基于模糊层次分析的深井热害风险评价及防治∗

徐佳昕,游 波,2,施式亮,刘何清,雷克江

(1．湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭市 411201;2．煤矿安全开采技术湖南省重点实验室, 湖南 湘潭市 411201;3．武汉工程大学 兴发矿业学院, 湖北 武汉 430073)

随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的提高,矿产资源的消耗量也逐渐上升,矿井开采深度不断加大,同时,伴随着机械化程度升高,深井下的热害问题越发突出。据统计调查得知[1],我国煤矿开采速度每年大约以8~12 m的速度向地下延伸,高温热害问题不断加剧,尽管国内外在矿井热害防治领域已取得了一定的研究成果,但由于井下条件的局限性和多样性,仅仅采用单一的降温措施,不仅难以达到理想的降温效果,还可能会给矿山带来巨大的经济压力和安全隐患。因此,进一步对深井热害问题进行分析评价,提出切实可行的对策措施至关重要。

1 深井热害产生原因及危害

1．1 井下热害来源分析

深井热害并不是由单一的影响因素造成,而是由多种因素共同作用的结果,从总体上看,造成深井高温热害的主要原因有地面大气温度变化、围岩温度与风流热交换、空气自压缩放热、井巷内热水和热气放热、机电设备运转过程的热量、矿区中煤炭氧化放热、爆破放热、运输过程中煤矸散发的热量以及人员放热等[2]。

1．2 井下热害的危害

矿井热害环境不但会影响井下作业人员的身体健康,还时刻威胁矿井的安全生产。工人在高温高湿的环境中作业时,人体的血压、心率、呼吸率、疲劳度、注意力和记忆力都会发生改变,人体的热平衡被破坏,对流和辐射换热均由外界传向人体,从而对人体健康和工作效率造成一系列不良的影响。如:

(1)工人长时间在高温环境下作业劳动,大脑易处于疲倦、昏睡的精神状态,心理上也易感到烦躁不安,再加上繁重的作业劳动,大幅度地降低作业人员的机警能力以及劳动生产效率。

(2)井下热环境会对人体的血压、心率、呼吸频率和记忆力造成严重影响,使井下作业人员感觉不适,降低其作业效率,对安全生产造成不利影响[3-4]。

2 深井热害模糊层次分析

深井下的热害环境能否得到合理有效的控制与解决,直接对工人的身体健康和矿山企业的经济效益造成影响。因此,为了创造良好的井下作业环境,使井下作业环境既舒适安全又经济合理,必须对深井热害原因进行分析评价,并结合地质环境和生产状况等实际情况,选择合理可靠的降温措施。

2．1 深井热害评判因素集和评语集的确定

(1)因素集。由于引起深井热害的因素复杂多样,本文仅仅选取了地址环境c1,机械设备c2,氧化及代谢过程c3这3个主要因素进行模糊层次分析,所含的二级评价因素集cij共含11个子因素,其评判集分别可以表示为:

c1j＝{围岩放热,地下热水及热气,地表大气}

c2j＝{采掘机械设备放热,提升运输机械设备放热,通风设备放热,照明设备放热,水泵放热}

c3j＝{矿物及其它有机物氧化放热,爆破工作放热,人员放热}

根据深井热害评价因素的识别,建立评价因素层次结构如图1所示。

图1 深井热害影响因素模糊判断层次结构

(2)评语集。评语集的确立从本质上来讲就是对深井热害防治主要对策措施的选择。本课题将待选择的深井降温措施作为评判集,定义为V＝{v1,v2,v3,v4,v5}＝{矿井通风系统降温,选择合理的开拓方式降温,矿井制冷系统降温,矿井空调系统降温,个体防护设备降温},再由多位评判专家根据自己的知识和实践经验给各种降温措施进行投票,然后统计出各降温措施所得的票数,依据支持人数最多的指标选出降温效果最好的降温措施。

2．2 各因素指标权重的确定

权重表示某一个评价指标所包含的评价因素在确定评语等级时的重要性程度或贡献大小[5]。模糊层次分析法在确定各因素的权重时客观性强,能够较好地避免其它评价方法较强的主观性,提高评价结果的可靠性,十分适合用于本文的研究。

2．2．1 一级评判因素权重确定

一级评判因素C＝{c1,c2,c3}＝{地址环境,机械设备,氧化及代谢过程},根据以上这3个判断因素,分别进行两两比较其重要程度的隶属度,得出的模糊一致判断矩阵如下:

计算得出其权重为:

w＝ (0．314,0．453,0．233)T

2．2．2 二级评判因素权重确定

(1)按照模糊层次分析法的评价程序,依据各评价因素重要程度隶属度两两比较的结果,得出深井热害二级评判因素集cij对应的模糊一致性判断矩阵及其权重分配关系如表1所示。

表1 深井热害影响因素二级评判因素权重

(2)将一级、二级综合评判因素计算所得的权重汇总于表2。对于二级评判因素pij,分别让每位专家依据自身的知识和见解,对降温措施进行投票选择,然后依据专家票数对该指标进行评判,确定单因素判断矩阵。

