基于AHP的云南某地下金屬礦山掌子面通風(fēng)優(yōu)化

嚴(yán)慶文 童學(xué)林 李永興 王孝東 陳書鵬

(1.云南馳宏鋅鍺有限公司，云南 曲靖 655000；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

掌子面是礦山生產(chǎn)的第一現(xiàn)場，直接關(guān)乎著礦山的生產(chǎn)量，但通風(fēng)是一個困擾各礦山多年且難以解決的問題。有效風(fēng)量低、污濁空氣停滯等一系列通風(fēng)問題，嚴(yán)重危害工作面人員身體健康和生產(chǎn)安全[1]。目前，掌子面通風(fēng)主要采用局扇接風(fēng)筒的形式，利用計算公式，根據(jù)巷道的斷面積求解出巷道的風(fēng)量，得出通風(fēng)布置參數(shù)的最優(yōu)值，通過各通風(fēng)參數(shù)優(yōu)選出局扇與風(fēng)筒[2-7]。很多礦山與學(xué)者針對此類問題做了大量研究，并沒有取得有效成果。因此，需對掌子面的通風(fēng)進行進一步的優(yōu)化研究。

本文以云南省某礦1175 m分段掌子面為研究對象建立多個通風(fēng)方案進行對比，優(yōu)選出最佳方案。該礦采用下向進路式采礦方法，通風(fēng)距離長、溫度高、濕度大且通風(fēng)困難是一個難以解決的問題[8]。分段沿脈總長265 m，共3條出礦道，1#出礦道長度為93 m，2#出礦道長度為120 m，4#出礦道長度為120 m，掌子面至回風(fēng)井最遠距離分別為245、150、210 m，施工斷面積8.37 m2(3 m×3 m)。采用一次起爆，每炮裝藥量20～30 kg，炮煙排放時間為20～30 min。據(jù)現(xiàn)場情況，采場通風(fēng)主要分為“掌子面—沿脈”與“沿脈—回風(fēng)井”兩段，通風(fēng)方式為抽出式通風(fēng)，1#出礦道與2#出礦道接風(fēng)筒至出礦道與沿脈交匯處，污風(fēng)通過沿脈局扇抽到分段回風(fēng)井，4#出礦道采用局扇接風(fēng)筒的形式將污風(fēng)抽到回風(fēng)井，兩部分屬并聯(lián)關(guān)系。出礦道抽出式局扇吸入口距工作面約6 m，型號為JK67-1№4.5，沿脈局扇型號為JK67-2№4.5，接直徑400 mm柔性風(fēng)筒，如圖1。

1、4、7—掌子面；2、3、6—出礦道與沿脈交匯處；5—分段回風(fēng)井圖1 分段通風(fēng)及設(shè)備布置現(xiàn)狀Fig.1 Current status of segmented ventilation and equipment layout

1)風(fēng)速風(fēng)量低，溫度高。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》GB 16423—2020規(guī)定，作業(yè)面最小風(fēng)速為0.25 m/s，溫度不得高于27 ℃。分析表1，掌子面風(fēng)速風(fēng)量實測值與標(biāo)準(zhǔn)值比值為0.32～0.48，達不到通風(fēng)要求；3個掌子面溫度分別為28.4、28.6及27.8 ℃，均超過標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 作業(yè)面通風(fēng)參數(shù)

2)通風(fēng)設(shè)備選擇不合理。經(jīng)計算，出礦道選用1臺7.5 kW局扇接直徑400 mm柔性風(fēng)筒，需克服的通風(fēng)阻力為3 665.84 Pa，風(fēng)量為3.01 m3/s；分段沿脈選用1臺11 kW局扇接直徑400 mm柔性風(fēng)筒，需克服的通風(fēng)阻力為4 568.41 Pa，風(fēng)量為6.27 m3/s，所選局扇無法滿足通風(fēng)需求。

3)風(fēng)筒漏風(fēng)嚴(yán)重。如圖2、圖3，現(xiàn)場調(diào)查過程中，局扇與風(fēng)筒接口不嚴(yán)密，風(fēng)筒破口或裂縫。

圖2 風(fēng)筒破口Fig.2 Breaking of the blower

圖3 局扇與風(fēng)筒接口不嚴(yán)密Fig.3 The interface between the local fan and the air duct is not tight

