基于AHP的瑤崗仙黑鎢礦區通風系統方案優選

李 楊（湖南瑤崗仙礦業有限責任公司，湖南郴州 424209）

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基于AHP的瑤崗仙黑鎢礦區通風系統方案優選

李 楊
（湖南瑤崗仙礦業有限責任公司，湖南郴州 424209）

針對瑤崗仙黑鎢礦區現有通風系統的實際情況，分析隨著生產重心向礦井深部轉移對現有通風系統的影響。根據分析論證提出兩種通風系統改造方案，采用層次分析法（AHP）從經濟、技術和安全三個方面建立8個評判指標對兩種方案進行比較，從而選擇出方案一為較好的通風系統改造方案。

通風系統；層次分析法；風阻風量；方案優選

湖南瑤崗仙礦業有限責任公司是以開采鎢為主的中型金屬礦山。礦產資源分為黑鎢和白鎢兩大礦區，其中黑鎢礦區開采至今已有101年的歷史。由于瑤崗仙黑鎢主礦區上下開采中段高差較大，開采中段和通往地表的窿口多，使之難以形成全礦穩定的通風系統。

目前10中段以上的生產工作由于開采年限久遠，資源枯竭，已經封停。井下生產重點已轉移到深部19－23中段的開采以及24－26中段的開拓，其中深部24－26中段生產開拓系統已基本形成，26中段已掘進一條長約2 600m的平窿貫通地表，為更深一步的27－29中段開拓做準備。隨著井下生產布局的調整和復雜化，現有通風系統已與生產要求不相適應，特別是15中段以上部分區域的資源綜合回收工作的通風完全靠自然風壓和局部通風來控制，作業環境無法滿足井下開采通風的需要，給井下安全生產留下了較大的隱患。為了滿足井下開采通風安全的需要，必須對現有通風系統進行改造和優化［1，2］。

1 通風系統方案介紹

1.1 現有通風系統方案介紹

現有通風系統主要采用各平窿口進風，通過各個中段的回風井階梯式、接力式回風，最終匯入13中段，從13中段平窿口排出地表。

目前由于井下生產重點轉移，通風條件日益復雜，現有通風系統存在以下隱患：

1.無專用回風井，系統回風不穩定。最初的回風線路設計過于理想化，設計中采用的是礦脈端部階梯式回風，其要求做到同一礦脈上部中段開采完成后方能進行下一中段的開采，而實際上是多個中段同時開采，因此造成污風串聯嚴重。

2.風壓風量未得到合理的分配。由于中段多且無專用回風井，漏風與風流短路現象較為突出，主風機產生的負壓基本消耗在本中段及相鄰中段，造成風壓與風量得不到有效的分配。

3.隨著生產情況的變化，生產重心逐漸轉移到深部，深部19－26中段生產污風回風線路長，風阻大，回風困難也造成進風困難，已無法滿足生產的需要。

1.2 通風系統改造方案介紹

根據礦山實際的情況，提出兩種可行的通風系統改造方案［3～5］。

方案一總體規劃：由各平窿口進風，污風通過11中段平窿口排出地表，各中段開掘專用回風井相互連通。并在風路節點處加裝風機站，克服風阻，彌補風量損失。專用回風井均設置在礦體西北部縱深233脈組處。具體方案如下：

1.順風時期（冬春季）：新鮮風流從26、23、21、19、17、16、13中段平窿口進入，經過中段主運輸巷道進入需風點，通過風機和風筒的作用將在各個中段污風集中排往233脈組端部脈外專用回風井，最終將污風排至11中段排出地表。

2.反風時期（夏秋季）：新鮮風流從26中段平窿口及2＃豎井進入，經過26平窿及1＃斜井，將新鮮風流送至各個中段主運輸巷道進入需風點，通過風機和風筒的作用將在各個中段污風集中排往233脈組端部脈外專用回風井，最終將污風排至11中段排出地表。

3.機站安排及風機安裝位置。Ⅰ級機站：在26平窿安裝Ⅰ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2 ×90 kW。克服26平窿、26中段巷道的風阻和26至19中段反向自然風壓，強制進風。Ⅱ級機站：在25、24、23、22、21等5個中段安裝Ⅱ級機站，安裝軸流式風機5臺，總功率5×15 kW，克服所在中段風阻，調節風量，輔助回風。Ⅲ級機站：在19中段安裝Ⅲ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2×37 kW。克服19至11中段回風井風阻，為19中段以下總回風機站。Ⅳ級機站：在12中段安裝Ⅳ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2×55 kW。克服11中段風阻、19至11中段自然反向風壓，為全礦井總回風機站。

