基于AHP方法的礦井通風系統評價體系研究

溫曉波

（山西長平煤業有限責任公司，山西晉城048000）

0 引言

煤礦通風系統是礦井生產過程中占重要地位的系統之一，其通過壓力作用為井下各個區域提供新鮮風流，將有毒有害氣體濃度稀釋，保證井下員工人身安全[1～2]。礦井通風系統是一個動態、模糊的系統，通風系統各參數處于不斷變化過程，隨著井下通風系統的不斷復雜，通風系統的評價指標體系也在不斷變化。目前對礦井通風系統的評價尚未形成一套有效的指標體系[3～4]。本文以山西某高瓦斯礦井地質條件為基礎，基于AHP方法對礦井通風系統評價體系進行研究，并依據該評價體系用加權評價法對三種通風系統優化方案進行評價，從而選出最合理的優化方案，研究結果可為其他礦井通風系統優化提供一定參考。

1 工程概況

山西某礦為過去小煤礦整合組成，礦井的絕對瓦斯涌出量為25.39 m3/min，相對瓦斯涌出量為4.81 m3/t，為高瓦斯礦井。礦井采用中央并列式通風方式，在整個井田內共設計有三個井筒，其中主、副井作為礦井的進風井，并設專用回風井。目前在回風井處共安裝有兩臺主要通風機，其屬于離心式通風機，一臺運行，一臺備用。由于礦井生產布局等方面的改變，礦井工作面的走向長度減小，單個工作面生產時間減少，導致現在工作面銜接緊張、通風線路長、風阻增大等問題，因此有必要對礦井通風系統進行優化。

2 通風系統優化方案

2.1 方案提出

為有效提高該礦井通風系統效率，提高通風效果，對目前通風系統存在的問題，提出三種優化方案：

①礦井仍采用目前的中央并列式通風方式，其中進風井為礦井主、副斜井，西風井作為礦井的回風井，本方案主要將原有的通風機進行更換，原有西回風井使用的主要通風機為G4-73-12NO.28D/400離心式通風機，先將通風機進行更換，替換為FBCDZNO.37 2/800 kW型礦用防爆對旋軸流式主要通風機，并對新風機電壓以及頻率進行提高，增大風機的輸出效率。

②在礦井的西翼新建一回風井，井下一、二盤區由該風井進行回風，其他區域仍由原回風井進行回風，礦井的通風方式變為混合式通風方式。

③在礦井的東、西兩翼各修建一回風井，分別負責一、二盤曲與東盤曲的回風，原回風井改為進風井，礦井的通風方式變為兩翼對角式通風方式。

2.2 方案對比

三種方案提出后，由于各煤層開采條件并未出現變化，因此煤層開采環境對通風系統的影響可以忽略。對上述三種方案進行對比分析，三種方案所提供的風量均可滿足礦井的需求，方案一整體工程量較小，但由于通風線路的增長，通風系統阻力等也會增大，因此該方案對通風機的要求較高；方案二改變了原有的通風方式，通風線路有了明顯的降低，通風系統阻力也會有明顯的下降，但該方案需新修建一風井，所需工程量大，經濟成本較高；方案三與方案二相似，在新建兩風井后，通風線路長度降低更多，通風系統阻力同樣降低幅度更大，通風系統的復雜程度有了很大的改善，并且風井數量的增多會增加整個礦井的安全出口，有利于應對緊急情況出現，但該方案工程量更大，所需時間長，并且保護煤柱的增加會降低礦井的資源回收率，導致煤炭資源的浪費。

3 通風系統評價指標體系建立及權重計算

3.1 AHP方法簡介

為選出最合理的通風系統優化方案，應建立完整的評價體系對通風系統進行評價，因此本文將采用AHP方法建立通風系統評價體系。AHP方法又稱為層次分析法，該方法將與評價事物相關的因素分為多個層次，每個層次所占到的權重有著一定的差異，根據各個影響因素的影響程度，最終定量的給出評價結果[5]。這種方法與通風系統的評價有著很大的適應性，由于通風系統的各個影響指標具有著模糊、動態的特點，AHP方法可將這類模糊影響指標進行定量分析，對通風系統的評價具有著重要的作用。

3.2 評價指標確定

圖1通風系統指標體系

礦井通風系統評價指標體系的建立應遵循AHP方法的原理，首先對上層評價指標進行確定，然后對上層指標進行進一步的分類。過去常用通風系統評價指標體系的上層指標選擇主要考慮技術、經濟以及安全等因素，這類指標體系框架模糊程度較高，對通風系統的評價結果誤差較大[6]。本次通風系統評價指標體系一級指標對其進行了改進，將一級指標定為：地質特征及開采技術（P1）、通風系統環境（P2）、通風設備可靠性（P3）、工作人員可靠性（P4）、通風系統管理難易程度（P5）。一級指標體系建立完成后，對各個一級指標進行細分，建立的指標體系如圖1所示。

