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矿井通风系统评价
第六章矿井通风系统评价
6.1矿井通风系统评价的重要性和意义
矿井是由多系统(提升运输系统、排水系统、通风系统等)密切配合而组成的复杂统一体,各系统之间相互制约,又相互关联。
矿井通风是其中的一个子系统,它既依附又制约于矿井生产主系统。
同时与开采煤层的地质赋存、自然条件、开拓开采方法等外部因素密切关联。
矿井通风系统是矿井通风动力及其装置、通风网络和通风控制设施的总称。
它反映了以各种技术手段输送、调度空气在井下流动,维护矿井正常生产和劳动安全的动态过程。
在生产时期其任务是:
利用通风动力,以最经济的方式向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气,保证工作人员的呼吸,稀释并排除瓦斯、粉尘等各种有害物质,降低热害,给井下工人创造良好的劳动环境;在矿井发生灾变时,能有效及时地控制风向及风量,并与其它措施结合,防止灾害的扩大,进而消灭事故。
矿井通风系统随着矿井生产的进行而不断地发生变化,采掘工作面的推进与接替;采区的准备,投产与结束;矿井开拓延伸等工程的不断进展,使通风系统在网络结构上随时间发生变化。
此外,由于采矿活动的影响,通风巷道受压变形甚至冒顶、片帮、底鼓、断面缩小;通风设施受压变形,漏风量增大;各种通风动力设备(主、局部通风机)磨损、锈蚀性能逐渐衰退;矿井自然风压随时间的周期变化,矿车、人员的运行等等,从而使通风系统运行参数发生变化,而且各种参数变化具有随机性。
因此,从严格意义上说,矿井通风系统是一个动态的,随机的系统。
矿井通风系统具有一定的复杂性。
矿井通风系统的优劣,直接关系到矿井的安全生产和经济效益。
因此,需要对矿井通风系统的优劣做出正确合理的评价,在矿井通风系统的规划、设计施工和管理工作中都要予以充分的考虑。
设计好通风系统、施工好通风系统、管理好通风系统、改造好通风系统。
关于矿井通风系统的评价问题,人们已提出了许多种评价指标和方法,有单指标,也有综合指标,有打分法,也有层次分析法等。
由于我国煤矿众多,条件千差万别,目前的具体的各种指标和方法都有一定的欠缺之处,因此,如何正确地评价矿井通风系统仍是人们正在研究的一个重要课题。
6.2矿井通风系统评价方法的研究发展与现状
6.2.1单指标法
90年代以前,人们一直沿用简单的单指标评价,常用的单指标有:
(1)矿井等积孔A[1]
计算式:
A=1.19
(m2)(6—1)
式中:
Q——矿井总风量m3/s
h——矿井通风阻力Pa
R——矿井风阻N.S2/m8
对于单风机工作的矿井:
A<1m2(R>1.42NS2/m8)通风困难
A=1~2m2(R=1.42~0.35)中等
A>2m2(R<0.35=通风容易
此指标适应于单风机通风的矿井,目前还在沿用。
对于多风机工作矿井[2]:
A=1.19
(m2)(6—2)
式中:
Q总=∑Qi为各风井总风量之和m3/s
hm=
,即各风机系统的通风阻力hi和风量Qi的乘积即通风功率,按风量的加权平均求出的阻力值(Pa)。
多风机通风矿井的通风难易程度指标A值,黄元平等人建议的评价界定值初步意见,见[1]表3—19。
存在问题:
从式(6—2)可见,一个矿井采区越多,即分区通风风机台数越多,即Q总越大,则A值越大。
A=1.19
但实际情况是,对多风机矿井,A值虽说较大,但不一定通风容易。
目前人们的观点是:
对于多风机矿井,应按每台风机所单负的系统来分别计算各子系统的等积孔Ai,来分别进行评价。
后来有人又提出了矿井有效等积孔Ae[3]:
Ae=1.19
(m2)(6—3)
式中:
le——矿井外部漏风率,%;
(2)采煤工作面风量合格率Kq[3]:
Kq=
(6—4)
式中:
Gq——风量合格的采煤工作面数
Gn——全矿井采煤工作面总数
(3)矿井线性风导C1[4]
C1=
(m3/S.Pa)
