（安全技术及工程专业论文）矿井通风系统安全性最优化分析研究.pdf

论文题目：矿井通风系统安全性最优化分析研究 专 业：安全技术及工程 硕 士 生：任世权 (签名) 指导老师：魏引尚 (签名) 摘 要 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，担负着连续不断地供给新鲜空气， 排出有毒有害气体，保证矿井和作业人员生命安全的重要任务，因此，通风系统的安全 性对于整个矿井的安全生产至关重要。本文在分析系统优化的条件、多目标优化解的特 征以及基本求解方法的基础上，从矿井通风系统安全性和基本要求出发，研究矿井通风 系统的稳定性、可靠性以及它们与矿井通风系统安全性的关系。 应用系统优化的相关知识，确立矿井通风系统安全性指标与指标权系数。其中，安 全性指标体系中各指标权系数的确定， 采用构造判断矩阵法， 并结合各专家评价经验值， 构造各指标之间的相对重要度。矿井通风系统安全性指标，以通风阻力测定计算、巷道 风流稳定性分析、风机可靠性分析等方法得出。通过对通风系统安全性的分析，及时发 现系统运行过程中可能出现的故障和事故隐患，给矿井通风系统的设计和管理提供科学 依据，可以有效的防止和减少矿井通风系统事故的发生。 通风系统是个复杂的系统，本论文结合矿井通风阻力测定和通风巷道的实际情况对 通风系统中风量的有效性，通风系统的可靠性和稳定性进行分析。主要针对矿井通风系 统的安全性，从矿井通风实际状况，通风网络结构，控制风流的通风设施等方面研究该 矿通风系统的安全性。 关 键 词：矿井通风系统；指标体系；安全性；权系数 研究类型：应用研究 subject ：the study on security optimization analysis of mine ventilation system specialty ：safety technology and engineering name ：renshiquan （signature） instructor：weiyinshang （signature） abstract mine ventilation system is an important part of mine production system, is in charge of continuously supplying fresh air, discharging poisonous and harmful gases, ensuring the life of mine and homework persons safety, so the safety of ventilation system is of vital importance for the mine safety. studied the relationship of the stability, reliability and security of mine ventilation system, based on analyzing the condition of system optimization, the feature of multi-objective optimization solution and its basic solving method, meanwhile, referred on the safety and basic requirements of mine ventilation system. applying the related knowledge of system optimization, established the safety index and index ratio of mine ventilation system. among establishing each index weight of safety index system, using constructing judgment matrix method