某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址布局研究

王翔飛，謝賢平，許 旭

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

現(xiàn)代礦山開采過程中，在每個通風(fēng)節(jié)點布置監(jiān)測點的方案在考慮到資金投入、人力管理、維護費用等各方面是難以實現(xiàn)的。因此，在滿足通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測精度、監(jiān)測范圍及經(jīng)濟投入的目標前提下，選用較少、突出特征代表的節(jié)點作為監(jiān)測點的布置原則達到獲取整個通風(fēng)系統(tǒng)的狀況。通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的合理選址布局，有利于督促礦山規(guī)范作業(yè)，降低事故危險發(fā)生的概率，保障礦山的安全生產(chǎn)[1-2]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對礦山監(jiān)測點選址布局做了大量研究。孫繼平通過運用風(fēng)量比例法[3]、一元線性回歸分析方法[4]，研究了回采工作面[5]、巷道豎直方向[6]瓦斯傳感器的部署設(shè)置問題；李志等[7]分析了不同的局部通風(fēng)方式下瓦斯傳感器監(jiān)測點的設(shè)置；謝賢平等[8]利用菲波那奇法決定測點數(shù)目，分析了多風(fēng)機多級機站通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的布局優(yōu)化研究。司俊鴻[9]根據(jù)圖論理論對井下監(jiān)測分站的布置進行了優(yōu)化分析，運用可變模糊理論分析了風(fēng)速傳感器的布置選址問題。綜上所述，監(jiān)測點的選址布局研究成果主要是針對井下局部區(qū)域的監(jiān)測點選址問題研究，從礦山通風(fēng)系統(tǒng)出發(fā)的監(jiān)測點選址布局研究較少。所以本文運用靈敏度矩陣對礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址進行研究。

1 某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

某鐵礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主進風(fēng)巷道是1 580 m中段平硐與1 530 m中段平硐，1 630 m中段平硐輔助進風(fēng)；通風(fēng)系統(tǒng)的主要回風(fēng)巷道是1 680 m北部中段回風(fēng)平硐及1 680 m南部中段回風(fēng)平硐。共有109條通風(fēng)系統(tǒng)巷道，現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)布置方式為一翼平硐進風(fēng)、兩翼平硐回風(fēng)，新鮮風(fēng)流通過1 530 m中段、1 580 m中段、1 630 m中段三個主要的進風(fēng)平巷進風(fēng)，進入各中段、分層用風(fēng)點，污風(fēng)通過各中段、分層回風(fēng)平巷流入專用回風(fēng)天井、回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道匯總于1 630～1 680 m中段北部和南部回風(fēng)上山，最終由1 680 m中段的北部和南部回風(fēng)平巷排出地表。

2 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址分析

2.1 靈敏度的概念

當(dāng)j分支的風(fēng)阻rj發(fā)生改變且變化量為Δrj的情況下，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中i分支的風(fēng)量值qi會發(fā)生改變，其中±Δqi為變化量，當(dāng)|Δrj|→0 時，有：

(1)

(2)

(3)

bli為以余支的方向為基準的獨立回路l中i分支的流向系數(shù)。

(4)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分支個數(shù)為n的時候，條分支的靈敏度一共有n×n個，為n×n維的靈敏度矩陣。記作：

(5)

風(fēng)量靈敏度矩陣是系統(tǒng)固有的屬性，它與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)所處狀態(tài)有關(guān)，與獨立回路的選擇無關(guān)。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)狀態(tài)不變的條件下，風(fēng)量靈敏度矩陣有一個固定的解。風(fēng)量靈敏度矩陣有如下幾個特質(zhì)：

3)靈敏度同時遵循節(jié)點平衡定律和獨立回路平衡定律。即：

(6)

(7)

各分支風(fēng)阻變化后會對分支i風(fēng)量產(chǎn)生一定影響，影響的總和為Vi，則Vi為分支i的被影響度。分支在網(wǎng)絡(luò)中的敏感性是通過被影響度體現(xiàn)。

2.2 靈敏度計算

風(fēng)量靈敏度矩陣計算的方法有解析法、差分法、迭代法，綜合風(fēng)量靈敏度矩陣求解難易程度和求解所需參數(shù)等因素，求解某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量靈敏度矩陣采用迭代法進行。

迭代計算的步驟如下：

1)在已知風(fēng)阻rj，j=1，2，3，…，n的情況下。用各分支風(fēng)量qi可以通過Cross法進行網(wǎng)絡(luò)解算求出。

6)令j←j+1，如果j≤n，轉(zhuǎn)2)，否則，轉(zhuǎn)7)。

7)結(jié)束。

根據(jù)迭代法求解計算步驟，調(diào)用基于MATLAB的解算程序，進行通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量靈敏度矩陣的求解。

通過式(7)求得分支巷道被影響度曲線如圖1所示。

由圖1可以較為直觀的看到井下各分支巷道的影響度數(shù)值。其中，大多數(shù)數(shù)值低于[0，40]區(qū)間。分支巷道的被影響度數(shù)值從高到底降序排列的前20條分支巷道，見表1。

