礦井通風安全系統穩定性評價方法與應用

趙江波

（山西澤州天泰坤達煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西某地煤礦因為井下通風穩定性能較低，井下風量流通未達預期需求，部分區域風流量偏低，容易導致瓦斯氣體聚集，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，一定要設計穩定性能優秀的通風系統，避免瓦斯氣體聚集，消除事故隱患[1]。

1 地質概況

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

現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 灰巖水流量5 m3/h，占比2.85%；陷落柱內水流量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 穩定性評分方案

2.1 屬性數學模型構造方式

2.1.1 設立屬性區間矩陣

設或被評分主體空間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，各樣本都能夠寫為1 個數組ai=（ai1，ai2，…，aim），i=1，2，…，n。屬性空間C=（通風系統穩定性能）{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，根據各測試指標的分組準則可以獲得相對的屬性評級準則。

2.1.2 設立單指標屬性測度函數

基于屬性空間矩陣，設定單指標屬性測度函數。

2.1.3 多指標綜合屬性測度研究

評分對象為x，首先知道單項指標屬性測度Ij（1≤j≤m），其次確認被測樣本歸類于第k 類屬性測度μik=μ（xi∈Ck），由于各項指標的權重不一樣，這就要兼顧每項指標的權重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 評價指標權重確認

2.2.1 建立階梯層次結構模型

設立井下通風系統穩定性能評分方案，這就要依據井下實際工況，綜合考慮影響通風系統穩定性能和安全性能的每個原因，確認每項指標，運用層次分析法進行系統分析[2]。第一步考慮影響因素之間的聯系，把影響因素分為3 組，每組是1 個層次，確立層次結構模型。也就是說依據礦井通風系統能力和安全性能評分指標，設立一個總目標層（也就是井下通風系統安全監管的可靠性），4 個一級指標層（井下通風環境情況、井下通風安全管理、礦井通風設施情況、經濟性情況），18 個二級指標層（通風機運轉情況、井下通風構筑物、外界風壓變化情況、礦井通風網絡的復雜程度等）。

2.2.2 構造判斷矩陣

在對權重各項指標計算過程中，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]。假設礦井通風系統安全穩定性評級標準的第一層中A 因子與第二層次中的因子a1，a2，a3，…，an有關聯，aij代表相對總目標A 而言ai比aj的相對權重。對判斷矩陣里的元素aij求解，aij所在行表示的指標與aij所在列所代表的指標根據1-9 標度法作比較得到。

2.2.3 計算各指標相對權重

計算各項指標相對權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，可以算得指標的相對重要性權重。

計算矩陣的一致性指標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 應用分析

3.1 建立層次分析模型

平頂一個礦井通風系統性能的好壞，主要從安全穩定性、經濟性以及技術可行性[4]這三個方向考量，然而這里的部分定性參數無法定量計算，考慮用層次分析法分析、分組，最后構建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構模型。確立的模型還應該簡潔、科學且直觀。以此為標準，建立了井下通風系統可靠性的1 級評定指標，且繪制了系統穩定性層次分析圖，見圖1 所示。

圖1 礦井通風系統穩定性層次分析圖

3.2 各指標相對權重的計算

針對該礦井，對上述各指標的重要程度做判斷。在統一標準下算出每個指標的相對權重，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分別代表井下通風方案可行性、安全穩定性能和經濟性指標。

表1 A-B 層判斷矩陣及各指標權重

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，以技術方案可行性、安全穩定性、經濟性為指標列出判斷矩陣。矩陣中的C1、C2、C3、C4、C5、C6依次代表井內通風設備現狀、井下通風環境、井下通風安全管理、井下通風經濟性、井下防災減災能力以及員工素質的評價指標。

得到三個部分的指標分別為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。

依據上述結果，礦井通風方案的評分指標的層次總排序權值如表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C 層進行指標權重計算。

通過對各項指標權值計算得到各層次總排序結果，確立的六項井下通風方案評定標準在系統內重要度排序：C2、C3、C1、C4、C5、C6。依次是：井下通風系統環境、井下通風安全管理、井下通風設施狀況、井下通風經濟性、井下防災減災能力、員工素質。

3.3 評價結果分析

礦井通風系統穩定性能評分等級：“優”表示穩定，“良好”表示比較穩定。根據置信度準則研究，最后的評分為：

1）礦井通風系統環境k0=2，評分是“良”；

2）礦井通風設備及設施k0=2，評分是“良”；

3）礦井通風安全管理k0=2，評分是“良”；

4）礦井通風抗災能力k0=1，評分是“優”；

5）礦井職工情況k0=1，評分是“優”；因此，該礦井通風系統整體穩定性k0=2，評價為較穩定。

4 結論

1）采用屬性數學評價方法對一礦井通風系統穩定性做評定，運用層次分析法計算出了該礦井通風系統評分系統里每個指標的權重值。

2）考慮該煤礦實地工況，運用通風方案穩定性評價模型對礦井通風系統穩定性做評定，評定結果為“良”，代表較穩定。