趙清亞，蔣仲安，王 佩，施蕾蕾

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

煤礦粉塵作為造成工人職業(yè)病危害的重要誘因，其治理工作一直是礦山安全生產(chǎn)的重點之一。而采煤、掘進工作面的產(chǎn)塵量占煤礦總產(chǎn)塵量的80%以上，因此成為粉塵治理工作的重中之重。

目前，國內(nèi)粉塵評價指標(biāo)體系中各項除塵技術(shù)指標(biāo)多數(shù)仍為定性指標(biāo)，這對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性及適用性都有一定程度的誤差影響。為此，本文依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2012版）、《綜合防塵樣板化礦井標(biāo)準(zhǔn)及檢查評定辦法》（2011版）（簡稱《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》）、《煤礦井下粉塵綜合防治技術(shù)規(guī)范》（AQ1020－2006）（簡稱《煤礦粉塵防治》）、《煤礦作業(yè)場所職業(yè)危害防治規(guī)定》（2010）（簡稱《煤礦職業(yè)危害》）的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合煤礦實際生產(chǎn)過程，對影響采掘工作面除塵效果的三級定性指標(biāo)，分別選取其主要影響因素細化為四級定量指標(biāo)，并采用層次分析及模糊綜合評價結(jié)合的方法對其除塵效果進行綜合評價。模糊綜合評價是一種在綜合考慮多種模糊因素基礎(chǔ)上，對給定對象進行評價的方法，它涉及三個要素：因素集U、評語集V和單層次決策模型B，在單層次決策模型基礎(chǔ)上進行多因素的模糊綜合評價。

1 建立采掘工作面除塵效果評價指標(biāo)體系U

根據(jù)相關(guān)國家法律法規(guī)及采掘工作面實際生產(chǎn)情況，建立了四級指標(biāo)體系：共包含1個一級指標(biāo)A；2個二級指標(biāo)B1、B2；18個三級指標(biāo) Ci（i＝1，2，……18）；以及26個四級指標(biāo)dj（j＝1，2，……26），詳細指標(biāo)體系及其分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 采掘工作面防塵措施評價指標(biāo)體系

1.1 綜采工作面防塵B1

1.1.1 煤層注水C1

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：除特殊情況外，“采煤工作面應(yīng)采取煤層注水防塵措施。注水過程中應(yīng)對流量及壓力等參數(shù)進行計量”，煤層注水四級指標(biāo)具體選取如下所示。

1）注水壓力d1（MPa）。注水壓力越大，水的滲透力越強，但也并非越大越好。長鉆孔注水壓力可分三類：低壓，2.5～3MPa；中壓，3～10MPa；高壓，10～15MPa。中深鉆孔注水壓力則為1～5MPa。

2）注水流量d2（m3／（h·m））。小流量注水對煤層潤濕效果最好，《問答》中提到“靜壓注水流量一般為：0.001～0.027m3／（h·m）；動壓注水量一般為：0.002～0.24m3／（h·m）?！?/p>

3）注水量d3（m3／t）。注水量是影響煤體濕潤程度和降塵效果的主要因素，一般中厚煤層噸煤注水量為 0.015～0.03m3／t，厚煤層為0.025～0.04m3／t。

4）注水后煤體水分增加率d4（%）?！睹旱V粉塵防治》規(guī)定“單孔注水總量應(yīng)使該鉆孔預(yù)濕煤體平均水分含量增量大于或等于1.5%，但不宜超過6%?！?/p>

1.1.2 采煤機內(nèi)噴霧C2

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“采煤機內(nèi)噴霧壓力d5不得小于2.0MPa?！眹婌F流量取決于噸煤耗水量和煤炭生產(chǎn)率，查閱礦山實際報告可知：噴霧耗水量d6一般不少于100～150L／min。

1.1.3 采煤機外噴霧C3

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“外噴霧應(yīng)安裝使用負壓二次降塵裝置或高壓荷電噴霧裝置，外噴霧壓力d7不得低于8MPa。”

1.1.4 放頂煤噴霧C4

《煤礦職業(yè)危害》規(guī)定“放頂煤采煤工作面的放煤口，必須安裝高壓噴霧裝置，噴霧壓力d8不低于8MPa?！?/p>

1.1.5 液壓支架移架時噴霧C5

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“支架每架安裝一組架間噴霧，噴霧壓力d9不低于8MPa。每組架間噴霧須有不少于5個噴嘴d10。”

