基于模糊層次分析的深井熱害風險評價及防治?

徐佳昕,游 波,2,施式亮,劉何清,雷克江

(1．湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭市 411201;2．煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭市 411201;3．武漢工程大學 興發礦業學院, 湖北 武漢 430073)

隨著我國經濟的迅猛發展和人民生活水平的提高,礦產資源的消耗量也逐漸上升,礦井開采深度不斷加大,同時,伴隨著機械化程度升高,深井下的熱害問題越發突出。據統計調查得知[1],我國煤礦開采速度每年大約以8~12 m的速度向地下延伸,高溫熱害問題不斷加劇,盡管國內外在礦井熱害防治領域已取得了一定的研究成果,但由于井下條件的局限性和多樣性,僅僅采用單一的降溫措施,不僅難以達到理想的降溫效果,還可能會給礦山帶來巨大的經濟壓力和安全隱患。因此,進一步對深井熱害問題進行分析評價,提出切實可行的對策措施至關重要。

1 深井熱害產生原因及危害

1．1 井下熱害來源分析

深井熱害并不是由單一的影響因素造成,而是由多種因素共同作用的結果,從總體上看,造成深井高溫熱害的主要原因有地面大氣溫度變化、圍巖溫度與風流熱交換、空氣自壓縮放熱、井巷內熱水和熱氣放熱、機電設備運轉過程的熱量、礦區中煤炭氧化放熱、爆破放熱、運輸過程中煤矸散發的熱量以及人員放熱等[2]。

1．2 井下熱害的危害

礦井熱害環境不但會影響井下作業人員的身體健康,還時刻威脅礦井的安全生產。工人在高溫高濕的環境中作業時,人體的血壓、心率、呼吸率、疲勞度、注意力和記憶力都會發生改變,人體的熱平衡被破壞,對流和輻射換熱均由外界傳向人體,從而對人體健康和工作效率造成一系列不良的影響。如:

(1)工人長時間在高溫環境下作業勞動,大腦易處于疲倦、昏睡的精神狀態,心理上也易感到煩躁不安,再加上繁重的作業勞動,大幅度地降低作業人員的機警能力以及勞動生產效率。

(2)井下熱環境會對人體的血壓、心率、呼吸頻率和記憶力造成嚴重影響,使井下作業人員感覺不適,降低其作業效率,對安全生產造成不利影響[3-4]。

2 深井熱害模糊層次分析

深井下的熱害環境能否得到合理有效的控制與解決,直接對工人的身體健康和礦山企業的經濟效益造成影響。因此,為了創造良好的井下作業環境,使井下作業環境既舒適安全又經濟合理,必須對深井熱害原因進行分析評價,并結合地質環境和生產狀況等實際情況,選擇合理可靠的降溫措施。

2．1 深井熱害評判因素集和評語集的確定

(1)因素集。由于引起深井熱害的因素復雜多樣,本文僅僅選取了地址環境c1,機械設備c2,氧化及代謝過程c3這3個主要因素進行模糊層次分析,所含的二級評價因素集cij共含11個子因素,其評判集分別可以表示為:

c1j＝{圍巖放熱,地下熱水及熱氣,地表大氣}

c2j＝{采掘機械設備放熱,提升運輸機械設備放熱,通風設備放熱,照明設備放熱,水泵放熱}

c3j＝{礦物及其它有機物氧化放熱,爆破工作放熱,人員放熱}

根據深井熱害評價因素的識別,建立評價因素層次結構如圖1所示。

圖1 深井熱害影響因素模糊判斷層次結構

(2)評語集。評語集的確立從本質上來講就是對深井熱害防治主要對策措施的選擇。本課題將待選擇的深井降溫措施作為評判集,定義為V＝{v1,v2,v3,v4,v5}＝{礦井通風系統降溫,選擇合理的開拓方式降溫,礦井制冷系統降溫,礦井空調系統降溫,個體防護設備降溫},再由多位評判專家根據自己的知識和實踐經驗給各種降溫措施進行投票,然后統計出各降溫措施所得的票數,依據支持人數最多的指標選出降溫效果最好的降溫措施。

2．2 各因素指標權重的確定

權重表示某一個評價指標所包含的評價因素在確定評語等級時的重要性程度或貢獻大小[5]。模糊層次分析法在確定各因素的權重時客觀性強,能夠較好地避免其它評價方法較強的主觀性,提高評價結果的可靠性,十分適合用于本文的研究。

2．2．1 一級評判因素權重確定

一級評判因素C＝{c1,c2,c3}＝{地址環境,機械設備,氧化及代謝過程},根據以上這3個判斷因素,分別進行兩兩比較其重要程度的隸屬度,得出的模糊一致判斷矩陣如下:

計算得出其權重為:

w＝ (0．314,0．453,0．233)T

2．2．2 二級評判因素權重確定

(1)按照模糊層次分析法的評價程序,依據各評價因素重要程度隸屬度兩兩比較的結果,得出深井熱害二級評判因素集cij對應的模糊一致性判斷矩陣及其權重分配關系如表1所示。

表1 深井熱害影響因素二級評判因素權重

(2)將一級、二級綜合評判因素計算所得的權重匯總于表2。對于二級評判因素pij,分別讓每位專家依據自身的知識和見解,對降溫措施進行投票選擇,然后依據專家票數對該指標進行評判,確定單因素判斷矩陣。

