模糊综合理论的镇城底矿复杂通风系统评价

王跃明

(太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

矿井通风系统是由通风方式所决定的井巷通风网络、驱动风流的主要通风机以及控制风流的通风构筑物所组成[1],它是一个有规律而又随机动态非线性变化的复杂系统[2]。随着矿井开采开拓布局的扩大,矿井通风系统的复杂程度逐渐升高,如何保证矿井通风系统安全稳定性运行是复杂通风系统亟待解决的关键问题[3]。

矿井通风阻力测定是获得矿井通风参数的唯一途径[4-5],《煤矿安全规程》第156条规定“新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定,以后每3年至少测定1次。生产矿井转入新水平生产、改变一翼或者全矿井通风系统后,必须重新进行矿井通风阻力测定。”掌握矿井通风机的运行状态、矿井通风系统的阻力分布是对矿井通风管理的基本要求。

国内外学者对于矿井通风系统安全稳定性研究主要通过控制通风网络结构中角联分支的风流,提出了敏感性分析方法[6-9],防止角联巷道出现无风、微风现象;研究多风机联合运转相互影响关系,防止多风机同时运转时造成通风网络风量分配失衡问题[10-12]。然而对于复杂矿井通风系统,由于网络结构复杂,如何寻找影响矿井通风系统的主要影响因素,快速评价通风系统的运行状态,及时发现通风系统中的大阻力位置,是矿井通风系统管理面临的重要问题。

文章通过对镇城底矿复杂通风系统进行阻力测定分析,建立影响复杂通风系统安全稳定运行的主要影响因素指标体系,模糊优化理论[13-14]研究的基础上,提出基于模糊综合评价的复杂矿井通风系统安全稳定性评价方法,为矿井通风管理提供基础理论依据。

1 镇城底矿基本概况

镇城底矿位于太原市西北的古交矿区,含煤13层,上部6层煤称为上组煤,下部7层煤称为下组煤,目前矿井主采煤层为2.3#和8#煤层。矿井可采储量12 177.6万t,矿井服务年限45 a。2013年通风能力核定为271.98万t/a。矿井采用斜井-立井联合开拓方式,煤层分组联合开采。

矿井采用混合式通风方式,矿井通风网络示意图,见图1。现有7个井口,4个进风井分别为副斜井、主斜井、副立井、南进风井;3个回风井为东风井、西风井和南风井,通风方法为机械抽出式。东风井、西风井分别装备两台离心式风机,电机功率为400 kW;南风井安装两台对旋轴流式通风机,电机功率为:2×450 kW。工作面目前采用“一进一回”的U型通风方式,采煤方法为走向、倾斜长壁式综合机械化低位放顶煤顶板全部垮落法开采。

矿井属瓦斯矿井,3#和8#煤层的自燃倾向性属自燃,煤尘爆炸指数分别为24.80%和23.78%,有煤尘爆炸危险性,未出现过煤和瓦斯突出现象。

图1 矿井通风网络示意图Fig.1 Ventilation network in the mine

2 矿井通风阻力多通路测定分析

镇城底矿通风系统较为复杂,在矿井通风阻力测定时,共布置11条测定线路,其中:东风井2条,西风井3条,南风井6条。对所有主要巷道和工作面进行了阻力测定,并进行通风网络闭合(风量、风压)。得出各测线的进风段、用风段和回风段的阻力分布参数如表1所示。

表1 各测线阻力分布情况Table 1 Resistance distribution

续表1

从各段阻力分布情况看,进风段通风阻力主要集中在760水平东总轨道巷,主要原因是该轨道巷风量较大而断面偏小。回风段通风阻力主要集中在760水平东总回风巷,其主要原因也是风量大,断面偏小,并且回风联络巷安装有调节风窗。各井筒的通风参数,如表2所示。

表2 各井筒通风参数Table 2 Ventilation parameters

表2中等积孔的计算公式为：

(1)

式中:A为等积孔,m2;Q为矿井主要通风机风量,m3/s;h为矿井通风总阻力,Pa。

矿井总风阻：

(2)

式中:R为矿井总风阻,kg/m7。

根据矿井等积孔或矿井总风阻,可将矿井按通风难易程度分为3级,如表3所示。

表3 矿井通风难易程度分级Table 3 Ventilation difficulty ranking in mines

3 通风系统安全稳定影响因素

根据参数获取方式简便、参数值合理可信、对矿井通风系统安全稳定性影响较大的原则,分别从风机、通风网络两个方面,筛选出影响矿井通风系统安全稳定运行的主要影响因素,建立相应的因素指标体系结构模型,见图2。

