溫曉波

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西晉城048000）

0 引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)過程中占重要地位的系統(tǒng)之一，其通過壓力作用為井下各個(gè)區(qū)域提供新鮮風(fēng)流，將有毒有害氣體濃度稀釋，保證井下員工人身安全[1～2]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)、模糊的系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)各參數(shù)處于不斷變化過程，隨著井下通風(fēng)系統(tǒng)的不斷復(fù)雜，通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也在不斷變化。目前對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)尚未形成一套有效的指標(biāo)體系[3～4]。本文以山西某高瓦斯礦井地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，基于AHP方法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究，并依據(jù)該評(píng)價(jià)體系用加權(quán)評(píng)價(jià)法對(duì)三種通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而選出最合理的優(yōu)化方案，研究結(jié)果可為其他礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供一定參考。

1 工程概況

山西某礦為過去小煤礦整合組成，礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量為25.39 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為4.81 m3/t，為高瓦斯礦井。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，在整個(gè)井田內(nèi)共設(shè)計(jì)有三個(gè)井筒，其中主、副井作為礦井的進(jìn)風(fēng)井，并設(shè)專用回風(fēng)井。目前在回風(fēng)井處共安裝有兩臺(tái)主要通風(fēng)機(jī)，其屬于離心式通風(fēng)機(jī)，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。由于礦井生產(chǎn)布局等方面的改變，礦井工作面的走向長(zhǎng)度減小，單個(gè)工作面生產(chǎn)時(shí)間減少，導(dǎo)致現(xiàn)在工作面銜接緊張、通風(fēng)線路長(zhǎng)、風(fēng)阻增大等問題，因此有必要對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 方案提出

為有效提高該礦井通風(fēng)系統(tǒng)效率，提高通風(fēng)效果，對(duì)目前通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出三種優(yōu)化方案：

①礦井仍采用目前的中央并列式通風(fēng)方式，其中進(jìn)風(fēng)井為礦井主、副斜井，西風(fēng)井作為礦井的回風(fēng)井，本方案主要將原有的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，原有西回風(fēng)井使用的主要通風(fēng)機(jī)為G4-73-12NO.28D/400離心式通風(fēng)機(jī)，先將通風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，替換為FBCDZNO.37 2/800 kW型礦用防爆對(duì)旋軸流式主要通風(fēng)機(jī)，并對(duì)新風(fēng)機(jī)電壓以及頻率進(jìn)行提高，增大風(fēng)機(jī)的輸出效率。

②在礦井的西翼新建一回風(fēng)井，井下一、二盤區(qū)由該風(fēng)井進(jìn)行回風(fēng)，其他區(qū)域仍由原回風(fēng)井進(jìn)行回風(fēng)，礦井的通風(fēng)方式變?yōu)榛旌鲜酵L(fēng)方式。

③在礦井的東、西兩翼各修建一回風(fēng)井，分別負(fù)責(zé)一、二盤曲與東盤曲的回風(fēng)，原回風(fēng)井改為進(jìn)風(fēng)井，礦井的通風(fēng)方式變?yōu)閮梢韺?duì)角式通風(fēng)方式。

2.2 方案對(duì)比

三種方案提出后，由于各煤層開采條件并未出現(xiàn)變化，因此煤層開采環(huán)境對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響可以忽略。對(duì)上述三種方案進(jìn)行對(duì)比分析，三種方案所提供的風(fēng)量均可滿足礦井的需求，方案一整體工程量較小，但由于通風(fēng)線路的增長(zhǎng)，通風(fēng)系統(tǒng)阻力等也會(huì)增大，因此該方案對(duì)通風(fēng)機(jī)的要求較高；方案二改變了原有的通風(fēng)方式，通風(fēng)線路有了明顯的降低，通風(fēng)系統(tǒng)阻力也會(huì)有明顯的下降，但該方案需新修建一風(fēng)井，所需工程量大，經(jīng)濟(jì)成本較高；方案三與方案二相似，在新建兩風(fēng)井后，通風(fēng)線路長(zhǎng)度降低更多，通風(fēng)系統(tǒng)阻力同樣降低幅度更大，通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度有了很大的改善，并且風(fēng)井?dāng)?shù)量的增多會(huì)增加整個(gè)礦井的安全出口，有利于應(yīng)對(duì)緊急情況出現(xiàn)，但該方案工程量更大，所需時(shí)間長(zhǎng)，并且保護(hù)煤柱的增加會(huì)降低礦井的資源回收率，導(dǎo)致煤炭資源的浪費(fèi)。

