某铁矿通风系统安全评价与优化

王晓磊

(福建省地质测试研究中心)

某铁矿通风系统安全评价与优化

王晓磊

(福建省地质测试研究中心)

根据某铁矿通风系统现状，利用层次分析法及灰色关联分析法，选取8个优选指标对矿井通风系统进行安全性分析，得出矿井现有通风系统安全度S=61.8%，安全等级为C，进而对矿井现有通风系统采取优化通风构筑物布局、增设通风及监测设备、整改巷道、增设小型风机等措施。整改后安全度S=84.8%，安全等级为B，有效提高了通风系统安全性，对金属矿山通风系统安全评价及优化具有一定的指导意义。

通风系统 安全评价 层次分析法 灰色关联分析法 安全度

通风系统的安全合理对矿井的安全生产及经济效益具有重要的影响[1-3]。对于金属矿山，由于矿井开采初期通风系统较为简单，也相对稳定、可靠，通 风管理相对容易；但随着矿井进一步向深部延伸开采、矿井生产能力不断提高、矿山布局发生变化，矿井通风系统结构也随之变得更加复杂。随着矿井通风系统管理难度不断加大、通风效果变差、通风系统运行效率变低、主要通风设备与矿井通风网络不匹配等问题不断出现，矿井的安全生产及经济效益将受到严重的影响。因此，对矿山通风系统安全分析与优化，对保障矿山安全生产具有重要的指导意义。

1 矿井通风系统简介

某铁矿采用两翼对角式通风，中央主井、副井、主提升井进风，东南风井、西北风井从矿体两端回风，2个回风井各装备一台K4-6-19主扇风机，装机容量分别为 800,370kW，2台主要风机的供风量为187m3/s，进入通风工作面的总风量为 86m3/s，有效风量率为46%，工作风压为1 230Pa，其中东南风井供风量为106m3/s，工作风压为1 221Pa，西北风井供风量为81m3/s，工作风压为1 232Pa；井下3个水平共布置12个采掘工作面，局部通风机6台，通风构筑物54处；井下无专用回风通道，造成多中段同时作业污风串联，井下-200m水平采空区安设通风构筑物较多，局部阻力过大，用风地点供风困难；井下安装有自动监测系统及通风检测设备。矿井通风系统见图1。

图1 某铁矿通风系统示意

2 矿井通风系统现状安全性分析

2.1 评价指标的确定

安全评价指标体系是系统安全评价的核心，评价指标体系的科学合理与否对企业安全生产的健康发展有着方向性、实质性影响[4]。为保证所选指标能客观、实际地反映矿井通风系统的安全状况，选取评价指标时，从安全角度对矿井通风系统进行全面分析，并参考《金属非金属矿山安全标准化规范》中有关规定、指标和现场工作人员的经验，经综合分析，将矿井通风系统分为通风系统环境状况、通风设备可靠性、通风安全管理、矿井抗灾能力4个方面，从中选取12个评价指标对矿山通风系统进行评价[5]，安全指标模型见图2。

2.2 评价指标的量化处理

根据所选安全指标的分类情况，对安全评价指标进行量化处理。

图2 矿山通风系统安全评价指标模型

(1)矿井负压f11隶属函数为

(1)

(2)风量供需比f12隶属函数为

(2)

式中，K1为风量供需比，K1=QS/QX，QS为用风地点实际供风量，m3/s，QX为用风地点计算风量，m3/s。

(3)风量合格率f13隶属函数为

(3)

式中，n1为用风地点风量满足需求的个数；N1为矿井用风地点总数。

(4)风速合格率f14隶属函数为

(4)

式中，K2=n2/N2，n2为满足风速要求的风流巷道及用风地点个数；N2为风流巷道与用风地点的总数。

(5)局部通风设施合格率f21计算公式为

(5)

式中，n3为处于正常工作状态的局部通风设施个数；N3为矿井局部通风设施总数。

(6)通风设施合理性f22经验公式为

(6)