1 局部通風(fēng)方案分析

為滿足作業(yè)面風(fēng)速風(fēng)量，優(yōu)化方案選用混合式通風(fēng)?，F(xiàn)場施工斷面較小，出礦道風(fēng)筒選擇直徑400 mm與500 mm柔性風(fēng)筒，沿脈風(fēng)筒使用直徑500 mm及600 mm柔性風(fēng)筒。分別按排塵、排炮煙和最大班作業(yè)人數(shù)計算需風(fēng)量，結(jié)果顯示按排塵計算風(fēng)量最大。排塵風(fēng)速選取0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 m/s，提出6種通風(fēng)方案，0.40～0.50 m/s排塵風(fēng)速方案的制定考慮到掌子面具有高溫現(xiàn)象，通過增加風(fēng)量降低作業(yè)面溫度。對各方案需風(fēng)量、局扇供風(fēng)量及風(fēng)機全壓等參數(shù)進行分析。

壓入式局扇風(fēng)機風(fēng)量(掌子面需風(fēng)量)Q壓入=VS，V為排塵風(fēng)速，S為施工斷面積，抽出式局扇風(fēng)機風(fēng)量Q抽出=1.2Q。不同排塵風(fēng)速條件下，用風(fēng)段局扇的風(fēng)機風(fēng)量如圖4所示。

圖4 局扇的風(fēng)機風(fēng)量Fig.4 Fan air volume of local fan

由圖4可知，斷面積不變，風(fēng)機風(fēng)量與排塵風(fēng)速成正比關(guān)系。不同排塵風(fēng)速下，壓入式局扇風(fēng)機風(fēng)量2.09～4.19 m3/s，抽出式局扇風(fēng)機風(fēng)量2.51～5.02 m3/s，分段局扇風(fēng)機風(fēng)量5.02～10.05 m3/s。

隨訪期內(nèi)，12例(21.1%)患者出現(xiàn)硬膜下積液，硬膜下積液量平均(57.7±48.3) mL(12～167 mL)。其中，5例為少量硬膜下積液[(17±4.7)mL]，4例為中等量硬膜下積液[(47.8±7.9)mL]，3例為大量硬膜下積液[(128.3±40.1)mL]。

為保證掌子面良好的作業(yè)環(huán)境，避免出礦道內(nèi)污風(fēng)被壓入掌子面，壓入式局扇安裝位置靠近分段沿脈，通風(fēng)長度為70 m。為防止壓入的新鮮風(fēng)被抽出，壓入式局扇與抽出式局扇水平布置距離大于10 m，1#出礦道掌子面通風(fēng)長度175 m，2#出礦道掌子面通風(fēng)長度80 m，4#出礦道掌子面通風(fēng)長度180 m，各用風(fēng)段局扇供風(fēng)量如圖5。

圖5 局扇的供風(fēng)量Fig.5 Air supply volume of local fan

局扇的供風(fēng)量如圖5所示，局扇在對掌子面供風(fēng)的過程中，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，局扇的供風(fēng)量應(yīng)大于局扇的風(fēng)機風(fēng)量。

為降低風(fēng)筒風(fēng)阻，排塵風(fēng)速取0.40～0.50 m/s時，出礦道抽出式局扇所接風(fēng)筒直徑為500 mm，排塵風(fēng)速取0.45～0.50 m/s時，沿脈風(fēng)筒直徑更換為600 mm。風(fēng)機風(fēng)壓要克服風(fēng)筒的通風(fēng)阻力及風(fēng)流出口的阻力。由計算公式[9]可推出風(fēng)筒風(fēng)阻與風(fēng)筒直徑的五次方成反比，風(fēng)機風(fēng)壓與排塵風(fēng)速的二次方成正比，即各局扇需要克服的通風(fēng)阻力如圖6。

圖6 局扇的風(fēng)機風(fēng)壓Fig.6 Fan wind pressure of local fan

分析圖6，6種通風(fēng)方案壓入式局扇均接直徑400 mm柔性風(fēng)筒，風(fēng)機風(fēng)壓隨著排塵風(fēng)速的增加而增加。方案4、方案5與方案6將出礦道抽出式局扇風(fēng)筒由400 mm更換為500 mm，風(fēng)筒風(fēng)阻降低3.32倍，導(dǎo)致排塵風(fēng)速在0.35～0.40 m/s變化過程中，風(fēng)機風(fēng)壓大幅減少。方案5與方案6沿脈風(fēng)筒由500 mm更換為600 mm，風(fēng)筒風(fēng)阻降低2.49倍，因此，排塵風(fēng)速0.40～0.45 m/s變化過程中，風(fēng)機風(fēng)壓呈下降趨勢。

