王孝東，陳書鵬，蔣夢嬌，童學(xué)林，符浩南

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

礦井通風(fēng)阻力是衡量礦井通風(fēng)能力的主要指標(biāo)之一，也是進(jìn)行礦井通風(fēng)設(shè)計和礦井通風(fēng)管理的主要依據(jù)之一[1]。研究通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性就是為了能夠盡早地發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中潛藏的事故隱患，能在將來對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行維修和改造時提供相關(guān)科學(xué)技術(shù)依據(jù)。王振財[2]提出了包含調(diào)節(jié)風(fēng)窗的一般型分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解算法，即將網(wǎng)絡(luò)分成三個主要區(qū)段：進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段；馮彬等[3]開發(fā)了3DsimOpt software軟件，利用該軟件對礦井的進(jìn)、用、回三區(qū)段進(jìn)行了通風(fēng)阻力與功耗情況分析；徐瑞龍[4]將圖論和可靠性理論相結(jié)合，定義了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度的含義，討論了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度的計算；畢娟等[5]采用不同的評價方法對通風(fēng)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究；王洪德等[6]給出了通風(fēng)系統(tǒng)及其各單元可靠性定義，并建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性分析數(shù)字模型；FONG等[7]1987年定義了最小路集概念，并提出了改進(jìn)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度不交化算法。

本文分別對新建回風(fēng)井投入使用前后的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力測算，分析新建回風(fēng)井投入使用后阻力變化規(guī)律以及阻力分布情況。同時基于網(wǎng)絡(luò)流理論，針對現(xiàn)階段礦井通風(fēng)系統(tǒng)，分別計算風(fēng)路、風(fēng)網(wǎng)可靠度，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性評價。

1 礦井通風(fēng)阻力測算

云南某鉛鋅礦開采深度超過1 600 m，由上部老系統(tǒng)和深部新系統(tǒng)構(gòu)成，屬超深井通風(fēng)系統(tǒng)，礦山采用平硐、豎井、斜井聯(lián)合開拓方式，兩翼對角式的通風(fēng)方式，90 m一中段，15 m一分段。隨著上部老系統(tǒng)硫化礦產(chǎn)量減少，且開采工作不斷向深部延伸，為滿足深部生產(chǎn)用風(fēng)需求，礦山新建一條專用回風(fēng)井，并于2021年5月投入使用。新增回風(fēng)井后，該回風(fēng)井作為主要回風(fēng)井，原有老系統(tǒng)回風(fēng)井輔助回風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生改變。現(xiàn)階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 現(xiàn)階段通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of the ventilation network system at this stage

1.1 通風(fēng)阻力影響因素分析

對礦山所處地區(qū)一年內(nèi)氣溫、氣壓進(jìn)行整理匯總，同時根據(jù)四季通風(fēng)參數(shù)實測數(shù)據(jù)計算自然風(fēng)壓，其氣溫、氣壓、自然風(fēng)壓變化規(guī)律見表1。

表1 四季通風(fēng)阻力影響因素統(tǒng)計表Table 1 Statistics of factors affecting ventilation resistance in four seasons

由表1可知，春、夏兩季平均氣溫波動幅度最大，約為4 ℃。夏季平均氣壓波動幅度最大，約為8.5 hPa。冬季自然風(fēng)壓最大，約為193.69 Pa，夏季最小，約為45.17 Pa，波動幅度148.52 Pa。四季自然風(fēng)壓作用方向均為正，即自然風(fēng)壓方向與風(fēng)機(jī)作用方向一致，有利于礦井通風(fēng)。

綜合比較，夏季氣溫、氣壓波動幅度均為最大，同時自然風(fēng)壓最小，氣候條件不穩(wěn)定，通風(fēng)困難。礦井優(yōu)化改造應(yīng)選擇通風(fēng)困難時期通風(fēng)情況作為設(shè)計依據(jù)，因此選擇夏季進(jìn)行通風(fēng)參數(shù)測定以利于后續(xù)優(yōu)化工作開展。

1.2 通風(fēng)阻力測算

礦井通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)路、通風(fēng)設(shè)施及構(gòu)筑物等組成，并且具備多環(huán)節(jié)、時變、非線性等特點(diǎn)[8]。為研究新建回風(fēng)井投入使用前后，礦井通風(fēng)阻力變化規(guī)律及阻力分布情況，分別篩選出新建回風(fēng)井投入使用前后最大阻力路線(圖2)。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)最大阻力路線Fig.2 Maximum resistance route of the ventilation system

根據(jù)上述最大阻力路線結(jié)合2020年夏季和2021年夏季實測通風(fēng)參數(shù)計算出兩條線路累計通風(fēng)阻力，進(jìn)而得出全礦通風(fēng)阻力，見表2。

