基于AHP的云南某地下金属矿山掌子面通风优化

严庆文 童学林 李永兴 王孝东 陈书鹏

(1.云南驰宏锌锗有限公司，云南 曲靖 655000；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

掌子面是矿山生产的第一现场，直接关乎着矿山的生产量，但通风是一个困扰各矿山多年且难以解决的问题。有效风量低、污浊空气停滞等一系列通风问题，严重危害工作面人员身体健康和生产安全[1]。目前，掌子面通风主要采用局扇接风筒的形式，利用计算公式，根据巷道的断面积求解出巷道的风量，得出通风布置参数的最优值，通过各通风参数优选出局扇与风筒[2-7]。很多矿山与学者针对此类问题做了大量研究，并没有取得有效成果。因此，需对掌子面的通风进行进一步的优化研究。

本文以云南省某矿1175 m分段掌子面为研究对象建立多个通风方案进行对比，优选出最佳方案。该矿采用下向进路式采矿方法，通风距离长、温度高、湿度大且通风困难是一个难以解决的问题[8]。分段沿脉总长265 m，共3条出矿道，1#出矿道长度为93 m，2#出矿道长度为120 m，4#出矿道长度为120 m，掌子面至回风井最远距离分别为245、150、210 m，施工断面积8.37 m2(3 m×3 m)。采用一次起爆，每炮装药量20～30 kg，炮烟排放时间为20～30 min。据现场情况，采场通风主要分为“掌子面—沿脉”与“沿脉—回风井”两段，通风方式为抽出式通风，1#出矿道与2#出矿道接风筒至出矿道与沿脉交汇处，污风通过沿脉局扇抽到分段回风井，4#出矿道采用局扇接风筒的形式将污风抽到回风井，两部分属并联关系。出矿道抽出式局扇吸入口距工作面约6 m，型号为JK67-1№4.5，沿脉局扇型号为JK67-2№4.5，接直径400 mm柔性风筒，如图1。

1、4、7—掌子面；2、3、6—出矿道与沿脉交汇处；5—分段回风井图1 分段通风及设备布置现状Fig.1 Current status of segmented ventilation and equipment layout

1)风速风量低，温度高。根据《金属非金属矿山安全规程》GB 16423—2020规定，作业面最小风速为0.25 m/s，温度不得高于27 ℃。分析表1，掌子面风速风量实测值与标准值比值为0.32～0.48，达不到通风要求；3个掌子面温度分别为28.4、28.6及27.8 ℃，均超过标准值。

表1 作业面通风参数

2)通风设备选择不合理。经计算，出矿道选用1台7.5 kW局扇接直径400 mm柔性风筒，需克服的通风阻力为3 665.84 Pa，风量为3.01 m3/s；分段沿脉选用1台11 kW局扇接直径400 mm柔性风筒，需克服的通风阻力为4 568.41 Pa，风量为6.27 m3/s，所选局扇无法满足通风需求。

3)风筒漏风严重。如图2、图3，现场调查过程中，局扇与风筒接口不严密，风筒破口或裂缝。

图2 风筒破口Fig.2 Breaking of the blower

图3 局扇与风筒接口不严密Fig.3 The interface between the local fan and the air duct is not tight

1 局部通风方案分析

为满足作业面风速风量，优化方案选用混合式通风。现场施工断面较小，出矿道风筒选择直径400 mm与500 mm柔性风筒，沿脉风筒使用直径500 mm及600 mm柔性风筒。分别按排尘、排炮烟和最大班作业人数计算需风量，结果显示按排尘计算风量最大。排尘风速选取0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 m/s，提出6种通风方案，0.40～0.50 m/s排尘风速方案的制定考虑到掌子面具有高温现象，通过增加风量降低作业面温度。对各方案需风量、局扇供风量及风机全压等参数进行分析。

压入式局扇风机风量(掌子面需风量)Q压入=VS，V为排尘风速，S为施工断面积，抽出式局扇风机风量Q抽出=1.2Q。不同排尘风速条件下，用风段局扇的风机风量如图4所示。

图4 局扇的风机风量Fig.4 Fan air volume of local fan

由图4可知，断面积不变，风机风量与排尘风速成正比关系。不同排尘风速下，压入式局扇风机风量2.09～4.19 m3/s，抽出式局扇风机风量2.51～5.02 m3/s，分段局扇风机风量5.02～10.05 m3/s。

随访期内，12例(21.1%)患者出现硬膜下积液，硬膜下积液量平均(57.7±48.3) mL(12～167 mL)。其中，5例为少量硬膜下积液[(17±4.7)mL]，4例为中等量硬膜下积液[(47.8±7.9)mL]，3例为大量硬膜下积液[(128.3±40.1)mL]。

为保证掌子面良好的作业环境，避免出矿道内污风被压入掌子面，压入式局扇安装位置靠近分段沿脉，通风长度为70 m。为防止压入的新鲜风被抽出，压入式局扇与抽出式局扇水平布置距离大于10 m，1#出矿道掌子面通风长度175 m，2#出矿道掌子面通风长度80 m，4#出矿道掌子面通风长度180 m，各用风段局扇供风量如图5。

