金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)

周英烈

(飛翼股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

礦井通風(fēng)對(duì)于金屬非金屬礦山安全生產(chǎn)具有舉足輕重的作用。礦井通風(fēng)系統(tǒng)也是井下耗電量最大的系統(tǒng)之一，其耗電量能夠達(dá)到礦山總耗電量的20%～45%[1]。隨著開(kāi)采深度的增加，大多數(shù)金屬非金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)都存在系統(tǒng)運(yùn)行效率低、通風(fēng)網(wǎng)路混亂、主扇長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行等一系列問(wèn)題，通風(fēng)系統(tǒng)耗費(fèi)大量電能。為此，諸多從事礦山通風(fēng)技術(shù)研究工作的技術(shù)人員提出了大量通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能降耗的技術(shù)手段，如采用高效節(jié)能風(fēng)機(jī)、提高礦井有效風(fēng)量率、采取多級(jí)機(jī)站優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、變頻控制按需通風(fēng)等等[2?3]。但是，如何運(yùn)用科學(xué)合理的方法綜合評(píng)價(jià)這些技術(shù)手段帶來(lái)的節(jié)能效果鮮有研究。礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性、開(kāi)放性與不穩(wěn)定性的特點(diǎn)[4?5]。本文在總結(jié)分析相關(guān)學(xué)者關(guān)于礦井通風(fēng)節(jié)能技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，確定評(píng)價(jià)金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立與當(dāng)前礦山實(shí)際情況相符合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用層次分析法確定指標(biāo)體系的權(quán)重。最終建立了基于物元模型的金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)模型，為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果提供了新思路。

1 建立金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的總目標(biāo)層（A）為金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果，總目標(biāo)層的準(zhǔn)則層（B）包括4 個(gè)方面，分別是減小風(fēng)阻（Z）、優(yōu)化指標(biāo)（S）、風(fēng)機(jī)節(jié)能（J）、合理利用自然風(fēng)壓（R），準(zhǔn)則層以下一共有16項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)成了評(píng)價(jià)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(fēng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 減小風(fēng)阻

（1）Z1優(yōu)選通風(fēng)線路。我國(guó)金屬非金屬礦山開(kāi)采深度不斷增加，通風(fēng)線路也越來(lái)越長(zhǎng)，通風(fēng)系統(tǒng)沿程阻力越來(lái)越大。選擇合理的通風(fēng)線路，盡可能地縮短通風(fēng)線路，對(duì)已經(jīng)開(kāi)采完的中段進(jìn)行閉坑處理，對(duì)采空區(qū)和廢舊巷道采取封堵措施，能夠有效降低通風(fēng)阻力，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

（2）Z2設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物。合理地設(shè)置風(fēng)窗、風(fēng)墻、風(fēng)門、風(fēng)橋等通風(fēng)構(gòu)筑物，能夠起到引導(dǎo)風(fēng)流方向，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，降低總通風(fēng)阻力的作用。

（3）Z3優(yōu)化通風(fēng)巷道布局。礦井通風(fēng)沿程阻力與通風(fēng)巷道的斷面大小及支護(hù)方式關(guān)系巨大，巷道斷面幾何尺寸的不規(guī)則變化也會(huì)帶來(lái)較大的系統(tǒng)局部阻力。擴(kuò)大主要通風(fēng)巷道的斷面尺寸，并采取噴漿等支護(hù)方式，能夠有效降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗。

（4）Z4完善主扇裝置。主扇裝置阻力由主扇自身結(jié)構(gòu)引起，主扇風(fēng)機(jī)的大體優(yōu)化措施有增加擴(kuò)散器、降低噪音等。

（5）Z5通風(fēng)方式的合理性。盡可能選擇并聯(lián)通風(fēng)方式，能夠極大地降低整個(gè)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力，從而達(dá)到節(jié)能效果。

1.2 優(yōu)化指標(biāo)

（1）S1風(fēng)量供需比優(yōu)化：為實(shí)測(cè)的主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量或一級(jí)機(jī)站風(fēng)機(jī)總風(fēng)量最大值與設(shè)計(jì)的礦井需風(fēng)量的比值，反映風(fēng)量的供需關(guān)系，風(fēng)量供需比為[1.32，1.67]范圍內(nèi)為合格標(biāo)準(zhǔn)。

