金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價

周英烈

(飛翼股份有限公司，湖南 長沙 410600)

礦井通風對于金屬非金屬礦山安全生產具有舉足輕重的作用。礦井通風系統也是井下耗電量最大的系統之一，其耗電量能夠達到礦山總耗電量的20%～45%[1]。隨著開采深度的增加，大多數金屬非金屬礦山通風系統都存在系統運行效率低、通風網路混亂、主扇長期高負荷運行等一系列問題，通風系統耗費大量電能。為此，諸多從事礦山通風技術研究工作的技術人員提出了大量通風系統節能降耗的技術手段，如采用高效節能風機、提高礦井有效風量率、采取多級機站優化通風網絡、變頻控制按需通風等等[2?3]。但是，如何運用科學合理的方法綜合評價這些技術手段帶來的節能效果鮮有研究。礦井通風系統具有復雜性、開放性與不穩定性的特點[4?5]。本文在總結分析相關學者關于礦井通風節能技術研究成果的基礎上，確定評價金屬非金屬礦山通風節能效果的評價指標，建立與當前礦山實際情況相符合的評價指標體系，并應用層次分析法確定指標體系的權重。最終建立了基于物元模型的金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價模型，為科學合理地評價金屬非金屬礦山礦井通風節能效果提供了新思路。

1 建立金屬非金屬礦山礦井通風節能效果評價指標體系

該評價指標體系的總目標層（A）為金屬非金屬礦山礦井通風節能效果，總目標層的準則層（B）包括4 個方面，分別是減小風阻（Z）、優化指標（S）、風機節能（J）、合理利用自然風壓（R），準則層以下一共有16項指標，構成了評價體系的方案層（C），如圖1 所示。

圖1 金屬非金屬礦山礦井通風節能效果評價指標體系

1.1 減小風阻

（1）Z1優選通風線路。我國金屬非金屬礦山開采深度不斷增加，通風線路也越來越長，通風系統沿程阻力越來越大。選擇合理的通風線路，盡可能地縮短通風線路，對已經開采完的中段進行閉坑處理，對采空區和廢舊巷道采取封堵措施，能夠有效降低通風阻力，達到節能降耗的效果。

（2）Z2設置通風構筑物。合理地設置風窗、風墻、風門、風橋等通風構筑物，能夠起到引導風流方向，優化通風網絡，降低總通風阻力的作用。

（3）Z3優化通風巷道布局。礦井通風沿程阻力與通風巷道的斷面大小及支護方式關系巨大，巷道斷面幾何尺寸的不規則變化也會帶來較大的系統局部阻力。擴大主要通風巷道的斷面尺寸，并采取噴漿等支護方式，能夠有效降低通風系統的能耗。

（4）Z4完善主扇裝置。主扇裝置阻力由主扇自身結構引起，主扇風機的大體優化措施有增加擴散器、降低噪音等。

（5）Z5通風方式的合理性。盡可能選擇并聯通風方式，能夠極大地降低整個系統的通風阻力，從而達到節能效果。

1.2 優化指標

（1）S1風量供需比優化：為實測的主要通風機風量或一級機站風機總風量最大值與設計的礦井需風量的比值，反映風量的供需關系，風量供需比為[1.32，1.67]范圍內為合格標準。

（2）S2有效風量率優化：為礦井通風系統中的有效風量和與主扇風量的百分比。反映礦井通風系統主扇風量的利用程度。有效風量率≥60%為合格標準。

（3）S3礦井漏風系數優化：礦井漏風包含內部漏風和外部漏風。

（4）S4通風等積孔優化：礦井通風系統風流運行的難易程度可以用通風等積孔來進行表征，選擇合理的通風等積孔是礦井通風系統節能的一種有效措施。

1.3 風機節能

（1）J1節能風機選用：新型節能風機能夠起到較好的節能作用，礦山井下通風系統應該淘汰能耗高的落后風機，改用新型節能風機。

（2）J2風機變頻：風機變頻控制技術能夠使礦井通風系統達到按需分配的目的，已經在金屬非金屬礦山通風系統得到廣泛使用，取得了很好的節能效果。

（3）J3節能聯動：礦井空氣品質綜合指數與通風節能聯動是一種新型節能通風技術，該技術通過建立全自動控制通風系統，實現主、輔扇風機與井下空氣質量自適應聯動，從而達到節能通風的目的[6]。

1.4 合理利用自然風壓

（1）R1分季節通風：通風困難季節，自然風壓阻礙礦井通風系統的運行，通風容易季節，自然風壓有利于礦井通風系統運行。分季節合理利用自然風壓，可以達到節約用電的目的[7]。

（2）R2空區與舊巷封堵：隨著礦井開采深度的增加，上部空區與廢舊巷道最終與地表聯通，在通風困難季節，自然風壓通過這些通道嚴重制約井下通風系統的有效運行，給礦井通風帶來不必要的能源消耗。