1.1.6 放煤口噴霧C6

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“每組支架安裝一組放煤口噴霧，每組不少于2個噴嘴d12，并實現(xiàn)放煤噴霧自動化，噴霧壓力d11不低于8MPa?！?/p>

1.1.7 輸送機轉(zhuǎn)載點噴霧C7

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“工作面前后部運輸機轉(zhuǎn)載點噴霧應(yīng)固定在轉(zhuǎn)載機擋煤板上，每個轉(zhuǎn)載點應(yīng)安設(shè)2組噴霧d13。”

1.1.8 轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)載點噴霧C8

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“轉(zhuǎn)載點噴霧應(yīng)安設(shè)至少2個噴嘴d14，轉(zhuǎn)載機轉(zhuǎn)載點噴霧要固定在轉(zhuǎn)載機頭上，并進行封閉除塵。”

1.1.9 破碎機噴霧C9

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“破碎機必須采取有效的封閉措施噴霧降塵，噴嘴d15不少于5個?！边x取破碎機噴霧的噴嘴個數(shù)為其定量化四級指標(biāo)。

1.1.10 溜煤眼轉(zhuǎn)載點噴霧C10

《煤礦職業(yè)危害》規(guī)定“煤倉放煤口、溜煤眼放煤口采用噴霧降塵，噴霧壓力d16不得低于8MPa?！?/p>

1.1.11 進風(fēng)巷水幕C11

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“采煤工作面進風(fēng)巷水幕d17設(shè)置兩道。第1道距工作面不超過30m處；第2道設(shè)在工作面進風(fēng)巷風(fēng)流匯合點以內(nèi)，并實現(xiàn)自動噴霧?！?/p>

1.1.12 回風(fēng)巷風(fēng)流凈化水幕C12

《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“采煤工作面回風(fēng)巷應(yīng)安設(shè)至少兩道風(fēng)流凈化水幕d18，并宜采用自動控制風(fēng)流凈化水幕?！?/p>

1.2 機掘工作面防塵B2

1.2.1 掘進機內(nèi)噴霧C13

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“掘進機內(nèi)噴霧使用水壓d19不得小于3.0MPa?！?/p>

1.2.2 掘進機外噴霧C14

《煤礦粉塵防治》規(guī)定“掘進機內(nèi)噴霧使用水壓d20不得小于1.5MPa。”

1.2.3 轉(zhuǎn)載點噴霧C15

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“轉(zhuǎn)載點噴霧應(yīng)安設(shè)至少2個噴嘴，相對固定?！边x取噴霧裝置噴嘴個數(shù)d21為其定量化四級指標(biāo)。

1.2.4 配套除塵風(fēng)機C16

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“必須使用除塵風(fēng)機和控塵裝置，吸風(fēng)量d22不小于300m3／min。除塵風(fēng)機距截割頭d23不得大于5m。距迎頭距離d24不得小于150m。”

1.2.5 風(fēng)流凈化水幕C17

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“在距迎頭50m以內(nèi)安設(shè)1道水幕，水幕與綜掘機實現(xiàn)聯(lián)動。在掘進工作面回風(fēng)口100m內(nèi)安設(shè)1道水幕d25，并實現(xiàn)自動化?！?/p>

1.2.6 水質(zhì)過濾器C18

《防塵樣板化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“綜掘機進水管路前端安設(shè)目數(shù)d26不低于120目的水質(zhì)過濾器，并跟機行走。”

2 利用層次分析法建立綜合評價模型

層次分析法的基本思路與人對一個復(fù)雜的決策問題的思維判斷過程大體一樣。

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重分配

根據(jù)各個指標(biāo)（u1，u2，……，un）對 U 的影響大小求取權(quán)重分配（w1，w2，……wn），應(yīng)用 T.L.Saaty等人提出的1～9尺度，即aij＝ai／aj的取值范圍為1，2，…9及其互反數(shù)1，1／2，…1／9，得到判斷矩陣，然后可采用冪法、和法或根法計算，確定權(quán)重。其中，和法較為簡單但精確度不及根法，故而選取根法進行計算。

2.1.1 構(gòu)建二級指標(biāo)層對目標(biāo)層的權(quán)重分配集

表2 二級指標(biāo)層B對A的判斷矩陣（i＝1，2）

故權(quán)重集A＝（0.75，0.25），A表示二級指標(biāo)層B1、B2兩個因素相對于目標(biāo)層U的權(quán)重分配集。

2.1.2 構(gòu)造三級指標(biāo)層對二級指標(biāo)層的權(quán)重分配集

建立判斷矩陣，并利用MATLAB軟件計算其特征值及特征向量，進行一致性檢驗，平均隨機一致性指標(biāo)RI值如表3所示，判斷矩陣結(jié)果則如表4所示。

得權(quán) 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）即三級指標(biāo) C1～C12對于二級指標(biāo)B1的權(quán)重分配集。

