某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)安全評價(jià)與優(yōu)化

王曉磊

(福建省地質(zhì)測試研究中心)

某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)安全評價(jià)與優(yōu)化

王曉磊

(福建省地質(zhì)測試研究中心)

根據(jù)某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，利用層次分析法及灰色關(guān)聯(lián)分析法，選取8個(gè)優(yōu)選指標(biāo)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析，得出礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)安全度S=61.8%，安全等級為C，進(jìn)而對礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)采取優(yōu)化通風(fēng)構(gòu)筑物布局、增設(shè)通風(fēng)及監(jiān)測設(shè)備、整改巷道、增設(shè)小型風(fēng)機(jī)等措施。整改后安全度S=84.8%，安全等級為B，有效提高了通風(fēng)系統(tǒng)安全性，對金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全評價(jià)及優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

通風(fēng)系統(tǒng) 安全評價(jià) 層次分析法 灰色關(guān)聯(lián)分析法 安全度

通風(fēng)系統(tǒng)的安全合理對礦井的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益具有重要的影響[1-3]。對于金屬礦山，由于礦井開采初期通風(fēng)系統(tǒng)較為簡單，也相對穩(wěn)定、可靠，通 風(fēng)管理相對容易；但隨著礦井進(jìn)一步向深部延伸開采、礦井生產(chǎn)能力不斷提高、礦山布局發(fā)生變化，礦井通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也隨之變得更加復(fù)雜。隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理難度不斷加大、通風(fēng)效果變差、通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率變低、主要通風(fēng)設(shè)備與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不匹配等問題不斷出現(xiàn)，礦井的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益將受到嚴(yán)重的影響。因此，對礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全分析與優(yōu)化，對保障礦山安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡介

某鐵礦采用兩翼對角式通風(fēng)，中央主井、副井、主提升井進(jìn)風(fēng)，東南風(fēng)井、西北風(fēng)井從礦體兩端回風(fēng)，2個(gè)回風(fēng)井各裝備一臺K4-6-19主扇風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量分別為 800,370kW，2臺主要風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量為187m3/s，進(jìn)入通風(fēng)工作面的總風(fēng)量為 86m3/s，有效風(fēng)量率為46%，工作風(fēng)壓為1 230Pa，其中東南風(fēng)井供風(fēng)量為106m3/s，工作風(fēng)壓為1 221Pa，西北風(fēng)井供風(fēng)量為81m3/s，工作風(fēng)壓為1 232Pa；井下3個(gè)水平共布置12個(gè)采掘工作面，局部通風(fēng)機(jī)6臺，通風(fēng)構(gòu)筑物54處；井下無專用回風(fēng)通道，造成多中段同時(shí)作業(yè)污風(fēng)串聯(lián)，井下-200m水平采空區(qū)安設(shè)通風(fēng)構(gòu)筑物較多，局部阻力過大，用風(fēng)地點(diǎn)供風(fēng)困難；井下安裝有自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及通風(fēng)檢測設(shè)備。礦井通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。

圖1 某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)示意

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀安全性分析

2.1 評價(jià)指標(biāo)的確定

安全評價(jià)指標(biāo)體系是系統(tǒng)安全評價(jià)的核心，評價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)合理與否對企業(yè)安全生產(chǎn)的健康發(fā)展有著方向性、實(shí)質(zhì)性影響[4]。為保證所選指標(biāo)能客觀、實(shí)際地反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全狀況，選取評價(jià)指標(biāo)時(shí)，從安全角度對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，并參考《金屬非金屬礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定、指標(biāo)和現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合分析，將礦井通風(fēng)系統(tǒng)分為通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境狀況、通風(fēng)設(shè)備可靠性、通風(fēng)安全管理、礦井抗災(zāi)能力4個(gè)方面，從中選取12個(gè)評價(jià)指標(biāo)對礦山通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)[5]，安全指標(biāo)模型見圖2。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的量化處理

根據(jù)所選安全指標(biāo)的分類情況，對安全評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理。

圖2 礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全評價(jià)指標(biāo)模型

(1)礦井負(fù)壓f11隸屬函數(shù)為

(1)

