某鉛鋅礦通風系統(tǒng)阻力測定分析與可靠性評價

王孝東，陳書鵬，蔣夢嬌，童學林，符浩南

(昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093)

礦井通風阻力是衡量礦井通風能力的主要指標之一，也是進行礦井通風設計和礦井通風管理的主要依據(jù)之一[1]。研究通風系統(tǒng)的可靠性就是為了能夠盡早地發(fā)現(xiàn)運行過程中潛藏的事故隱患，能在將來對通風系統(tǒng)進行維修和改造時提供相關科學技術依據(jù)。王振財[2]提出了包含調節(jié)風窗的一般型分風網(wǎng)絡優(yōu)化解算法，即將網(wǎng)絡分成三個主要區(qū)段：進風段、用風段和回風段；馮彬等[3]開發(fā)了3DsimOpt software軟件，利用該軟件對礦井的進、用、回三區(qū)段進行了通風阻力與功耗情況分析；徐瑞龍[4]將圖論和可靠性理論相結合，定義了礦井通風網(wǎng)絡可靠度的含義，討論了礦井通風網(wǎng)絡可靠度的計算；畢娟等[5]采用不同的評價方法對通風系統(tǒng)可靠性進行研究；王洪德等[6]給出了通風系統(tǒng)及其各單元可靠性定義，并建立礦井通風系統(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，并提出了改進的通風網(wǎng)絡可靠度不交化算法。

本文分別對新建回風井投入使用前后的通風系統(tǒng)進行阻力測算，分析新建回風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)絡流理論，針對現(xiàn)階段礦井通風系統(tǒng)，分別計算風路、風網(wǎng)可靠度，對通風網(wǎng)絡進行可靠性評價。

1 礦井通風阻力測算

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)構成，屬超深井通風系統(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)用風需求，礦山新建一條專用回風井，并于2021年5月投入使用。新增回風井后，該回風井作為主要回風井，原有老系統(tǒng)回風井輔助回風，通風系統(tǒng)發(fā)生改變。現(xiàn)階段通風網(wǎng)絡系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 現(xiàn)階段通風網(wǎng)絡系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of the ventilation network system at this stage

1.1 通風阻力影響因素分析

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

表1 四季通風阻力影響因素統(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。四季自然風壓作用方向均為正，即自然風壓方向與風機作用方向一致，有利于礦井通風。

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

1.2 通風阻力測算

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

圖2 通風系統(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合2020年夏季和2021年夏季實測通風參數(shù)計算出兩條線路累計通風阻力，進而得出全礦通風阻力，見表2。

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

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

由通風系統(tǒng)實測通風阻力與系統(tǒng)理論通風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)《礦井通風阻力測定方法》(MT/T440-2008)相關規(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，計算結果可靠。

由氣壓計法測算數(shù)據(jù)，繪制出累計通風阻力分布圖，見圖3。

圖3 累計通風阻力分布圖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16回風井井底內部設有風窗，致使測段15-16斜坡道實測風速較低；線路L1測段3-6和線路L2測段13-16均為用風段，生產(chǎn)過程中該區(qū)段作業(yè)人員和設備較多。同時這兩測段均為折返式斜坡道，局部阻力較大，進而導致這兩段通風阻力較大。

針對新系統(tǒng)，應及時對巷道內堆積物進行清理，同時對測段13-14分段斜坡道轉角進行優(yōu)化以達到降阻目的。

1.3 通風阻力分析

在礦井通風系統(tǒng)中，進風段、用風段和回風段三段的阻力比例常作為衡量系統(tǒng)通風質量優(yōu)劣的重要標志之一，一般情況下這三段的阻力比例關系應為：25%∶45%∶30%。

將最大通風阻力路線劃分為進風段、用風段和回風段三段。線路L1測點1-2為進風段、 3-6為用風段、7-10為回風段；線路L2測點11-12為進風段、13-16為用風段、17-20為回風段。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風、用風和回風三段通風阻力計算，得出“三段”通風阻力占全礦總阻力的百分比的比例關系圖，見圖4。

圖4 通風阻力分布圖Fig.4 Distribution of ventilation resistance

由圖4可知，L1進風段、用風段和回風段的風阻占全礦總阻力百分比的比例關系分別是：17.66%∶54.70%∶27.64%∶L2為：25.68%∶48.40%∶25.92%。