3.3 確定各級指標權重

（1）建立判斷矩陣

通過AHP方法確定通風系統各層次的評價指標后，需要確定所有指標的權重。首先，構建計算指標的判斷矩陣，其可表示為：

式中，aij（i=1，2，...，n；j=1，2，...，n）為上層指標與下層指標的重要性相對標度，各標度代表含義如表1所示[7]。

表1比較標度含義

（2）確定各指標權重值

判斷矩陣構建完成后，對其進行歸一化處理，然后采用“和積法”求出判斷矩陣的特征根λmax，最后對特征根λmax進行一致性檢驗，這是判定該評價體系最終計算結果是否準確的必要過程，一致性檢驗指標CI計算公式為[7]：

式中，CI為判斷矩陣的一致性指標；n為判斷矩陣中對角線元素的和。

判斷矩陣的一致性檢驗指標計算完成后，根據該矩陣的n值通過查表可以得到其所對應的的隨機一致性指標RI，不同n值所對應的隨機一致性指標如表2所示，將一致性指標與隨機一致性指標進行相比可得到一致性比率CR。

表2不同n值所對應的隨機一致性指標

得到一致性比率后，若計算結果小于0.1，表示該評價體系指標構建的判斷矩陣準確性在許可的范圍內，可以將矩陣的特征向量可以作為指標的權重向量。

根據通風系統評價指標的計算方法，采用AHP方法對通風系統各層評價指標的權重值進行了計算，計算結果如表3所示。

表3通風系統各指標及權重

將所有指標匯總后得到通風系統評價體系各指標的權重值如表3所示。從表中數據可以看出，對于該評價體系，一級指標通風系統環境（P2）所占的比重最大，其對通風系統的穩定性影響較大。此外，地質特征及開采技術（P1）所占比重為0.12，其對通風系統的影響雖小于其他指標，但仍是不可忽視的因素。在所有二級指標中，通風系統網絡結構、風量供需比以及主要通風機的運行效率占有較高的比重，這些因素對通風系統的穩定運行有著較大的影響。

4 通風系統優化方案確定

在通風系統評價體系建立后，需根據評價體系中的各個指標及其權重，對三種優化方案進行比較，從而確定最合理的方案。

在地質特征與開采技術方面，三種方案優化后的通風系統，礦井煤層的瓦斯條件、煤層自燃傾向以及礦井開采條件等未出現變化，對于粉塵情況，方案二與方案三由于通風系統阻力的明顯降低，通風難易程度降低，因此工作面粉塵情況較優于方案一。

在通風系統環境方面，三種方案下礦井通風系統的風量供需比、礦井有效供風率、自然風壓、井下作業環境最高氣溫均相同，由于方案二與方案三導致礦井通風方式改變，通風系統網絡結構更為復雜，但通風線路長度的降低，通風阻力有所下降，通風難易程度較低，等積孔較大；此外，方案二與方案三回風段通風阻力占比、反風系統合格度以及采掘面煤塵濃度最大超標率也要優于方案一。

在通風設備可靠性方面，由于方案一對主要通風機進行了更換，在通風機效率、風機輸出功率方面有了很大的技術改進，因此方案一的通風設備可靠性要優于方案二與方案三。

在工作人員可靠性方面，三種方案未進行優化，因此該指標重要程度相同。

在通風系統管理情況方面，由于方案二、方案三新修建了風井，在安全經濟成本方面有很大的投入，且管理難度也有所提升，因此方案一優于方案二和方案三。

為更直觀的表現出三種方案的優劣性，本文采用加權評價法對三種方案進行比選，將每個指標的優劣性給出1～3三個水平，相同的則為0，將各指標權重與評價值進行相乘求和，最終得出該方案的綜合評價值，其中綜合評價值最大的為最優方案。根據該原理，對三種優化方案進行評價，結果如表4所示。

表4個方案加權評價結果

根據上述評價結果，方案一的加權綜合評價值明顯高于方案二與方案三，表明在該評價體系下，方案一是最優的優化方案。由于方案一可以有效提高通風設備的可靠性，改善風機的運行效率，并且工程量少、經濟成本低，具有著明顯的優勢，因此確定采用方案一作為礦井通風系統的優化方案，即在不改變原通風方式的條件下，更換主要通風機，并進行一定的技術改造。

5 結論

本文以山西某高瓦斯礦井現場條件為基礎，針對目前礦井通風形系統中存在的問題，提出了三種礦井通風系統優化方案，基于AHP方法對礦井通風系統評價體系進行了研究，通過計算、分析確定了礦井系統評價體系各級指標及其權重，并通過加權評價法對三種通風系統優化方案進行了評價，最終確定方案一為最合理有效的優化方案，即在不改變原通風方式的條件下，更換礦井主要通風機，并對其進行一定的技術改造。