降低煤礦礦井通風阻力的技術(shù)應(yīng)用研究

＊李曉平

（山西省長治市上黨區(qū)能源局能源發(fā)展中心 山西 046000）

引言

煤礦資源是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)保證，更是保障人民生活水平和社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)資源。如今煤礦在經(jīng)過多年的開采以后，潛層的煤礦基本已經(jīng)開采完成，需要延伸生產(chǎn)礦井，增加礦井生產(chǎn)能力。隨著礦井開采的深度不斷加深，面臨的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜，時而會出現(xiàn)煤礦安全事故，而絕大多數(shù)的煤礦事故都直接或間接地受到礦井通風情況的影響，比如，通風不暢的位置將會有瓦斯聚集，若碰到電火花等，會瞬間導(dǎo)致煤礦或者瓦斯爆炸，所以礦井通風的重要性不言而喻。

1.煤礦礦井通風改造方案的評判因子與數(shù)學(xué)描述

(1)評判因子確定的原則

①科學(xué)與合理的原則

制定的評判因子必須要與礦井的正常發(fā)展趨勢相適應(yīng)，保證科學(xué)性與合理性，可以對礦井通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題，以及影響通風系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的因素做出清晰且明確的反應(yīng)。

②定性與定量的原則

在選取評判因子的時候，要求包含有理論研究的數(shù)值和測量數(shù)據(jù)的數(shù)值，所以這就要求選取的評價因子必須要結(jié)合定量和定性分析，從而保證得到的評價結(jié)果更加具有有效性和準確性。

③普遍性與特殊性的原則

在選取判定因子的時候，必須要保證判定因子兼具特殊性和普遍性，既可以分析出礦井通風管理中存在的個性化指標，還可以將存在的共性指標分析出來。

(2)評判因子的數(shù)學(xué)描述

①礦井內(nèi)部總風壓

礦井內(nèi)部總風壓在進行計算的時候，主要是1m/s的空氣在流經(jīng)礦井通風網(wǎng)絡(luò)的時候所產(chǎn)生的機械能消耗，當?shù)V井內(nèi)部的風壓增加的時候，管理通風系統(tǒng)的難度也將會增加。礦井內(nèi)部總風壓計算的關(guān)系表達式如式（1）所示：

式中，h表示礦井內(nèi)部的總風壓；R表示井巷位置的摩擦風阻值；Q表示礦井內(nèi)部通風系統(tǒng)的風量大小。

②礦井內(nèi)部有效風量率

礦井內(nèi)部有效風量率表示的礦井內(nèi)部的采掘工作面、回采工作面、機電設(shè)備、避難室、炸藥房等用風位置的總風量和實際進風量之間的比值，礦井內(nèi)部有效風量率計算的關(guān)系表達式如公式（2）所示：

式中，Qs表示用風位置所需要使用的風量；Qj表示礦井內(nèi)部的實際進風量。

③礦井內(nèi)部總等積孔

礦井內(nèi)部總等積孔計算的關(guān)系表達式如公式（3）所示：

式中，Qi表示風機的風量；hi表示風機設(shè)備的風壓值。

④礦井工作面風量達標率

礦井工作面風量達標率計算的關(guān)系表達式如公式（4）所示：

式中，e表示礦井工作面位置風量達標率；a表示當風量達到設(shè)計需風量的工作面數(shù)量；b表示在同一時間段內(nèi)工作的工作面數(shù)量總數(shù)。

⑤通風設(shè)備運行效率

通風設(shè)備運行效率計算的關(guān)系表達式如公式（5）所示：

式中，Hf表示通風設(shè)備的全壓；Qf表示通風設(shè)備的風量；N表示通風設(shè)備電機的輸入功率值；表示通風設(shè)備電機的運行效率；表示通風設(shè)備電機的傳動效率。

⑥通風設(shè)備優(yōu)化完善的資金

通風設(shè)備優(yōu)化完善的資金可劃分成為三個部分，分別為維修巷道費用，購置設(shè)備的費用以及井巷工程費用。其中井巷工程費用計算的關(guān)系表達式如公式（6）所示：

式中，kj表示井巷掘進過程中的資金支出；sj表示掘進第j條井巷的時候初選斷面的面積；Lj表示第j條掘進的井巷長度值。

購置設(shè)備的費用主要是指重要通風設(shè)備的資金支出。維修費用主要是指井巷在進行維修的過程中，人工費用支出、各種材料設(shè)備的費用支出。

⑦通風費用支出

通風費用支出是指平均每年礦井開采一噸煤炭的時候，通風設(shè)備電費的支出。其計算的關(guān)系表達式如公式（7）所示：

式中，N表示通風設(shè)備輸入的功率；C表示通風設(shè)備的傳動效率；表示通風設(shè)備電動機的運行效率；表示電網(wǎng)運行的效率；表示變壓器設(shè)備的運行效率；b表示礦井每年的總產(chǎn)量。