（2）S2有效風(fēng)量率優(yōu)化：為礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的有效風(fēng)量和與主扇風(fēng)量的百分比。反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)主扇風(fēng)量的利用程度。有效風(fēng)量率≥60%為合格標(biāo)準(zhǔn)。

（3）S3礦井漏風(fēng)系數(shù)優(yōu)化：礦井漏風(fēng)包含內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)。

（4）S4通風(fēng)等積孔優(yōu)化：礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流運(yùn)行的難易程度可以用通風(fēng)等積孔來(lái)進(jìn)行表征，選擇合理的通風(fēng)等積孔是礦井通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的一種有效措施。

1.3 風(fēng)機(jī)節(jié)能

（1）J1節(jié)能風(fēng)機(jī)選用：新型節(jié)能風(fēng)機(jī)能夠起到較好的節(jié)能作用，礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該淘汰能耗高的落后風(fēng)機(jī)，改用新型節(jié)能風(fēng)機(jī)。

（2）J2風(fēng)機(jī)變頻：風(fēng)機(jī)變頻控制技術(shù)能夠使礦井通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到按需分配的目的，已經(jīng)在金屬非金屬礦山通風(fēng)系統(tǒng)得到廣泛使用，取得了很好的節(jié)能效果。

（3）J3節(jié)能聯(lián)動(dòng)：礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動(dòng)是一種新型節(jié)能通風(fēng)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)建立全自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主、輔扇風(fēng)機(jī)與井下空氣質(zhì)量自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)，從而達(dá)到節(jié)能通風(fēng)的目的[6]。

1.4 合理利用自然風(fēng)壓

（1）R1分季節(jié)通風(fēng)：通風(fēng)困難季節(jié)，自然風(fēng)壓阻礙礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行，通風(fēng)容易季節(jié)，自然風(fēng)壓有利于礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行。分季節(jié)合理利用自然風(fēng)壓，可以達(dá)到節(jié)約用電的目的[7]。

（2）R2空區(qū)與舊巷封堵：隨著礦井開(kāi)采深度的增加，上部空區(qū)與廢舊巷道最終與地表聯(lián)通，在通風(fēng)困難季節(jié)，自然風(fēng)壓通過(guò)這些通道嚴(yán)重制約井下通風(fēng)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，給礦井通風(fēng)帶來(lái)不必要的能源消耗。

（3）R3反向風(fēng)流控制：通過(guò)增阻調(diào)節(jié)法防止自然風(fēng)壓作用下的風(fēng)流反向，避免通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的混亂。

（4）R4輔扇引導(dǎo)：在主扇無(wú)法改變風(fēng)向抵抗自然風(fēng)壓的情況下，通過(guò)安裝輔扇進(jìn)行引導(dǎo)是一種行之有效的方法。

2 基于層次分析法指標(biāo)體系權(quán)重的確定

2.1 準(zhǔn)則層權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算

金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系準(zhǔn)則層為：減小風(fēng)阻（Z）、優(yōu)化指標(biāo)（S）、風(fēng)機(jī)節(jié)能（J）、合理自然風(fēng)壓利用（R）4個(gè)指標(biāo)，上述指標(biāo)的重要程度比較見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)則層指標(biāo)重要度兩兩比較

可得判斷矩陣：

并依據(jù)此矩陣求出相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重值。

先對(duì)矩陣A的每一列歸一化得矩陣：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，矩陣A的最大特征值λmax=4.2204，一致性檢驗(yàn)滿足要求。

由準(zhǔn)則層的權(quán)向量結(jié)果可知，準(zhǔn)則層4 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 準(zhǔn)則層權(quán)重系數(shù)

2.2 減小風(fēng)阻權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算

減小風(fēng)阻（Z）包含了5 項(xiàng)指標(biāo)：Z1優(yōu)選通風(fēng)線路、Z2設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物、Z3優(yōu)化通風(fēng)巷道布局、Z4完善主扇裝置、Z5通風(fēng)方式的合理性。對(duì)這5 個(gè)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 減小風(fēng)阻指標(biāo)兩兩比較重要度

再對(duì)其每一行進(jìn)行求和得出：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，判斷矩陣AZ滿足一致性要求。

根據(jù)指標(biāo)權(quán)向量可以得出減小風(fēng)阻5 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（見(jiàn)表4）。

表4 減小風(fēng)阻權(quán)重系數(shù)