(3)由表2中10位专家对5种降温措施的投票结果可以得到地质环境c1、机械设备c2和氧化及代谢过程c3这3个一级评判因素的单因素评判矩阵分别如下:

表2 评价因素及降温措施选择权重汇总

(4)根据表1可知,二级评判因素pij的权重分配为:

采用M(＋,·)运算有:

已知一级评判因素c1,c2,c3的权重为A＝(0．314,0．453,0．233),因此B＝A·R＝(0．135,0．098,0．254,0．312,0．210)。

根据以上的计算可以得出,深井热害影响因素中通风设备、地下热水及热气及围岩散热对井下热环境危害程度最大,评判向量0．312所对应的矿井空调降温措施值最大,因此在深井下的降温效果最佳。对照评语集的降温措施,可以得知,矿井空调系统降温措施为深井最优的降温方案,然后依次是矿井制冷系统、个体防护设备、矿井通风系统,最后是选择合理的开拓方式降温,但在实际生产过程中,需要依据生产的需要和经济性的要求,综合选择和使用上述各种降温措施。

3 深井热害的防治对策

由于矿井开采深度不断加深,高温高湿等恶劣的环境问题越发明显,我国部分矿井开采深度已达到甚至超过1000 m,热害问题严重影响着深井开采的顺利进行,降低了井下工人的劳动效率、威胁井下工人的生命安全与健康,根据我国《煤矿安全规程》规定:一旦空气的温度超过规定标准时,应当立即采取相应的降温措施。因此,使用有效可靠的治理方案来保障井下工作环境的舒适和安全非常必要。

3．1 通风降温

通风降温经常使用的方法有3种:

(1)选用合理的通风系统。尽可能选择进风路线短、分区进风的通风方式,减小因风流沿途吸热导致温度升高,降低风流到达工作面前的温度升高值[6];

(2)适当增加风量。在一定程度上,增大风量有利于降低温度,但当风量增大到一定量值时,再增大风量将不会对风温产生任何实际意义的影响,反而会影响人体热、浪费能量,使得矿井通风费用增加[7];

(3)增强矿井通风安全管理。尽可能避免或减小采空区漏风,提高采煤工作面的有效风量。

3．2 改变矿井通风方式

在一般情况下,将上行风改为下行风可使工作面风流温度降低1℃~2℃[8]。

3．3 冰冷降温

冰冷降温是从地面制冰系统取已制好的粒状或者泥状冰,通过风力或者水力将冰送到井下,利用冰溶解吸热使水冷却到0℃,然后将冷却水送至各采煤工作面。相较于一般的矿井空调制冷系统而言,冰冷降温系统能在相同冷负荷条件下,向井下输送更少的冰量[9]。

3．4 控制热源降温

(1)围岩散热的控制。可通过向岩壁上喷涂防水性能和隔热效果好的物质(如聚乙烯泡沫、锅炉渣等),从而阻断围岩的传热路径[10]。

(2)将水注入煤层之中。可以通过在煤层上钻孔,然后利用水压将低温水注入煤层,从而起到预冷临近煤层和岩体的作用,这种方法不仅可以使采煤工作面的风流温度降低1℃~5℃,还可以起到防治瓦斯和冲击矿压以及防治粉尘的作用。

(3)控制机械热。可根据各种发热机械的差别,采用不同的控制方法。例如,为井下散热量较大的大型机电硐室设立单独的通风路线,从而使机械设备产生的热量随回风流排出[11];选取合适的地点开凿机电硐室并配备与其相对应的辅助通风机来辅助散发热量;尽可能使用机械效率比较高的机电设备等。

(4)处理热水和热管道。利用隔热管道或者加隔热盖板的水沟预先对井下热水进行导排疏放[10];可以利用回风井排水,在回风井设置水仓,所有回风水平涌出的热水均应该经由回风井向地面排出,防止热水流入进风水平或者进风巷道对风流加热,使风流温度升高;将明水沟改造成为暗水沟,降低井下热水散发到空气中的热量[12]。

3．5 矿井空调系统降温

对于高温热害矿井而言,热害问题已经不能仅仅单靠矿井通风的方式进行降温处理,要改善矿井的热害状况,必须采用矿井空调系统解决矿井热害问题。矿井空调系统有多种形式,必须结合矿井的实际情况选择合理的矿井空调系统。

3．6 冷却服

当考虑到经济问题或采取其他降温措施效果不明显的热害区域,就必须采用个体防护措施降温。冷却服有助于吸收人体新陈代谢产生的热量并且抵御来自外界环境中热量的伤害,是井下热害环境中工人抵御高温侵害、提高作业效率的主要防护用品之一[13]。

4 结 论

本论文对深井热害原因及其防治的安全对策措施进行了简要的分析,并基于模糊层次分析法对深井热害风险及防治措施进行了评价,根据评价结果可以看出深井下通风设备、地下热水和热气以及围岩放热对井下热环境影响最大。同时,根据模糊层次分析法中各降温措施权重,得出矿井空调降温措施对解决深井热害问题效果最为明显,与矿山各降温措施的降温效果实际情况相符。但在实际生产过程中,要结合具体情况,必要时可将各类降温措施综合起来,采取既安全合理、又经济可靠的降温措施。