3 通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立及權(quán)重計(jì)算

3.1 AHP方法簡(jiǎn)介

為選出最合理的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，應(yīng)建立完整的評(píng)價(jià)體系對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此本文將采用AHP方法建立通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系。AHP方法又稱為層次分析法，該方法將與評(píng)價(jià)事物相關(guān)的因素分為多個(gè)層次，每個(gè)層次所占到的權(quán)重有著一定的差異，根據(jù)各個(gè)影響因素的影響程度，最終定量的給出評(píng)價(jià)結(jié)果[5]。這種方法與通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)有著很大的適應(yīng)性，由于通風(fēng)系統(tǒng)的各個(gè)影響指標(biāo)具有著模糊、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，AHP方法可將這類模糊影響指標(biāo)進(jìn)行定量分析，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)具有著重要的作用。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

圖1通風(fēng)系統(tǒng)指標(biāo)體系

礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循AHP方法的原理，首先對(duì)上層評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行確定，然后對(duì)上層指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分類。過去常用通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的上層指標(biāo)選擇主要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及安全等因素，這類指標(biāo)體系框架模糊程度較高，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果誤差較大[6]。本次通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一級(jí)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，將一級(jí)指標(biāo)定為：地質(zhì)特征及開采技術(shù)（P1）、通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境（P2）、通風(fēng)設(shè)備可靠性（P3）、工作人員可靠性（P4）、通風(fēng)系統(tǒng)管理難易程度（P5）。一級(jí)指標(biāo)體系建立完成后，對(duì)各個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，建立的指標(biāo)體系如圖1所示。

3.3 確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重

（1）建立判斷矩陣

通過AHP方法確定通風(fēng)系統(tǒng)各層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)后，需要確定所有指標(biāo)的權(quán)重。首先，構(gòu)建計(jì)算指標(biāo)的判斷矩陣，其可表示為：

式中，aij（i=1，2，...，n；j=1，2，...，n）為上層指標(biāo)與下層指標(biāo)的重要性相對(duì)標(biāo)度，各標(biāo)度代表含義如表1所示[7]。

表1比較標(biāo)度含義

（2）確定各指標(biāo)權(quán)重值

判斷矩陣構(gòu)建完成后，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，然后采用“和積法”求出判斷矩陣的特征根λmax，最后對(duì)特征根λmax進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，這是判定該評(píng)價(jià)體系最終計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確的必要過程，一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI計(jì)算公式為[7]：

式中，CI為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；n為判斷矩陣中對(duì)角線元素的和。

判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算完成后，根據(jù)該矩陣的n值通過查表可以得到其所對(duì)應(yīng)的的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，不同n值所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)如表2所示，將一致性指標(biāo)與隨機(jī)一致性指標(biāo)進(jìn)行相比可得到一致性比率CR。

表2不同n值所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)

得到一致性比率后，若計(jì)算結(jié)果小于0.1，表示該評(píng)價(jià)體系指標(biāo)構(gòu)建的判斷矩陣準(zhǔn)確性在許可的范圍內(nèi)，可以將矩陣的特征向量可以作為指標(biāo)的權(quán)重向量。

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法，采用AHP方法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)各層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3通風(fēng)系統(tǒng)各指標(biāo)及權(quán)重