（3）R3反向風流控制：通過增阻調節法防止自然風壓作用下的風流反向，避免通風網絡的混亂。

（4）R4輔扇引導：在主扇無法改變風向抵抗自然風壓的情況下，通過安裝輔扇進行引導是一種行之有效的方法。

2 基于層次分析法指標體系權重的確定

2.1 準則層權重指標的計算

金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價指標體系準則層為：減小風阻（Z）、優化指標（S）、風機節能（J）、合理自然風壓利用（R）4個指標，上述指標的重要程度比較見表1。

表1 準則層指標重要度兩兩比較

可得判斷矩陣：

并依據此矩陣求出相關指標的權重值。

先對矩陣A的每一列歸一化得矩陣：

經過計算，矩陣A的最大特征值λmax=4.2204，一致性檢驗滿足要求。

由準則層的權向量結果可知，準則層4 個指標的權重系數見表2。

表2 準則層權重系數

2.2 減小風阻權重指標的計算

減小風阻（Z）包含了5 項指標：Z1優選通風線路、Z2設置通風構筑物、Z3優化通風巷道布局、Z4完善主扇裝置、Z5通風方式的合理性。對這5 個指標的重要程度進行比較，結果見表3。

表3 減小風阻指標兩兩比較重要度

再對其每一行進行求和得出：

經過計算，判斷矩陣AZ滿足一致性要求。

根據指標權向量可以得出減小風阻5 個指標的權重系數（見表4）。

表4 減小風阻權重系數

2.3 優化指標權重指標的計算

優化指標（S）包含了4 項指標：S1風量供需比優化、S2有效風量率優化、S3礦井漏風系數優化、S4通風等積孔優化。4 項指標的重要程度比較見表5。

表5 優化指標重要度兩兩比較

經過計算，判斷矩陣AS滿足一致性要求。

根據指標權向量可以得出優化指標4 項指標的權重系數（見表6）。

表6 優化指標權重系數

2.4 風機節能權重指標的計算

風機節能措施有3 項指標：J1節能風機選用、J2風機變頻、J3節能聯動。3 項指標的重要程度比較見表7。

表7 風機節能重要度兩兩比較

經過計算，判斷矩陣AJ滿足一致性要求。

根據指標權向量可以得出風機節能措施3 項指標的權重系數（見表8）。

表8 風機節能權重系數

2.5 合理利用自然風壓權重指標的計算

合理利用自然風壓包含了4 項指標：R1分季節通風、R2空區與舊巷封堵、R3反向風流控制、R4輔扇引導。4 項指標重要程度比較結果見表9。

表9 合理利用自然風壓重要度兩兩比較

再對其每一行進行求和得出：

經過計算，判斷矩陣AR滿足一致性要求。

根據指標權向量可以得出合理利用自然風壓4項指標的權重系數（見表10）。

表10 合理利用自然風壓權重系數

3 基于物元模型的綜合評價模型

3.1 確定待評物元

征求具有幾十年通風技術經驗的專家教授對4個方面的16 項指標進行打分以確定特征量值，最終建立評價物元模型[9]。如減小風阻（Z）待評物元為Z={Z1、Z2、Z3、Z4、Z5}，其特征量值分別為v1、v2、v3、v4、v5。

3.2 評價等級的確定

依據相關文獻的研究成果[10?12]，設計5個評價等級對金屬非金屬礦山礦井通風節能效果進行綜合評價，評價等級和指標值的取值范圍見表11。

表11 金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價等級劃分標準

3.3 確定經典域矩陣和節域矩陣

經典域范圍取各級特征指標的最低值和最高值，得出金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價5 個等級的經典域。

金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價各級經典域矩陣如下所示:

金屬非金屬礦山礦井通風節能效果綜合評價中的節域物元，節域矩陣如下:

同理可分別計算出減小風阻（Z）、優化指標（S）、風機節能（J）、合理自然風壓利用（R）4個指標的經典域、節域及相對于5 個級別的關聯度。

4 結論

（1）影響金屬非金屬礦山通風節能效果的因素具有許多不確定性，綜合國內外礦山經驗，以“金屬非金屬礦山礦井通風節能效果”為總目標層，以減小風阻（Z）、優化指標（S）、風機節能（J）、合理自然風壓利用（R）4 個方面為準則層，選取16項指標為方案層，建立了金屬非金屬礦山通風節能效果綜合評價指標體系。

（2）建立了基于物元模型的金屬非金屬礦山通風節能效果綜合評價模型，并應用層次分析法計算得出各項指標的權重，最終能夠得出評價結果的加權值。

（3）該模型用于評價金屬非金屬礦山通風節能效果是合理、有效的，為綜合評價金屬非金屬礦山通風節能效果提供了新思路。