and based on the expert evaluation experience weight, constructed the relative importance of each index. through the analysis of ventilation systems safety, timely discovered the possible fault and the accident hidden dangers, which existed in the process of system operation, and provided scientific basis for mine ventilation system design and management, found a more comprehensive and reasonable index for the overall or unit performance evaluation of ventilation system, finally can effectively prevent and reduce the accidents of mine ventilation system. ventilation system is a complex system. this thesis analyzed the effectiveness of air quantity and the rationality of the ventilation system, from mine ventilation resistance measurement and the actual situation of ventilation roadway. mainly aimed at the security of mine ventilation system, studied the security of mine system from the actual conditions of mine ventilation system, ventilation network connection, ventilation, the facilities of controlling ventilation, etc. key words : mine ventilation system indicators security weights. thesis : applied research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 煤炭是我国重要的基础能源和重要原料。煤炭工业是资源性行业，煤炭是不可再生 的资源。煤矿的寿命取决于其所拥有的煤炭储量，煤炭的安全生产状况受其资源条件制 约。我国大多数煤矿远离城市和经济发达地区，经济基础差且各地区条件不一、资源条 件差别很大。煤炭生产系统呈管网式布置、半封闭式结构，瓦斯、煤尘等各种有毒有害、 易燃易爆致灾因子共存于同一环境，是煤矿易发多类灾害事故的条件。灾害事故一旦发 生，容易引起其它灾害的伴生或耦合，应急处理和救援救助复杂、困难。煤矿作业空间 处于移动和变化之中，会不断出现新情况和新问题，因而在各工业部门中煤矿的死亡率 是最高的。随着煤矿开采强度加大、开采深度增加，影响安全生产的因素越来越多，条 件越来越复杂。矿井通风系统在矿井中担负的使命越来越大，它对矿井正常生产和安全 的作用也越来越明显。 我国煤炭工业在改革发展、结构调整、科技进步、安全生产等方面成效显著，年产 量达 23 亿吨。我国煤炭生产一直受到瓦斯、水害、火灾、煤尘及顶板塌落等各种灾害 的威胁，虽然采取各种措施抑制事故的发生，百万吨死亡率逐年下降，但目前煤矿安全 状况仍面临严峻的挑战，与发达国家的差距较大，事故总量和伤亡人数远高于其它产煤 国家1。