表1 分支巷道被影響度降序排列表Table 1 Descending list of the affected degree of branch roadways

分支巷道被影響度數(shù)值從大到小降序排列，前20的分支巷道集合可以表示為WV={e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 36，e 74，e 81，e 37，e 82，e 80，e 60}。通過風(fēng)量靈敏度矩陣的性質(zhì)可知分支巷道的被影響程度數(shù)值代表了其敏感性，被影響度數(shù)值越大，表明分支巷道在通風(fēng)系統(tǒng)中越容易受到影響。因此，礦山通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的選址應(yīng)優(yōu)先考慮被影響度數(shù)值大、敏感性高的巷道。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的選址布局

在對井下通風(fēng)系統(tǒng)測試時，根據(jù)特征分支巷道的選取原則及礦山生產(chǎn)管理人員的經(jīng)驗，確定了某鐵礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)重要巷道共計34條。分支巷道的集合C={e 1，e 4，e 9，e 12，e 43，e 16，e 20，e 22，e 27，e 28，e 32，e 31，e 34，e 37，e 35，e 39，e 2，e 44，e 57，e 58，e 60，e 62，e 57，e 67，e 59，e 78，e 89，e 3，e 105，e 93，e 6，e 106，e 108，e 109}。

通過分析可知，監(jiān)測點的選址應(yīng)優(yōu)先考慮被影響度數(shù)值大的巷道。通風(fēng)系統(tǒng)巷道在計算靈敏度時共計109條分支，取被影響度數(shù)值排前20的巷道作為研究對象WV。C∩WV={e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}。所以某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址分支巷道為{e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}。

3 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址模擬驗證

礦山建立通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)是為了實現(xiàn)對通風(fēng)環(huán)境參數(shù)變化的動態(tài)監(jiān)測，最終達到保障通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過研究有通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的分支風(fēng)路的穩(wěn)定性，驗證分析風(fēng)路參數(shù)變化對系統(tǒng)整體的影響程度，從而得知設(shè)置監(jiān)測點是否合理。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用逐步線性回歸分析法，通過Ventsim可調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)中分支巷道的通風(fēng)參數(shù)，如圖2建立某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)三維基礎(chǔ)模型，在其他參數(shù)保持不變的情況下，借助Ventsim解算出改變分支巷道的參數(shù)這種特定狀態(tài)下系統(tǒng)的風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果[10-11]。通過改變選址布置監(jiān)測點巷道的通風(fēng)參數(shù)，模擬解算通風(fēng)系統(tǒng)測試驗證其是否應(yīng)設(shè)置為監(jiān)測點。

改變3個主要進風(fēng)巷道中進風(fēng)量最大的1 530 m中段進風(fēng)巷道的風(fēng)阻參數(shù)，分析其對礦山進風(fēng)量和回風(fēng)量的影響。通過Ventsim軟件模擬解算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著1 530 m中段進風(fēng)巷道分支風(fēng)阻的逐步減小，1分支的風(fēng)量對應(yīng)增加；專用回風(fēng)巷道108分支和109分支風(fēng)量都有增加，但增加數(shù)值較小；2分支和3分支進風(fēng)量有所減小。1分支巷道作為主要進風(fēng)巷道之一，其分支風(fēng)阻增大，整個礦山通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻也隨之增大；其進風(fēng)量減小之后，導(dǎo)致2分支巷道和3分支巷道的進風(fēng)量增加，但是1分支巷道的風(fēng)量減少量大于2分支和3分支巷道風(fēng)量的增加量，導(dǎo)致礦山井下的有效風(fēng)量減少，總的回風(fēng)量也對應(yīng)減少。可見1 530 m中段風(fēng)阻發(fā)生改變對整個通風(fēng)系統(tǒng)的總進風(fēng)量和總回風(fēng)量均有影響，選址設(shè)置風(fēng)速監(jiān)測點很有必要。在上述所有分支巷道中，隨著風(fēng)阻減小到一定值后，風(fēng)量值都趨于一個穩(wěn)定值，此時所有分支巷道內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定，礦山可以進行正常生產(chǎn)。

以分支巷道的風(fēng)阻為變量，其他分支巷道的風(fēng)量為因變量，將每次變量發(fā)生改變對應(yīng)的每條分支的風(fēng)量進行對比，衡量分支巷道風(fēng)流穩(wěn)定程度系數(shù)fj。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中某條分支巷道ej，因為通風(fēng)參數(shù)風(fēng)阻Ri數(shù)值變化了ΔRi，從而造成通風(fēng)系統(tǒng)中其他分支巷道的通風(fēng)參數(shù)風(fēng)量Qj發(fā)生變化，設(shè)定變化函數(shù)為fj，滿足式(8)。fj的數(shù)值決定分支巷道ej的風(fēng)流穩(wěn)定性。

ΔRi∝fj(qj)

(8)

(9)