將所有指標(biāo)匯總后得到通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的權(quán)重值如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于該評(píng)價(jià)體系，一級(jí)指標(biāo)通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境（P2）所占的比重最大，其對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。此外，地質(zhì)特征及開采技術(shù)（P1）所占比重為0.12，其對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響雖小于其他指標(biāo)，但仍是不可忽視的因素。在所有二級(jí)指標(biāo)中，通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、風(fēng)量供需比以及主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率占有較高的比重，這些因素對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著較大的影響。

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案確定

在通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系建立后，需根據(jù)評(píng)價(jià)體系中的各個(gè)指標(biāo)及其權(quán)重，對(duì)三種優(yōu)化方案進(jìn)行比較，從而確定最合理的方案。

在地質(zhì)特征與開采技術(shù)方面，三種方案優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)，礦井煤層的瓦斯條件、煤層自燃傾向以及礦井開采條件等未出現(xiàn)變化，對(duì)于粉塵情況，方案二與方案三由于通風(fēng)系統(tǒng)阻力的明顯降低，通風(fēng)難易程度降低，因此工作面粉塵情況較優(yōu)于方案一。

在通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境方面，三種方案下礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量供需比、礦井有效供風(fēng)率、自然風(fēng)壓、井下作業(yè)環(huán)境最高氣溫均相同，由于方案二與方案三導(dǎo)致礦井通風(fēng)方式改變，通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但通風(fēng)線路長(zhǎng)度的降低，通風(fēng)阻力有所下降，通風(fēng)難易程度較低，等積孔較大；此外，方案二與方案三回風(fēng)段通風(fēng)阻力占比、反風(fēng)系統(tǒng)合格度以及采掘面煤塵濃度最大超標(biāo)率也要優(yōu)于方案一。

在通風(fēng)設(shè)備可靠性方面，由于方案一對(duì)主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了更換，在通風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)機(jī)輸出功率方面有了很大的技術(shù)改進(jìn)，因此方案一的通風(fēng)設(shè)備可靠性要優(yōu)于方案二與方案三。

在工作人員可靠性方面，三種方案未進(jìn)行優(yōu)化，因此該指標(biāo)重要程度相同。

在通風(fēng)系統(tǒng)管理情況方面，由于方案二、方案三新修建了風(fēng)井，在安全經(jīng)濟(jì)成本方面有很大的投入，且管理難度也有所提升，因此方案一優(yōu)于方案二和方案三。

為更直觀的表現(xiàn)出三種方案的優(yōu)劣性，本文采用加權(quán)評(píng)價(jià)法對(duì)三種方案進(jìn)行比選，將每個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣性給出1～3三個(gè)水平，相同的則為0，將各指標(biāo)權(quán)重與評(píng)價(jià)值進(jìn)行相乘求和，最終得出該方案的綜合評(píng)價(jià)值，其中綜合評(píng)價(jià)值最大的為最優(yōu)方案。根據(jù)該原理，對(duì)三種優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。

表4個(gè)方案加權(quán)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)結(jié)果，方案一的加權(quán)綜合評(píng)價(jià)值明顯高于方案二與方案三，表明在該評(píng)價(jià)體系下，方案一是最優(yōu)的優(yōu)化方案。由于方案一可以有效提高通風(fēng)設(shè)備的可靠性，改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，并且工程量少、經(jīng)濟(jì)成本低，具有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此確定采用方案一作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案，即在不改變?cè)L(fēng)方式的條件下，更換主要通風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行一定的技術(shù)改造。

5 結(jié)論

本文以山西某高瓦斯礦井現(xiàn)場(chǎng)條件為基礎(chǔ)，針對(duì)目前礦井通風(fēng)形系統(tǒng)中存在的問題，提出了三種礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，基于AHP方法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了研究，通過計(jì)算、分析確定了礦井系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系各級(jí)指標(biāo)及其權(quán)重，并通過加權(quán)評(píng)價(jià)法對(duì)三種通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最終確定方案一為最合理有效的優(yōu)化方案，即在不改變?cè)L(fēng)方式的條件下，更換礦井主要通風(fēng)機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行一定的技術(shù)改造。