礦井通風(fēng)安全系統(tǒng)穩(wěn)定性評價方法與應(yīng)用

趙江波

（山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西某地煤礦因為井下通風(fēng)穩(wěn)定性能較低，井下風(fēng)量流通未達(dá)預(yù)期需求，部分區(qū)域風(fēng)流量偏低，容易導(dǎo)致瓦斯氣體聚集，危害井下員工的人身安全，近年來，該煤礦因為瓦斯聚集而引起的事故共有三起。所以，一定要設(shè)計穩(wěn)定性能優(yōu)秀的通風(fēng)系統(tǒng)，避免瓦斯氣體聚集，消除事故隱患[1]。

1 地質(zhì)概況

該煤礦礦井采用混合式的井下通風(fēng)方式，包括三大風(fēng)井：曲莊風(fēng)井、西坡風(fēng)井和中央風(fēng)井，由南、北兩翼大并聯(lián)系統(tǒng)組成了整體井下通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)機(jī)主要的工作模式為抽出式。XX 風(fēng)井采用軸流式風(fēng)機(jī)作為主體通風(fēng)機(jī)（其型號為AGF606-4.0-2.0-2），設(shè)計初期最大排風(fēng)量為600 m3/s、設(shè)計最小負(fù)壓2.251 kPa、最大負(fù)壓3.886 kPa；目前實際排風(fēng)量437.17 m3/s、負(fù)壓為2.827 kPa。西坡風(fēng)井也采用軸流式風(fēng)機(jī)作為主體通風(fēng)機(jī)（型號為AGF606-4.0-2.4-2），同樣的，設(shè)計初期最大排風(fēng)量為600 m3/s、設(shè)計最小負(fù)壓2.251 kPa、最大負(fù)壓3.886 kPa；目前實際排風(fēng)量354.83 m3/s、負(fù)壓為3.737 kPa。中央風(fēng)井同樣采用軸流式風(fēng)機(jī)作為主體通風(fēng)機(jī)（型號：AGF606-4.0-2.4-2），設(shè)計初期最大排風(fēng)量為600 m3/s、設(shè)計最小負(fù)壓3.22 kPa、最大負(fù)壓4.7 kPa；目前實際排風(fēng)量442.5 m3/s、負(fù)壓為2.956 kPa。

現(xiàn)在礦井水最大來源是3 號煤層頂板的砂巖水，占比95.4%；底板K2 灰?guī)r水流量5 m3/h，占比2.85%；陷落柱內(nèi)水流量3 m3/h，占比1.7%；沒有斷層水。目前礦井正常涌水量是250 m3/h，涌水量最大值為550 m3/h。

2 穩(wěn)定性評分方案

2.1 屬性數(shù)學(xué)模型構(gòu)造方式

2.1.1 設(shè)立屬性區(qū)間矩陣

設(shè)或被評分主體空間A=（a1，a2，…an），A 里的各元素a 有m 個特征數(shù)值I1，I2，…，Im。aij代表第i 個樣本ai的第j 個特征Ij測量值，各樣本都能夠?qū)憺? 個數(shù)組ai=（ai1，ai2，…，aim），i=1，2，…，n。屬性空間C=（通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能）{B1，B2，…，BK}為評價集，其中{B1，B2，…，BK}是組成屬性空間C 的1 個有序分割類，根據(jù)各測試指標(biāo)的分組準(zhǔn)則可以獲得相對的屬性評級準(zhǔn)則。

2.1.2 設(shè)立單指標(biāo)屬性測度函數(shù)

基于屬性空間矩陣，設(shè)定單指標(biāo)屬性測度函數(shù)。

2.1.3 多指標(biāo)綜合屬性測度研究

評分對象為x，首先知道單項指標(biāo)屬性測度Ij（1≤j≤m），其次確認(rèn)被測樣本歸類于第k 類屬性測度μik=μ（xi∈Ck），由于各項指標(biāo)的權(quán)重不一樣，這就要兼顧每項指標(biāo)的權(quán)重X=[X1，X2，…，Xm]T。

2.1.4 基于置信度屬性識別

評價類（B1，B2，…，Bn）是個有序分割類，B1＞B2＞…＞Bn（或B1＜B2＜…＜Bn），λ 表示置信度0.5＜λ≤1。符合下方公式就認(rèn)定x 屬于Bk0級，這里k0可取范圍k0=1，2，…，n。通常情況下，λ 取0.6～0.7。

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重確認(rèn)

2.2.1 建立階梯層次結(jié)構(gòu)模型

設(shè)立井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能評分方案，這就要依據(jù)井下實際工況，綜合考慮影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能和安全性能的每個原因，確認(rèn)每項指標(biāo)，運用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)分析[2]。第一步考慮影響因素之間的聯(lián)系，把影響因素分為3 組，每組是1 個層次，確立層次結(jié)構(gòu)模型。也就是說依據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)能力和安全性能評分指標(biāo)，設(shè)立一個總目標(biāo)層（也就是井下通風(fēng)系統(tǒng)安全監(jiān)管的可靠性），4 個一級指標(biāo)層（井下通風(fēng)環(huán)境情況、井下通風(fēng)安全管理、礦井通風(fēng)設(shè)施情況、經(jīng)濟(jì)性情況），18 個二級指標(biāo)層（通風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)情況、井下通風(fēng)構(gòu)筑物、外界風(fēng)壓變化情況、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度等）。