同理，如表5所示，可得到三級指標(biāo)C13～C18對二級指標(biāo)B2的權(quán)重分配集為：B2＝（0.328，0.328，0.1472，0.1046，0.0598，0.0324）。

表3 1階～20階的平均隨機一致性指標(biāo)RI值

表4 三級指標(biāo)層Cj對二級指標(biāo)B1的判斷矩陣（j＝1，2，……，12）

表5 三級指標(biāo)層Cj對二級指標(biāo)B2的判斷矩陣（j＝13，14，……，18）

2.1.3 構(gòu)造四級指標(biāo)層對三級指標(biāo)層的權(quán)重分配集

同樣的方法，構(gòu)造四級指標(biāo)dk（k＝1，2，……，26）對三級指標(biāo)Cj（j＝1，2…18）的18個權(quán)重集，分別列 舉 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），并經(jīng)驗證得：權(quán)重集合均可通過一致性檢驗。

2.2 隸屬函數(shù)R的確定

2.2.1 構(gòu)建評語集V

首先，依據(jù)煤礦實際生產(chǎn)過程和相關(guān)文獻構(gòu)造評語集：V＝｛v1，v2，v3，v4｝，見表6。

表6 綜合評價等級表

由表6可得等級參數(shù)列向量為：H＝［90，74.5，59.5，24，5］。

2.2.2 構(gòu)建隸屬函數(shù)F

常見的隸屬函數(shù)模糊分布有矩形分布、梯形分布，三角形分布以及正態(tài)分布等，其中三角形分布最易于計算。上限正態(tài)分布函數(shù)如下所示：（di為實際煤礦各指標(biāo)數(shù)據(jù)，且t1＞t2＞t3＞t4）。

其中指標(biāo)d1，d3～d22及d24～d26均屬于上限分布。

下限正態(tài)分布曲線則與之相反（具體公式略），四級指標(biāo)d2，d23屬于下限分布。

3 采掘工作面模糊綜合評價

3.1 三級指標(biāo)C模糊綜合評價

是指四級指標(biāo)層d對三級指標(biāo)層C的評價，包括C1～C18矩陣的計算。

式中：k為三級指標(biāo)個數(shù)；i為各個三級指標(biāo)所含四級指標(biāo)個數(shù)；W＊k為四級指標(biāo)權(quán)重集；R＊k則由四級指標(biāo)評價矩陣。例如，煤層注水隸屬度R＊1由注水壓力d1，流量d2，注水量d3及水分增加率d4四個指標(biāo)隸屬度綜合得到。R2～R18同理可得。

3.2 二級指標(biāo)B模糊綜合評價

是指三級指標(biāo)層C層對二級指標(biāo)B層的評價：綜采工作面B1包括C1～C12指標(biāo)的評價；機掘工作面B2包括C13～C18指標(biāo)的評價

3.3 一級指標(biāo)A模糊綜合評價

指二級指標(biāo)層B對一級指標(biāo)A的評價

其中，R由二級指標(biāo)B評價得到

W為二級指標(biāo)層權(quán)重集。

由此，可得等級分數(shù)M為：M＝A·HT。

3.4 實例應(yīng)用

本文通過對某煤礦實際數(shù)據(jù)進行詳細收集，確定出各指標(biāo)權(quán)重W，并代入隸屬函數(shù)公式求得各四級指標(biāo)指標(biāo)隸屬度。

分別代入式（1）、式（2）及式（3），計算得出

故該煤礦防塵措施等級為V3：有待完善，評價結(jié)論與該煤礦實際情況基本相符。

4 結(jié)論

1）針對目前多數(shù)指標(biāo)體系存在的定性化不足，本文依據(jù)國家相關(guān)法律及規(guī)范，結(jié)合礦山實際生產(chǎn)過程，建立了采掘工作面防塵措施量化四級評價指標(biāo)體系，包括18個三級指標(biāo)、26個四級指標(biāo)。

2）經(jīng)過比較、分析各類的評價方法優(yōu)缺點，最終選取層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合作為本文評價方法，并進一步建立了相關(guān)評價模型。

3）通過應(yīng)用某煤礦實際數(shù)據(jù)分析，得出其評價分數(shù)，與實際情況比較基本一致，故其具有一定參考和推廣價值。

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