矿井通风是矿井安全工作的基础，是稀释和排除矿井瓦斯与粉尘最有效、最可 靠的方法，也是创造良好劳动环境的基本途径；而合理的通风又是抑制煤炭自燃和火灾 发生的重要手段。评价矿井通风系统安全性的目的在于及时发现存在的问题和安全隐 患、调整和改造系统、优化通风设计、准确编制应急预案及指导通风安全管理。 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，担负着连续不断地供给新鲜空气， 排出有毒有害气体，保证矿井和作业人员生命安全的重要任务。所有矿井的通风系统都 必须符合“系统简单、安全可靠、经济合理” 。即通风系统简单，便于通风管理；通风 经济合理，可以节约通风费用。有资料表明，在生产矿井中，依靠矿井通风能够排除矿 井总沼气量的 80%-90%，排除回采工作面沼气量的 70%-80%；排除装有抑尘装置回采 工作面粉尘量的 20%-30%； 排除深井回采工作热量的 60%-70%2。 一个合理的矿井通风 系统应当有利于排除矿井瓦斯、降低工作面温度和防止煤炭自燃。而通风系统安全可靠 状况直接决定着整个矿井的安全或危险程度，是煤矿安全工作的重中之重。 矿井通风系统安全性分析研究，是为了及时发现矿井通风系统中存在的问题和安全 隐患，优化通风设计，调整和改造现行系统，准确编制应急预案，指导通风安全管理。 因此，准确地对矿井通风系统做出科学合理的评价、发现存在的事故隐患并及时处理以 西安科技大学硕士学位论文 2 抑制事故的发生成为防范的关键。 1.2 问题的提出 矿井通风系统是由向井下各作业地点供给新鲜空气并排出污浊空气的通风网络、通 风动力和通风控制设施构成的通风体系2。谭国运教授在矿井通风网络分析及电算方 法把矿井通风系统看作是一个由多要素组成的复杂系统，一个完整的矿井通风系统必 须具备： 1）主扇系统。包括矿井扇风机及其附属设备。 2）网络系统。其中必须有：独立的进、回风井筒；采掘工作面及硐室等用风 地点的风路；进、回风井与各用风地点的连接风路。 3）控制风流流动的通风设施。 此外，矿井通风方式是指进风井（或平硐）和回风井（或平硐）的布置方式，可分 为中央式、对角式和混合式等。而矿井通风方法是指产生通风动力的方法，有自然通风 法和机械通风法（压入式、抽出式） 。矿井通风网络是指井下各风路按各种形式联接而 成的网络2。 通风系统的正常与否就成为减轻事故损害和矿井救灾的重要基础。 （1）通风除尘，当作业场所的矿尘浓度较高时，就会影响矿工的身体健康甚至发 生爆炸、火灾或其它灾害。那么降低粉尘浓度最简单的方法就是通风，决定通风除尘效 果的主要因素是风速及矿尘密度、粒度、形状、湿润程度等。 （2）通风降温，由于井下温度随着开采深度的增加而增加，再加上矿井内有很多 热源（煤的自燃、变电站、局扇、采煤机、矿工等） ，这些致使巷道温度升高，从而会 引起各种事故。前苏联列宁格勒劳动保护研究所的研究资料表明：在井下空气相对湿度 为 80-90的条件下，风温的极限值为 27。也就是说，当温度高于 27时，环境对 矿工的身体健康产生明显影响4。降低井下温度最简单直接的方法就是加大风量，它不 仅可以排出热量、 降低风温， 而且还可以有效地改善人体的散热条件， 增加人体舒适感。 但增风降温并不总是有效的，当风量增加到一定程度时，增风降温的效果就会减弱。那 么我们就要从矿井通风系统方面进行考虑：在井巷热环境条件和风量不变的情况下， 井巷风流的温升是随其流程的加长而增大，风路越长，风流沿途吸热量越大，温升也越 大。所以，对高温矿井应尽量缩短进风路线的长度。在选择采取通风系统时，尽量采 用轨道上山进风方案，避免因煤流与风流方向相反，将煤炭在运输过程中的放热和设备 放热带进工作面。在条件许可时，回采工作面可采用下行风。因为回采工作面采用下 行风时，风流是从路程较短的上部巷道进入工作面，且减少了煤炭放热的影响，故可降 低工作面的进风温度，从而达到矿井降温的目的5。 （3）均压通风预防采空区煤自燃和瓦斯涌出，均压通风技术就是使采空区的主要 1 绪论 3 漏风通道间的两端风压趋于相等，从而减少采空区的漏风，达到预防采空区自然发火和 采空区瓦斯的涌出的目的。 （4）矿井火灾时期风流控制，当井下发生火灾时，控制灾区的风流流动，一方面 可以防止烟流的扩散、避免灾害的扩大；另一方面可以有目的地保护避灾路线或救灾路 线，为人员撤退和灭火救灾争取时间。风流控制主要通过风流短路、局部反风、全矿反 风等措施。 煤自燃、瓦斯、粉尘、有害气体等是引起煤矿事故频发的主要原因，这些灾害事故 所占煤矿事故比例较高，危害较大，其原因就有矿井通风系统安全性有待优化，通风管 理制度不健全等多方面原因造成的。因此，在事故发生前及时准确地对矿井通风系统安 全性做出科学合理的评价，发现存在的事故隐患并解决它，以抑制事故的发生就成为防 范的关键。以往对矿井通风系统的评价大多采用安全检查表和专家打分法，安全检查表 属于定性评价，不能对整个系统的安全性给出确定的结果，专家打分法虽然属于定量评 价，但专家各自的权重很难确定，操作起来也较为困难。本文拟研究矿井通风系统安全 性优化指标体系，对矿井通风系统优化指标中与矿井安全有关的指标，权重由通过系统 安全性分析并结合判断矩阵得出，非常适用于评价矿井通风系统安全性这种动态的、模 糊的、随机的、复杂的系统。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 系统优化研究方法 系统优化的方法主要有线形规划、无约束非线性规划、约束非线性规划、多目标规 划等。矿井通风系统是一个复杂的动态系统，影响其运行安全可靠性的因素众多，探讨 如何恰如其分地评价矿井通风系统的安全可靠性，对于及时发现矿井通风系统中存在的 问题和安全隐患，决定现行生产矿井通风系统是否需要调整和改造，矿井事故预防与处 理计划的编制，以及进行矿井通风系统安全性方面的管理工作都具有重要的意义。又因 为矿井通风系统是一个受相互关联、相互制约的多因素影响的复杂的系统，所以矿井通 风系统安全性优化研究属于多因素综合优化问题，采用多目标规划，而求解多目标最优 化问题有许多种方法，其中最基本的方法就是评价函数法。它的最基本思想：根据问题 的特点和决策者的意图， 构造一个把 m 个分量目标函数转化为一个数值目标函数评价 函数。对评价函数进行分析，得出评价结果。 （1）模糊综合评价最早是由我国学者汪培庄教授提出的，是指对多个涉及模糊相 关因素影响的事物或方案进行总评决策的方法，能很好地解决在生产和生活中存在的大 量内涵和外延都不明确的模糊概念， 并用定量的方式表达出来， 提高定性评价的客观性。 模糊综合评价方法对多因素、多层次的较复杂问题进行模型的建立和评价，实现指标定 西安科技大学硕士学位论文 4 性和定量有效结合，解决判断的模糊性和不确定性，克服传统数学方法中“唯一解”的 弊端，方法简单、容易掌握、适应性广。缺点是不能解决评价指标间相关造成的信息重 复问题，各因素权重带有一定主观性，多目标模型确定隶属度繁琐6。 （2） 层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(t.l.saaty)于 1973 年提出的， 1982 年引入国内。该方法建立在系统工程理论基础上，在对复杂决策问题的本质、影响 因素及其内在关系等进行深入分析后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信 息， 把决策的思维过程数学化， 从而求解多目标、 多准则或无结构特性的复杂决策问题。 层次分析法能够统一处理评价中的定性与定量因素，具有实用性、系统性、简洁性等优 点7。 （3）灰色理论是我国学者邓聚龙教授于 1982 年创立，应用于评价的方法主要有灰 色关联度分析法和灰色聚类分析法。灰色关联度分析法的基本思想是根据系统动态过程 发展态势，即有关数据的几何关系及其相似程度来判断其关联程度，认为数据列所构成 的曲线形状越接近，则变化态势越接近，关联度越大。灰色关联分析法能够处理信息部 分明确、部分不明确且相关性大的系统，客观给出评价对象所属等级，物理概念清晰、 直观，计算简单8。 （4）未确知测度理论是研究未确知信息的一种数学方法，用未确知集合描述“不 确定性”或“边界不清”现象，满足非负有界性、可加性、 归一性等测量准则，并提 供比较合理的置信度识别准则。