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基于模糊综合评价的矿井通风系统优化

2024-06-11 47 上传者：管理员

摘要：矿井通风系统可靠运行直接关乎煤矿工人的生命安全，是保证煤矿安全生产的必要条件。文章通过对潞安郭庄煤矿选择降阻、增风、安全、经济4项评价指标，同时优选主通风机选型及更换、掘三采区配风巷、掘南翼回风巷、防爆盖改造、风硐改造5个优化方案作为评语集，采用模糊综合评价方法，对各优化方案进行决策评价。根据评价结果，对通风系统优化方案进行了分步按序实施：首先安装架空金属筒型风硐，其次安装新主通风机，然后掘南翼回风巷，掘三采区配风巷，最后安装高位自复式防爆门。在保证安全的前提下，既减少了经济投入又对通风系统进行了整体优化，满足了矿井后期安全生产需要。

关键词：
模糊综合评价
系统优化
评价指标
评语集
通风系统
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煤矿通风系统的稳定运行是保证安全生产的必要条件[1]。矿井通风阻力测定可以获得矿井通风巷道的重要参数阻力系数值，是矿井通风系统日常管理、系统优化改造等一系列工作的重要参数。

随着潞安化工集团郭庄煤矿开采年限的增加，通风网络变得越来越复杂，通风设备也不断老化，制约了矿井的安全生产，甚至会因为通风系统无法正常运行而威胁煤矿工人的生命安全。为了有效解决这一问题，必须对煤矿通风系统进行优化。

目前国内矿井通风系统优化主要的解决思路是：利用实测数据、网络解算、阻力测定[2,3,4,5]等手段，找到风网“梗塞”环节。国内许多学者在通风系统优化及模糊综合评价应用方面做了相关研究，冯彬等[6]利用开发的3DSimOpt software软件对虎龙沟煤矿的进、用、回三区段进行了通风阻力与功耗分布情况进行了分析，提出了适合于虎龙沟实际情况的矿井通风优化方案，以达到降阻减耗的目的。姚晨等[7]通过对羊东煤矿进行风阻测定和矿井通风系统的详细分析，提出羊东煤矿通风系统优化建议。孟志斌[8]利用层次分析法对晋华宫矿矿井通风系统改造情况进行分析，提出先内后外、井上、井下同时改造的原则、方法以及相应措施与对策。郭江雁等[9]提出了基于模糊综合评判的电网应灾能力量化评估方法。通风系统学者们利用不同软件进行网络解算、通风阻力测定、通风系统现状分析[10,11],使用层次分析法、软件仿真模拟等方法研究了适合矿井的通风系统优化方案，也有学者采用模糊综合评价对不同风险进行评估预测[12,13]。

当通风网络复杂、优化方案不唯一时，就不能系统地评价各方案的重要程度、优先层级、优劣势等。本研究利用模糊综合评价法对郭庄矿通风系统优化方案进行优选，以达到最优性价比的优化方案组合。

1、通风改造必要性

潞安化工集团郭庄煤矿已投产25 a, 随着通风路线的延伸，瓦斯涌出量增加，亟需对通风设备、风网系统进行优化改造。

1) 阻力分配不合理。

矿井通风阻力为3 750 Pa, 主采的三采区通风线路上，回风段阻力占总阻力的75%,仅风硐阻力就为900 Pa, 占总阻力的24%,回风段消耗阻力过大。

2) 风硐风速超标。

主通风机排风量为13 200 m3/min, 由于风硐断面小于10 m2,风硐风速为21 m/s, 大于《煤矿安全规程》小于15 m/s的要求。

3) 矿井通风紧张。

在用主通风机最大供风量为13 000 m3/min, 根据网络解算结果，通风困难时期，当达到各用风点配风要求时，现有主通风机工况需满足负压6 800 Pa, 排风量17 900 m3/min, 已超出该主通风机最大运行能力。

4) 主通风机运行存在安全隐患。

现风硐内壁为混凝土结构，后被内壁混凝土有碳化剥落现象，前期已经出现过混凝土脱落吸入主通风机造成叶片损伤现象。

2、通风系统改造方案

2.1 回风井自复式防爆门改造

目前大多数矿井的在用回风井使用传统配重式防爆盖，防爆盖自动复位可靠性差，潞安集团也曾有过防爆盖泄爆后未完全复位的事故教训。自复式防爆门采用限位固定、液压支撑、电动复位等技术，大大提升了防爆门泄爆后自动复位的概率。集团要求所有新建回风井使用自动复位防爆门，在用回风井在具备条件时，立式风井防爆盖应完成自复式功能改造。

2.2 主通风机选型及更换

根据网络解算结果，通风容易时期需风量为13 400 m3/min, 通风困难时期需风量为17 525 m3/min.通风容易时期系统阻力为2 130 Pa, 通风困难时期系统阻力为3 847 Pa.对主通风机进行选型并更换可增加矿井总供风量，满足后期生产用风需求。选用FBCDZ系列对旋轴流式通风机，不需要庞大土建基础，施工周期短，维护工作量小。

2.3 掘三区配风巷，掘南翼回风巷

现矿井生产区域逐步由北翼向南翼转移，南翼采区供风线路长，三采区回风巷、南翼回风巷存在断面小、局部风速超限问题，在三采区施工1条配风巷、新掘1条南翼回风巷，可以降低南翼采区通风阻力，提高南翼采区进风量。

