基于礦井通風網(wǎng)絡的通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

【摘要】煤礦井下良好的通風可以在保證作業(yè)空間良好氣候的條件下，沖淡或者稀釋有毒有害氣體和礦塵等，保證為礦井各用風場所提供足夠的新鮮風量。礦井的安全生產(chǎn)、礦井的經(jīng)濟效益、礦井的穩(wěn)定生產(chǎn)和持續(xù)高產(chǎn)以及礦井災害時期的應變能力在很大程度上受礦井通風狀況好壞的影響。因此，礦井通風的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的分析和持續(xù)優(yōu)化是必須的。本文通過對基于礦井通風網(wǎng)絡的通風系統(tǒng)進行分析，研究了影響通風系統(tǒng)的各個影響因素和指標，通過建立指標的評價標準，提出了通風系統(tǒng)優(yōu)化的方案和其計算機技術實現(xiàn)。

【關鍵詞】礦井；通風網(wǎng)絡；系統(tǒng)；優(yōu)化

煤礦自然條件因地而異，礦井通風系統(tǒng)影響因素較多，而現(xiàn)有的煤礦的安全管理水平以及計算機水平都較低。因此，通過應用計算機技術，實現(xiàn)礦井安全通風的系統(tǒng)分析和優(yōu)化的計算機化，對于煤礦的安全生產(chǎn)意義重大。同時，隨著近年來可靠性數(shù)學理論、模糊理論和系統(tǒng)優(yōu)化理論等交叉學科理論的發(fā)展，計算機技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術提高和普及，系統(tǒng)可靠性研究進入全新的階段，面臨新的發(fā)展機遇。

一、礦井通風相關介紹

通風網(wǎng)中各條巷道及其風流、各類用風場所、通風構筑物構成了礦井的通風網(wǎng)絡。基于礦井通風網(wǎng)絡，由主通風機等若干子系統(tǒng)及其單元組成的大型復雜關聯(lián)系統(tǒng)即礦井通風系統(tǒng)。系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)性、非線性、時變性和可維修性以及系統(tǒng)之間各影響因素之間的強耦合性是礦井通風系統(tǒng)的復雜關聯(lián)的屬性的具體的表現(xiàn)。因此，煤礦井下正常的通風及安全生產(chǎn)的故障和隱患的大量的隨即影響因素容易出現(xiàn)。

礦井通風系統(tǒng)的優(yōu)化建立在對礦井通風系統(tǒng)分析的基礎上。礦井通風系統(tǒng)分析是理論分析或是實驗研究礦井通風系統(tǒng)的結構、功能、安全技術經(jīng)濟指標或存在的問題，發(fā)現(xiàn)問題從而找到癥結，進行評價分析，并為尋求理想的方案和改進措施提供科學的可信的理論依據(jù)。

滿足礦井通風目的的可靠程度，具體包含了兩方面的含義：一是指系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)保證礦井生產(chǎn)的安全，保持礦井的正常運轉功能；二是能夠預防各類災害性事故的發(fā)生，以及事故發(fā)生后的極強的災后抗災能力。

二、礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化基本步驟為：（1）測定主要通風機性能、礦井的通風阻力、漏風狀況和風量分配狀況等，認真綜合、整理、分析和研究所測定的資料，找出包括系統(tǒng)漏風情況、井巷通過能力和風機能力鑒定礦井通風系統(tǒng)存在的問題。（2）請專家研究分析存在的問題，給出合理有效的解決問題的優(yōu)化方案。（3）請專家對給出的方案進行初步比較，分析各個方案的優(yōu)點和缺點，從中選出較好方案。（4）對初選方案進行進一步優(yōu)化，借助計算機技術評選出最優(yōu)方案。

2.1建立評價指標體系

采用“征集專家評分”和“相對重要性序列”等發(fā)放確定出礦井通風系統(tǒng)的3大類12小項評判礦井通風系統(tǒng)的指標和其權值如下所示[1]：

技術可行性（3.2）：礦井風壓（10）、礦井風量（7.51）、礦井等積孔（1）、礦井風量供需比（3.79）、通風方式（2.09），結構合理性（4.38）。其中，礦井風壓是指1m/s的空氣流過礦井的通風網(wǎng)絡時，所消耗的機械能量。一般認為礦井風壓越高，通風管理的難度隨之增大，礦井風壓以不超過3000Pa為宜。風量供需比是指礦井實際通過的風量與礦井所需風量的比值。礦井的風量供需比維持在1-1.2區(qū)間內(nèi)被認為是合理的，大于1.2而小于1.5時被認為是風量過剩，而超過1.5則認為風量供給量過大。結構合理性是指礦井或系統(tǒng)在自然分風時壓力與按需分風時壓力之比K，K稱為合理性系數(shù)。K值越大說明調(diào)節(jié)量越小，網(wǎng)絡結構較為合理，反之亦然。一般認為單一風機工作下的通風系統(tǒng)一般要求K值的范圍在0.85-1之間是正常的。如果K值小于0.6，則需要在采掘布局不合理的地方進行合理化改進。而對于多風井系統(tǒng)的礦井通風網(wǎng)絡來說，需要分別計算各系統(tǒng)的合理性系數(shù)K值，如果計算出的K值大于1，說明該系統(tǒng)受相鄰系統(tǒng)的影響較為嚴重。通過網(wǎng)絡結構合理性分析，可以降低通風系統(tǒng)的阻力，有助于調(diào)整通風網(wǎng)絡結構，提高通風系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