表2 氣壓計法測定通風(fēng)阻力匯總表Table 2 Summary table of ventilation resistance measurement by barometer method

通過對兩條最大阻力線路通風(fēng)阻力計算可知，原系統(tǒng)通風(fēng)阻力較高，為3 027.73 Pa，新建回風(fēng)井投入使用后，現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)阻力降低354.24 Pa，為2 673.49 Pa。

由通風(fēng)系統(tǒng)實測通風(fēng)阻力與系統(tǒng)理論通風(fēng)阻力計算出阻力測算相對誤差，見表3。

表3 誤差分析表Table 3 Error analysis table

根據(jù)《礦井通風(fēng)阻力測定方法》(MT/T440-2008)相關(guān)規(guī)定，兩條最大阻力線路阻力測定誤差范圍均小于≤5%，即本次測定數(shù)據(jù)有效，計算結(jié)果可靠。

由氣壓計法測算數(shù)據(jù)，繪制出累計通風(fēng)阻力分布圖，見圖3。

圖3 累計通風(fēng)阻力分布圖Fig.3 Distribution of cumulative ventilation resistance

分析圖3，線路L2巷道累計長度2 600 m和3 200 m位置附近阻力增量很大，其主要原因是由于在測點(diǎn)16回風(fēng)井井底內(nèi)部設(shè)有風(fēng)窗，致使測段15-16斜坡道實測風(fēng)速較低；線路L1測段3-6和線路L2測段13-16均為用風(fēng)段，生產(chǎn)過程中該區(qū)段作業(yè)人員和設(shè)備較多。同時這兩測段均為折返式斜坡道，局部阻力較大，進(jìn)而導(dǎo)致這兩段通風(fēng)阻力較大。

針對新系統(tǒng)，應(yīng)及時對巷道內(nèi)堆積物進(jìn)行清理，同時對測段13-14分段斜坡道轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到降阻目的。

1.3 通風(fēng)阻力分析

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段三段的阻力比例常作為衡量系統(tǒng)通風(fēng)質(zhì)量優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一，一般情況下這三段的阻力比例關(guān)系應(yīng)為：25%∶45%∶30%。

將最大通風(fēng)阻力路線劃分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段三段。線路L1測點(diǎn)1-2為進(jìn)風(fēng)段、 3-6為用風(fēng)段、7-10為回風(fēng)段；線路L2測點(diǎn)11-12為進(jìn)風(fēng)段、13-16為用風(fēng)段、17-20為回風(fēng)段。各區(qū)段阻力分布情況見表4。

表4 最大阻力線路阻力分布表Table 4 Resistance distribution table of the maximum resistance line

通過對兩條最大阻力線路上進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)和回風(fēng)三段通風(fēng)阻力計算，得出“三段”通風(fēng)阻力占全礦總阻力的百分比的比例關(guān)系圖，見圖4。

圖4 通風(fēng)阻力分布圖Fig.4 Distribution of ventilation resistance

由圖4可知，L1進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段的風(fēng)阻占全礦總阻力百分比的比例關(guān)系分別是：17.66%∶54.70%∶27.64%∶L2為：25.68%∶48.40%∶25.92%。

“進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)、回風(fēng)” 三段通風(fēng)阻力分布中，用風(fēng)段阻力占全礦總阻力的百分比略高，回風(fēng)段阻力占全礦總阻力的百分比略低。新建回風(fēng)井投入使用后，用風(fēng)段、回風(fēng)段阻力占比減小，進(jìn)風(fēng)段阻力占比隨之增大，經(jīng)比較L2“三段”通風(fēng)阻力分布較為合理。

2 風(fēng)路可靠度

本文可靠度計算只針對現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)主要通風(fēng)線路，因此應(yīng)對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行簡化，即在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖中選取主要分支風(fēng)路。測段和節(jié)點(diǎn)主要選取井口、井底、斜坡道口等風(fēng)流波動范圍大的風(fēng)流匯集處。經(jīng)線路梳理和節(jié)點(diǎn)選取后篩選出14個節(jié)點(diǎn)和17條分支風(fēng)路，繪制可靠度計算線路圖，見圖5。

圖5 可靠度計算線路圖Fig.5 Reliability calculation circuit diagram

綜合考慮通風(fēng)構(gòu)筑物、風(fēng)阻、有毒有害氣體及粉塵等約束因素，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中第i條風(fēng)路風(fēng)量值保持在正常范圍[qi1，qi2]內(nèi)的概率即為該風(fēng)路可靠度[8]，記作Ri(qi)。巷道的最低需風(fēng)量為實際需風(fēng)量除以1.1；最高風(fēng)量為《金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范通風(fēng)系統(tǒng)》(AQ2013.1-2008)所規(guī)定的井巷斷面平均最高風(fēng)速乘以巷道斷面面積的風(fēng)量[8]。通過可靠性工程理論可得出礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度服從正態(tài)分布。

