金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全性綜合評(píng)價(jià)

張秀華，王李管，馮興隆

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的基本任務(wù)是利用通風(fēng)動(dòng)力向井下各用風(fēng)地點(diǎn)提供足量的新鮮空氣，稀釋并排除各種有毒有害氣體和粉塵，調(diào)節(jié)氣候，確保工作地點(diǎn)的空氣質(zhì)量，營(yíng)造一個(gè)安全舒適的作業(yè)環(huán)境[1]。完善的礦井通風(fēng)系統(tǒng)可以及時(shí)排除有毒有害氣體，防止其對(duì)人體造成危害，并且可以改善井下的溫度、濕度等氣候條件，在可能發(fā)生火災(zāi)等事故的情況下防止事故的發(fā)生。在火災(zāi)情況下，通過(guò)改變通風(fēng)狀態(tài)，為井下工人提供避災(zāi)路線，減少人員傷亡。由此可見(jiàn)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的完善性直接影響著礦工的安全和健康，礦山的安全生產(chǎn)。而近年來(lái)，由礦井通風(fēng)系統(tǒng)不完善造成的礦井災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。所以應(yīng)努力提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性，以提高對(duì)事故的抵御能力。因此，做好礦山通風(fēng)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)工作對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)方法有多種，這些評(píng)價(jià)方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但針對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)語(yǔ)言的模糊性，模糊數(shù)學(xué)表現(xiàn)出其極大的適應(yīng)性，模糊綜合評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)了定性和定量的有效結(jié)合，解決判斷的模糊性和不確定性。使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀。

1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及隸屬度的建立

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的合理與否直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)能夠全面反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)的狀況，并且指標(biāo)間應(yīng)避免重復(fù)。為保證評(píng)價(jià)能夠客觀、實(shí)際的反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全狀況，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)從安全的角度出發(fā)，對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。在充分考慮通風(fēng)系統(tǒng)的基本功能和防救災(zāi)功能后，將礦井通風(fēng)系統(tǒng)分為通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境、通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)安全管理、通風(fēng)防救災(zāi)系統(tǒng)4個(gè)方面，從中選取13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[2,3]。以“金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全性”作為目標(biāo)層，“通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境”、“通風(fēng)設(shè)備”、“通風(fēng)安全管理”、“通風(fēng)防救災(zāi)系統(tǒng)”作為基準(zhǔn)層，以下13個(gè)指標(biāo)作為指標(biāo)層,具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1。

表1 礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 隸屬函數(shù)的構(gòu)建

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多因素系統(tǒng)，用于表示通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)具有非線性和時(shí)變性，并不能用一個(gè)確定的值給出。人們關(guān)注的問(wèn)題往往使一些模糊性概念。基于此選取的指標(biāo)值得“好”于“壞”之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，它們之間存在一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)。模糊數(shù)學(xué)恰為處理這類(lèi)模糊問(wèn)題提供了合適的數(shù)學(xué)手段，用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)來(lái)刻畫(huà)指標(biāo)值這一過(guò)渡狀態(tài)，進(jìn)而確定指標(biāo)值對(duì)某個(gè)集合的隸屬程度，達(dá)到準(zhǔn)確表達(dá)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)的目的。正確確定隸屬函數(shù)是利用模糊集合恰如其分的定量表現(xiàn)模糊概念的基礎(chǔ)。因此，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)構(gòu)造時(shí)，應(yīng)充分考慮各因素對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響和其對(duì)井下作業(yè)的影響，根據(jù)安全規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)確定各指標(biāo)的隸屬函數(shù)。

(1)礦井風(fēng)壓。礦井風(fēng)壓反映礦井風(fēng)量和風(fēng)壓合理匹配的程度，礦井風(fēng)壓越大，井下風(fēng)量越大，漏風(fēng)率也越大，礦井通風(fēng)管理越困難，礦井通風(fēng)阻力不合理是也會(huì)使礦井通風(fēng)壓力增大，其隸屬函數(shù)為

式中：h0為通風(fēng)壓力的閾值，Pa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)用類(lèi)比的方法獲得h0=174.95Qf0.42；Qf為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s，H為礦井實(shí)際通風(fēng)壓力，Pa[4]。

(2)礦井風(fēng)量供需比。反映礦井風(fēng)量的供需關(guān)系，一般風(fēng)量供需比在[1，1.2]間時(shí)較為合理。最大不超過(guò)1.5，其隸屬函數(shù)如下

式中：k1為風(fēng)量供需比k1=Q/Q0；Q為主扇實(shí)際供風(fēng)量m3/s，Q0為計(jì)算需風(fēng)量m3/s。

(4)風(fēng)速合格率。一切用風(fēng)點(diǎn)和有風(fēng)流通過(guò)的井巷中，風(fēng)速必須符合安全規(guī)程的規(guī)定。

式中：k2=n2/N2，n2為風(fēng)速滿足要求的個(gè)數(shù)，N2為用風(fēng)點(diǎn)和風(fēng)流巷道的總數(shù)。

(6)主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。主要通風(fēng)機(jī)承擔(dān)整個(gè)礦井或是一翼的通風(fēng)任務(wù)，其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全具有決定性影響。

