金属矿山通风系统安全性综合评价

张秀华，王李管，冯兴隆

(中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

矿井通风系统的基本任务是利用通风动力向井下各用风地点提供足量的新鲜空气，稀释并排除各种有毒有害气体和粉尘，调节气候，确保工作地点的空气质量，营造一个安全舒适的作业环境[1]。完善的矿井通风系统可以及时排除有毒有害气体，防止其对人体造成危害，并且可以改善井下的温度、湿度等气候条件，在可能发生火灾等事故的情况下防止事故的发生。在火灾情况下，通过改变通风状态，为井下工人提供避灾路线，减少人员伤亡。由此可见，矿井通风系统的完善性直接影响着矿工的安全和健康，矿山的安全生产。而近年来，由矿井通风系统不完善造成的矿井灾害事故时有发生。所以应努力提高矿井通风系统的安全性，以提高对事故的抵御能力。因此，做好矿山通风系统的安全评价工作对矿山的安全生产具有重要意义。

目前，矿井通风系统的安全评价方法有多种，这些评价方法各有其优点，但针对矿山通风系统评价语言的模糊性，模糊数学表现出其极大的适应性，模糊综合评价方法实现了定性和定量的有效结合，解决判断的模糊性和不确定性。使得评价结果更加客观。

1 矿山通风系统评价指标体系及隶属度的建立

1.1 评价指标体系的建立

评价指标体系是评价的基础和关键，评价指标体系的合理与否直接影响评价结果的准确性。评价指标体系应能够全面反映矿井通风系统的状况，并且指标间应避免重复。为保证评价能够客观、实际的反映矿井通风系统的安全状况，选取评价指标时从安全的角度出发，对矿山通风系统进行分析。在充分考虑通风系统的基本功能和防救灾功能后，将矿井通风系统分为通风系统环境、通风设备、通风安全管理、通风防救灾系统4个方面，从中选取13个评价指标作为评价指标体系对矿山通风系统进行评价[2,3]。以“金属矿山通风系统安全性”作为目标层，“通风系统环境”、“通风设备”、“通风安全管理”、“通风防救灾系统”作为基准层，以下13个指标作为指标层,具体评价指标体系如表1。

表1 矿山通风系统安全性评价指标体系

1.2 隶属函数的构建

矿井通风系统是一个复杂的多因素系统，用于表示通风系统状态的参数具有非线性和时变性，并不能用一个确定的值给出。人们关注的问题往往使一些模糊性概念。基于此选取的指标值得“好”于“坏”之间并没有严格的界限，它们之间存在一个过渡状态。模糊数学恰为处理这类模糊问题提供了合适的数学手段，用模糊数学中的隶属函数来刻画指标值这一过渡状态，进而确定指标值对某个集合的隶属程度，达到准确表达通风系统状态的目的。正确确定隶属函数是利用模糊集合恰如其分的定量表现模糊概念的基础。因此，在矿井通风系统评价指标隶属函数构造时，应充分考虑各因素对矿井通风系统的影响和其对井下作业的影响，根据安全规程和经验确定各指标的隶属函数。

(1)矿井风压。矿井风压反映矿井风量和风压合理匹配的程度，矿井风压越大，井下风量越大，漏风率也越大，矿井通风管理越困难，矿井通风阻力不合理是也会使矿井通风压力增大，其隶属函数为

式中：h0为通风压力的阈值，Pa，根据现场经验用类比的方法获得h0=174.95Qf0.42；Qf为通风机的风量，m3/s，H为矿井实际通风压力，Pa[4]。

(2)矿井风量供需比。反映矿井风量的供需关系，一般风量供需比在[1，1.2]间时较为合理。最大不超过1.5，其隶属函数如下

式中：k1为风量供需比k1=Q/Q0；Q为主扇实际供风量m3/s，Q0为计算需风量m3/s。

(4)风速合格率。一切用风点和有风流通过的井巷中，风速必须符合安全规程的规定。

式中：k2=n2/N2，n2为风速满足要求的个数，N2为用风点和风流巷道的总数。

(6)主要通风机的运转稳定性。主要通风机承担整个矿井或是一翼的通风任务，其运转稳定性对整个矿井通风系统的安全具有决定性影响。

式中：k3为风机运转稳定性系数，k3=H/Hmax，H为矿井实际通风压力，Pa；Hmax为主要通风机最大通风压力，Pa。

(9)通风系统安全监测。通风安全监测包括两方面内容，一是通风设备设施的状态参量监测，另一是主要通风参数和气体浓度等数据参量的监测。通过监测可以掌握矿井通风的状况，及时发现存在的问题，以便采取措施，防治灾害的发生。通风系统监测情况可用监察结果资料的完整情况考察。其隶属函数可用表2表示。