2 通風(fēng)方案優(yōu)選

利用層次分析法[10-11]，結(jié)合礦山采場通風(fēng)資料及特點，了解現(xiàn)場實際情況后，從技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理三個方面選取9個指標(biāo)完成最優(yōu)方案的選取[12-14]。技術(shù)性指標(biāo)為排塵風(fēng)速、采場總風(fēng)量與風(fēng)量供需比，安全可靠性指標(biāo)為風(fēng)機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、風(fēng)流穩(wěn)定性與管理難易程度，經(jīng)濟性指標(biāo)包含噸礦通風(fēng)電費、通風(fēng)改造費用與維護費用。

分別對方案各指標(biāo)進行計算、打分，見表2。

表2 優(yōu)化評判指標(biāo)數(shù)值表

2.1 指標(biāo)權(quán)重值計算

1)不同指標(biāo)的權(quán)重值的遞階層次結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 指標(biāo)權(quán)重值的遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Hierarchical structure model of index weight value

2)在對各相關(guān)因素進行相對重要性比較時，通過引入9標(biāo)度法對比分析，判斷矩陣中每個因素的相對重要性，見表3。

表3 9標(biāo)度法含義

3)利用專家評分法對各指標(biāo)進行打分，與現(xiàn)場技術(shù)人員交流，計算各判斷矩陣的最大特征值和特征向量，采用歸一化法處理，得出不同因素權(quán)重值。

①目標(biāo)層與準(zhǔn)則層權(quán)重值計算

表4 A-P權(quán)重值計算

計算得：λmax=3，CI=0，RI=0.52，CR=0<0.1，可判定判斷矩陣A-P一致性水平較高。

②準(zhǔn)則層與指標(biāo)層權(quán)重值計算

表5 P1-Ci權(quán)重值計算

計算得：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，RI=0.52，CR=0.008 9<0.1，可判定判斷矩陣P1-Ci一致性水平較高。

表6 P2-Ci權(quán)重值計算Table 6 P2-Ci weight value calculation

計算得：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，RI=0.52，CR=0.008 9<0.1，可判定判斷矩陣P2-Ci一致性水平較高。

表7 P3-Ci權(quán)重值計算

計算得：λmax=3.003 7，CI=0.001 8，RI=0.52，CR=0.003 6<0.1，可判定判斷矩陣P3-Ci一致性水平較高。

③目標(biāo)層與指標(biāo)層權(quán)重值計算

根據(jù)層次單排序的結(jié)果可以得到層次總排序結(jié)果，A-C相對重要性權(quán)重值如表8所示。

表8 A-C權(quán)重值計算

計算得：CI=0.003 5，RI=0.52，CR=0.006 7<0.1，可判定判斷矩陣A-C一致性水平較高。指標(biāo)的權(quán)重排列順序為：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 基于灰色關(guān)聯(lián)度的模糊綜合評價模型的建立

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)法與模糊理論[15-16]，建立模糊關(guān)系矩陣，引入指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，得出最終評價結(jié)果[17-18]。通過表5選取最優(yōu)參考序列，排塵風(fēng)速、總風(fēng)量、風(fēng)量供需比、管理難易程度、風(fēng)流穩(wěn)定性和局扇運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性指標(biāo)值越大越好，噸礦通風(fēng)電費、維護管理費用和通風(fēng)改造費越小越好，最優(yōu)參考序列：U*=[0.5，12.56，2，9，9，9，3.41，7.07，2.4]。

根據(jù)最優(yōu)參考序列及三個優(yōu)化方案指標(biāo)值建立初始矩陣：

消除各評價指標(biāo)的量綱效應(yīng)，需對樣本數(shù)據(jù)集進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19]：

其中，B*=[1，1，1，1，1，1，0，0，0]為最優(yōu)指數(shù)的參考序列，對矩陣U處理得出模糊矩陣R：

結(jié)合層次分析法指標(biāo)權(quán)重系數(shù)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進行計算，可得C=RW=[0.6,0.617 5,0.574 8,0.677 2,0.654 8,0.671 7]，故C3

3 結(jié)論

1)對云南省某礦掌子面提出6種混合式通風(fēng)優(yōu)化方案，以層次分析法作為方案對比工具，提出9個判定指標(biāo)，各判定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)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)以指標(biāo)數(shù)值為基礎(chǔ)，建立模糊矩陣，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，得出方案權(quán)重值C=[0.6,0.617 5, 0.574 8,0.677 2,0.654 8,0.671 7]，確定方案四為最優(yōu)方案，通風(fēng)效果最好。

3)優(yōu)選方案可有效改善掌子面作業(yè)環(huán)境，為礦山生產(chǎn)提供保障，具有一定的參考價值。