于150m。”

1.2.5 风流净化水幕C17

《防尘样板化标准》规定“在距迎头50m以内安设1道水幕，水幕与综掘机实现联动。在掘进工作面回风口100m内安设1道水幕d25，并实现自动化。”

1.2.6 水质过滤器C18

《防尘样板化标准》规定“综掘机进水管路前端安设目数d26不低于120目的水质过滤器，并跟机行走。”

2 利用层次分析法建立综合评价模型

层次分析法的基本思路与人对一个复杂的决策问题的思维判断过程大体一样。

2.1 确定指标权重分配

根据各个指标（u1，u2，……，un）对 U 的影响大小求取权重分配（w1，w2，……wn），应用 T.L.Saaty等人提出的1～9尺度，即aij＝ai／aj的取值范围为1，2，…9及其互反数1，1／2，…1／9，得到判断矩阵，然后可采用幂法、和法或根法计算，确定权重。其中，和法较为简单但精确度不及根法，故而选取根法进行计算。

2.1.1 构建二级指标层对目标层的权重分配集

表2 二级指标层B对A的判断矩阵（i＝1，2）

故权重集A＝（0.75，0.25），A表示二级指标层B1、B2两个因素相对于目标层U的权重分配集。

2.1.2 构造三级指标层对二级指标层的权重分配集

建立判断矩阵，并利用MATLAB软件计算其特征值及特征向量，进行一致性检验，平均随机一致性指标RI值如表3所示，判断矩阵结果则如表4所示。

得权 重 集 B1＝ （0.2962，0.1767，0.1767，0.0518，0.1017，0.0494，0.0227，0.0227，0.0494，0.0227，0.0151，0.0151）即三级指标 C1～C12对于二级指标B1的权重分配集。

同理，如表5所示，可得到三级指标C13～C18对二级指标B2的权重分配集为：B2＝（0.328，0.328，0.1472，0.1046，0.0598，0.0324）。

表3 1阶～20阶的平均随机一致性指标RI值

表4 三级指标层Cj对二级指标B1的判断矩阵（j＝1，2，……，12）

表5 三级指标层Cj对二级指标B2的判断矩阵（j＝13，14，……，18）

2.1.3 构造四级指标层对三级指标层的权重分配集

同样的方法，构造四级指标dk（k＝1，2，……，26）对三级指标Cj（j＝1，2…18）的18个权重集，分别列 举 如 下：C1＝ （0.1998，0.0782，0.1998，0.5222）；C2＝（0.2500，0.7500）；C3＝1＝C4＝C7＝C8＝C9＝C10＝C11＝C12＝C13＝C14＝C15＝C17＝C18；C5＝（0.7500，0.2500）＝C6；C16＝（0.60，0.20，0，20），并经验证得：权重集合均可通过一致性检验。

2.2 隶属函数R的确定

2.2.1 构建评语集V

首先，依据煤矿实际生产过程和相关文献构造评语集：V＝｛v1，v2，v3，v4｝，见表6。

表6 综合评价等级表

由表6可得等级参数列向量为：H＝［90，74.5，59.5，24，5］。

2.2.2 构建隶属函数F

常见的隶属函数模糊分布有矩形分布、梯形分布，三角形分布以及正态分布等，其中三角形分布最易于计算。上限正态分布函数如下所示：（di为实际煤矿各指标数据，且t1＞t2＞t3＞t4）。

其中指标d1，d3～d22及d24～d26均属于上限分布。

下限正态分布曲线则与之相反（具体公式略），四级指标d2，d23属于下限分布。

3 采掘工作面模糊综合评价

3.1 三级指标C模糊综合评价

是指四级指标层d对三级指标层C的评价，包括C1～C18矩阵的计算。

式中：k为三级指标个数；i为各个三级指标所含四级指标个数；W＊k为四级指标权重集；R＊k则由四级指标评价矩阵。例如，煤层注水隶属度R＊1由注水压力d1，流量d2，注水量d3及水分增加率d4四个指标隶属度综合得到。R2～R18同理可得。

3.2 二级指标B模糊综合评价

是指三级指标层C层对二级指标B层的评价：综采工作面B1包括C1～C12指标的评价；机掘工作面B2包括C13～C18指标的评价

3.3 一级指标A模糊综合评价

指二级指标层B对一级指标A的评价

其中，R由二级指标B评价得到

W为二级指标层权重集。

由此，可得等级分数M为：M＝A·HT。

3.4 实例应用

本文通过对某煤矿实际数据进行详细收集，确定出各指标权重W，并代入隶属函数公式求得各四级指标指标隶属度。

分别代入式（1）、式（2）及式（3），计算得出

故该煤矿防尘措施等级为V3：有待完善，评价结论与该煤矿实际情况基本相符。

4 结论

1）针对目前多数指标体系存在的定性化不足，本文依据国家相关法律及规范，结合矿山实际生产过程，建立了采掘工作面防尘措施量化四级评价指标体系，包括18个三级指标、26个四级指标。

2）经过比较、分析各类的评价方法优缺点，最终选取层次分析法与模糊综合评价法相结合作为本文评价方法，并进一步建立了相关评价模型。

3）通过应用某煤矿实际数据分析，得出其评价分数，与实际情况比较基本一致，故其具有一定参考和推广价值。

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