2.4 风硐改造

风硐阻力占整个通风系统阻力的1/4,预计改造风硐后，降阻增风的效果会很明显。由于原有工业场地限制，只能在原风硐位置施工新风硐。原有设备只有在新通风设备安装完成后才能停用并拆除，原有瓦斯管路、暖气管路、压风管路、消防晒水管路及配电管线密布其中，施工架空金属筒型风硐更符合矿井实际需要。

3、模糊综合评价方法分析系统优化方案

基于通风系统存在的问题及改造方案，利用模糊综合评价法对改造方案进行分析优选以确定方案实施程序。

应用模糊综合评价法解决问题的思路是：确定评价指标与评语集——建立权重向量矩阵A和权重判断矩阵B——计算权重并进行决策评价。

为了优化矿井通风系统，从降低通风系统阻力、增加矿井总风量、确保改造期间矿井各系统安全运行、所有实施方案的经济性4个方面作为评价指标。

结合矿井生产实际及专家意见，现有主通风机已不能满足后期生产需要，系统通风阻力在风硐、回风井段消耗很大，为现有通风系统的主要“症结”。为了满足后期矿井生产需要，赋予降阻、增风两指标权重值0.25;因各方案在实施期间，对风网系统的稳定可靠、矿井各系统的运行影响相对较小，赋予改造期间安全指标权重值0.1;本次通风系统优化初步概算3 000万元，矿井剩余资源服务年限少，资金投入尤其要经济、合理，因此赋予经济指标权重值较高，为0.4.基于上述建立指标权重向量矩阵A.

将主通风机选型及更换、掘三采区配风巷、掘南翼回风巷、防爆盖改造、风硐改造5项通风系统优化方案作为评语集，对各优化方案进行评价。根据专家意见，将各优化方案对指标项的贡献进行评分，并做归一化处理，建立权重判断矩阵R,见表1.

表1 评语集及对应指标项分值

针对4个指标以及5个评语集进行模糊综合评价，使用M(*,+)算子最终分析出5个优化方案的权重值，分别是风硐改造0.32、主通风机选型及更换0.283、掘三掘南翼回风巷0.205、掘三采区配风巷0.108、防爆盖改造0.055.从权重计算结果可知，5个评语集中风硐改造和主通风机选型的权重值比较高，见表2.各优化方案权重结果占比归一化后见图1.

表2 权重计算结果

图1 权重结果占比

4、通风系统优化方案实施顺序及结论

根据模糊综合评价结果，对矿井通风系统改造的5个方案依照权重进行排序，得出如下施工顺序：施工架空金属筒型风硐—完成主通风机选型及改造—掘南翼回风巷—三采区配风巷—对防爆盖进行改造。

由于通风系统优化工程分为井下和地面两部分，可以同时进行并在时间上进行有效协调，以安全、经济、时效完成为最终目的。

通过各方案的实施达到了如下目的：

1) 实施架空金属筒型风硐，克服了原有工业场地受限的困难，大大缩短了矿井停产时间。①新风硐断面为21.23 m2,风硐风速为11.70 m/s, 解决了风硐风速过大的问题；②目前主通风机运行角度为0°,矿井的通风负压由先前的3 560 Pa降低为2 500 Pa; ③原风硐内壁为混凝土结构，风硐内壁混凝土碳化剥落，剥落物易被风机吸入，损坏叶片，现风硐为钢板结构，解决了因风道碳化剥落物造成叶片损伤的问题。

2) 更换新主通风机，缓解矿井通风紧张局面。通过对AN系列、GAF系列、FBCDZ系列主通风机对比优选，选用了FBCDZ系列风机。现风机供风风量为14 900 m3/min, 最大供风量能够达到23 400 m3/min, 新主通风机能满足矿井最困难时期18 000 m3/min用风需求且能够安全稳定运行。

3) 提升了矿井通风系统的安全系数。采用高位安装自复式防爆门方式，符合现场改造实际，防爆门实现了电动复位，总体改造投资约70万元。

4) 简化通风机性能测试、反风等操作。风硐改造后增设立式箱式风门、电动侧开风门、电动百叶窗风门，反风时利用倒换风门实现反风，不设反风道，采用断电制动停车后电动机反转反风。

5) 提高效益比。通过方案的优选实施，将投资预算3 000万元缩减为1 900万元，提高了投资产出效益比。

实践证明，利用模糊综合分析法对郭庄矿通风系统进行优化，克服了工业场地空间受限、不宜停产时间过长等不利因素，为矿井安全生产和高产高效提供了保障。此次改造提高了投资产出效益比，体现了通风系统改造“可靠、适用、先进”的理念，也为今后矿井，特别是老矿井通风系统优化起到了一定的示范作用。

参考文献:

[1]王德明.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[2]周连春.乌海能源公司通风管理方面存在的问题及对策[J].煤炭工程,2014,46(3):71-73.

[3]黄碧石.潘二煤矿通风系统优化改造设计[J].煤炭工程,2015,47(11):7-10.

[4]程根银,朱锴,祁明峰,等.百善煤矿通风系统阻力测定及分析[J].中国安全科学学报,2009,19(9):101-105.

[5]程根银,朱锴,石建军,等.晋普山煤矿通风系统阻力测定与分析[J].中国安全科学学报,2005,15(9):67-72.

[6]冯彬,庞志晴,邵良杉.虎龙沟煤矿通风系统优化研究[J].煤炭技术,2021,40(3):66-69.

[7]姚晨,于保才,陈雷.羊东矿通风系统分析与优化[J].煤炭技术,2020,39(12):59-61.