认为:
C1>0.075时为大风导矿井(通风容易)
C1=0.025~0.075中风导矿井(中等)
C1<0.025小风导矿井(通风困难)
(4)风量供需比β:
β=
要求:
β=1~1.5(6—6)
(5)矿井有效风量率E:
E=
×100%要求:
E≥85%(6—7)
(6)主要通风机装置的综合效率η[5]:
η=ηf·ηt·ηe(6—8)
式中:
ηf——风机效率:
ηf=
ηt——传动效率
ηe——电机效率
(7)矿井的吨煤风量D[6]:
D=86400
(m3/t)
式中:
Qi——第i风机排风量m3/s
AW——矿井日产量,t
(8)主要通风机吨煤电耗PB[6]:
PB=
(KWh/t)(6—10)
(9)前苏联用结构法来评价矿井通风系统可靠性的指标γ[7]:
γ=
(6-11)
式中:
n——通风网络分支数
m——通风网络节点数
认为:
γ越小,网络联接形式越复杂
6.2.2矿井通风系统的模糊综合评判法
模糊论是美国著名的控制论专家,加州大学教授Zadeh于1965年提出的。
它的发展十分迅速。
近年来,它的应用已推广扩展到许多领域,而且越来越受到重视。
模糊综合评价是模糊数学的重要内容之一,它的指导思想是,尽可能全面地考虑影响因素,同时也考虑这些因素所起作用的大小(即权重),通过模糊合成关系得出较为明确的结论。
假定已知所讨论的有限论域为:
U(所有的影响因素),V(评价的等级划分),其中U={U1,U2,…Um},V={V1,V2,…Vn}
则可获得一个从U到V的模糊关系R,R∈F(U×V),若R∈F(U×V)一经给定(由专家打分),且存在一个模糊向量A∈F(U)(各因素的权重),则可唯一确定一个从U到V的模糊变换,即:
B=AR(B∈F(V))(6—12)
式中:
A=(a1,a2,…,am),称为评价因素的权重向量。
R——模糊关系,R=(γij)mxn
其中:
O≤γij≤1,(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)
且γij=R(ui,Vj),其中ui∈U,vj∈V
B——模糊各成向量,其运算可根据模糊关系合成运算法则进行,即:
B=A·R=(a1,a2,…,am)·
=(b1,b2,b3,…,bn)(6—13)
在上式中,B的合成采用普通矩阵乘法进行,即:
bj=
ai,γij(6—14)
A要求归一化,即:
ai=1(6—15)
6.2.2.1一级(单层次)模糊综合评判(一级模型):
(1)首先分析确定评判对象的影响因素U
例,对某局一矿矿井通风系统进行模糊评判确立的评价因素集合U为:
[8]
U={u1,u2,…,u6}
其中:
u1——井下气候条件
u2——风流合格率
u3——风流稳定性
u4——抗灾能力
u5——通风电耗
u6——矿井等积孔
(2)给出评判集(评价等级)V
V={v1,v2,…,v5}={A、B、C、D、E}
式中:
v1——A级,通风系统很好
v2——B级,通风系统较好
v3——C级,通风系统一般
v4——D级,通风系统较差
v5——E级,通风系统很差
假定在有100人参加的评比中,对一矿的井下系统条件的评价为A、B、C、D、E级的人数有50,30,10,5,5人则:
Ru1=
=(0.5,0.3,0.1,0.05,0.005)
(作归一化处理)=(γ11,γ12,γ13,γ14,γ15)
同样,对其他5个因素的评价结果归一化为
Ru2=(0.7,0.2,0.1,0,0)
Ru3=(0.4,0.3,0.2,0.08,0.02)
Ru4=(0.1,0.3,0.35,0.15,0.1)
Ru5=(0,0.3,0.4,0.3,0.1)
Ru6=(0,0.4,0.4,0.2,0)
我们称模糊矩阵R:
R=
为单因素评判矩阵
(3)权重集A的确定
在因素集中,按其重要程度不同给予相应的权数分配,其权重的确定方法有[9]:
如我们对一矿通风系统各因素的权重,进行专家评议,并归一化处理后的权重为:
