某鐵礦通風系統監測點選址布局研究

王翔飛，謝賢平，許 旭

(昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093)

現代礦山開采過程中，在每個通風節點布置監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的。因此，在滿足通風系統監測精度、監測范圍及經濟投入的目標前提下，選用較少、突出特征代表的節點作為監測點的布置原則達到獲取整個通風系統的狀況。通風系統監測點的合理選址布局，有利于督促礦山規范作業，降低事故危險發生的概率，保障礦山的安全生產[1-2]。

近年來，國內學者對礦山監測點選址布局做了大量研究。孫繼平通過運用風量比例法[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置問題；李志等[7]分析了不同的局部通風方式下瓦斯傳感器監測點的設置；謝賢平等[8]利用菲波那奇法決定測點數目，分析了多風機多級機站通風系統監測點的布局優化研究。司俊鴻[9]根據圖論理論對井下監測分站的布置進行了優化分析，運用可變模糊理論分析了風速傳感器的布置選址問題。綜上所述，監測點的選址布局研究成果主要是針對井下局部區域的監測點選址問題研究，從礦山通風系統出發的監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系統監測點選址進行研究。

1 某鐵礦通風系統概況

某鐵礦礦井通風系統的主進風巷道是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；通風系統的主要回風巷道是1 680 m北部中段回風平硐及1 680 m南部中段回風平硐。共有109條通風系統巷道，現階段通風系統布置方式為一翼平硐進風、兩翼平硐回風，新鮮風流通過1 530 m中段、1 580 m中段、1 630 m中段三個主要的進風平巷進風，進入各中段、分層用風點，污風通過各中段、分層回風平巷流入專用回風天井、回風聯絡道匯總于1 630～1 680 m中段北部和南部回風上山，最終由1 680 m中段的北部和南部回風平巷排出地表。

2 通風系統監測點選址分析

2.1 靈敏度的概念

當j分支的風阻rj發生改變且變化量為Δrj的情況下，通風網絡中i分支的風量值qi會發生改變，其中±Δqi為變化量，當|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。

(4)

當網絡分支個數為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)

風量靈敏度矩陣是系統固有的屬性，它與通風網絡結構及系統所處狀態有關，與獨立回路的選擇無關。在通風網絡結構及系統狀態不變的條件下，風量靈敏度矩陣有一個固定的解。風量靈敏度矩陣有如下幾個特質：

3)靈敏度同時遵循節點平衡定律和獨立回路平衡定律。即：

(6)

(7)

各分支風阻變化后會對分支i風量產生一定影響，影響的總和為Vi，則Vi為分支i的被影響度。分支在網絡中的敏感性是通過被影響度體現。

2.2 靈敏度計算

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

迭代計算的步驟如下：

1)在已知風阻rj，j=1，2，3，…，n的情況下。用各分支風量qi可以通過Cross法進行網絡解算求出。

6)令j←j+1，如果j≤n，轉2)，否則，轉7)。

7)結束。

根據迭代法求解計算步驟，調用基于MATLAB的解算程序，進行通風系統風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值。其中，大多數數值低于[0，40]區間。分支巷道的被影響度數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}。通過風量靈敏度矩陣的性質可知分支巷道的被影響程度數值代表了其敏感性，被影響度數值越大，表明分支巷道在通風系統中越容易受到影響。因此，礦山通風系統監測點的選址應優先考慮被影響度數值大、敏感性高的巷道。

2.3 通風系統監測點的選址布局

在對井下通風系統測試時，根據特征分支巷道的選取原則及礦山生產管理人員的經驗，確定了某鐵礦礦井通風系統的通風重要巷道共計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，監測點的選址應優先考慮被影響度數值大的巷道。通風系統巷道在計算靈敏度時共計109條分支，取被影響度數值排前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}。所以某鐵礦通風系統監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 通風系統監測點選址模擬驗證

礦山建立通風監測系統是為了實現對通風環境參數變化的動態監測，最終達到保障通風系統的穩定。通過研究有通風系統監測點的分支風路的穩定性，驗證分析風路參數變化對系統整體的影響程度，從而得知設置監測點是否合理。

礦井通風系統的穩定性采用逐步線性回歸分析法，通過Ventsim可調整通風系統中分支巷道的通風參數，如圖2建立某鐵礦通風系統三維基礎模型，在其他參數保持不變的情況下，借助Ventsim解算出改變分支巷道的參數這種特定狀態下系統的風網解算結果[10-11]。通過改變選址布置監測點巷道的通風參數，模擬解算通風系統測試驗證其是否應設置為監測點。

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

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

以分支巷道的風阻為變量，其他分支巷道的風量為因變量，將每次變量發生改變對應的每條分支的風量進行對比，衡量分支巷道風流穩定程度系數fj。

在礦井通風系統中某條分支巷道ej，因為通風參數風阻Ri數值變化了ΔRi，從而造成通風系統中其他分支巷道的通風參數風量Qj發生變化，設定變化函數為fj，滿足式(8)。fj的數值決定分支巷道ej的風流穩定性。

ΔRi∝fj(qj)

(8)

(9)

式中：fj—第i條分支巷道風阻發生改變時，第j條分支巷道風流穩定程度系數；Q′j—第i條分支巷道風阻發生改變時，第j條分支巷道的風量值,m3/s；Qj—第i條分支巷道風阻沒有發生改變時，第j條分支巷道的風量值,m3/s。

fj的數值決定了該分支巷道參數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數值接近1的情況都近似表示為1，代表該分支巷道通風參數改變對研究的分支沒有影響；fj數值不近似等于1的亦或出現負數的情況都表示為0，代表該分支巷道風參數改變對研究的分支有影響。

通過Ventsim逐一的設置改變某鐵礦分支巷道風阻，礦山井下第i條分支風阻變化對第j條分支風量是否有影響用分支巷道風流穩定程度系數fij表示，當分析礦山的分支巷道總計n條時，結果可以用矩陣F表示。

(10)

取2.3中34條分支巷道的風量變化情況，逐一改變分支巷道的風阻，解算通風網絡統計分析分支巷道風量變化情況，見矩陣：

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

通過分析解算得到的矩陣可知，上節通風系統監測點選址分支巷道{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}對應矩陣的列向量中數值為0的居多，表明其分支巷道影響范圍較大，選址作為監測點較合理。

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

綜上所述，通風系統監測點分支巷道選址為{e 1，e 108，e 109，e 2，e106，e 105，e 3，e 12}，選址布局監測點位置見表2。

表2 通風系統監測點選址布局位置Table 2 Location of monitoring points for ventilation system

4 結論

1)介紹了網絡靈敏度的基礎理論，計算了某鐵礦的網絡靈敏度、分支巷道的被影響度，根據靈敏度矩陣的性質進行了某鐵礦井下通風系統監測點的選址。

2)借助Ventsim通風模擬軟件分析通風系統監測點巷道通風參數對系統穩定性的影響，驗證其監測點選址的合理性和必要性。根據分支巷道影響范圍將監測點數目確定為8個。