降低煤礦礦井通風阻力的技術應用研究

＊李曉平

（山西省長治市上黨區能源局能源發展中心 山西 046000）

引言

煤礦資源是工業可持續發展的重要物質保證，更是保障人民生活水平和社會經濟發展的基礎資源。如今煤礦在經過多年的開采以后，潛層的煤礦基本已經開采完成，需要延伸生產礦井，增加礦井生產能力。隨著礦井開采的深度不斷加深，面臨的地質條件也更加復雜，時而會出現煤礦安全事故，而絕大多數的煤礦事故都直接或間接地受到礦井通風情況的影響，比如，通風不暢的位置將會有瓦斯聚集，若碰到電火花等，會瞬間導致煤礦或者瓦斯爆炸，所以礦井通風的重要性不言而喻。

1.煤礦礦井通風改造方案的評判因子與數學描述

(1)評判因子確定的原則

①科學與合理的原則

制定的評判因子必須要與礦井的正常發展趨勢相適應，保證科學性與合理性，可以對礦井通風系統結構的質量問題，以及影響通風系統實現其功能的因素做出清晰且明確的反應。

②定性與定量的原則

在選取評判因子的時候，要求包含有理論研究的數值和測量數據的數值，所以這就要求選取的評價因子必須要結合定量和定性分析，從而保證得到的評價結果更加具有有效性和準確性。

③普遍性與特殊性的原則

在選取判定因子的時候，必須要保證判定因子兼具特殊性和普遍性，既可以分析出礦井通風管理中存在的個性化指標，還可以將存在的共性指標分析出來。

(2)評判因子的數學描述

①礦井內部總風壓

礦井內部總風壓在進行計算的時候，主要是1m/s的空氣在流經礦井通風網絡的時候所產生的機械能消耗，當礦井內部的風壓增加的時候，管理通風系統的難度也將會增加。礦井內部總風壓計算的關系表達式如式（1）所示：

式中，h表示礦井內部的總風壓；R表示井巷位置的摩擦風阻值；Q表示礦井內部通風系統的風量大小。

②礦井內部有效風量率

礦井內部有效風量率表示的礦井內部的采掘工作面、回采工作面、機電設備、避難室、炸藥房等用風位置的總風量和實際進風量之間的比值，礦井內部有效風量率計算的關系表達式如公式（2）所示：

式中，Qs表示用風位置所需要使用的風量；Qj表示礦井內部的實際進風量。

③礦井內部總等積孔

礦井內部總等積孔計算的關系表達式如公式（3）所示：

式中，Qi表示風機的風量；hi表示風機設備的風壓值。

④礦井工作面風量達標率

礦井工作面風量達標率計算的關系表達式如公式（4）所示：

式中，e表示礦井工作面位置風量達標率；a表示當風量達到設計需風量的工作面數量；b表示在同一時間段內工作的工作面數量總數。

⑤通風設備運行效率

通風設備運行效率計算的關系表達式如公式（5）所示：

式中，Hf表示通風設備的全壓；Qf表示通風設備的風量；N表示通風設備電機的輸入功率值；表示通風設備電機的運行效率；表示通風設備電機的傳動效率。

⑥通風設備優化完善的資金

通風設備優化完善的資金可劃分成為三個部分，分別為維修巷道費用，購置設備的費用以及井巷工程費用。其中井巷工程費用計算的關系表達式如公式（6）所示：

式中，kj表示井巷掘進過程中的資金支出；sj表示掘進第j條井巷的時候初選斷面的面積；Lj表示第j條掘進的井巷長度值。

購置設備的費用主要是指重要通風設備的資金支出。維修費用主要是指井巷在進行維修的過程中，人工費用支出、各種材料設備的費用支出。

⑦通風費用支出

通風費用支出是指平均每年礦井開采一噸煤炭的時候，通風設備電費的支出。其計算的關系表達式如公式（7）所示：

式中，N表示通風設備輸入的功率；C表示通風設備的傳動效率；表示通風設備電動機的運行效率；表示電網運行的效率；表示變壓器設備的運行效率；b表示礦井每年的總產量。

⑧通風位置角聯數

通風位置角聯數主要是指礦井內部用風位置的角聯數量。

⑨風速超限情況

風速超限從量化角度進行表示，其關系表達式如公式（8）所示：

⑩風機設備運行的穩定性情況

風機設備運行的穩定性情況主要是指不同的風機相互之間不存在干擾的現象，即使是有所干擾，其工況仍舊處于合理的范圍，在進行計算時，其關系表達式如公式（9）所示：

式中，Sf表示風機運轉穩定指數；表示通風設備運行的效率；表示通風設備最大的運行效率；kr表示風機設備在運轉的時候的穩定性系數；kf表示風機設備相互之間的影響系數。

?礦井抗災能力

礦井抗災能力是指在礦井施工期間，通風系統有良好的瓦斯排放系統，并且對防滅火、降塵、控制溫度等等具有有效的解決措施。在進行礦井抗災能力評價時，重點從防災設備和技術、通風方式兩個主要的內容展開評價。其計算的關系表達式如公式（10）所示：

式中，S表示礦井抗災能力的指標值；S1表示礦井通風措施的得分情況；S2表示礦井防災技術和設備的得分。

2.層次分析法明確指標權重

(1)建立遞階層次結構

在對通風系統的多個方面存在的問題進行詳細分析以后，可以將通風系統所含有的多個因素劃分成為多個層次[5]。一般情況下，可將其劃分成為目標層、準則層、指標層和方案層等。

(2)構造判斷矩陣

在已經完成的層次結構，已經明確了不同層次元素之間存在的關系，對元素的重要性做出判斷，形式如下：

在計算權重的時候，選擇使用和積法實現，這種方法相對比較簡單，其步驟可以分為以下幾步：

第一，正規化處理判斷矩陣的每一列元素。

第二，正規化處理每一列元素以后按行相加。

式中，(AW)i表示向量AW第i個元素；n表示判斷矩陣的維數。

在進行計算時，其基本條件是要求判斷矩陣是一致性矩陣，為了確保不同要素之間具有一致性，其步驟如下：

一致性指標為：

CI值可以對決策者判斷思維的一致性情況做出相應的判斷。一致性比率CR的計算關系表達式如公式（17）所示：

式中，RI表示平均隨機一致性指標。

(3)計算標權重

參照技術人員和眾多專家的評分意見構建不同層次的不同因素的判斷矩陣，對矩陣對應的特征向量和最大特征值做出判斷，之后再做出正規化處理，獲得不同層次的因素權值，如表1、表2所示。

表2 判斷矩陣B1-Ci及相應權值

3.優化煤礦礦井通風方案

以某地區礦場為例，煤礦通風系統如圖1。

圖1 煤礦通風系統示意圖

在煤礦通風系統中，冒高的地點總共有六處，其中七水平巖石道到三水平電車道阻力最大區段是最大阻力路線。在進行通風系統優化的時候，為了將礦井內部的阻力調整到七水平巖石巷向三水平電車到開拓的巖石航，需要基于現狀調整阻力、風量等因素。在調整以后，所有的冒高地點被清理以后，六處冒高位置的風量、斷面面積等都獲得較為顯著的增加，降低量百米阻力和摩擦風阻。

4.結語

本文從安全可靠、技術先進和經濟合理三個角度，論述在降低煤礦礦井通風阻力方面措施制定的影響要素，確定了評判因子和權重，并構建了通風系統優化評判指標，旨在解決實際生產中的問題。