未确知测度理论的关键在于根据背景、领域知识、实测 数据及决策者的经验去构造合理的未确知测度函数9。 （5）人工神经网络起源于 20 世纪 40 年代，以 1987 年首届国际人工神经网络学术 会议为开端，迅速在全世界范围内掀起了人工神经网络的研究应用热潮，在各学科领域 得到了很大发展和应用。人工神经网络是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构 与功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统，是人工智能的一个前 沿研究领域610。 研制与开发具有支柱作用的、适应井下特殊生产活动的评价理论、技术和方法，解 决矿井通风系统安全问题对于抑制事故特别是特重大事故具有重大的理论意义和应用 价值。对矿井生产系统现有的安全状况，动态分析、预测矿井安全性未来状况，是安全 评价理论与技术研究的重要内容，也是煤矿安全管理必须解决的课题。本论文在矿井通 风系统安全性方面着手，把系统可靠性与稳定性结合起来研究通风系统的安全性。 1.3.2 通风系统优化研究现状 矿井通风系统优化最重要的是确定矿井通风系统方案的评判指标和优化方法。因为 评判指标和优化方法直接影响矿井通风系统方案的优化结果，通过对多个矿井的通风系 统方案优化的实践，确定客观反映矿井通风系统特性的评判指标和优化方法11。 1 绪论 5 1983 年， 中国矿业大学黄元平等教授从矿井通风系统的安全可靠性和经济合理性两 方面进行分析，提出了 7 个具体指标，分别是：通风网络的形式、主要通风机运转稳定 性、矿井抗灾能力、通风电耗、矿井总风压、矿井等积孔、矿井总风量来评价矿井通风 系统12。 福州大学林香明教授提出了矿井气候条件、风流合格率、风流稳定性、矿井抗灾能 力、通风电费、等积孔和风阻 6 项指标。沈斐敏教授从安全可靠程度、经济性与抗灾能 力三个方面提出了矿井等积孔、风流的质量、用风地点的风量、矿井有效风量率、主要 通风机工作效率、有效通风能耗、主要通风机装置、串联用风地点、通风构筑物 9 个指 标12来评价通风系统。 徐州市煤炭工业公司刘明志根据公司的实际情况及评价通风系统的一般指标要求， 提出了风流稳定性、矿井抗灾能力、通风能力适应生产要求的程度、经济合理性、瓦斯、 巷修以及防灭火管理、风流合格率 6 项指标。 原山西矿业学院张兆瑞教授等从安全性、有效性、稳定性、经济性四个方面提出了 9 项指标，分别是：风流的质量和数量、矿井安全装备的配置与可靠性、通风装置的合 理性、通风构筑物的数量与质量、通风风量的有效利用率、通风系统的可调性、通风电 耗、矿井等积孔、矿井通风阻力。 贵州工业大学的郁钟铭教授等把评价矿井通风系统的指标分为通风有效性、经济合 理性、通风稳定性、安全可靠性四大类，提出了矿井风压、矿井风量、矿井等积孔、矿 井风量供需比、通风方式、主要通风机功率、主要通风机效率、吨煤主要通风机电费、 通风基本工程费、风机运转稳定性、用风地点风流的稳定性、风质、矿井的抗灾能力共 13 项指标12。 武汉工业大学的祝启坤教授从安全性、有效性、经济性三个方面出发，提出了通风 设备、通风井巷、主要通风机运转效率、有效风量率、风质合格率、气候条件，抗灾能 力、通风总费用共 8 项指标12。 山东科技大学的谭允祯教授等从技术可行、经济合理、安全可靠三个方面入手，提 出了矿井风压、矿井风量、矿井等积孔、矿井风量供需比、通风方式、主要通风机功率、 主要通风机效率、吨煤主要通风机电费、通风井巷工程费、主要通风机运转稳定性、用 风地点风流稳定性、矿井抗灾能力共 21 项指标12。 辛篙等在上述 12 项指标的基础上精炼出 9 项指标，分别为：矿井风压、风量供需 比、矿井等积孔、通风机效率、通风电耗、通风井巷工程费用、主要通风机运转稳定性、 用风地点的风流稳定性、矿井抗灾能力。 中国矿业大学王省身教授等从日常矿井通风系统可靠性、矿井通风防灾抗灾系统可 靠性、矿井安全监测系统可靠性三大方面提出了 36 项评价指标。 