李曉豁，焦 麗，沙永東，楊婷婷，何 洋，李 婷

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000)

采煤機(jī)滾筒參數(shù)與塵肺病患病率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型

李曉豁，焦 麗，沙永東，楊婷婷，何 洋，李 婷

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000)

為了研究采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)對塵肺病患病率的影響，以期改進(jìn)滾筒設(shè)計、降低塵肺病患病率，以采煤機(jī)截割粉塵的產(chǎn)生機(jī)理和現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在假定工作面呼吸性粉塵濃度與采煤機(jī)截割比能耗成線性關(guān)系的條件下，通過對采煤機(jī)滾筒各設(shè)計參數(shù)與呼吸性粉塵濃度、塵肺病患病機(jī)理之間關(guān)系的研究，給出了工人接塵量的計算方法。綜合分析各因素的影響，建立了采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)和塵肺病患病率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對該模型進(jìn)行了顯著性檢驗。結(jié)果表明:回歸方程具有顯著意義，數(shù)學(xué)模型具備較好的擬合性。該項研究可為改進(jìn)現(xiàn)有采煤機(jī)滾筒的設(shè)計，減少截割粉塵、降低塵肺病發(fā)生、預(yù)測新設(shè)計采煤機(jī)工作時對塵肺病患病率的影響以及為采煤機(jī)工作性能的評價提供理論依據(jù)。

采煤機(jī);滾筒;采煤工作面;粉塵濃度;塵肺病患病率;數(shù)學(xué)模型

收稿日期: 2013-06-01
基金項目:國家自然科學(xué)基金項目( 59774033) ;遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃項目( 2008403010) ;遼寧省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局安全生產(chǎn)科技發(fā)展計劃項目(遼安監(jiān)規(guī)劃[2009]88號文)
第一作者簡介:李曉豁( 1953-)，男，遼寧省錦州人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向:現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論與方法、機(jī)電液系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用、工礦裝備運(yùn)行理論與設(shè)計、車輛系統(tǒng)動態(tài)特性與控制，E-mail: lixiaohuo@163．com。

0引言

煤礦井下的粉塵是惡化作業(yè)環(huán)境、影響礦工身體健康、降低機(jī)器工作可靠性與使用壽命、導(dǎo)致粉塵爆炸的主要根源[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，全國煤礦的塵肺病患者約48萬人，每年新增患者超過1. 5萬人，年均死亡大約2 300人，由塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)80億元，而由于粉塵爆炸給國家財產(chǎn)和人民生命安全造成的影響和損失更是巨大和慘痛。檢測結(jié)果表明，在機(jī)械化采煤工作面，采煤機(jī)截割過程產(chǎn)生的粉塵約占整個工作面粉塵總量的80%，正是這些粉塵惡化工作面環(huán)境，對礦工的身體健康和煤炭生產(chǎn)的安全造成極大的危害。

有研究發(fā)現(xiàn)[5-11]，采煤機(jī)的設(shè)計參數(shù)決定著機(jī)器的產(chǎn)塵量，工作面的粉塵濃度，是影響工作面環(huán)境、引發(fā)塵肺病的主要因素。為此，國內(nèi)、外對于采煤機(jī)工作面粉塵的形成機(jī)理、降塵方法進(jìn)行了大量的研究[12-20]，這些研究對于搞清工作面粉塵成因，采取有效措施改善工作面環(huán)境具有重要的意義。然而，在建立采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)與塵肺病發(fā)病率之間的關(guān)系方面，相關(guān)的研究還不多見。筆者將在塵肺病患病機(jī)理、截割產(chǎn)塵機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，以實驗結(jié)果和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用線性回歸的方法建立采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)和塵肺病患病率的數(shù)學(xué)模型，分析各參數(shù)與塵肺病患病率的關(guān)系。

1塵肺病患病機(jī)理

當(dāng)工人在采煤工作面工作時，懸浮在空氣中的呼吸性粉塵會隨著人體呼吸被帶入呼吸道、氣管和肺部，一直深入到肺泡。當(dāng)肺泡中的粉塵沉積量(又稱接塵量)達(dá)到20 g時，就會100%地患上塵肺病[21-24]。