A=(a1,a2,…,a6)=(0.05,0.1,0.3,0.25,0.1,0.2)
(4)综合评价及结果
B=A·R=(0.05,0.1,0.3,0.25,0.1,0.2)·
=(0.24,0.31,0.28,0.14,0.03,)
(∵bj=
=0.05×0.5+0.1×0.7+0.3×0.4+0.25×0.1+0.1×0+0.2×0=0.24)
应用B=A·R模型评判矿井通风系统,B应是评判结果,根据最大隶属度(接近度)原则,评定一矿的通风系统等级为:
较好级B。
(最大值0.31对应于B级)
对B作归一化处理:
=0.24+0.3+0.28+0.14+0.03=1.0
当
≠1.0时,取bj′=
即归一化。
这一评判结果,相当于表明24%的人认为该矿通风系统“很好”,31%的人认为为较好,28%的人认为一般,14%的人认为较差,3%的人认为很差。
6.2.2.2多级(多层次)模糊综合评判(多级模型)
对多级模糊综合评判,通常方法是,从最低一级评价因素开始,用一级评价模型,一级一级往上评,一真评到第一次划分的最高一级评价因素为止。
如某局一、二、三矿通风系统评比:
(多级评判)
各矿通风系统的评价为一级评判,其评价方法、权值等如上所示,其评价结果为:
一矿:
BⅠ=(0.24,0.31,0.28,0.14,0.03)
二矿:
BⅡ=(0.13,0.23,0.34,0.19,0.11)
三矿:
BⅢ=(0.01,0.41,0.20,0.19,0.10)
经过一级评判后,得出的第一层(最低一层)因素的评判结果按最大隶属度法确定。
但对于矿际间(第二层)的最终评判结果,可以两种方式给出:
其一是由最大隶属度确定级别,其二是提供一个总分值。
目采用最大隶属度判别时,只取bj(j=1,2,…,5)的最大者,这在有些很粗糙的问题中,到此就可以了。
但对于有些更细的问题(如两个A级矿中谁更好)。
只计算到此,还没有能够充分利用B的全部信息。
有时,权重略有变化,可能导致结果差异很大,如一、三矿接最大隶属度确定属同一级别,但有可能隶属度相差较大,这就掩盖了被评客体之间的差异[10]。
因此:
令总分:
Si=
(1—16)
式中:
bj——不同级别的隶属度
aj——不同级别的分值
如取
(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)
则:
S′=a·B=(a1,a2,a3,a4,a5)
=(71.85,71.2,72.45)
按分值排队:
三矿第一、一矿第二、二矿第三名
6.2.3矿井通风系统的层次分析法
由美国运筹学家T.L.Saaty70年代提出的层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,简称AHP方法),是系统工程中常用的一种分析方法。
它把一个复杂问题表示为有序的递阶层次模型结构,通过判断,对各个因素指标的重要性进行排序,从而确定出相对权重系数。
最终把系统分析归结为最底层相对于最高层(总目标)的相对重要性或优劣的排序问题。
下面介绍层次分析法的主要步骤及算法。
6.2.3.1建立层次结构(分析模型)
对系统中的诸要素进行层次化,即将问题分解为不同的组成要素,按要素间的相互关联影响及隶属关系,将要素按不同层次(最高层、若干中间层、最低层)组合排列成一个多层次的分析结构模型。
如根据矿井通风系统的评判指标,建立的AHP结构分析模型如下图6-1[11]:
6.2.3.2构造判断矩阵
依据每一层次各个因素相互之间的重要性给出主观判断(专家意见或数据资料),对这些判断进行量化,并用矩阵形式写出,以表示上一层次因素对本层次有关因素之间的相对重要性程度。
假定A层次中因素ak与下一层次B1、B2…,Bn有联系,其判断矩阵取下面形式:
矩阵中的元素bij表示对于ak而言,Bi对于Bj相对重要性的数值,可由专家合理选定,通常取1,2,3,4,…,9及他们的倒数。