中国矿业大学王德明教授从安全角度出发对矿井通风系统进行全面分析，并参考 西安科技大学硕士学位论文 6 煤矿安全规程与生产矿井质量标准化标准中有关规定、指标和现场科技人员的 经验，再按照有关原则来确定，把评价矿井通风系统安全性的指标归为 9 类：主要通风 机运转稳定性、各用风地点是否实行分区通风且风量足够、矿井通风量供需比、通风设 备的自动监控系统、调节设施的合理性、是否有利于排除瓦斯和矿尘、防治煤炭自燃及 降温、矿井通风压力、反风系统的灵活程度和隔爆装置完善程度13。 还有学者把影响矿井通风系统优选的主要因素指标，确定为 3 大类，10 小项。分别 为技术先进（矿井分压、风量供需比、结构合理性） ，经济合理（设备购置费、巷道维 护费、吨煤通风电费） ，安全可靠（用风地点角联数、风速超限状况、风机运转稳定性、 矿山抗灾能力）14。 结合各位专家和学者的评判指标中，每个专家的着重点不同，但基本从技术、经济 和抗灾能力方面考虑。通风系统优化理论问题，一直是通风专业人员关注的研究课题。 尽管在通风系统安全性评价方面有很多研究，也在风量调节优化、井巷断面优化、风机 优化选择、通风系统中风井的个数、井筒布置方式以及通风方式的选择等方面取得很好 的进展，但对于多目标优化问题还没有应用于矿井通风系统安全性优化。本论文考虑到 事故面前就应该放弃经济要求，也就是说方案的优选方面一定要把安全放在第一位，主 要针对矿井通风系统安全性方面来探讨：矿井风压、风量供需比、矿井等积孔、主要通 风机运转稳定性、用风地点的风流稳定性、反风系统灵活程度、分区通风且用风地点风 量等与系统安全性关系及其程度，从而达到提高矿井抗灾能力的目的。 1.3.3 通风系统安全性优化 矿井通风系统安全性就是以通风系统可靠性和稳定性为基础来研究矿井通风系统 中风流方向、风量及其风质满足系统要求。矿井通风系统是个庞大的系统，对矿井通风 系统安全性优化也必须从系统出发，处理好系统中各属性的联系。 （1）整体性 系统是由至少两个和两个以上的要素（元件或子系统）所组成，它们构成了一个具 有统一性的整体系统。要素间不是简单的组合，而是组合后构成了一个具有特定功 能的整体，换句话说，即使一个要素不是很完善，也可能会影响整个系统的功能。矿井 通风系统亦不例外，它也是个系统，所以要求主扇系统、网络系统、控制风流系统等各 个子系统必须构成一个大的系统。在矿井通风优化过程中不能忽略其中任一子系统，因 为它们是一个密切联系的整体。 （2）相关性 系统内各要素之间是有机联系和相互作用的，要素之间具有相互依赖的特定关系。 例如，对于矿井通风系统来说，通风网络系统（巷道） 、采煤工作面、掘进巷道、各个 硐室、风机都是子系统，它们之间通过特定的关系，有机地结合在一起，就形成了一个 1 绪论 7 具有特定功能的矿井通风系统。 （3）目的性 所有系统都是为了实现一定的目的，没有目的就不能称之为系统。不仅如此，在设 计、制造、使用和改造系统，最终的目的就是希望完成特定的功能，而且还是要求达到 的效果更好。这就所谓的最优计划、最优设计及其优化使用等。就矿井通风系统的目的 就是向矿井供给新鲜风量，以冲淡排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证 井下风流的质量符合国家安全卫生标准，造成良好的工作环境，防治各种事故，保障井 下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产。 （4）适应性 任何系统都是在一定的物质环境之中，因为所在的环境时刻在变化，这就要求系统 必须适应环境条件的变化，而且在研究系统的时候，必须重视环境对系统的作用。比如 要研究矿井通风系统，就必须重视自然风压对矿井通风风压的影响，又因为自然风压随 大自然环境的温度的变化而变化，所以矿井通风系统的设计一定要考虑环境适应性。 （5）安全性优化的发展方向 矿井通风系统与井下各作业点相联系， 对矿井通风安全状况具有全局性影响。 目前， 随着矿井通风功能化研究新技术不断发展，通风系统可靠性和巷道风流的稳定性问题分 析和落实越来越接近现场使用程度15。把建立和完善矿井通风系统，安全生产和矿工安 全健康作为重要的研究方向。