图5 局扇的供风量Fig.5 Air supply volume of local fan

局扇的供风量如图5所示，局扇在对掌子面供风的过程中，存在漏风现象，局扇的供风量应大于局扇的风机风量。

为降低风筒风阻，排尘风速取0.40～0.50 m/s时，出矿道抽出式局扇所接风筒直径为500 mm，排尘风速取0.45～0.50 m/s时，沿脉风筒直径更换为600 mm。风机风压要克服风筒的通风阻力及风流出口的阻力。由计算公式[9]可推出风筒风阻与风筒直径的五次方成反比，风机风压与排尘风速的二次方成正比，即各局扇需要克服的通风阻力如图6。

图6 局扇的风机风压Fig.6 Fan wind pressure of local fan

分析图6，6种通风方案压入式局扇均接直径400 mm柔性风筒，风机风压随着排尘风速的增加而增加。方案4、方案5与方案6将出矿道抽出式局扇风筒由400 mm更换为500 mm，风筒风阻降低3.32倍，导致排尘风速在0.35～0.40 m/s变化过程中，风机风压大幅减少。方案5与方案6沿脉风筒由500 mm更换为600 mm，风筒风阻降低2.49倍，因此，排尘风速0.40～0.45 m/s变化过程中，风机风压呈下降趋势。

2 通风方案优选

利用层次分析法[10-11]，结合矿山采场通风资料及特点，了解现场实际情况后，从技术可行、安全可靠、经济合理三个方面选取9个指标完成最优方案的选取[12-14]。技术性指标为排尘风速、采场总风量与风量供需比，安全可靠性指标为风机运转稳定性、风流稳定性与管理难易程度，经济性指标包含吨矿通风电费、通风改造费用与维护费用。

分别对方案各指标进行计算、打分，见表2。

表2 优化评判指标数值表

2.1 指标权重值计算

1)不同指标的权重值的递阶层次结构模型如图7所示。

图7 指标权重值的递阶层次结构模型Fig.7 Hierarchical structure model of index weight value

2)在对各相关因素进行相对重要性比较时，通过引入9标度法对比分析，判断矩阵中每个因素的相对重要性，见表3。

表3 9标度法含义

3)利用专家评分法对各指标进行打分，与现场技术人员交流，计算各判断矩阵的最大特征值和特征向量，采用归一化法处理，得出不同因素权重值。

①目标层与准则层权重值计算

表4 A-P权重值计算

计算得：λmax=3，CI=0，RI=0.52，CR=0<0.1，可判定判断矩阵A-P一致性水平较高。

②准则层与指标层权重值计算

表5 P1-Ci权重值计算

计算得：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，RI=0.52，CR=0.008 9<0.1，可判定判断矩阵P1-Ci一致性水平较高。

表6 P2-Ci权重值计算Table 6 P2-Ci weight value calculation

计算得：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，RI=0.52，CR=0.008 9<0.1，可判定判断矩阵P2-Ci一致性水平较高。

表7 P3-Ci权重值计算

计算得：λmax=3.003 7，CI=0.001 8，RI=0.52，CR=0.003 6<0.1，可判定判断矩阵P3-Ci一致性水平较高。

③目标层与指标层权重值计算

根据层次单排序的结果可以得到层次总排序结果，A-C相对重要性权重值如表8所示。

表8 A-C权重值计算

计算得：CI=0.003 5，RI=0.52，CR=0.006 7<0.1，可判定判断矩阵A-C一致性水平较高。指标的权重排列顺序为：W=[0.215 6，0.118 9，0.065 5，0.107 8，0.059 5，0.032 8，0.259 2，0.091 9，0.048 9]T。

2.2 基于灰色关联度的模糊综合评价模型的建立

结合灰色关联法与模糊理论[15-16]，建立模糊关系矩阵，引入指标权重系数，得出最终评价结果[17-18]。通过表5选取最优参考序列，排尘风速、总风量、风量供需比、管理难易程度、风流稳定性和局扇运转稳定性指标值越大越好，吨矿通风电费、维护管理费用和通风改造费越小越好，最优参考序列：U*=[0.5，12.56，2，9，9，9，3.41，7.07，2.4]。

根据最优参考序列及三个优化方案指标值建立初始矩阵：

消除各评价指标的量纲效应，需对样本数据集进行标准化处理[19]：

其中，B*=[1，1，1，1，1，1，0，0，0]为最优指数的参考序列，对矩阵U处理得出模糊矩阵R：

结合层次分析法指标权重系数W=[0.215 6，0.118 9，0.065 5，0.107 8，0.059 5，0.032 8，0.259 2，0.091 9，0.048 9]T进行计算，可得C=RW=[0.6,0.617 5,0.574 8,0.677 2,0.654 8,0.671 7]，故C3

3 结论

1)对云南省某矿掌子面提出6种混合式通风优化方案，以层次分析法作为方案对比工具，提出9个判定指标，各判定指标权重系数W=[0.215 6，0.118 9，0.065 5，0.107 8，0.059 5，0.032 8，0.259 2，0.091 9，0.048 9]T。

2)以指标数值为基础，建立模糊矩阵，结合指标权重系数，得出方案权重值C=[0.6,0.617 5, 0.574 8,0.677 2,0.654 8,0.671 7]，确定方案四为最优方案，通风效果最好。

3)优选方案可有效改善掌子面作业环境，为矿山生产提供保障，具有一定的参考价值。