各数值的含义为:
1、表示Bi和Bj两者对ak的重要性相同
3、表示Bi比Bj都重要
5、表示Bi比Bj明显重要
7、表示Bi比Bj很重要
9、表示Bi比Bj极端重要
2、4、6、8是它们之间的数。
当i=j时,bij=1,并取bij=1/bij
故对上图构造的判断矩阵为:
(1)A——B矩阵
(2)B-C矩阵
6.2.3.3计算判断矩阵的最大特征根和特征向量[12]
对于判断矩阵B,计算满足BW=λmaxW的特征根和特征向量,式中λmax为B的最大特征根,W为对应于λmax的正规化特征向量,W的分量Wi作为对应元素单排序的权值。
λmax和W的求法:
(1)求判断矩阵每一行元素的乘积Wi,即:
Wi=
(I=1、2、3、…、n)(6—17)
如A—B矩阵W1=1×3×5=15
W2=
×1×2=0.667
W3=
×
×1=0.10
(2)计算Wi的n次方根
则有
(3)对向量
作归一化处理
Wi=
∵
=2.466+0.874+0.464=3.804
则:
W=(0.648,0.2297,0.122)T即为所求的特征向量。
(4)计算判断矩阵的最大特征根
:
(6-18)
式中:
A为n阶判断矩阵
(5)权值的合理性检验
计算判断距阵的随机一致性比率CR值:
(6-19)
其中:
n——矩阵阶数
算例中
RI——判断矩阵的平均随机一致性指标,见表6-1
阶数(n)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RI
0
0
0.58
0.90
1.12
1.24
1.32
1.41
1.45
<
则:
当CR<0.1时,认为层次单排序有满意的一致性,否则需调整判断矩阵,直到满意为止。
对本例,由上述算法可算得:
<
B1-C矩阵:
<
B2-C矩阵:
<
B3-C矩阵:
若取:
则得
故就需对此判断矩阵进行调整,直到CR<0.1
为止,调整后的B2-C矩阵,如上述所示。
6.2.3.4层次总排序及一致性检验
求同一层次所有要素对最高层次相对重要性的排序权值,即为层次总排序,如果上一层B包含m个要素B1,B2,…,Bm,其层次总排序权值为a1,a2,…am,下一层次C含有n个要素C1,C2,…Cn,它们对要素Bj(j=1,2,…m)的层次单排序权值分别为K1j,K2j,…,Knj,此时,C层总排序权值由下表给出:
B1,B2,…,Bm
C层次总排序
a1,a2,…am
C1
K11,K12,…K1m
C2
K21,K22,…K2m
……
……
……
Cn
Kn1,Kn2,…Knm
对本例有:
B1
B2
B3
总排序
0.648
0.2297
0.122
C1
0.0424
0
0
0.0551
C2
0
0.10945
0
0.0526
C3
0
0.5815
0
0.1336
C4
0.2903
0.3090
0
0.0710
C5
0.5824
0
0.7308
0.2773
C6
0
0
0.0849
0.3878
C7
0
0.1883
0.0230
为评价层次总排序的计算结果一致性如何,需计算:
层次总排序的随机一致性比率CR总
(6-20)
式中:
CI总——一般一致性指标
RI总——随机一致性指标
CIj——与aj对应的C层次中的CI值。
RIj——与aj对应的C层次中的RI值。
<
由层次总排序结果可见,矿井通风系统中7项因素,各项在系统中的重要性顺序为:
C6→C5→C3→C4→C1→C2→C7。
为了搞好该矿的通风工作,可依据排序结果,决定安排人力、物力、把矿井通风工作抓好。
6.3矿井通风系统评价的研究趋势
6.3.1目前通风系统评价方法存在的问题
(1)单指标法:
只反映通风系统的某个侧面,不能对系统作出全面、合理的评价,且我国煤矿众多,条件千差万别,指标值差别很大,可比性差。
(2)模糊综合评判法,对确立的评价因素,一般是采用专家打分法,一般很难反映矿井通风系统中各因素的真实性,如抗灾能力,到底如何?