經(jīng)濟合理性（2.6）：通風機功率（1）、通風機效率（10）、噸煤主要通風機電費（5.17）、通風井巷工程費（1.44）。其中，噸煤通風電費指礦井平均每采一噸煤的主要通風機消耗的電費。通風井巷工程費包裝井巷工程的直接定額費輔助車間費和施工管理費。

安全可靠性（4.2）：風機運轉穩(wěn)定性（5.89）、用風地點風流的穩(wěn)定性（1）、礦井抗災能力（10）。其中，風機運轉穩(wěn)定性是指風機的工況點是否落在合理的范圍區(qū)間，各風機運轉過程是否相互之間有干擾。從安全角度講，主要通風機的實際工作風壓上限不能超過風壓上限值的90%；從經(jīng)濟角度出發(fā)，不能低于風壓最高值的60%。礦井抗災能力是一個綜合性指標，具體指標有礦井通風系統(tǒng)具有的有利于沖淡、排放瓦斯的能力，有利于降塵、防滅火的能力，有利于降溫的能力，以及礦井通風系統(tǒng)是否有可靠的安全出口、是否具有避災路線或礦洞以及其他安全防災措施等。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井通風系統(tǒng)應該滿足的幾項基本要求有：其一，能夠送往用風地點足夠的風量，達到通風效果好、風質(zhì)好、有效風量高等要求。其二，運行可靠性高，系統(tǒng)設計簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性高。其三，通風的阻力小，分布比較合理，可挖掘、易調(diào)整。其四，平時易于防災，災變時能夠限制災害擴大，易于救災，在救災后能夠盡快恢復生產(chǎn)，抗災救災能力強。其五，經(jīng)濟核算，基建投資，維修和運轉費用低。[2]

2.2模糊優(yōu)選模型

應用數(shù)學的一個重要的分支是優(yōu)化技術。隨著計算機技術的廣泛運用和線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、圖論等理論和方法的豐富和發(fā)展，優(yōu)化技術儼然成為一門新興學科[3]。近年來，優(yōu)化技術在基于通風網(wǎng)絡的通風系統(tǒng)優(yōu)化方面的應用取得了豐碩的研究理論和實踐成果。通風系統(tǒng)優(yōu)化理論框架基本可以分為三步；第一步，如前所述，采用“專家評議法”和“相對重要性序列方法”對礦井通風系統(tǒng)的評價指標進行確定。由專家運用基于案例求解的方法對影響礦井通風穩(wěn)定性的指標進行打分。第二步，運用基于數(shù)學模型的方法，采用模糊優(yōu)選的方法和相對重要性序列矩陣法來進行結算。第三步，基于邏輯求解模式的運用，用計算機對其進行實現(xiàn)。[4]

模糊優(yōu)選的理論模型如下：

設系統(tǒng)有滿足約束條件的n個方案組成的方案集，以m個目標（指標）對方案的優(yōu)劣進行評價，則矩陣X表示m個目標對n個方案的目標特征值矩陣，也就是決策矩陣：X=xij，其中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；xij方案j目標i的特征值。

對于設計方案的模糊優(yōu)選分析的目的在于：確定每個方案對于模糊概念“優(yōu)”的隸屬度，其中隸屬度最大的方案即為所求取的最優(yōu)方案。為了消除量綱和量綱單位的不同所帶來的不可公度性和便于計算、優(yōu)選分析，在決策前應將評價指標的絕對值轉化為相對值。這就是相對隸屬度。通過對指標的規(guī)范化，增加了各個指標之間的可比性。由于指標值之間的不可共度性和矛盾性的存在，有時需要進行定量目標的規(guī)范化和定性目標的定量化。

2.3計算機軟件開發(fā)設計

在進行軟件系統(tǒng)開發(fā)設計需要遵循實用、操作簡單、采用模塊化結構和面向?qū)ο蠹夹g相結合的設計方法、界面清晰友好和具有較好的觀賞性等原則。

三、結束語

通過基于礦井通風網(wǎng)絡優(yōu)化方案理論框架的實施，可以有效提高通風系統(tǒng)的有效性、可靠性和安全性，實現(xiàn)技術上可行，經(jīng)濟上合理，安全上可靠的目標。

參考文獻

[1]譚允禎.礦井通風系統(tǒng)管理技術論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009（02）：85-105.

[2]吳中立.礦井通風安全[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2011（03）：21-23.

[3]徐瑞龍.礦井通風網(wǎng)絡理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010（02）：34-35.

[4]張國樞.礦井通風實用技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2011.