王躍明

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由通風(fēng)方式所決定的井巷通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動風(fēng)流的主要通風(fēng)機以及控制風(fēng)流的通風(fēng)構(gòu)筑物所組成[1],它是一個有規(guī)律而又隨機動態(tài)非線性變化的復(fù)雜系統(tǒng)[2]。隨著礦井開采開拓布局的擴大,礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度逐漸升高,如何保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性運行是復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題[3]。

礦井通風(fēng)阻力測定是獲得礦井通風(fēng)參數(shù)的唯一途徑[4-5],《煤礦安全規(guī)程》第156條規(guī)定“新井投產(chǎn)前必須進行1次礦井通風(fēng)阻力測定,以后每3年至少測定1次。生產(chǎn)礦井轉(zhuǎn)入新水平生產(chǎn)、改變一翼或者全礦井通風(fēng)系統(tǒng)后,必須重新進行礦井通風(fēng)阻力測定?！闭莆盏V井通風(fēng)機的運行狀態(tài)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布是對礦井通風(fēng)管理的基本要求。

國內(nèi)外學(xué)者對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性研究主要通過控制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中角聯(lián)分支的風(fēng)流,提出了敏感性分析方法[6-9],防止角聯(lián)巷道出現(xiàn)無風(fēng)、微風(fēng)現(xiàn)象;研究多風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)相互影響關(guān)系,防止多風(fēng)機同時運轉(zhuǎn)時造成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量分配失衡問題[10-12]。然而對于復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng),由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如何尋找影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要影響因素,快速評價通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)中的大阻力位置,是礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理面臨的重要問題。

文章通過對鎮(zhèn)城底礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進行阻力測定分析,建立影響復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要影響因素指標(biāo)體系,模糊優(yōu)化理論[13-14]研究的基礎(chǔ)上,提出基于模糊綜合評價的復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性評價方法,為礦井通風(fēng)管理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 鎮(zhèn)城底礦基本概況

鎮(zhèn)城底礦位于太原市西北的古交礦區(qū),含煤13層,上部6層煤稱為上組煤,下部7層煤稱為下組煤,目前礦井主采煤層為2.3#和8#煤層。礦井可采儲量12 177.6萬t,礦井服務(wù)年限45 a。2013年通風(fēng)能力核定為271.98萬t/a。礦井采用斜井-立井聯(lián)合開拓方式,煤層分組聯(lián)合開采。

礦井采用混合式通風(fēng)方式,礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖,見圖1?，F(xiàn)有7個井口,4個進風(fēng)井分別為副斜井、主斜井、副立井、南進風(fēng)井;3個回風(fēng)井為東風(fēng)井、西風(fēng)井和南風(fēng)井,通風(fēng)方法為機械抽出式。東風(fēng)井、西風(fēng)井分別裝備兩臺離心式風(fēng)機,電機功率為400 kW;南風(fēng)井安裝兩臺對旋軸流式通風(fēng)機,電機功率為:2×450 kW。工作面目前采用“一進一回”的U型通風(fēng)方式,采煤方法為走向、傾斜長壁式綜合機械化低位放頂煤頂板全部垮落法開采。

礦井屬瓦斯礦井,3#和8#煤層的自燃傾向性屬自燃,煤塵爆炸指數(shù)分別為24.80%和23.78%,有煤塵爆炸危險性,未出現(xiàn)過煤和瓦斯突出現(xiàn)象。

圖1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Ventilation network in the mine

2 礦井通風(fēng)阻力多通路測定分析

鎮(zhèn)城底礦通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜,在礦井通風(fēng)阻力測定時,共布置11條測定線路,其中:東風(fēng)井2條,西風(fēng)井3條,南風(fēng)井6條。對所有主要巷道和工作面進行了阻力測定,并進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)閉合(風(fēng)量、風(fēng)壓)。得出各測線的進風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段的阻力分布參數(shù)如表1所示。

表1 各測線阻力分布情況Table 1 Resistance distribution

續(xù)表1

從各段阻力分布情況看,進風(fēng)段通風(fēng)阻力主要集中在760水平東總軌道巷,主要原因是該軌道巷風(fēng)量較大而斷面偏小?；仫L(fēng)段通風(fēng)阻力主要集中在760水平東總回風(fēng)巷,其主要原因也是風(fēng)量大,斷面偏小,并且回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷安裝有調(diào)節(jié)風(fēng)窗。各井筒的通風(fēng)參數(shù),如表2所示。

表2 各井筒通風(fēng)參數(shù)Table 2 Ventilation parameters

表2中等積孔的計算公式為：

(1)

式中:A為等積孔,m2;Q為礦井主要通風(fēng)機風(fēng)量,m3/s;h為礦井通風(fēng)總阻力,Pa。

礦井總風(fēng)阻：

(2)

式中:R為礦井總風(fēng)阻,kg/m7。

根據(jù)礦井等積孔或礦井總風(fēng)阻,可將礦井按通風(fēng)難易程度分為3級,如表3所示。

表3 礦井通風(fēng)難易程度分級Table 3 Ventilation difficulty ranking in mines

3 通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響因素

根據(jù)參數(shù)獲取方式簡便、參數(shù)值合理可信、對礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性影響較大的原則,分別從風(fēng)機、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)兩個方面,篩選出影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要影響因素,建立相應(yīng)的因素指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)模型,見圖2。

圖2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響因素指標(biāo)體系Fig.2 Indicator system of ventilation system in mines