对于矿井通风系统安全性优化就需要从通风系统可靠性和 稳定出发，以宏观整体的和微观特性等分析与通风安全的作用程度。 通风系统的可靠性定义为：通风系统在运行过程中保持其工作参数值的能力，以维 持井巷中必须的满足要求的风量的供应。具体讲通风系统可靠性应包含以下几方面的内 容：在生产时期利用通风动力，向井下各用风地点供给保质保量的新鲜风流；保证 作业空间有良好的气候条件；冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘；在发生灾变时，能 有效、及时地控制风向及风量，并与其它措施结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故14。 矿井通风系统的稳定性，就是要在矿井内风流质量符合煤矿安全规程要求时， 矿井通风系统的不稳定就直接表现为分支中风流的不稳定。数值随时间发生波动，在矿 井内风流质量符合煤矿安全规程要求时，当矿井内风流的运动参数且波动范围超过 允许值时，这种现象被称为不稳定现象。通常表现为风量、风阻的剧烈跳动，某些分支 风流的大幅度增减甚至停风反向等。通风系统的不稳定现象，可分为正常时期的不稳定 现象和灾变时期的不稳定现象两种。 西安科技大学硕士学位论文 8 1.4 本文研究的主要内容及技术路线 1.4.1 研究内容 进行通风系统安全性优化理论的研究，无论对新设计矿井还是老井的通风系统改造 都会给予理论指导，也能给社会带来经济效益，符合节能减排的国家政策。矿井系统优 化理论的研究也是矿井安全生产的需要， 是提高矿井抗灾能力的需要， 确保安全、 可靠、 持续运营、稳定发展的需要。 （1）矿井通风系统优化是矿井通风管理工作必备的技术要求，该方法所涉及的理论知 识范围较广。 本论文主要对各个文献所建立的评价指标体系进行分析， 针对 “安全第一” 的方针，结合矿井安全性要求来初步认定评价指标体系。 （2）通过分析建立指标体系的原则和要求，建立矿井通风系统安全性指标，指标体系 在通风系统稳定性与可靠性等方面的体现，系统可靠性与稳定性分别与通风系统安全性 关联性。 （3）矿井通风系统指标体系权系数的确定及其安全性方面的优化模型。对通风系统优 化指标，通过分析通风系统技术安全标准及其特征而确立。指标权系数的确立则是结合 相关专家各指标的权重通过构造判断矩阵获得。 （4）以渝阳煤矿通风系统安全性的分析为例，通过论文中建立的矿井通风系统安全性 指标进行分析优化，确定该矿井的通风系统安全性程度。 （5）结合各指标的影响因素，对渝阳煤矿通风系统存在的问题进行分析，从而得出相 应的整改措施和应该注意的事项。 1.4.2 技术路线 1 绪论 9 图 1.1 本课题研究技术路线 文献查找，相关理论知识的学习 构建矿井通风系统安全性指标体系 确定指标体系权系数的方法 参考文献，得出指标体系的判断矩阵 矿井通风系统安全性指标权系数确立 现场数据的获取 现场详细情况的调研 结合评价函数，确定渝阳煤矿通风系统的安全性 提出优化的技术措施 西安科技大学硕士学位论文 10 2 通风系统安全性优化分析基本理论 2.1 矿井通风系统安全性基本要求 2.1.1 矿井通风系统安全性 拟定矿井通风系统主要是拟定进风井与回风井的布置方式，矿井风流路线，矿井主 要通风机的工作方法， 这是矿井通风设计的基础。 矿井通风系统是一个复杂的、 随机的、 非稳定的动态系统。通风系统安全性是指保证井下各用风地点风量充足风质良好，满足 井下工作人员的呼吸，稀释并排除瓦斯、粉尘等各种有害物质，降低热害，给井下工人 创造良好的劳动环境；当发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并与其它措施 结合使用，防止灾害的扩大，进而消灭事故。 由于矿井通风系统安全性在矿井的生产和预防灾害发生及发生后控制灾害的蔓延 发挥关键作用，所以矿井通风系统安全性分析具有：及时发现、及时消除和及时排查的 特征。也就是说通风系统安全性一定要注重预防为主，及时发现问题，马上进行现场处 理，以保证系统通风的稳定与可靠。 