在筆者的研究中，將一個人在工作面工作一年肺泡中所沉積的粉塵量，與可以導(dǎo)致患塵肺病的肺泡中的臨界粉塵量的比值，定義為在工作面工作一年所患塵肺病的概率。

通過上述分析可知，一個人的接塵量與工作時間、呼吸狀況(主要是每分鐘呼吸次數(shù)和肺泡一次通氣量)、呼吸性粉塵體積濃度有關(guān)，而呼吸性粉塵體積濃度是與采煤機(jī)滾筒的設(shè)計參數(shù)密切相關(guān)的[25-26]。

2粉塵收集的基本條件

為了研究采煤機(jī)滾筒參數(shù)與工作面環(huán)境的關(guān)系，從多個礦業(yè)集團(tuán)(煤業(yè)集團(tuán))及其衛(wèi)生所、職業(yè)病防治中心共收集了100組數(shù)據(jù)，其中包括工作面粉塵檢測數(shù)據(jù)、在工作面工作一年肺部的粉塵沉積量以及相應(yīng)的采煤機(jī)設(shè)計參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。

在收集這些數(shù)據(jù)的過程中，遵循以下測性條件:

( 1)測塵工作面均為綜采工作面，測塵時采煤機(jī)處于正常割煤狀態(tài)，被測對象是在這種狀態(tài)下工作的工人;

( 2)選擇防塵技術(shù)比較規(guī)范的礦井，測塵時采煤機(jī)內(nèi)、外噴霧系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài);

( 3)測塵時工作面通風(fēng)狀態(tài)正常;

( 4)測塵點選在采煤機(jī)的頭、尾處，以及工作面的回風(fēng)處;

( 5)采煤機(jī)工作煤層為中硬煤層;

( 6)煤層的含水量約為1%。

3 數(shù)學(xué)模型

3. 1 工人的接塵量

按前面的定義，工人在工作面工作一年的接塵量

式中:ρ——工作面呼吸性粉塵體積質(zhì)量，mg/m3;

t——年工作時間，min;

?——每次呼吸肺泡通氣量，按工作強(qiáng)度和個體素質(zhì)確定，mL/次;

φ——工作時的呼吸頻率，次/min;

η——粉塵沉積率，因只有2%的粉塵駐留在肺泡中，因此取η=0. 02。

3. 2 工人患塵肺病的概率

根據(jù)文獻(xiàn)[27-28]可知，工作面粉塵濃度與采煤機(jī)截割比能耗成線性關(guān)系。研究表明，當(dāng)煤層含水量一定時，在采煤機(jī)正常截割、且符合上述測塵條件時，工作面的粉塵中各種粒度的粉塵是成比例的。因此，可以認(rèn)為工作面的呼吸性粉塵濃度與采煤機(jī)的截割比能耗為線性關(guān)系。

取滾筒直徑d、螺旋葉片頭數(shù)z、截線間距b、每線齒數(shù)i、最大切屑厚度，v為采煤機(jī)牽引速度，ω為滾筒轉(zhuǎn)速)為自變元fj( j = 1，2，…，5)，則工人在給定的采煤機(jī)參數(shù)下工作一年患塵肺病的概率

式中: lj——第j個自變元系數(shù)，( j =0，1，2，…，5) ;

fij——第i個樣本的第j個自變元;

εi——除fi1、fi2、fi3、fi4、fi5外各隨機(jī)因素的影響，又稱誤差項。

對于n組數(shù)據(jù)，有如下矩陣形式的方程組

設(shè)l0、l1、l2、l3、l4、l5的估計值分別為m0、m1、m2、m3、m4、m5，則回歸方程式中: p^i——pi的估計值。

經(jīng)整理，得

可表示為

n

為了比較回歸方程中各自變元對p的影響程度，以提高計算精度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用相關(guān)系數(shù)rij、riq來構(gòu)造正規(guī)方程組。

記為

求出回歸系數(shù)后，便可得到最小二乘法意義下的回歸模型

3. 3塵肺病患病率與采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)的關(guān)系

將已知數(shù)據(jù)、求得的結(jié)果等代入式( 7)，得到采煤工作面塵肺病患病率p與采煤機(jī)滾筒各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型

