基于矿井通风网络的通风系统优化研究

【摘要】煤矿井下良好的通风可以在保证作业空间良好气候的条件下，冲淡或者稀释有毒有害气体和矿尘等，保证为矿井各用风场所提供足够的新鲜风量。矿井的安全生产、矿井的经济效益、矿井的稳定生产和持续高产以及矿井灾害时期的应变能力在很大程度上受矿井通风状况好坏的影响。因此，矿井通风的系统稳定性和可靠性的分析和持续优化是必须的。本文通过对基于矿井通风网络的通风系统进行分析，研究了影响通风系统的各个影响因素和指标，通过建立指标的评价标准，提出了通风系统优化的方案和其计算机技术实现。

【关键词】矿井；通风网络；系统；优化

煤矿自然条件因地而异，矿井通风系统影响因素较多，而现有的煤矿的安全管理水平以及计算机水平都较低。因此，通过应用计算机技术，实现矿井安全通风的系统分析和优化的计算机化，对于煤矿的安全生产意义重大。同时，随着近年来可靠性数学理论、模糊理论和系统优化理论等交叉学科理论的发展，计算机技术和人工神经网络技术提高和普及，系统可靠性研究进入全新的阶段，面临新的发展机遇。

一、矿井通风相关介绍

通风网中各条巷道及其风流、各类用风场所、通风构筑物构成了矿井的通风网络。基于矿井通风网络，由主通风机等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统即矿井通风系统。系统的多环节性、非线性、时变性和可维修性以及系统之间各影响因素之间的强耦合性是矿井通风系统的复杂关联的属性的具体的表现。因此，煤矿井下正常的通风及安全生产的故障和隐患的大量的随即影响因素容易出现。

矿井通风系统的优化建立在对矿井通风系统分析的基础上。矿井通风系统分析是理论分析或是实验研究矿井通风系统的结构、功能、安全技术经济指标或存在的问题，发现问题从而找到症结，进行评价分析，并为寻求理想的方案和改进措施提供科学的可信的理论依据。

满足矿井通风目的的可靠程度，具体包含了两方面的含义：一是指系统在规定时间内保证矿井生产的安全，保持矿井的正常运转功能；二是能够预防各类灾害性事故的发生，以及事故发生后的极强的灾后抗灾能力。

二、矿井通风系统优化方案

矿井通风系统优化基本步骤为：（1）测定主要通风机性能、矿井的通风阻力、漏风状况和风量分配状况等，认真综合、整理、分析和研究所测定的资料，找出包括系统漏风情况、井巷通过能力和风机能力鉴定矿井通风系统存在的问题。（2）请专家研究分析存在的问题，给出合理有效的解决问题的优化方案。（3）请专家对给出的方案进行初步比较，分析各个方案的优点和缺点，从中选出较好方案。（4）对初选方案进行进一步优化，借助计算机技术评选出最优方案。

2.1建立评价指标体系

采用“征集专家评分”和“相对重要性序列”等发放确定出矿井通风系统的3大类12小项评判矿井通风系统的指标和其权值如下所示[1]：

技术可行性（3.2）：矿井风压（10）、矿井风量（7.51）、矿井等积孔（1）、矿井风量供需比（3.79）、通风方式（2.09），结构合理性（4.38）。其中，矿井风压是指1m/s的空气流过矿井的通风网络时，所消耗的机械能量。一般认为矿井风压越高，通风管理的难度随之增大，矿井风压以不超过3000Pa为宜。风量供需比是指矿井实际通过的风量与矿井所需风量的比值。矿井的风量供需比维持在1-1.2区间内被认为是合理的，大于1.2而小于1.5时被认为是风量过剩，而超过1.5则认为风量供给量过大。结构合理性是指矿井或系统在自然分风时压力与按需分风时压力之比K，K称为合理性系数。K值越大说明调节量越小，网络结构较为合理，反之亦然。一般认为单一风机工作下的通风系统一般要求K值的范围在0.85-1之间是正常的。如果K值小于0.6，则需要在采掘布局不合理的地方进行合理化改进。而对于多风井系统的矿井通风网络来说，需要分别计算各系统的合理性系数K值，如果计算出的K值大于1，说明该系统受相邻系统的影响较为严重。通过网络结构合理性分析，可以降低通风系统的阻力，有助于调整通风网络结构，提高通风系统的可靠性和经济性。