(2)風(fēng)量供需比f12隸屬函數(shù)為

(2)

式中，K1為風(fēng)量供需比，K1=QS/QX，QS為用風(fēng)地點(diǎn)實(shí)際供風(fēng)量，m3/s，QX為用風(fēng)地點(diǎn)計(jì)算風(fēng)量，m3/s。

(3)風(fēng)量合格率f13隸屬函數(shù)為

(3)

式中，n1為用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量滿足需求的個(gè)數(shù)；N1為礦井用風(fēng)地點(diǎn)總數(shù)。

(4)風(fēng)速合格率f14隸屬函數(shù)為

(4)

式中，K2=n2/N2，n2為滿足風(fēng)速要求的風(fēng)流巷道及用風(fēng)地點(diǎn)個(gè)數(shù)；N2為風(fēng)流巷道與用風(fēng)地點(diǎn)的總數(shù)。

(5)局部通風(fēng)設(shè)施合格率f21計(jì)算公式為

(5)

式中，n3為處于正常工作狀態(tài)的局部通風(fēng)設(shè)施個(gè)數(shù)；N3為礦井局部通風(fēng)設(shè)施總數(shù)。

(6)通風(fēng)設(shè)施合理性f22經(jīng)驗(yàn)公式為

(6)

式中，a1、a2、a3分別為礦井總回風(fēng)巷中通風(fēng)設(shè)施個(gè)數(shù)、礦井通風(fēng)設(shè)施總數(shù)、回采工作面通風(fēng)設(shè)施個(gè)數(shù)；b為回采工作面的個(gè)數(shù)。

(7)主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性f23隸屬函數(shù)為

(7)

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)阻力，Pa，Hmax為主要通風(fēng)機(jī)的最大通風(fēng)壓力，Pa。

(8)安全監(jiān)測f31。隸屬度可以分為完善(f31=1)和不完善(f31=0)2個(gè)等級。

(9)通風(fēng)儀表的配置f32。通風(fēng)狀況的監(jiān)測依托于通風(fēng)儀器儀表，根據(jù)礦井通風(fēng)儀表的數(shù)量與完好度確定其隸屬度，當(dāng)通風(fēng)儀表數(shù)量滿足要求且完好度大于95%時(shí)，為該指標(biāo)賦值1(指標(biāo)等級為優(yōu)秀)，當(dāng)通風(fēng)儀表數(shù)量嚴(yán)重不足或完好度在80%以下時(shí)，為該指標(biāo)賦值0(指標(biāo)等級為不合格)，其余類推賦值。

(10)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度f41。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，礦井抗災(zāi)能力越弱，其隸屬度函數(shù)為

(8)

(11)抗災(zāi)設(shè)施完善度f42。在井下設(shè)置一定數(shù)量的抗災(zāi)救護(hù)設(shè)施是防治災(zāi)害發(fā)生的有效措施之一，抗災(zāi)設(shè)施的完善度主要通過專家打分的方式進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)井下抗災(zāi)設(shè)施分布合理且完好度在95%以上時(shí)，為該指標(biāo)賦值1(指標(biāo)等級為優(yōu)秀)，當(dāng)井下抗災(zāi)設(shè)施分布不合理且完好度在80%以下時(shí)，為該指標(biāo)賦值0(指標(biāo)等級為不合格)，其余類推賦值。

(12)反風(fēng)系統(tǒng)靈活性f43隸屬函數(shù)為

(9)

式中，λ1為進(jìn)行反風(fēng)時(shí)巷道風(fēng)向發(fā)生改變所需時(shí)間，λ1=10/t，0≤λ1≤1，min；λ2為反風(fēng)后通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，λ2=1.6Q′/Q,0≤λ2≤1,Q為主要通風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)的供風(fēng)量，m3/s；Q′為進(jìn)行反風(fēng)時(shí)主要通風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量，m3/s。