4 模型檢驗

為了確定所建立模型的擬合精度，需對其進(jìn)行顯著性檢驗。

因回歸平方和

其自由度為fR= y( y為自變元的總個數(shù))，而殘差的平方和

其自由度為fE= n-y-1。

由于統(tǒng)計量

可見，在顯著性水平下拒絕接受原假設(shè)，說明該回歸方程具有顯著性意義。因反映觀測值與回歸值間相關(guān)程度的決定系數(shù)R2= SR/Spp= 0. 914 1>0. 8，由此可知，該模型具有較好的擬合程度。

5 結(jié)束語

該研究給出了工人在工作面工作一年的接塵量計算方法，建立了在給定采煤機(jī)滾筒參數(shù)條件下工作一年患塵肺病的概率模型，為定量分析塵肺病發(fā)病率奠定了基礎(chǔ)。通過假定工作面呼吸性粉塵濃度與采煤機(jī)截割比能耗成線性關(guān)系，綜合考慮各因素，建立了呼吸性粉塵濃度與采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)之間關(guān)系的廣義線性模型，經(jīng)顯著性檢驗，證明該模型具有較好的擬合程度。建立的塵肺病發(fā)病率與采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可以為分析和確定不同采煤機(jī)滾筒參數(shù)下的塵肺病患病率提供參考。

該研究為預(yù)測采煤機(jī)工作過程人員的接塵量、塵肺病患病率提供了依據(jù)，也為定量地分析采煤機(jī)滾筒設(shè)計參數(shù)對塵肺病患病率的影響創(chuàng)造了條件。這對于評價采煤機(jī)工作對工作面環(huán)境和作業(yè)人員塵肺病患病率的影響具有重要意義。

[1] 高 雯，袁聚祥，范紅敏．煤炭企業(yè)粉塵職業(yè)危害現(xiàn)狀及防治進(jìn)展[J]．中國煤炭工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，2008，11 ( 12 ) : 1903-1904．

[2] 王宇宏，魏 艷．煤工塵肺的研究現(xiàn)狀及展望[J]．中國實用醫(yī)藥，2008，3( 5) : 106-108．

[3] 李 強(qiáng)，蔣承林，翟果紅．我國煤炭行業(yè)塵肺病現(xiàn)狀分析及防治對策[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7( 4) : 148-151．

[4] 宋馬俊．國外煤礦粉塵控制新技術(shù)[J]．湖南安全與防災(zāi)，2007( 1) : 58-59．

[5] COLINET J F，GOODMAN G V R，LISTAK J M，et al．Effective control of respirable dust in underground coal mines in the United States[C]/ /Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series．8th International Mine Ventilation Congress-Proceedings．[s．l．]:[s．n．]，2005: 129-134．

[6] 李曉豁，張日昇，姜 ?。擅汗ぷ髅娴膲m源與防治[J]．煤，2001，9( 6) : 1-2．

[7] 孫艷玲，劉煙臺，王德江．煤礦采掘引起粉塵污染與防治[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，21( 4) : 520-522．

[8] 李曉豁．采煤機(jī)截割產(chǎn)塵的研究[J]．中國礦業(yè)，1999，8 ( 46) : 226-229．

[9] 李曉豁，王明鐵，張秀葵，等．影響采掘機(jī)械的截割塊度與粉塵的因素分析[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1998，17( 6) : 598-601．

[10] 李曉豁，張日昇，姜 健．采煤機(jī)工作方式對產(chǎn)塵的影響分析[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2001，11( 3) : 1-3．

[11]BALUSU R，CHAUDARI S，HARVEY T，et al．An investigation of air and dust flow patterns around the longwall shearer [C]/ /Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series．8th International Mine Ventilation Congress-Proceedings．[s．l．]:[s．n．]，2005: 135-142．

[12] 趙樹強(qiáng)，李曉豁，宋紀(jì)俠．采煤機(jī)參數(shù)與工作面環(huán)境與安全關(guān)系[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，24 ( S) : 181-183．

[13] LI XIAOHUO．Methods of controlling shearer’s cutting dust [C]/ /Proceedings of the Second International Symposium on Mining Technology．[s．l．]: Sciece Press，2001: 405-408．

[14] LI XIAOHUO．A new thinking of reducing powder and dust on mining and tunnelling faces[C]/ /Progress in Safety Science and Technology．[s．l．]: Sciece Press，1998: 603-607．