图2 矿井通风系统影响因素指标体系Fig.2 Indicator system of ventilation system in mines

图2中第三层各因素指标的意义及取值方法:

1)风机负压比C:主要通风机需运行在合理的范围内,对于轴流式通风机,在当前叶片角度下运行时最小风压Pmin为风机效率为60%时对应的负压值,最大负压Pmax为风压特性曲线最高点所对应负压的0.9倍。在评价时,取主要通风机当前运行工况时风机负压P在最小风压与最大风压间的相对位置,即

(3)

式中:C为风机负压相对位置;P为风机负压,Pa。

2)矿井外部漏风率:指矿井外部漏风量占通风机风量的百分数,计算公式为:

(4)

式中:L为井外部漏风率;Qd为矿井主通风机风量,m3/s;Qs为矿井总回风风量,m3/s。

矿井外部漏风率越大越好。

3)等积孔:描述矿井通风难易程度的指标,一般而言,等积孔越大越好。

4)工作面配风需风比:描述工作面配风强度的参数,配风需风比越大越好,若<1,则工作面配风量不足。

5)主要通路阻力分布:描述通风网络阻力分布合理性的参数,按巷道用途可分为进风段、用风段和回风段3段,一般而言进风和回风段所占比例应越小越好,用风段所占比例应越大越好。取用风段所占比例。

4 模糊综合评价

4.1 模糊综合评价数学模型

根据矿井通风系统安全稳定运行的因素指标体系,建立基于模糊理论矿井通风系统安全稳定运行评价模型:设F={Fij},i=1,…,m,j=1,…,5表示m组通风系统参数对应于5个评价因素指标集合,采用相对隶属度的处理方法消除不同量纲引起评价因素的不可公度性。相对隶属度属性值3类:

第1类指标相对隶属度属性值越大越好,其计算公式为:

(5)

第2类指标相对隶属度属性值越小越好,其计算公式为:

(6)

第3类指标相对隶属度属性值等于1:

Frij=1,(F1j=F2j=，…，=Fmj) .

(7)

式中:Frij为集合元素Fij的相对隶属度,其取值范围[0,1];max{}和min{}分别表示取集合中元素的最大值和最小值。

第3类指标相对隶属度应用于某因素指标的属性值相等或者变化较小的情况。

将相对隶属度值组合成指标对模糊概念“优等”的相对隶属度矩阵Fr:

(8)

将因素的最优值构成标准优等隶属度向量GR,最差值构成标准劣等隶属度向量BR。

(9)

式中:“∨”为模糊数取大运算符;“∧”为取小运算符。

定义模糊分划矩阵:

(10)

以m个风机的权异劣度D(Ri,BR)平方与权异优度D(Ri,GR)平方之总和最小为目标函数:

(11)

(12)

根据式(12),结合矿井通风系统安全稳定运行的因素指标体系,可根据隶属度u1i大小评价出矿井通风系统当前运行工况的安全稳定性情况。

4.2 评价矩阵构建

根据镇城底矿通风系统具体情况,从11条主要测线中选取6条有工作面的测线通路,构建矿井通风系统评价模型,具体参数如表4所示。

表4 评价矩阵Table 4 Evaluation matrix

4.3 评价结果分析

根据各因素的情况,取各评价因素权重赋值见表4所示,由式(5)～式(7)计算得出各因素的相对隶属度,根据各构建成相对隶属度矩阵Fr,由式(9)～式(12)计算得出各测线的隶属度u1i大小如表5所示。

表5 评价结果Table 5 Evaluation results

由表5可知,测线5的评价结果最好,测线11的评价结果最差,评价结果相差近6倍。总体而言,东、西风井测线的评价结果较好,由于南风井风机负荷较大,为1个备用工作面以及2个正采工作面供风,评价结果较差。因此,建议在测线7和测线11上进行减阻调节,降低通风阻力。

5 结论

1)对镇城底矿复杂通风系统进行了阻力测定,获得了11条主要测线的风流参数,矿井进风段通风阻力主要集中在760水平东总轨道巷,回风段主要集中在760水平东总回风巷。

2)建立了影响矿井通风系统安全稳定运行的评价因素指标体系,提出基于模糊综合评价的复杂矿井通风系统安全稳定性评价方法。

3)评价方法实际应用表明,28117备用工作面测线的评价结果最好,22603工作面线测线的评价结果最差。通过扩巷、增加并联巷道等方法来降低测线上大阻力段的风阻,并提高矿井通风系统安全稳定性。