式中：fj—第i條分支巷道風(fēng)阻發(fā)生改變時，第j條分支巷道風(fēng)流穩(wěn)定程度系數(shù)；Q′j—第i條分支巷道風(fēng)阻發(fā)生改變時，第j條分支巷道的風(fēng)量值,m3/s；Qj—第i條分支巷道風(fēng)阻沒有發(fā)生改變時，第j條分支巷道的風(fēng)量值,m3/s。

fj的數(shù)值決定了該分支巷道參數(shù)改變對其他分支巷道的影響，為了便于分析判別是否有影響，將fj數(shù)值接近1的情況都近似表示為1，代表該分支巷道通風(fēng)參數(shù)改變對研究的分支沒有影響；fj數(shù)值不近似等于1的亦或出現(xiàn)負數(shù)的情況都表示為0，代表該分支巷道風(fēng)參數(shù)改變對研究的分支有影響。

通過Ventsim逐一的設(shè)置改變某鐵礦分支巷道風(fēng)阻，礦山井下第i條分支風(fēng)阻變化對第j條分支風(fēng)量是否有影響用分支巷道風(fēng)流穩(wěn)定程度系數(shù)fij表示，當(dāng)分析礦山的分支巷道總計n條時，結(jié)果可以用矩陣F表示。

(10)

取2.3中34條分支巷道的風(fēng)量變化情況，逐一改變分支巷道的風(fēng)阻，解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計分析分支巷道風(fēng)量變化情況，見矩陣：

矩陣的列向量從左往右依次對應(yīng)34條分支巷道，每一列對應(yīng)某一分支巷道風(fēng)阻發(fā)生改變，其他分支巷道的風(fēng)量改變情況。以第一列為例，表示改變分支巷道e1(1 530 m中段主巷)的風(fēng)阻后，數(shù)值為1表示對應(yīng)巷道風(fēng)量未發(fā)生改變，數(shù)值為0表示對應(yīng)的巷道風(fēng)量發(fā)生了改變，分析可得34條分支巷道中33條分支巷道風(fēng)量發(fā)生了改變，受到了分支巷道e1的風(fēng)阻參數(shù)改變的影響。

通過分析解算得到的矩陣可知，上節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址分支巷道{e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}對應(yīng)矩陣的列向量中數(shù)值為0的居多，表明其分支巷道影響范圍較大，選址作為監(jiān)測點較合理。

其中分支巷道{e 1，e 4，e 9}(1 530 m中段主巷、運輸大巷、進風(fēng)平巷)均在1 530 m中段貫通連接且對應(yīng)的影響巷道集合完全一致，上述3條分支巷道的3個監(jiān)測點可以優(yōu)化為1個監(jiān)測點，取分支巷道被影響度數(shù)值最高的分支巷道e 1(1 530 m中段主巷)作為監(jiān)測點；分支巷道{e 2，e 44}(1 580 m中段主巷、進風(fēng)平巷)均在1 580 m中段貫通連接且對應(yīng)的影響巷道集合完全一致，上述2條分支巷道的2個監(jiān)測點可以優(yōu)化為1個監(jiān)測點，取分支巷道被影響度數(shù)值較高的分支巷道e 2(1 580 m中段主巷)作為監(jiān)測點；分支巷道{e 3，e 93}(1 630 m中段主巷、進風(fēng)平巷)均在1 630 m中段貫通連接且對應(yīng)的影響巷道集合完全一致，上述2條分支巷道的2個監(jiān)測點可以優(yōu)化為1個監(jiān)測點，取分支巷道被影響度數(shù)值較高的分支巷道e 3(1 630 m中段主巷)作為監(jiān)測點；分支巷道{e 59，e 37}(1 580～1 630 m中段9號回風(fēng)天井、1 556 m分層3號回風(fēng)天井)均為礦山中段之間的回風(fēng)豎井，分支巷道被影響度數(shù)值較小，對應(yīng)的影響巷道集合范圍相對較小，結(jié)合礦山現(xiàn)場施工、調(diào)試、校正及維護等因素，這兩處的監(jiān)測點排除。選址確定的監(jiān)測點分支巷道為{e 1，e 108，e 109，e 2，e 106，e 105，e 3，e 12}，求上述分支巷對應(yīng)影響巷道集合的并集，并集集合包括了34條分支巷道，即優(yōu)化監(jiān)測點后監(jiān)測點的監(jiān)測范圍是合理的。

綜上所述，通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點分支巷道選址為{e 1，e 108，e 109，e 2，e106，e 105，e 3，e 12}，選址布局監(jiān)測點位置見表2。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點選址布局位置Table 2 Location of monitoring points for ventilation system

4 結(jié)論

1)介紹了網(wǎng)絡(luò)靈敏度的基礎(chǔ)理論，計算了某鐵礦的網(wǎng)絡(luò)靈敏度、分支巷道的被影響度，根據(jù)靈敏度矩陣的性質(zhì)進行了某鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點的選址。

2)借助Ventsim通風(fēng)模擬軟件分析通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點巷道通風(fēng)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，驗證其監(jiān)測點選址的合理性和必要性。根據(jù)分支巷道影響范圍將監(jiān)測點數(shù)目確定為8個。