[15]HEKIMOGLU O Z，TIRYAKI B，AYHAN M．Reducing respirable dusts and fines through shearer drum design in coal mines [J]．CIM Bulletin，2002，95( 9) : 119-123．

[16] 李曉豁．改善工作面環(huán)境與安全的采煤機(jī)工作參數(shù)的研究[J]．煤礦機(jī)電，2004，23( 5) : 12-14．

[17] 李曉豁，趙樹強(qiáng)．降低工作面粉塵濃度的采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[C]/ /中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會編．中國環(huán)境保護(hù)優(yōu)秀論文集，下冊．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005( 6) : 2031-2033．

[18] 宋紀(jì)俠，李曉豁，趙樹強(qiáng)．采煤機(jī)工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，24 ( S) : 184-186．

[19] 李曉豁．采煤機(jī)截割產(chǎn)塵的定量描述[C]/ /周光召．加入WTO和中國科技與可持續(xù)發(fā)展-挑戰(zhàn)與機(jī)遇、責(zé)任和對策:上冊．中國科協(xié)2002年學(xué)術(shù)年會文集，上冊．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2002: 316-317．

[20] 李曉豁，趙樹強(qiáng)，宋紀(jì)俠．確定采煤工作面粉塵濃度的新方法[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33( 2) : 68-70．

[21] 閏進(jìn)德，曹 巖，李翠蘭，等．煤礦在職接塵工人煤工塵肺的發(fā)病情況[J]．中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2010，28( 10) : 783-785．

[22] 張建芳，孫治平，奚定虎，等．年齡、工種及接塵工齡對煤工塵肺肺部感染的影響[J]．職業(yè)與健康，2007，23( 2) : 1807-1809．

[23] 王英華，楊 勇，蔡立群，等．煤工塵肺患病率，人年患病率和預(yù)期發(fā)病工齡分析——煙煤礦時期患(發(fā))病調(diào)查[J]．工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病，1990，10( 1) : 11-15．

[24]趙樹強(qiáng)．采煤機(jī)參數(shù)對塵肺病及安全的影響研究[D]．阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005．

[25] 李曉豁，張日昇，姜 ?。蹓m檢測數(shù)據(jù)的模糊聚類分析[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2001，20( 1) : 80-82．

[26] 李曉豁，姜 健，張日昇．粉塵濃度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[C]/ /周光召．新世紀(jì)新機(jī)遇新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展:下冊，中國科協(xié)2001年學(xué)術(shù)年會摘要文集，下冊，北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001．

[27] 李曉豁．采煤機(jī)截割粉塵的數(shù)學(xué)模型[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，21( 6) : 776-779．

[28]李曉豁．截割粉塵成因與控制方法研究[M]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

(編輯 徐 巖)

Mathematic model on relation between shearer drum parameters and sick rate of pneumoconiosis

LI Xiaohuo，JIAO Li，SHA Yongdong，YANG Tingting，HE Yang，LI Ting

( College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

This paper pursues a drum design improvement aimed at lowering pneumoconiosis prevalence by investigating the effect of shearer drum design parameters on sick rate of pneumoconiosis and features a calculation method specifically tailored for determining the amount of dust to which workers are exposed．The method follows from an investigation into the relationships between shearer drum design parameters on the one hand and respirable dust concentration and sick rate of pneumoconiosis on the other，depending on the mechanism on which a shearer produces dust while working and data collected from coal faces，and on the assumption that there exists a linear relation between respirable dust concentration coming from a coal face and specific cutting energy consumption．The comprehensive analysis of the influence of various factors leads to the development of mathematic model on the relation between shearer drum design parameters and sick rate of pneumoconiosis，followed by a significance test．The finding suggests that the regression equation has significant meaning and mathematical model has a better fitting．It follows that the study may serve as a theoretical basis for achieving an improved design of shearers to reduce cutting dust and lower sick rate of pneumoconiosis，forecasting an effect of a newly designed shearer work on sick rate of pneumoconiosis，and evaluating the working performance of shearers．

shearer; drum; coal face; dust concentration; sick rate of pneumoconiosis; mathematic model

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 018

TD421. 6; X928. 1; R135. 2; X503. 1

2095-7262( 2014) 01-0081-04

A