(3)由表2中10位專家對5種降溫措施的投票結果可以得到地質環境c1、機械設備c2和氧化及代謝過程c3這3個一級評判因素的單因素評判矩陣分別如下:

表2 評價因素及降溫措施選擇權重匯總

(4)根據表1可知,二級評判因素pij的權重分配為:

采用M(＋,·)運算有:

已知一級評判因素c1,c2,c3的權重為A＝(0．314,0．453,0．233),因此B＝A·R＝(0．135,0．098,0．254,0．312,0．210)。

根據以上的計算可以得出,深井熱害影響因素中通風設備、地下熱水及熱氣及圍巖散熱對井下熱環境危害程度最大,評判向量0．312所對應的礦井空調降溫措施值最大,因此在深井下的降溫效果最佳。對照評語集的降溫措施,可以得知,礦井空調系統降溫措施為深井最優的降溫方案,然后依次是礦井制冷系統、個體防護設備、礦井通風系統,最后是選擇合理的開拓方式降溫,但在實際生產過程中,需要依據生產的需要和經濟性的要求,綜合選擇和使用上述各種降溫措施。

3 深井熱害的防治對策

由于礦井開采深度不斷加深,高溫高濕等惡劣的環境問題越發明顯,我國部分礦井開采深度已達到甚至超過1000 m,熱害問題嚴重影響著深井開采的順利進行,降低了井下工人的勞動效率、威脅井下工人的生命安全與健康,根據我國《煤礦安全規程》規定:一旦空氣的溫度超過規定標準時,應當立即采取相應的降溫措施。因此,使用有效可靠的治理方案來保障井下工作環境的舒適和安全非常必要。

3．1 通風降溫

通風降溫經常使用的方法有3種:

(1)選用合理的通風系統。盡可能選擇進風路線短、分區進風的通風方式,減小因風流沿途吸熱導致溫度升高,降低風流到達工作面前的溫度升高值[6];

(2)適當增加風量。在一定程度上,增大風量有利于降低溫度,但當風量增大到一定量值時,再增大風量將不會對風溫產生任何實際意義的影響,反而會影響人體熱、浪費能量,使得礦井通風費用增加[7];

(3)增強礦井通風安全管理。盡可能避免或減小采空區漏風,提高采煤工作面的有效風量。

3．2 改變礦井通風方式

在一般情況下,將上行風改為下行風可使工作面風流溫度降低1℃~2℃[8]。

3．3 冰冷降溫

冰冷降溫是從地面制冰系統取已制好的粒狀或者泥狀冰,通過風力或者水力將冰送到井下,利用冰溶解吸熱使水冷卻到0℃,然后將冷卻水送至各采煤工作面。相較于一般的礦井空調制冷系統而言,冰冷降溫系統能在相同冷負荷條件下,向井下輸送更少的冰量[9]。

3．4 控制熱源降溫

(1)圍巖散熱的控制。可通過向巖壁上噴涂防水性能和隔熱效果好的物質(如聚乙烯泡沫、鍋爐渣等),從而阻斷圍巖的傳熱路徑[10]。

(2)將水注入煤層之中。可以通過在煤層上鉆孔,然后利用水壓將低溫水注入煤層,從而起到預冷臨近煤層和巖體的作用,這種方法不僅可以使采煤工作面的風流溫度降低1℃~5℃,還可以起到防治瓦斯和沖擊礦壓以及防治粉塵的作用。

(3)控制機械熱。可根據各種發熱機械的差別,采用不同的控制方法。例如,為井下散熱量較大的大型機電硐室設立單獨的通風路線,從而使機械設備產生的熱量隨回風流排出[11];選取合適的地點開鑿機電硐室并配備與其相對應的輔助通風機來輔助散發熱量;盡可能使用機械效率比較高的機電設備等。

(4)處理熱水和熱管道。利用隔熱管道或者加隔熱蓋板的水溝預先對井下熱水進行導排疏放[10];可以利用回風井排水,在回風井設置水倉,所有回風水平涌出的熱水均應該經由回風井向地面排出,防止熱水流入進風水平或者進風巷道對風流加熱,使風流溫度升高;將明水溝改造成為暗水溝,降低井下熱水散發到空氣中的熱量[12]。

3．5 礦井空調系統降溫

對于高溫熱害礦井而言,熱害問題已經不能僅僅單靠礦井通風的方式進行降溫處理,要改善礦井的熱害狀況,必須采用礦井空調系統解決礦井熱害問題。礦井空調系統有多種形式,必須結合礦井的實際情況選擇合理的礦井空調系統。

3．6 冷卻服

當考慮到經濟問題或采取其他降溫措施效果不明顯的熱害區域,就必須采用個體防護措施降溫。冷卻服有助于吸收人體新陳代謝產生的熱量并且抵御來自外界環境中熱量的傷害,是井下熱害環境中工人抵御高溫侵害、提高作業效率的主要防護用品之一[13]。

4 結 論

本論文對深井熱害原因及其防治的安全對策措施進行了簡要的分析,并基于模糊層次分析法對深井熱害風險及防治措施進行了評價,根據評價結果可以看出深井下通風設備、地下熱水和熱氣以及圍巖放熱對井下熱環境影響最大。同時,根據模糊層次分析法中各降溫措施權重,得出礦井空調降溫措施對解決深井熱害問題效果最為明顯,與礦山各降溫措施的降溫效果實際情況相符。但在實際生產過程中,要結合具體情況,必要時可將各類降溫措施綜合起來,采取既安全合理、又經濟可靠的降溫措施。