方案二總體規劃：由各平窿口進風，污風通過17中段回風道排往16中段501采空區，各中段開掘專用回風井相互連通。并在風路節點處加裝風機站，克服風阻，彌補風量損失。專用回風井均設置在礦體西北部縱深233脈組處。具體方案如下：

1.順風時期（冬春季）：新鮮風流從26、23、21、19、17窿口進入，經過中段主運輸巷道進入需風點，通過主要通風機、輔助風機作用將在各個中段污風集中排往233脈組端部脈外專用回風井，通過17中段398回風道排往16中段501采空區。

2.反風時期（夏秋季）：新鮮風流從26窿口及2＃豎井進入，經過26平窿及1＃斜井，將新鮮風流送至各個中段主運輸巷道進入需風點，通過主要通風機、輔助通風機作用將在各個中段污風集中排往233脈組端部脈外專用回風井，通過17中段398回風道排往16中段501采空區。

3.機站安排及風機安裝位置。Ⅰ級機站：在26平窿安裝Ⅰ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2 ×90 kW。克服26平窿、26中段巷道的風阻，26至19中段反向自然風壓，強制進風。Ⅱ級機站：在25、24、23、22、21等5個中段安裝Ⅱ級機站，安裝軸流式風機5臺，總功率5×15 kW。克服所在中段風阻，調節風量，輔助回風。Ⅲ級機站：在19中段安裝Ⅲ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2×30 kW。克服26至17中段回風井風阻，為19中段以下總回風機站。Ⅳ級機站：在17中段安裝Ⅳ級機站，安裝軸流式風機2臺，總功率2×132 kW。克服17中段回風道風阻、19至16中段自然反向風壓，為全礦井總回風機站。

1.3 通風系統改造方案經濟技術安全指標

礦井通風系統的優化改造要求安全可靠，技術可行，經濟合理。上述提出的兩個通風初選方案，只有通過技術、經濟、安全三方面的全面比較，才能得出最優的符合礦山實際的井下通風方案［6，7］。

1.3.1 技術指標

通風系統改造要求風量符合相關要求和生產實際需求，風阻較小，通風系統工程量較小。根據調查研究和實際測量，方案一和方案二的風阻和風量見表1和表2。

表1 方案一風阻風量計算表

表2 方案二風阻風量計算表

由表1、表2可以看出，兩種方案主平窿進風量均為46.85 m3／s，方案一中回風中段回風量為71.31 m3／s，方案二回風中段的回風量為62.45 m3／s，說明方案一對污風排出能力更大。方案一總風阻為1 918.8 Pa，方案二總風阻為2 802.5 Pa，說明方案一雖然通風線路較長，但風阻較小。方案一新開掘回風井和通風道工程量為16 982 m3，方案二新開掘回風井、回風道和通風道工程量為14 843 m3。

1.3.2 經濟指標

經濟指標主要包括設備和工程投入及年耗電量等。

工程和設備投入：方案一共需要安裝風機11臺，總裝機功率439 kW，工程和設備投入1 007萬元；方案二共需要安裝風機11臺，總裝機功率579 kW，工程和設備投入約903萬元。

年耗電量：通風系統年運行約340 d。順風時期按170 d，每天運行16 h，開機功率（439÷2）kW；反風時期按170 d，每天運行24 h計算。方案一開機功率439 kW，方案二開機功率579 kW。計算得方案一年耗電量238.8萬kWh，方案二年耗電量314.9萬kWh。

1.3.3 安全指標

安全指標包括風源風質，回風效果和系統服務范圍等指標。風源風質主要要求進風的空氣質量良好，風源穩定；回風效果不僅要滿足井下污風的通風要求，還要使通風系統的管理和維護盡量簡單，風路穩定，不漏風，不跑風，不串風，風路風量可調可控。服務范圍包括通風系統控制到的通風范圍。

方案一和方案二的技術、經濟、安全指標對比見表3。

表3 礦井通風系統方案比較表

2 層次分析法優選過程

由于通風改造方案涉及因素眾多，要綜合考慮經濟、技術和安全三大方面的8個因素，因此僅憑表3的內容無法科學、準確地選擇兩種方案的優劣。層次分析法（AHP）是一種針對多因素指標的綜合評判體系，可以有效解決方案選擇中的主觀性和隨意性，更具準確性。