(3)层次分析法:
在确立各因素的重要性时,也存在专家意见问题,且层次分析法的结果只是给出各因素对目前的重要性的排序,而不能说明某矿通风系统中,某方面工作搞的怎样,是否达到标准,是否为优良系统。
6.3.2矿井通风系统评价的研究趋势
(1)从加强通风管理,调整和改造通风系统方面来讲,多采用层次分析法,来对通风系统中各项指标,进行重要性排序,以指导通风工作。
(2)在矿际间进行通风系统等级评比时,可采用模糊综合评判法,评判通风系统的优劣,在实际中多采用打分法评比,此法简单,可操作性强。
(3)在评价指标体系方面,指标选取向更全面,更能反客观实际,可操作性强,科学地定量方面发展。
6.3.3评价指标体系与层次划分
文献[13]以矿井通风系统安全可靠性为总目标层A,对矿井通风系统进行了如下的细致划分:
文献[14],从矿井通风系统的完整性、通风能力、抗灾能力、通风质量和经济合理性五个方面入手。
提出了评价指标体系如下:
该体系简单明了,可操作性强,便于实际应用。
矿井通风系统评价体系及底层评价项目确立后,最关重要也是当前人们正在研究的就是,如何正确、合理、客观地对底层评价项目指标进行定量化。
6.3.4矿井通风能力核定方法的研究[15]
在煤炭生产企业中,矿井生产能力是一项非常重要的指标,它是矿井生产规模的综合反映。
在矿井生产过程中,随着采场空间变化和时间的推移以及开采条件变化和经济发展对煤炭需求的增长,其配套的各个生产环节乃至系统也要进行相应的技术改造。
为了使矿井的各生产环节保持在一个综合水平,就要定期对矿井的各生产环节能力进行核定,确定矿井能够达到的实际生产能力,这就是矿井生产能力核定。
这项工作非常重要,它是上级对矿井下达符合实际的生产任务,矿井能够在保证安全生产的前提下完成生产任务的依据。
煤矿井下生产包括采煤、掘进、运输、通风、排水等多个生产环节,通风是整个生产环节中的一个重要环节。
因此,在矿井生产能力核定中,矿井通风能力的核定是矿井生产能力核定的重要内容之一。
因此,探讨和改善矿井通风能力核定方法具有重要的实际意义。
6.3.4.1目前矿井通风能力核定方法及存在问题
6.3.4.1.1目前矿井通风能力核定方法
我国在1980年和1991年进行了两次全国范围的煤矿生产能力核定,其核定的原则、方法和步骤是分别根据煤炭部(80)煤计字第372号文和能源部能源煤(1991)第430号文件所规定的原则、方法和步骤进行的。
1997年又进行了第三次全国煤矿生产能力核定工作,在这次矿井生产能力核定中,核定的主要生产环节为:
主井和副井提升、通风、井下运输、排水、采掘工作面、地面生产系统等六个环节能力,作为核定矿井综合能力的依据,取其薄弱环节能力做为矿井的核定生产能力。
在目前的矿井生产能力核定中,对矿井通风能力的核定采用的核定计算方法为:
(1)低瓦斯矿井通风能力核定计算式
P=Q×350/(q1×K×104)(万t/a)
(1)
式中:
Q——矿井总进风量,m3/min;
q1——平均日产一吨煤需要的风量,m3/min,由矿务局根据矿井上年产量和矿井实际需要风量按《煤矿安全规程》第110条计算确定;
K——矿井通风系数,又称矿井风量备用系数,由瓦斯涌出不均匀系数、备用工作面风量系数、矿井内部漏风系数组成,大型矿井1.15~1.5,中型矿井1.2~1.45;
350——矿井年工作日按350天计算。
(2)高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井通风能力核定计算式
P=Q×350/(0.0926×q2×K×104)(万t/a)
(2)
式中:
Q——矿井总进风量,m3/min;