式中，a1、a2、a3分别为矿井总回风巷中通风设施个数、矿井通风设施总数、回采工作面通风设施个数；b为回采工作面的个数。

(7)主要通风机的运转稳定性f23隶属函数为

(7)

式中，K3为风机运转稳定性系数，K3=H/Hmax，H为矿井实际通风阻力，Pa，Hmax为主要通风机的最大通风压力，Pa。

(8)安全监测f31。隶属度可以分为完善(f31=1)和不完善(f31=0)2个等级。

(9)通风仪表的配置f32。通风状况的监测依托于通风仪器仪表，根据矿井通风仪表的数量与完好度确定其隶属度，当通风仪表数量满足要求且完好度大于95%时，为该指标赋值1(指标等级为优秀)，当通风仪表数量严重不足或完好度在80%以下时，为该指标赋值0(指标等级为不合格)，其余类推赋值。

(10)通风网络复杂程度f41。通风网络越复杂，矿井通风系统稳定性越差，矿井抗灾能力越弱，其隶属度函数为

(8)

(11)抗灾设施完善度f42。在井下设置一定数量的抗灾救护设施是防治灾害发生的有效措施之一，抗灾设施的完善度主要通过专家打分的方式进行评价，当井下抗灾设施分布合理且完好度在95%以上时，为该指标赋值1(指标等级为优秀)，当井下抗灾设施分布不合理且完好度在80%以下时，为该指标赋值0(指标等级为不合格)，其余类推赋值。

(12)反风系统灵活性f43隶属函数为

(9)

式中，λ1为进行反风时巷道风向发生改变所需时间，λ1=10/t，0≤λ1≤1，min；λ2为反风后通风机的供风量，λ2=1.6Q′/Q,0≤λ2≤1,Q为主要通风机正常工作时的供风量，m3/s；Q′为进行反风时主要通风机所提供的风量，m3/s。

2.3 评价指标的优选

由于矿井通风系统安全评价各个指标的重要性和贡献率不一样，运用层次分析法并参考专家的意见后确定指标体系的权重。经过构造判断矩阵、层次排序和一致性检验后[6]，得出指标体系的权重值,见表1、表2。

表2 评价对象的权重

利用灰色关联分析法对所选评价指标进行优选，去除对矿井通风系统安全性影响较小的指标值。采用灰色关联分析法的基本思路：根据各比较数列集构成的曲线族与参考数列构成的曲线间的几何相似程度来确定比较数列集与参考数列间的关联度，关联度越大的指标对矿井通风系统的影响越大[7]。

根据灰色关联理论，定义比较数列Ci对参考数列C0在指标Ci(j)上的关联系数为[8]

(10)

式中，i=1，2，3…，n；j=1，2，3…，m；ρ为分辨系数，其作用在于提高关联系数之间的差异显著性，ρ=0～1，通常取ρ=0.5 。

为了使所选指标能够更加准确地反映矿井实际情况，有必要将各个指标的关联系数集中为一个值，也就是求其加权平均值作为关联程度的数量表示。记关联度为γi，其表达式为

(11)

γi越大，说明所选评价指标越优秀，对矿井通风系统影响程度越高。

在对评价指标进行灰色关联分析之前，需增加一项参考数列指标{1,0.5,0}，分别对应矿井通风系统的评价结果等级{合格、基本合格、不合格}。对参考数列及指标体系进行灰色关联度分析，得出评价指标灰色关联度排序，见表3。

表3 评价指标体系灰色关联度排序

由表3可知，各评价指标对通风系统安全性的影响大小不同，从中选出8个灰色关联度大的评价指标(安全监测、通风仪表的配置、抗灾设施的完善度、通风设施合格率、反风系统灵活性、风速合格率、风量合格率、主要通风机运转稳定性)作为优选指标对矿井通风系统进行评价。

2.4 安全性分析

根据某铁矿现有通风系统状况，对8个优选指标进行量化处理[9]，得出隶属度：安全监测f31=0,通风仪表的配置f32=0,抗灾设施的完善度f42=1,通风设施合格率f21=-3,反风系统灵活性f43=0.4,风速合格率f14=0.67,风量合格率f13=0.7,主要通风机运转稳定性f23=0.67。

