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(dòng)風(fēng)流的主要通風(fēng)機(jī)以及控制風(fēng)流的通風(fēng)構(gòu)筑物所組成[1],它是一個(gè)有規(guī)律而又隨機(jī)動(dòng)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(kuò)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(yùn)行是復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

礦井通風(fēng)阻力測(cè)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(jìn)行1次礦井通風(fēng)阻力測(cè)定,以后每3年至少測(cè)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(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測(cè)定?！闭莆盏V井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布是對(duì)礦井通風(fēng)管理的基本要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性研究主要通過(guò)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(wú)風(fēng)、微風(fēng)現(xiàn)象;研究多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)相互影響關(guān)系,防止多風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)造成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量分配失衡問(wèn)題[10-12]。然而對(duì)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(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)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(wèn)題。

文章通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)城底礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力測(cè)定分析,建立影響復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(píng)價(jià)的復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(chǔ)量12 177.6萬(wàn)t,礦井服務(wù)年限45 a。2013年通風(fēng)能力核定為271.98萬(wàn)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(gè)井口,4個(gè)進(jìn)風(fēng)井分別為副斜井、主斜井、副立井、南進(jìn)風(fēng)井;3個(gè)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(jī)械抽出式。東風(fēng)井、西風(fēng)井分別裝備兩臺(tái)離心式風(fēng)機(jī),電機(jī)功率為400 kW;南風(fēng)井安裝兩臺(tái)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī),電機(jī)功率為:2×450 kW。工作面目前采用“一進(jìn)一回”的U型通風(fēng)方式,采煤方法為走向、傾斜長(zhǎng)壁式綜合機(jī)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(xiǎn)性,未出現(xiàn)過(guò)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(cè)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(cè)定時(shí),共布置11條測(cè)定線路,其中:東風(fēng)井2條,西風(fēng)井3條,南風(fēng)井6條。對(duì)所有主要巷道和工作面進(jìn)行了阻力測(cè)定,并進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)閉合(風(fēng)量、風(fēng)壓)。得出各測(cè)線的進(jìn)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(cè)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(jìn)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(jì)算公式為：

(1)

式中:A為等積孔,m2;Q為礦井主要通風(fēng)機(jī)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(jí),如表3所示。

表3 礦井通風(fēng)難易程度分級(jí)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(jiǎn)便、參數(shù)值合理可信、對(duì)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(jī)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面,篩選出影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)負(fù)壓比C:主要通風(fēng)機(jī)需運(yùn)行在合理的范圍內(nèi),對(duì)于軸流式通風(fēng)機(jī),在當(dāng)前葉片角度下運(yùn)行時(shí)最小風(fēng)壓Pmin為風(fēng)機(jī)效率為60%時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值,最大負(fù)壓Pmax為風(fēng)壓特性曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)負(fù)壓的0.9倍。在評(píng)價(jià)時(shí),取主要通風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行工況時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)壓P在最小風(fēng)壓與最大風(fēng)壓間的相對(duì)位置,即

(3)

式中:C為風(fēng)機(jī)負(fù)壓相對(duì)位置;P為風(fēng)機(jī)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(jī)風(fēng)量的百分?jǐn)?shù),計(jì)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(jī)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(qiáng)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(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段3段,一般而言進(jìn)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(píng)價(jià)

4.1 模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)于5個(gè)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集合,采用相對(duì)隸屬度的處理方法消除不同量綱引起評(píng)價(jià)因素的不可公度性。相對(duì)隸屬度屬性值3類:

第1類指標(biāo)相對(duì)隸屬度屬性值越大越好,其計(jì)算公式為:

(5)

第2類指標(biāo)相對(duì)隸屬度屬性值越小越好,其計(jì)算公式為:

(6)

第3類指標(biāo)相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)隸屬度值組合成指標(biāo)對(duì)模糊概念“優(yōu)等”的相對(duì)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(yùn)算符;“∧”為取小運(yùn)算符。

定義模糊分劃矩陣:

(10)

以m個(gè)風(fēng)機(jī)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(yùn)行的因素指標(biāo)體系,可根據(jù)隸屬度u1i大小評(píng)價(jià)出礦井通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行工況的安全穩(wěn)定性情況。

4.2 評(píng)價(jià)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(cè)線中選取6條有工作面的測(cè)線通路,構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型,具體參數(shù)如表4所示。

表4 評(píng)價(jià)矩陣Table 4 Evaluation matrix

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

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

表5 評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results

由表5可知,測(cè)線5的評(píng)價(jià)結(jié)果最好,測(cè)線11的評(píng)價(jià)結(jié)果最差,評(píng)價(jià)結(jié)果相差近6倍?？傮w而言,東、西風(fēng)井測(cè)線的評(píng)價(jià)結(jié)果較好,由于南風(fēng)井風(fēng)機(jī)負(fù)荷較大,為1個(gè)備用工作面以及2個(gè)正采工作面供風(fēng),評(píng)價(jià)結(jié)果較差。因此,建議在測(cè)線7和測(cè)線11上進(jìn)行減阻調(diào)節(jié),降低通風(fēng)阻力。

5 結(jié)論

1)對(duì)鎮(zhèn)城底礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了阻力測(cè)定,獲得了11條主要測(cè)線的風(fēng)流參數(shù),礦井進(jìn)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(yùn)行的評(píng)價(jià)因素指標(biāo)體系,提出基于模糊綜合評(píng)價(jià)的復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

3)評(píng)價(jià)方法實(shí)際應(yīng)用表明,28117備用工作面測(cè)線的評(píng)價(jià)結(jié)果最好,22603工作面線測(cè)線的評(píng)價(jià)結(jié)果最差。通過(guò)擴(kuò)巷、增加并聯(lián)巷道等方法來(lái)降低測(cè)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。