⑧通風位置角聯(lián)數(shù)

通風位置角聯(lián)數(shù)主要是指礦井內(nèi)部用風位置的角聯(lián)數(shù)量。

⑨風速超限情況

風速超限從量化角度進行表示，其關(guān)系表達式如公式（8）所示：

⑩風機設(shè)備運行的穩(wěn)定性情況

風機設(shè)備運行的穩(wěn)定性情況主要是指不同的風機相互之間不存在干擾的現(xiàn)象，即使是有所干擾，其工況仍舊處于合理的范圍，在進行計算時，其關(guān)系表達式如公式（9）所示：

式中，Sf表示風機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定指數(shù)；表示通風設(shè)備運行的效率；表示通風設(shè)備最大的運行效率；kr表示風機設(shè)備在運轉(zhuǎn)的時候的穩(wěn)定性系數(shù)；kf表示風機設(shè)備相互之間的影響系數(shù)。

?礦井抗災(zāi)能力

礦井抗災(zāi)能力是指在礦井施工期間，通風系統(tǒng)有良好的瓦斯排放系統(tǒng)，并且對防滅火、降塵、控制溫度等等具有有效的解決措施。在進行礦井抗災(zāi)能力評價時，重點從防災(zāi)設(shè)備和技術(shù)、通風方式兩個主要的內(nèi)容展開評價。其計算的關(guān)系表達式如公式（10）所示：

式中，S表示礦井抗災(zāi)能力的指標值；S1表示礦井通風措施的得分情況；S2表示礦井防災(zāi)技術(shù)和設(shè)備的得分。

2.層次分析法明確指標權(quán)重

(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)

在對通風系統(tǒng)的多個方面存在的問題進行詳細分析以后，可以將通風系統(tǒng)所含有的多個因素劃分成為多個層次[5]。一般情況下，可將其劃分成為目標層、準則層、指標層和方案層等。

(2)構(gòu)造判斷矩陣

在已經(jīng)完成的層次結(jié)構(gòu)，已經(jīng)明確了不同層次元素之間存在的關(guān)系，對元素的重要性做出判斷，形式如下：

在計算權(quán)重的時候，選擇使用和積法實現(xiàn)，這種方法相對比較簡單，其步驟可以分為以下幾步：

第一，正規(guī)化處理判斷矩陣的每一列元素。

第二，正規(guī)化處理每一列元素以后按行相加。

式中，(AW)i表示向量AW第i個元素；n表示判斷矩陣的維數(shù)。

在進行計算時，其基本條件是要求判斷矩陣是一致性矩陣，為了確保不同要素之間具有一致性，其步驟如下：

一致性指標為：

CI值可以對決策者判斷思維的一致性情況做出相應(yīng)的判斷。一致性比率CR的計算關(guān)系表達式如公式（17）所示：

式中，RI表示平均隨機一致性指標。

(3)計算標權(quán)重

參照技術(shù)人員和眾多專家的評分意見構(gòu)建不同層次的不同因素的判斷矩陣，對矩陣對應(yīng)的特征向量和最大特征值做出判斷，之后再做出正規(guī)化處理，獲得不同層次的因素權(quán)值，如表1、表2所示。

表2 判斷矩陣B1-Ci及相應(yīng)權(quán)值

3.優(yōu)化煤礦礦井通風方案

以某地區(qū)礦場為例，煤礦通風系統(tǒng)如圖1。

圖1 煤礦通風系統(tǒng)示意圖

在煤礦通風系統(tǒng)中，冒高的地點總共有六處，其中七水平巖石道到三水平電車道阻力最大區(qū)段是最大阻力路線。在進行通風系統(tǒng)優(yōu)化的時候，為了將礦井內(nèi)部的阻力調(diào)整到七水平巖石巷向三水平電車到開拓的巖石航，需要基于現(xiàn)狀調(diào)整阻力、風量等因素。在調(diào)整以后，所有的冒高地點被清理以后，六處冒高位置的風量、斷面面積等都獲得較為顯著的增加，降低量百米阻力和摩擦風阻。

4.結(jié)語

本文從安全可靠、技術(shù)先進和經(jīng)濟合理三個角度，論述在降低煤礦礦井通風阻力方面措施制定的影響要素，確定了評判因子和權(quán)重，并構(gòu)建了通風系統(tǒng)優(yōu)化評判指標，旨在解決實際生產(chǎn)中的問題。