2.3 評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)選

由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評價(jià)各個(gè)指標(biāo)的重要性和貢獻(xiàn)率不一樣，運(yùn)用層次分析法并參考專家的意見后確定指標(biāo)體系的權(quán)重。經(jīng)過構(gòu)造判斷矩陣、層次排序和一致性檢驗(yàn)后[6]，得出指標(biāo)體系的權(quán)重值,見表1、表2。

表2 評價(jià)對象的權(quán)重

利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對所選評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，去除對礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全性影響較小的指標(biāo)值。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思路：根據(jù)各比較數(shù)列集構(gòu)成的曲線族與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線間的幾何相似程度來確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大的指標(biāo)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響越大[7]。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論，定義比較數(shù)列Ci對參考數(shù)列C0在指標(biāo)Ci(j)上的關(guān)聯(lián)系數(shù)為[8]

(10)

式中，i=1，2，3…，n；j=1，2，3…，m；ρ為分辨系數(shù)，其作用在于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，ρ=0～1，通常取ρ=0.5 。

為了使所選指標(biāo)能夠更加準(zhǔn)確地反映礦井實(shí)際情況，有必要將各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個(gè)值，也就是求其加權(quán)平均值作為關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示。記關(guān)聯(lián)度為γi，其表達(dá)式為

(11)

γi越大，說明所選評價(jià)指標(biāo)越優(yōu)秀，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響程度越高。

在對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析之前，需增加一項(xiàng)參考數(shù)列指標(biāo){1,0.5,0}，分別對應(yīng)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)果等級{合格、基本合格、不合格}。對參考數(shù)列及指標(biāo)體系進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出評價(jià)指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度排序，見表3。

表3 評價(jià)指標(biāo)體系灰色關(guān)聯(lián)度排序

由表3可知，各評價(jià)指標(biāo)對通風(fēng)系統(tǒng)安全性的影響大小不同，從中選出8個(gè)灰色關(guān)聯(lián)度大的評價(jià)指標(biāo)(安全監(jiān)測、通風(fēng)儀表的配置、抗災(zāi)設(shè)施的完善度、通風(fēng)設(shè)施合格率、反風(fēng)系統(tǒng)靈活性、風(fēng)速合格率、風(fēng)量合格率、主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性)作為優(yōu)選指標(biāo)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。

2.4 安全性分析

根據(jù)某鐵礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)狀況，對8個(gè)優(yōu)選指標(biāo)進(jìn)行量化處理[9]，得出隸屬度：安全監(jiān)測f31=0,通風(fēng)儀表的配置f32=0,抗災(zāi)設(shè)施的完善度f42=1,通風(fēng)設(shè)施合格率f21=-3,反風(fēng)系統(tǒng)靈活性f43=0.4,風(fēng)速合格率f14=0.67,風(fēng)量合格率f13=0.7,主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性f23=0.67。

通過計(jì)算礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全度可以定量描述系統(tǒng)的安全性，其計(jì)算公式為

(12)

式中，Ei為指標(biāo)權(quán)重；fi為指標(biāo)隸屬度；S為礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全度。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性按照安全度大小分為4個(gè)等級，礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中對處于不同安全等級的礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)分別采取相應(yīng)的對策，以保證礦井的安全有效運(yùn)行，安全等級及評價(jià)結(jié)論見表4。

表4 安全等級及評價(jià)結(jié)論

通過計(jì)算，某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)安全度S=61.8%，安全等級為C，礦井處于相對安全狀態(tài)，應(yīng)對礦井采取相應(yīng)措施。

通過對礦山通風(fēng)系統(tǒng)做全面檢測與安全性分析，發(fā)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)問題：

(1)井下工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜。-120,-200,-270m水平同時(shí)生產(chǎn)，且3個(gè)水平既是進(jìn)風(fēng)水平又是回風(fēng)水平，通風(fēng)管理難度較大，污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象嚴(yán)重，作業(yè)工作面粉塵濃度較大。

(2)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及通風(fēng)檢測設(shè)備不夠完善。-270m水平為新掘進(jìn)水平，采場通風(fēng)設(shè)備安裝不完善。