2.1 構造判斷矩陣

根據評判指標間的層次關系，構造各層次、各部分的指標的判斷矩陣。設判斷矩陣為D＝（Xij），其中Xij表示評判指標i相對與評判指標j的重要程度，如公式（1）。

采用模糊語言算子的九標度法描述不同目標之間的相對重要程度（見表4）。

表4 九標度法

2.2 確定評價指標權重及一致性檢驗

對于判斷矩陣D，用方根法計算其特征DW＝λmaxW方程，所得到的W經規一化后作為指標的排序權重。由數學理論可知正定互反矩陣D的最大特征根λmax存在且唯一，并且W也是唯一的，可由正分量組成［11］。用方根法計算特征方程的過程如下：

判斷矩陣D的各行元素相乘得Mi：

計算Mi的n次方根：

以上各式中，i＝1，2，…，n。

然后需對判斷矩陣進行一致性檢驗，其公式為：

II斷矩陣的階數；RI為平均隨機一致性指標（取值見表5）。當CR＜0.1時，一般認為判斷矩陣D具有滿意的一致性，否則需重新構造判斷矩陣。

表5 平均隨機一致性指標取值

3 通風系統改造方案選擇

3.1 構建指標評判體系

根據表3，對通風系統改造方案的各項指標進行量化，其中對安全的三個指標進行量化，并進行數值歸一化，使其更具有可操作性，其中對于越大越好的指標用＋，對于越大越不好的指標用－，見表6。

表6 兩種方案指標評判體系

3.2 指標權重的確定

依據層次分析法基本理論，在查閱大量文獻和分析礦山實際情況后，構筑目標層對應于準則層G－H的判斷矩陣，見表7。

依據WG可得判斷矩陣G－H的λmax0＝3，CI0＝0，RI0＝0.58，CR0＝0＜0.1，故判斷該矩陣G－H滿足一致性檢驗要求，于是得到可接受的權重矩陣W＝［0.3，0.1，0.6］。

表7 G－H判斷矩陣

同理，可得H1－H1j，H2－H2j，H3－H3j各指標層的權重系數如下：

所得各評判指標權重見表8。

表8 各評判指標權重

將表8指標的權重與表6中的方案一和方案二的歸一化值相乘，并計算總和。對于越大越好的指標用加法，對于越大越不好的指標用減法。則得出方案一A1＝0.18，方案二A2＝0.12。由于A1＞A2，因此方案一優于方案二。

4 結 論

1.根據對瑤崗仙黑鎢礦區通風系統的調研，提出兩種通風系統改造方案，可改善目前由于生產重心轉移造成的通風困難和安全隱患。

2.運用層次分析法（AHP）建立通風系統改造方案指標評判體系，從經濟、技術和安全3個方面確定了8個評判指標，并運用AHP計算出各指標權重。通過綜合評判，得出方案一優于方案二，即采用各平窿口進風，開掘脈外專用回風井相互連通，并在通風節點處加裝風機站，由11中段統一回風為較好的改造方案。

［1］ 李方波.凡口鉛鋅礦井下通風系統可靠性分析及優化［J］.采礦技術，2012，12（6）：35－36.

［2］ 姚道春.冬瓜山銅礦礦井通風降溫技術方案優化研究［J］.采礦技術，2012，12（2）：44－45.

［3］ 楊加偉.淺談礦井通風阻力產生的原因及降低阻力的方法［J］.采礦技術，2010，10（2）：60－62.

［4］ 鄧紅衛，張瑞，雷濤，等.基于Ventsim的云錫新山礦段通風系統優化研究［J］.采礦技術，2010，10（4）：74－76.

［5］ 陳建平，武華，楊天容.澄合二礦礦井通風系統優化研究［J］.陜西煤炭，2013，（1）：51－53.

［6］ 吳冷峻，汪峻，程厲生，等.冬瓜山多級機站通風系統優化設計［J］.礦業快報，2005，21（9）：17－18.

［7］ 宋永平.金屬地下礦山礦井通風系統存在的問題及采取的安全技術措施［J］.新疆有色金屬，2011，（1）：42－43.

Based on the AHP Yaogangxian W olfram ite Qrea Ventilation System Plan Optim ization

LIYang
（Hunan Yaogangxian Mining Co.，Ltd.，Chenzhou 424209，China）

For Yaogangxian wolframite area of the actual situation of the existing ventilation system，it analyzes the impact on the existing ventilation system with the production center of gravity tomine deep.According to the analysis of the argument，put forward two kinds of ventilation system retrofit scheme，use the analytic hierarchy process（AHP）from the aspects of economy，technology and safety three to eight evaluation index to compare two kinds of schemes，to choose a retrofit scheme for good ventilation system.

ventilation system；analytic hierarchy process；wind resistance air volume；plan optimization

TD724

A

1003－5540（2017）03－0001－05

2017－04－06

李 楊（1988－），男，助理工程師，主要從事礦山安全和通風管理工作。