q2——平均日产一吨煤瓦斯涌出量,m3/t;
K——矿井通风系数,1.5~1.9,大型矿井取小值,小型矿井取大值;
0.0926——换算常数,1/(60×24×0.75%)。
矿井核定能力按以下档次划分:
3~21万t/a的矿井以3万为档次,21~90万t/a的矿井以5万为档次,就近向下靠,如:
计算能力为24万t/a时靠21万t/a,计算能力为89万t/a时靠85万t/a,90万t/a以上矿井,以10万t/a为档次,采用四舍五入的方法划定核定能力。
6.3.4.1.2目前矿井通风能力核定方法存在的问题
目前使用的矿井通风能力核定计算方法存在如下问题:
(1)目前使用的核定方法只是矿井通风系统的通风能力现状的反映,如式中Q为矿井实际总进风量,平均日产吨煤需要风量也是按上年产量与实际风量来确定的。
因此。
不能反映矿井下年及以后的采掘布署变化与生产技术更新对通风的影响。
(2)没有反映主要通风机与风网的匹配情况对通风能力的影响。
(3)没有反映风网的风量通过能力对矿井通风的影响,如有些矿井运输巷、总回风巷风速超限等。
6.3.4.2影响矿井通风能力的主要因素
6.3.4.2.1矿井主要通风机的影响
矿井主要通风机与通风网络匹配情况对矿井通风能力影响很大。
(1)风机与风网相匹配。
当风机所担负通风系统的风阻适中,风机与风网相匹配时,如图1所示,风机的工作风阻为R1,工况点为m1。
这时,风机风量调节余地大,供风比较容易,通风能力大。
(2)风机与风网不相匹配。
当风机所担负通风系统的通风线路较长,风阻较大,风机与风网不相匹配时,如图1所示,风机的工作风阻为R2,工况点为m2。
风机工作在特性范围的左上角。
这时,井下供风紧张,增风困难。
当由于自然风压或井下通风动态变化时,风机可能出现喘振现象,这样不得不下调风机的叶片角度(轴流风机),井下供风更加紧张,风量不足,矿井通风能力较小。
6.3.4.2.2矿井通风网络及通风管理水平的影响
在矿井通风系统中,通风路线长,巷道断面小,将使得风机所负担系统网路的风阻较大,出现风网与风机不相匹配的状况,造成井下供风困难,通风能力小。
巷道断面小,还将引起井下一些地点风速超限,进一步降低矿井通风能力。
此外,井下生产分散,用风地点多,矿井通风系统复杂,通风管理不善,井下漏风严重等都将影响矿井的通风能力。
6.3.4.2.3开采条件的影响
矿井开采条件对矿井通风能力也有较大的影响。
地质条件复杂、瓦斯大、煤层厚度不大或不稳定的矿井,一般井下生产比较分散,机械化程度低,用风地点多,且井巷断面较小,通风系统复杂,矿井通风能力也相对较小。
地质条件简单、瓦斯小、煤层较厚的矿井,井下生产集中,机械化程度高,采区生产能力大,平均日产吨煤需风量较少,且巷道断面较大,矿井通风能力也大。
尤其是采用综放开采的矿井,一区一面就基本上可以使矿井生产能力达到200万吨以上,井下用风地点大大减少,矿井通风系统变的简单,矿井通风能力也相应提高。
6.3.4.3合理核定矿井通风能力的方法
核定矿井通风能力的主要目的在于确定矿井通风系统目前可能达到的实际通风能力,为确定矿井下年及今后的生产任务以及根据生产任务来确定矿井通风系统是否需要改造提供依据。
由于矿井生产地点和规模是随时间而不断变化的,矿井通风系统也随之发生相应的变化,矿井通风能力也将发生变化。
有的矿井在短时期(3~5年)内这种变化较小,而有的矿井则变化较大。
因此,建议采用如下的方法来确定矿井的通风能力。
6.3.4.3.1矿井当前通风能力的确定方法
鉴于上述目前采用的矿用通风能力核定方法存在的问题及考虑到影响矿井
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