(3)通風(fēng)構(gòu)筑物布局不合理，采空區(qū)、殘留井巷、塌陷區(qū)較多，通風(fēng)系統(tǒng)存在大量內(nèi)部及外部漏風(fēng)。-120和-200m水平既是進(jìn)風(fēng)水平又是回風(fēng)水平，作為進(jìn)風(fēng)水平，進(jìn)風(fēng)石門應(yīng)該暢通，作為回風(fēng)水平，上述石門應(yīng)設(shè)密閉墻密閉，通往老空區(qū)的井巷也缺少必要的密閉。

(4)通風(fēng)設(shè)備較少，采場環(huán)境較差。-160m水平東、西兩翼回風(fēng)石門各安裝一臺風(fēng)機(jī)，不能有效控制系統(tǒng)風(fēng)流，造成采場環(huán)境較差。

(5)礦井主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較低。西風(fēng)井與東風(fēng)井風(fēng)機(jī)型號相同，風(fēng)機(jī)運(yùn)行角度及最佳工況點(diǎn)不同，造成風(fēng)井聯(lián)合工作效率低下。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對礦山現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，依據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原則，對該礦通風(fēng)系統(tǒng)做如下調(diào)整：

(1)對-120，-200m水平掘進(jìn)面進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)行雜物清理，對斷面嚴(yán)重變形的巷道進(jìn)行修復(fù)；將-120，-200m水平采空區(qū)通風(fēng)構(gòu)筑物及時(shí)去除，并加設(shè)密閉墻，以減少漏風(fēng)。

(2)在井下-270m新掘1#、2#采面，及時(shí)加設(shè)粉塵、壓力及通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，保證對新掘采面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3)將Ⅱ級機(jī)站回風(fēng)井與回風(fēng)巷道原垂直交聯(lián)改為斜交聯(lián)，并擴(kuò)大原回風(fēng)巷道斷面。

(4)在采場進(jìn)風(fēng)天井下口和回風(fēng)天井上口設(shè)置無風(fēng)墻的小型風(fēng)機(jī)，以保證新鮮風(fēng)流能及時(shí)到達(dá)采場，并能及時(shí)排出采場污風(fēng)。

通過采取以上措施后，對8個(gè)優(yōu)選指標(biāo)的隸屬度重新計(jì)算，得到安全監(jiān)測f31=1，通風(fēng)儀表的配置f32=1，抗災(zāi)設(shè)施的完善度f42=1，通風(fēng)設(shè)施合格率f21=-2，反風(fēng)系統(tǒng)靈活性f43=0.6，風(fēng)速合格率f14=0.72，風(fēng)量合格率f13=0.85，主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性f23=0.75；再次計(jì)算礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全度S=84.8%，安全等級為B，通風(fēng)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，能夠保證礦井的安全生產(chǎn)，但仍需對個(gè)別指標(biāo)采取預(yù)防措施，以防事故發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)針對某鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，利用層次分析法及灰色關(guān)聯(lián)分析法確定8個(gè)優(yōu)選指標(biāo)，分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)，得出礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)安全度S=61.8%，安全等級為C，處于相對安全狀態(tài)，進(jìn)而分析得出礦井主要存在通風(fēng)設(shè)施布局不合理、內(nèi)部漏風(fēng)較多、通風(fēng)效果較差及風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較低等問題。

(2)針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，采取優(yōu)化通風(fēng)構(gòu)筑物布局、增設(shè)通風(fēng)及監(jiān)測設(shè)備、整改巷道、增設(shè)小型風(fēng)機(jī)等措施；整改后，重新計(jì)算優(yōu)選指標(biāo)隸屬度，得出通風(fēng)系統(tǒng)安全度S=84.8%，安全等級為B，處于安全狀態(tài)。

(3)通過實(shí)例分析表明，層次分析法及灰色關(guān)聯(lián)分析法能夠有效應(yīng)用于金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)的評價(jià)及優(yōu)化，對金屬礦山提高科學(xué)管理水平以及加強(qiáng)安全防治工作具有重要的實(shí)用價(jià)值。

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2015-03-03)

王曉磊(1984—)，男，助理工程師，350002 福建省福州市鼓樓區(qū)洪山橋梁厝97號。