2.3 優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算

優(yōu)化指標(biāo)（S）包含了4 項(xiàng)指標(biāo)：S1風(fēng)量供需比優(yōu)化、S2有效風(fēng)量率優(yōu)化、S3礦井漏風(fēng)系數(shù)優(yōu)化、S4通風(fēng)等積孔優(yōu)化。4 項(xiàng)指標(biāo)的重要程度比較見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化指標(biāo)重要度兩兩比較

經(jīng)過(guò)計(jì)算，判斷矩陣AS滿足一致性要求。

根據(jù)指標(biāo)權(quán)向量可以得出優(yōu)化指標(biāo)4 項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（見(jiàn)表6）。

表6 優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

2.4 風(fēng)機(jī)節(jié)能權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算

風(fēng)機(jī)節(jié)能措施有3 項(xiàng)指標(biāo)：J1節(jié)能風(fēng)機(jī)選用、J2風(fēng)機(jī)變頻、J3節(jié)能聯(lián)動(dòng)。3 項(xiàng)指標(biāo)的重要程度比較見(jiàn)表7。

表7 風(fēng)機(jī)節(jié)能重要度兩兩比較

經(jīng)過(guò)計(jì)算，判斷矩陣AJ滿足一致性要求。

根據(jù)指標(biāo)權(quán)向量可以得出風(fēng)機(jī)節(jié)能措施3 項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（見(jiàn)表8）。

表8 風(fēng)機(jī)節(jié)能權(quán)重系數(shù)

2.5 合理利用自然風(fēng)壓權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算

合理利用自然風(fēng)壓包含了4 項(xiàng)指標(biāo)：R1分季節(jié)通風(fēng)、R2空區(qū)與舊巷封堵、R3反向風(fēng)流控制、R4輔扇引導(dǎo)。4 項(xiàng)指標(biāo)重要程度比較結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 合理利用自然風(fēng)壓重要度兩兩比較

再對(duì)其每一行進(jìn)行求和得出：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，判斷矩陣AR滿足一致性要求。

根據(jù)指標(biāo)權(quán)向量可以得出合理利用自然風(fēng)壓4項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（見(jiàn)表10）。

表10 合理利用自然風(fēng)壓權(quán)重系數(shù)

3 基于物元模型的綜合評(píng)價(jià)模型

3.1 確定待評(píng)物元

征求具有幾十年通風(fēng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的專家教授對(duì)4個(gè)方面的16 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分以確定特征量值，最終建立評(píng)價(jià)物元模型[9]。如減小風(fēng)阻（Z）待評(píng)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(píng)價(jià)等級(jí)的確定

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[10?12]，設(shè)計(jì)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)等級(jí)和指標(biāo)值的取值范圍見(jiàn)表11。

表11 金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3 確定經(jīng)典域矩陣和節(jié)域矩陣

經(jīng)典域范圍取各級(jí)特征指標(biāo)的最低值和最高值，得出金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)5 個(gè)等級(jí)的經(jīng)典域。

金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)各級(jí)經(jīng)典域矩陣如下所示:

金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)中的節(jié)域物元，節(jié)域矩陣如下:

同理可分別計(jì)算出減小風(fēng)阻（Z）、優(yōu)化指標(biāo)（S）、風(fēng)機(jī)節(jié)能（J）、合理自然風(fēng)壓利用（R）4個(gè)指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域及相對(duì)于5 個(gè)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度。

4 結(jié)論

（1）影響金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果的因素具有許多不確定性，綜合國(guó)內(nèi)外礦山經(jīng)驗(yàn)，以“金屬非金屬礦山礦井通風(fēng)節(jié)能效果”為總目標(biāo)層，以減小風(fēng)阻（Z）、優(yōu)化指標(biāo)（S）、風(fēng)機(jī)節(jié)能（J）、合理自然風(fēng)壓利用（R）4 個(gè)方面為準(zhǔn)則層，選取16項(xiàng)指標(biāo)為方案層，建立了金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（2）建立了基于物元模型的金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用層次分析法計(jì)算得出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，最終能夠得出評(píng)價(jià)結(jié)果的加權(quán)值。

（3）該模型用于評(píng)價(jià)金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果是合理、有效的，為綜合評(píng)價(jià)金屬非金屬礦山通風(fēng)節(jié)能效果提供了新思路。