計算出風(fēng)路風(fēng)量的邊界范圍后，依據(jù)公式可計算出各巷道的風(fēng)路可靠度，其中公式Ri的取值可通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得出。

首先，將標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的形式轉(zhuǎn)換為：

(1)

因而，風(fēng)量在[qi1，qi2]范圍內(nèi)的概率為：

(2)

(3)

通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，確定Λ(ti1)和Λ(ti2)的值。

最終可得風(fēng)路可靠度為：Ri(qi)=Φ(qi2)-Φ(qi1)。

分支風(fēng)路可靠度計算結(jié)果見表5。

表5 各井巷風(fēng)量分配及可靠度統(tǒng)計表Table 5 Air volume distribution and reliability statistics of each shaft

由圖6可知，19條分支風(fēng)路中有11條可靠度在0.9～1為可靠，5條可靠度在0.8～0.899為較可靠，3條可靠度在0.6～0.799為一般可靠，可靠度較低的三條分支風(fēng)路分別為：e8可靠度為0.767、e15可靠度為0.732和e17可靠度為0.712。分析可靠度較低三段，發(fā)現(xiàn)其存在共性問題為這三段實測風(fēng)量都略小于最小需風(fēng)量，需通過增設(shè)局部扇風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)量，進(jìn)而提高可靠度。

圖6 分支風(fēng)路可靠度統(tǒng)計圖Fig.6 Reliability statistics of branch air routes

3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度是基于網(wǎng)絡(luò)流理論，先計算各個分支風(fēng)路的可靠度，后利用矩陣形式對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖進(jìn)行描述，通過聯(lián)絡(luò)矩陣法選取最小路集，經(jīng)不交化處理后求出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度[9]。

3.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最小路集的確定

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)G中，連接風(fēng)流輸入節(jié)點(diǎn)v1與輸出節(jié)點(diǎn)v2的分支集合稱為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個路集。在某一路集中，如任意去除其中的一個分支就無法再次構(gòu)成路集，那么這樣的路集就可以稱為最小路集[9]。本文運(yùn)用聯(lián)絡(luò)矩陣法對取最小路集進(jìn)行求解。

3.2 基于聯(lián)絡(luò)矩陣法的可靠度計算

由圖5結(jié)合網(wǎng)絡(luò)流理論，得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣C：

由于1、3號節(jié)點(diǎn)進(jìn)風(fēng)，13、14號節(jié)點(diǎn)回風(fēng)，因此，計算最小路集時計算節(jié)點(diǎn)2至12即可。對矩陣C計算其乘方得到Cn的第一行、第14列的數(shù)值，見表6。

表6 矩陣C乘方數(shù)值統(tǒng)計表Table 6 Numerical statistics table of matrix C power

由表6可知，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)存在8條最小路集，圖論理論中最小路集數(shù)量=分支數(shù)-節(jié)點(diǎn)數(shù)+2，即存在7條最小路集，應(yīng)用線性代數(shù)理論選擇最大線性無關(guān)的最小路集。結(jié)果如下：

S1=e2e6e11e16

S2=e3e7e11e16

S3=e3e8e12e17

S4=e3e8e13e17

S5=e2e5e9e15

S6=e2e5e10e15

S7=e2e6e11e14e15

不交化處理

S1=e2e6e11e16

×e2e5e10e15

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最終的不交化最小路集如下：

由通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最終的不交化最小路集和表5得出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的可靠度RS為0.881。整體可靠度較高，風(fēng)量分配合理。

4 結(jié)論

1)通過對云南某超深井礦山一年內(nèi)四季氣溫、氣壓以及自然風(fēng)壓的統(tǒng)計和計算得出夏季為通風(fēng)困難時期。

2)分別選擇對2020年夏季原有通風(fēng)系統(tǒng)和2021年夏季新建回風(fēng)井投入使用后的現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力測算分析，得出新建回風(fēng)井投入使用后全礦通風(fēng)阻力降低354.24 Pa。在能夠滿足深部通風(fēng)系統(tǒng)生產(chǎn)用風(fēng)需求的前提下，全礦通風(fēng)阻力進(jìn)一步降低，通風(fēng)能耗降低，利于礦山未來發(fā)展。

3)現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)“進(jìn)風(fēng)、用風(fēng)、回風(fēng)”三段阻力比例關(guān)系為25.68%∶48.40%∶25.92%，阻力分配較為合理。需進(jìn)一步加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)管理，對“三段”通風(fēng)阻力進(jìn)行合理調(diào)配。

4)基于網(wǎng)絡(luò)流理論，結(jié)合各分支風(fēng)路可靠度計算出全礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)可靠度為0.881，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體可靠度較高。