经济合理性（2.6）：通风机功率（1）、通风机效率（10）、吨煤主要通风机电费（5.17）、通风井巷工程费（1.44）。其中，吨煤通风电费指矿井平均每采一吨煤的主要通风机消耗的电费。通风井巷工程费包装井巷工程的直接定额费辅助车间费和施工管理费。

安全可靠性（4.2）：风机运转稳定性（5.89）、用风地点风流的稳定性（1）、矿井抗灾能力（10）。其中，风机运转稳定性是指风机的工况点是否落在合理的范围区间，各风机运转过程是否相互之间有干扰。从安全角度讲，主要通风机的实际工作风压上限不能超过风压上限值的90%；从经济角度出发，不能低于风压最高值的60%。矿井抗灾能力是一个综合性指标，具体指标有矿井通风系统具有的有利于冲淡、排放瓦斯的能力，有利于降尘、防灭火的能力，有利于降温的能力，以及矿井通风系统是否有可靠的安全出口、是否具有避灾路线或矿洞以及其他安全防灾措施等。

《煤矿安全规程》规定，矿井通风系统应该满足的几项基本要求有：其一，能够送往用风地点足够的风量，达到通风效果好、风质好、有效风量高等要求。其二，运行可靠性高，系统设计简单，系统运行稳定性高。其三，通风的阻力小，分布比较合理，可挖掘、易调整。其四，平时易于防灾，灾变时能够限制灾害扩大，易于救灾，在救灾后能够尽快恢复生产，抗灾救灾能力强。其五，经济核算，基建投资，维修和运转费用低。[2]

2.2模糊优选模型

应用数学的一个重要的分支是优化技术。随着计算机技术的广泛运用和线性规划、非线性规划、动态规划、图论等理论和方法的丰富和发展，优化技术俨然成为一门新兴学科[3]。近年来，优化技术在基于通风网络的通风系统优化方面的应用取得了丰硕的研究理论和实践成果。通风系统优化理论框架基本可以分为三步；第一步，如前所述，采用“专家评议法”和“相对重要性序列方法”对矿井通风系统的评价指标进行确定。由专家运用基于案例求解的方法对影响矿井通风稳定性的指标进行打分。第二步，运用基于数学模型的方法，采用模糊优选的方法和相对重要性序列矩阵法来进行结算。第三步，基于逻辑求解模式的运用，用计算机对其进行实现。[4]

模糊优选的理论模型如下：

设系统有满足约束条件的n个方案组成的方案集，以m个目标（指标）对方案的优劣进行评价，则矩阵X表示m个目标对n个方案的目标特征值矩阵，也就是决策矩阵：X=xij，其中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；xij方案j目标i的特征值。

对于设计方案的模糊优选分析的目的在于：确定每个方案对于模糊概念“优”的隶属度，其中隶属度最大的方案即为所求取的最优方案。为了消除量纲和量纲单位的不同所带来的不可公度性和便于计算、优选分析，在决策前应将评价指标的绝对值转化为相对值。这就是相对隶属度。通过对指标的规范化，增加了各个指标之间的可比性。由于指标值之间的不可共度性和矛盾性的存在，有时需要进行定量目标的规范化和定性目标的定量化。

2.3计算机软件开发设计

在进行软件系统开发设计需要遵循实用、操作简单、采用模块化结构和面向对象技术相结合的设计方法、界面清晰友好和具有较好的观赏性等原则。

三、结束语

通过基于矿井通风网络优化方案理论框架的实施，可以有效提高通风系统的有效性、可靠性和安全性，实现技术上可行，经济上合理，安全上可靠的目标。

参考文献

[1]谭允祯.矿井通风系统管理技术论[M].北京：煤炭工业出版社，2009（02）：85-105.

[2]吴中立.矿井通风安全[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011（03）：21-23.

[3]徐瑞龙.矿井通风网络理论[M].北京：煤炭工业出版社，2010（02）：34-35.

[4]张国枢.矿井通风实用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

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