圖2中第三層各因素指標(biāo)的意義及取值方法:

1)風(fēng)機負(fù)壓比C:主要通風(fēng)機需運行在合理的范圍內(nèi),對于軸流式通風(fēng)機,在當(dāng)前葉片角度下運行時最小風(fēng)壓Pmin為風(fēng)機效率為60%時對應(yīng)的負(fù)壓值,最大負(fù)壓Pmax為風(fēng)壓特性曲線最高點所對應(yīng)負(fù)壓的0.9倍。在評價時,取主要通風(fēng)機當(dāng)前運行工況時風(fēng)機負(fù)壓P在最小風(fēng)壓與最大風(fēng)壓間的相對位置,即

(3)

式中:C為風(fēng)機負(fù)壓相對位置;P為風(fēng)機負(fù)壓,Pa。

2)礦井外部漏風(fēng)率:指礦井外部漏風(fēng)量占通風(fēng)機風(fēng)量的百分?jǐn)?shù),計算公式為:

(4)

式中:L為井外部漏風(fēng)率;Qd為礦井主通風(fēng)機風(fēng)量,m3/s;Qs為礦井總回風(fēng)風(fēng)量,m3/s。

礦井外部漏風(fēng)率越大越好。

3)等積孔:描述礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo),一般而言,等積孔越大越好。

4)工作面配風(fēng)需風(fēng)比:描述工作面配風(fēng)強度的參數(shù),配風(fēng)需風(fēng)比越大越好,若<1,則工作面配風(fēng)量不足。

5)主要通路阻力分布:描述通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力分布合理性的參數(shù),按巷道用途可分為進風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段3段,一般而言進風(fēng)和回風(fēng)段所占比例應(yīng)越小越好,用風(fēng)段所占比例應(yīng)越大越好。取用風(fēng)段所占比例。

4 模糊綜合評價

4.1 模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的因素指標(biāo)體系,建立基于模糊理論礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行評價模型:設(shè)F={Fij},i=1,…,m,j=1,…,5表示m組通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)于5個評價因素指標(biāo)集合,采用相對隸屬度的處理方法消除不同量綱引起評價因素的不可公度性。相對隸屬度屬性值3類:

第1類指標(biāo)相對隸屬度屬性值越大越好,其計算公式為:

(5)

第2類指標(biāo)相對隸屬度屬性值越小越好,其計算公式為:

(6)

第3類指標(biāo)相對隸屬度屬性值等于1:

Frij=1,(F1j=F2j=，…，=Fmj) .

(7)

式中:Frij為集合元素Fij的相對隸屬度,其取值范圍[0,1];max{}和min{}分別表示取集合中元素的最大值和最小值。

第3類指標(biāo)相對隸屬度應(yīng)用于某因素指標(biāo)的屬性值相等或者變化較小的情況。

將相對隸屬度值組合成指標(biāo)對模糊概念“優(yōu)等”的相對隸屬度矩陣Fr:

(8)

將因素的最優(yōu)值構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等隸屬度向量GR,最差值構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)劣等隸屬度向量BR。

(9)

式中:“∨”為模糊數(shù)取大運算符;“∧”為取小運算符。

定義模糊分劃矩陣:

(10)

以m個風(fēng)機的權(quán)異劣度D(Ri,BR)平方與權(quán)異優(yōu)度D(Ri,GR)平方之總和最小為目標(biāo)函數(shù):

(11)

(12)

根據(jù)式(12),結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的因素指標(biāo)體系,可根據(jù)隸屬度u1i大小評價出礦井通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)前運行工況的安全穩(wěn)定性情況。

4.2 評價矩陣構(gòu)建

根據(jù)鎮(zhèn)城底礦通風(fēng)系統(tǒng)具體情況,從11條主要測線中選取6條有工作面的測線通路,構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價模型,具體參數(shù)如表4所示。

表4 評價矩陣Table 4 Evaluation matrix

4.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)各因素的情況,取各評價因素權(quán)重賦值見表4所示,由式(5)～式(7)計算得出各因素的相對隸屬度,根據(jù)各構(gòu)建成相對隸屬度矩陣Fr,由式(9)～式(12)計算得出各測線的隸屬度u1i大小如表5所示。

表5 評價結(jié)果Table 5 Evaluation results

由表5可知,測線5的評價結(jié)果最好,測線11的評價結(jié)果最差,評價結(jié)果相差近6倍?？傮w而言,東、西風(fēng)井測線的評價結(jié)果較好,由于南風(fēng)井風(fēng)機負(fù)荷較大,為1個備用工作面以及2個正采工作面供風(fēng),評價結(jié)果較差。因此,建議在測線7和測線11上進行減阻調(diào)節(jié),降低通風(fēng)阻力。

5 結(jié)論

1)對鎮(zhèn)城底礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進行了阻力測定,獲得了11條主要測線的風(fēng)流參數(shù),礦井進風(fēng)段通風(fēng)阻力主要集中在760水平東總軌道巷,回風(fēng)段主要集中在760水平東總回風(fēng)巷。

2)建立了影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的評價因素指標(biāo)體系,提出基于模糊綜合評價的復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性評價方法。

3)評價方法實際應(yīng)用表明,28117備用工作面測線的評價結(jié)果最好,22603工作面線測線的評價結(jié)果最差。通過擴巷、增加并聯(lián)巷道等方法來降低測線上大阻力段的風(fēng)阻,并提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。