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

2 風路可靠度

本文可靠度計算只針對現(xiàn)階段通風系統(tǒng)主要通風線路，因此應對通風網(wǎng)絡圖進行簡化，即在通風網(wǎng)絡系統(tǒng)圖中選取主要分支風路。測段和節(jié)點主要選取井口、井底、斜坡道口等風流波動范圍大的風流匯集處。經(jīng)線路梳理和節(jié)點選取后篩選出14個節(jié)點和17條分支風路，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

綜合考慮通風構筑物、風阻、有毒有害氣體及粉塵等約束因素，當系統(tǒng)正常運轉時，通風網(wǎng)絡中第i條風路風量值保持在正常范圍[qi1，qi2]內的概率即為該風路可靠度[8]，記作Ri(qi)。巷道的最低需風量為實際需風量除以1.1；最高風量為《金屬非金屬地下礦山通風技術規(guī)范通風系統(tǒng)》(AQ2013.1-2008)所規(guī)定的井巷斷面平均最高風速乘以巷道斷面面積的風量[8]。通過可靠性工程理論可得出礦井通風網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠度服從正態(tài)分布。

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

首先，將標準正態(tài)分布的形式轉換為：

(1)

因而，風量在[qi1，qi2]范圍內的概率為：

(2)

(3)

通過標準正態(tài)分布表，確定Λ(ti1)和Λ(ti2)的值。

最終可得風路可靠度為：Ri(qi)=Φ(qi2)-Φ(qi1)。

分支風路可靠度計算結果見表5。

表5 各井巷風量分配及可靠度統(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量都略小于最小需風量，需通過增設局部扇風機，提高風量，進而提高可靠度。

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

3 通風網(wǎng)絡可靠度

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

3.1 通風網(wǎng)絡系統(tǒng)最小路集的確定

在通風網(wǎng)絡系統(tǒng)G中，連接風流輸入節(jié)點v1與輸出節(jié)點v2的分支集合稱為通風網(wǎng)絡系統(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成路集，那么這樣的路集就可以稱為最小路集[9]。本文運用聯(lián)絡矩陣法對取最小路集進行求解。

3.2 基于聯(lián)絡矩陣法的可靠度計算

由圖5結合網(wǎng)絡流理論，得通風網(wǎng)絡的關聯(lián)矩陣C：

由于1、3號節(jié)點進風，13、14號節(jié)點回風，因此，計算最小路集時計算節(jié)點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，通風網(wǎng)絡存在8條最小路集，圖論理論中最小路集數(shù)量=分支數(shù)-節(jié)點數(shù)+2，即存在7條最小路集，應用線性代數(shù)理論選擇最大線性無關的最小路集。結果如下：

S1=e2e6e11e16

S2=e3e7e11e16

S3=e3e8e12e17

S4=e3e8e13e17

S5=e2e5e9e15

S6=e2e5e10e15

S7=e2e6e11e14e15

不交化處理

S1=e2e6e11e16

×e2e5e10e15

通風網(wǎng)絡最終的不交化最小路集如下：

由通風網(wǎng)絡最終的不交化最小路集和表5得出通風網(wǎng)絡的可靠度RS為0.881。整體可靠度較高，風量分配合理。

4 結論

1)通過對云南某超深井礦山一年內四季氣溫、氣壓以及自然風壓的統(tǒng)計和計算得出夏季為通風困難時期。

2)分別選擇對2020年夏季原有通風系統(tǒng)和2021年夏季新建回風井投入使用后的現(xiàn)階段通風系統(tǒng)進行阻力測算分析，得出新建回風井投入使用后全礦通風阻力降低354.24 Pa。在能夠滿足深部通風系統(tǒng)生產(chǎn)用風需求的前提下，全礦通風阻力進一步降低，通風能耗降低，利于礦山未來發(fā)展。

3)現(xiàn)階段通風系統(tǒng)“進風、用風、回風”三段阻力比例關系為25.68%∶48.40%∶25.92%，阻力分配較為合理。需進一步加強通風系統(tǒng)管理，對“三段”通風阻力進行合理調配。

4)基于網(wǎng)絡流理論，結合各分支風路可靠度計算出全礦通風網(wǎng)絡可靠度為0.881，網(wǎng)絡系統(tǒng)整體可靠度較高。