表2 通风系统安全监测隶属度

(10)通风仪表的配备。通风仪器仪表的配备的完善和完好是完成通风状况监测的必要条件。依据通风仪表数量和完好度确定隶属度，数量满足要求且完好度在95%以上认定该指标优秀(赋值1)，数量严重不足或完好度低于80%认定该指标不合格(赋值0)，其余类推赋值。

(11)通风方式的合理性。矿井的通风方式关系着整个通风系统是否有利于冲淡、排除有毒有害气体，是否有利于防灭火，对于高温矿井来说是否有利于降低空气温度[2]。该项指标属于定性指标，评分标准如表3所示。

表3 通风方式评分表

通风方式的隶属函数为

(12)防救灾设施的完善程度。设置足量合格的防灾设施是防治灾害发生的有效方法。该项指标以专家打分的方式进行评价。依据配备设施的数量和完好度进行评分，根据井下系统的特点配备了足量的设备且完好度在95%以上认为该项指标优秀(赋值1)，设备配置严重不足，无防灾设施或完好度低于80%的认为该项指标不合格(赋值0)，其余情况以此类推赋值。

(13)反风系统的灵活度。矿井反风系统是指用来使井下风流反向的各种措施的总称，其主要作用是防止进风系统发生火灾时产生的有毒有害气体进入作业区。反风系统应在10min内改变巷道的风流方向，并且主要通风机的供给风量不应小于正常值的60%。其隶属函数如下

2 评价指标权重的确定

2.1 建立判断矩阵

矿山通风系统是个复杂多因素体系，各个因素对矿山通风安全的影响程度不同，因此，在进行矿山通风系统安全评价时，首先确定各个因素对评价目标的影响程度即评价因素的权重。目前，确定指标权重的方法很多，这里采用判断矩阵法确定各指标的权重。具体做法是请专家对各指标两两进行重要性比较，利用1～9比率标度法构造评价指标的判断矩阵，再根据矩阵特征向量确定各评价指标对目标的相对重要性权值。

以“矿山通风系统环境”为例，根据以上标度法，通过两两重要度的比较，得到判断矩阵如表4。

表4 矿山通风系统环境重要度判断矩阵

2.2 计算各指标的权值

(1)计算矩阵A各行元素的乘积mi

(4)计算判断矩阵的最大特征根λmax

(5)一致性检验

表5 判断矩阵的平均随机一致性指标

由表4得到的判断矩阵和上述公式计算得特征向量w={0.19，0.25，0.31，0.19，0.06}，λmax=5.00076，CI=(5.00076-5)/(5-1)=0.00019，通过查表计算可得CR=0.0016<0.1，判断矩阵具有满意的一致性。同理可得其它因素的权重，如下所示：

矿井通风设施的权重

w={0.625，0.25，0.125}

通风管理的权重

w={0.5，0.5}

防救灾系统的权重

w={0.08，0.23，0.69}

基准层权重

w={0.27，0.36，0.09，0.27}

3 模糊综合评价

表6 安全等级及评价结论

4 结论

矿井通风系统评价指标值得合格与不合格之间也没有明显的界限，通风系统的安全与不安全之间并没有明显的界限，即在合格与不合格，安全与不安全之间存在一个过渡状态。如何表达这一过度状态，模糊综合评价方法引入“隶属度”的概念，以数值的形式表达这一状态，使评价结果量化、精确。对评价结果进行分级，针对不同等级给出不同的评价结论。给管理者提供决策依据。

综上所述，模糊综合评价对矿山通风系统安全性的评价是非常适用的。

[1] 采矿手册编委会.采矿手册，第六卷[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[2] 程磊，杨运良，熊亚选.矿井通风系统评价指标体系的研究[J].中国安全科学学报，2005，15(3)：91-94.

[3] 周志强.矿井通风系统安全性、稳定性与可靠性评价及应用研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2003.

[4] 蔡卫.矿井通风系统安全性评价及其应用[J].煤炭学报，2004，29(2)：195-198.

[5] 程磊，杨运良，景国勋.九里山煤矿通风系统安全性评价[J].辽宁工程技术大学学报，2003，22(4)：442-444.

[6] 张跃，邹寿平，宿芬.模糊数学方法及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1992.