式中：k3為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性系數(shù)，k3=H/Hmax，H為礦井實(shí)際通風(fēng)壓力，Pa；Hmax為主要通風(fēng)機(jī)最大通風(fēng)壓力，Pa。

(9)通風(fēng)系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)。通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)包括兩方面內(nèi)容，一是通風(fēng)設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)參量監(jiān)測(cè)，另一是主要通風(fēng)參數(shù)和氣體濃度等數(shù)據(jù)參量的監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)可以掌握礦井通風(fēng)的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，以便采取措施，防治災(zāi)害的發(fā)生。通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況可用監(jiān)察結(jié)果資料的完整情況考察。其隸屬函數(shù)可用表2表示。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)隸屬度

(10)通風(fēng)儀表的配備。通風(fēng)儀器儀表的配備的完善和完好是完成通風(fēng)狀況監(jiān)測(cè)的必要條件。依據(jù)通風(fēng)儀表數(shù)量和完好度確定隸屬度，數(shù)量滿足要求且完好度在95%以上認(rèn)定該指標(biāo)優(yōu)秀(賦值1)，數(shù)量嚴(yán)重不足或完好度低于80%認(rèn)定該指標(biāo)不合格(賦值0)，其余類(lèi)推賦值。

(11)通風(fēng)方式的合理性。礦井的通風(fēng)方式關(guān)系著整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)是否有利于沖淡、排除有毒有害氣體，是否有利于防滅火，對(duì)于高溫礦井來(lái)說(shuō)是否有利于降低空氣溫度[2]。該項(xiàng)指標(biāo)屬于定性指標(biāo)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 通風(fēng)方式評(píng)分表

通風(fēng)方式的隸屬函數(shù)為

(12)防救災(zāi)設(shè)施的完善程度。設(shè)置足量合格的防災(zāi)設(shè)施是防治災(zāi)害發(fā)生的有效方法。該項(xiàng)指標(biāo)以專(zhuān)家打分的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)配備設(shè)施的數(shù)量和完好度進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)井下系統(tǒng)的特點(diǎn)配備了足量的設(shè)備且完好度在95%以上認(rèn)為該項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)秀(賦值1)，設(shè)備配置嚴(yán)重不足，無(wú)防災(zāi)設(shè)施或完好度低于80%的認(rèn)為該項(xiàng)指標(biāo)不合格(賦值0)，其余情況以此類(lèi)推賦值。

(13)反風(fēng)系統(tǒng)的靈活度。礦井反風(fēng)系統(tǒng)是指用來(lái)使井下風(fēng)流反向的各種措施的總稱(chēng)，其主要作用是防止進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的有毒有害氣體進(jìn)入作業(yè)區(qū)。反風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)在10min內(nèi)改變巷道的風(fēng)流方向，并且主要通風(fēng)機(jī)的供給風(fēng)量不應(yīng)小于正常值的60%。其隸屬函數(shù)如下

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1 建立判斷矩陣

礦山通風(fēng)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜多因素體系，各個(gè)因素對(duì)礦山通風(fēng)安全的影響程度不同，因此，在進(jìn)行礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)時(shí)，首先確定各個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度即評(píng)價(jià)因素的權(quán)重。目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法很多，這里采用判斷矩陣法確定各指標(biāo)的權(quán)重。具體做法是請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)兩兩進(jìn)行重要性比較，利用1～9比率標(biāo)度法構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，再根據(jù)矩陣特征向量確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值。

以“礦山通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境”為例，根據(jù)以上標(biāo)度法，通過(guò)兩兩重要度的比較，得到判斷矩陣如表4。

表4 礦山通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境重要度判斷矩陣

2.2 計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)值

(1)計(jì)算矩陣A各行元素的乘積mi

(4)計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax

(5)一致性檢驗(yàn)

表5 判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

由表4得到的判斷矩陣和上述公式計(jì)算得特征向量w={0.19，0.25，0.31，0.19，0.06}，λmax=5.00076，CI=(5.00076-5)/(5-1)=0.00019，通過(guò)查表計(jì)算可得CR=0.0016<0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。同理可得其它因素的權(quán)重，如下所示：

礦井通風(fēng)設(shè)施的權(quán)重

w={0.625，0.25，0.125}

通風(fēng)管理的權(quán)重

w={0.5，0.5}

防救災(zāi)系統(tǒng)的權(quán)重

w={0.08，0.23，0.69}

基準(zhǔn)層權(quán)重

w={0.27，0.36，0.09，0.27}

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

表6 安全等級(jí)及評(píng)價(jià)結(jié)論

4 結(jié)論

礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值得合格與不合格之間也沒(méi)有明顯的界限，通風(fēng)系統(tǒng)的安全與不安全之間并沒(méi)有明顯的界限，即在合格與不合格，安全與不安全之間存在一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)。如何表達(dá)這一過(guò)度狀態(tài)，模糊綜合評(píng)價(jià)方法引入“隸屬度”的概念，以數(shù)值的形式表達(dá)這一狀態(tài)，使評(píng)價(jià)結(jié)果量化、精確。對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，針對(duì)不同等級(jí)給出不同的評(píng)價(jià)結(jié)論。給管理者提供決策依據(jù)。

綜上所述，模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全性的評(píng)價(jià)是非常適用的。

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