通过计算矿井通风系统的安全度可以定量描述系统的安全性，其计算公式为

(12)

式中，Ei为指标权重；fi为指标隶属度；S为矿井通风系统安全度。

矿井通风系统的安全性按照安全度大小分为4个等级，矿井实际生产过程中对处于不同安全等级的矿井通风系统应分别采取相应的对策，以保证矿井的安全有效运行，安全等级及评价结论见表4。

表4 安全等级及评价结论

通过计算，某铁矿通风系统安全度S=61.8%，安全等级为C，矿井处于相对安全状态，应对矿井采取相应措施。

通过对矿山通风系统做全面检测与安全性分析，发现矿井通风系统主要存在以下几个问题：

(1)井下工程结构复杂。-120,-200,-270m水平同时生产，且3个水平既是进风水平又是回风水平，通风管理难度较大，污风串联现象严重，作业工作面粉尘浓度较大。

(2)自动监测系统及通风检测设备不够完善。-270m水平为新掘进水平，采场通风设备安装不完善。

(3)通风构筑物布局不合理，采空区、残留井巷、塌陷区较多，通风系统存在大量内部及外部漏风。-120和-200m水平既是进风水平又是回风水平，作为进风水平，进风石门应该畅通，作为回风水平，上述石门应设密闭墙密闭，通往老空区的井巷也缺少必要的密闭。

(4)通风设备较少，采场环境较差。-160m水平东、西两翼回风石门各安装一台风机，不能有效控制系统风流，造成采场环境较差。

(5)矿井主要通风机运行效率较低。西风井与东风井风机型号相同，风机运行角度及最佳工况点不同，造成风井联合工作效率低下。

3 矿井通风系统优化设计

针对矿山现有通风系统存在的问题，依据通风网络优化原则，对该矿通风系统做如下调整：

(1)对-120，-200m水平掘进面进风巷道进行杂物清理，对断面严重变形的巷道进行修复；将-120，-200m水平采空区通风构筑物及时去除，并加设密闭墙，以减少漏风。

(2)在井下-270m新掘1#、2#采面，及时加设粉尘、压力及通风参数监测设备，保证对新掘采面的实时监控。

(3)将Ⅱ级机站回风井与回风巷道原垂直交联改为斜交联，并扩大原回风巷道断面。

(4)在采场进风天井下口和回风天井上口设置无风墙的小型风机，以保证新鲜风流能及时到达采场，并能及时排出采场污风。

通过采取以上措施后，对8个优选指标的隶属度重新计算，得到安全监测f31=1，通风仪表的配置f32=1，抗灾设施的完善度f42=1，通风设施合格率f21=-2，反风系统灵活性f43=0.6，风速合格率f14=0.72，风量合格率f13=0.85，主要通风机运转稳定性f23=0.75；再次计算矿井通风系统的安全度S=84.8%，安全等级为B，通风系统处于安全状态，能够保证矿井的安全生产，但仍需对个别指标采取预防措施，以防事故发生。

4 结 论

(1)针对某铁矿通风系统现状，利用层次分析法及灰色关联分析法确定8个优选指标，分析矿井通风系统，得出矿井现有通风系统安全度S=61.8%，安全等级为C，处于相对安全状态，进而分析得出矿井主要存在通风设施布局不合理、内部漏风较多、通风效果较差及风机运行效率较低等问题。

(2)针对矿井通风系统存在的问题，采取优化通风构筑物布局、增设通风及监测设备、整改巷道、增设小型风机等措施；整改后，重新计算优选指标隶属度，得出通风系统安全度S=84.8%，安全等级为B，处于安全状态。

(3)通过实例分析表明，层次分析法及灰色关联分析法能够有效应用于金属矿山通风系统的评价及优化，对金属矿山提高科学管理水平以及加强安全防治工作具有重要的实用价值。

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2015-03-03)

王晓磊(1984—)，男，助理工程师，350002 福建省福州市鼓楼区洪山桥梁厝97号。