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在對權(quán)重各項指標(biāo)計算過程中，需要使用矩陣的形式把每個層次的每個因素的相對重要性表示出[3]。假設(shè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性評級標(biāo)準(zhǔn)的第一層中A 因子與第二層次中的因子a1，a2，a3，…，an有關(guān)聯(lián)，aij代表相對總目標(biāo)A 而言ai比aj的相對權(quán)重。對判斷矩陣?yán)锏脑豠ij求解，aij所在行表示的指標(biāo)與aij所在列所代表的指標(biāo)根據(jù)1-9 標(biāo)度法作比較得到。

2.2.3 計算各指標(biāo)相對權(quán)重

計算各項指標(biāo)相對權(quán)重常見的方法叫幾何平均法，也就是根法。首先對判斷矩陣A 中的元素a1，a2，a3，…，an做乘積運算，算出1 個n 行1 列的數(shù)組B；其次對矩陣中各元素開n 次方算得矩陣C；將矩陣C 做歸一化計算，可以算得指標(biāo)的相對重要性權(quán)重。

計算矩陣的一致性指標(biāo)IC[式（1）]，從而可以檢驗矩陣的一致性。

IC為0 的時候，表示判斷矩陣擁有完全一致性；IC越大，表示判斷矩陣的一致性越差。在對判斷矩陣的一致性有疑義時，可以判斷其隨機(jī)一致性比率RC[式（2）]。

在RC小于0.10 的時候，判斷矩陣具有滿意一致性。

3 應(yīng)用分析

3.1 建立層次分析模型

平頂一個礦井通風(fēng)系統(tǒng)性能的好壞，主要從安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)可行性[4]這三個方向考量，然而這里的部分定性參數(shù)無法定量計算，考慮用層次分析法分析、分組，最后構(gòu)建1 個可以將定量分析和定性分析互相融合的多層次分析結(jié)構(gòu)模型。確立的模型還應(yīng)該簡潔、科學(xué)且直觀。以此為標(biāo)準(zhǔn)，建立了井下通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的1 級評定指標(biāo)，且繪制了系統(tǒng)穩(wěn)定性層次分析圖，見圖1 所示。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性層次分析圖

3.2 各指標(biāo)相對權(quán)重的計算

針對該礦井，對上述各指標(biāo)的重要程度做判斷。在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下算出每個指標(biāo)的相對權(quán)重，隨后做一致性及滿意性檢驗。

列出A－B 層判斷矩陣，見表1 所示。矩陣中B1、B2、B3分別代表井下通風(fēng)方案可行性、安全穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

表1 A-B 層判斷矩陣及各指標(biāo)權(quán)重

λmax=3.004，IC=0.002，RC=0.003＜0.1，所以可得出矩陣一致性為滿意。

B-C 層判斷矩陣分為3 個部分，以技術(shù)方案可行性、安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)列出判斷矩陣。矩陣中的C1、C2、C3、C4、C5、C6依次代表井內(nèi)通風(fēng)設(shè)備現(xiàn)狀、井下通風(fēng)環(huán)境、井下通風(fēng)安全管理、井下通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性、井下防災(zāi)減災(zāi)能力以及員工素質(zhì)的評價指標(biāo)。

得到三個部分的指標(biāo)分別為λmax=5.014，IC=0.004，RC=0.003 ＜0.1；λmax=6.052，IC=0.010，RC=0.008 ＜0.1；λmax=4.022，IC=0.007，RC=0.008＜0.1，所以得出矩陣一致性為滿意。

依據(jù)上述結(jié)果，礦井通風(fēng)方案的評分指標(biāo)的層次總排序權(quán)值如表2 所示。

IC，Z=0.008，IR，Z=1.171，RC，Z=0.007＜0.1，所以得到該矩陣一致性為滿意。

按同樣的方法對三級指標(biāo)C 層進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算。

通過對各項指標(biāo)權(quán)值計算得到各層次總排序結(jié)果，確立的六項井下通風(fēng)方案評定標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)內(nèi)重要度排序：C2、C3、C1、C4、C5、C6。依次是：井下通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境、井下通風(fēng)安全管理、井下通風(fēng)設(shè)施狀況、井下通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性、井下防災(zāi)減災(zāi)能力、員工素質(zhì)。

3.3 評價結(jié)果分析

礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能評分等級：“優(yōu)”表示穩(wěn)定，“良好”表示比較穩(wěn)定。根據(jù)置信度準(zhǔn)則研究，最后的評分為：

1）礦井通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境k0=2，評分是“良”；

2）礦井通風(fēng)設(shè)備及設(shè)施k0=2，評分是“良”；

3）礦井通風(fēng)安全管理k0=2，評分是“良”；

4）礦井通風(fēng)抗災(zāi)能力k0=1，評分是“優(yōu)”；

5）礦井職工情況k0=1，評分是“優(yōu)”；因此，該礦井通風(fēng)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性k0=2，評價為較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）采用屬性數(shù)學(xué)評價方法對一礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性做評定，運用層次分析法計算出了該礦井通風(fēng)系統(tǒng)評分系統(tǒng)里每個指標(biāo)的權(quán)重值。

2）考慮該煤礦實地工況，運用通風(fēng)方案穩(wěn)定性評價模型對礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性做評定，評定結(jié)果為“良”，代表較穩(wěn)定。