2.1.2 矿井通风系统安全性要求 通风系统安全性主要以切实贯彻执行“以风定产”的方针，提高矿井通风系统的防 灾、抗灾能力，并为煤矿安全监察、煤矿安全评价和煤矿安全检查提供有力的工具和技 术支持方案。矿井通风系统的安全性必须满足下列要求2： 矿井通风系统的结构合理、完备，整套系统稳定可靠。 井下各用风地点的风量满足要求，且其可控性强。 有利于排除瓦斯、矿尘、热源和防止煤炭自燃。 具有控制各种自然灾害的能力，既能抑制事故的发生，又能在由其它原因引起事 故时及时地控制和消除事故。 2.2 通风系统安全性优化原理 在进行矿井通风系统安全优化分析时，通风系统的稳定性和可靠性是诸多因素中的 核心因素，是对矿井通风系统安全性分析的中心环节。通风系统的优劣直接影响着矿井 安全生产及其经济效益，决定着矿井的生产能力和抗灾能力。通风系统的稳定性和可靠 性主要包括：首先，在一定条件下能保证各个采区及矿井的通风安全和创造良好的劳动 环境；第二，通风系统简单、串联风路少，通风设施布置合理、坚固可靠，已采区及其 2 通风系统安全性优化分析基本理论 11 报废的巷道密闭严密，有利于防止自然发火和防尘，抗灾能力强。第三，主扇运行稳定， 故障少，无喘振，多风井联合系统之间无严重干扰，工况合理。稳定性指风流波动程度， 可靠性指风流数量、质量在规定范围内的程度，所以，二者的关系可总结为：稳定未必 可靠，可靠亦未必稳定，十分不稳定必不可靠。通风系统的可靠性和稳定性就是通风系 统安全性的两个重要特征，两者互相配合才能使矿井通风系统安全性处在更佳的状态。 2.2.1 通风系统的稳定性 矿井通风系统的稳定性，主要取决于主要通风机的台数、主要通风机的相对位置以 及其风压大小，通风网路的结构形式。局部地区和采区的风流的稳定性，取决于局部或 采区的通风系统（系统中有无角联风路，对角风路的多少及其联接方式） 。 （1）风路稳定性，风路稳定性包含两方面的内容：一是风路风流大小变化，二是 风流方向的改变。风路分为普通风路和角联风路。对于普通风路，只会发生风流大小的 变化，在角联风路中有可能发生风路方向的改变。大量角联分支的存在，使得通风系统 总风阻下降，但在灾变时期是十分有害的16。 （2）系统风流稳定性，矿井通风系统的风流稳定性问题，无论从理论上来看，还 是从实践上来看，都有着重要的意义。根据矿井通风网路中各风道风量的最优回归方 程，可以确定出影响通风网络风流稳定性的主要风路。在煤矿生产的实际过程中，保 持矿井通风系统中风流稳定，要求主要通风机稳定。建立矿井通风网路中各风道(仅 指风机风路和用风风路)的最优回归方程，并确定影响网路风流稳定性的主要风路之后， 便可采取针对性措施，把主要影响风路的风阻控制在一定范围内，从而保证矿井网路的 风质、风量稳定，保证矿井的安全生产。 风路稳定性分析时，首先要要收集整理矿井通风系统的基本资料；其次要分析通风 网络结构，找出通风系统中的角联巷道和重要巷道作为分析评价的重点；第三要进行通 风系统自然分风计算，获得基本数据，在此基础上，根据需要，进行风路增阻(降阻)模 拟计算，建立风路稳定性系数矩阵；最后，计算上述稳定性指标值，通过分析和评价， 筛选出影响通风系统稳定性的关键巷道3。通风系统的稳定性影响到系统安全性中井巷 风流的稳定性、主要通风机的稳定性以及矿井等级孔。 2.2.2 通风系统的可靠性 矿井通风系统在运行过程中保持其工作参数值的能力，以维持井巷中必需的满足要 求的清洁风量的供应。所谓矿井通风系统的工作能力是指通风网络的风量分配符合规定 要求。具体讲通风系统可靠性应包含以下几方面的内容：在生产时期利用通风动力， 以最经济的方式向井下各用风地点供给保质保量的新鲜风流；保证作业空间有良好的 气候条件；冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘；在发生灾变时，能有效、及时地控制 西安科技大学硕士学位论文 12 风向及风量，并与其它措施结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故。可靠性因素可解释 为影响通风系统风量分配的因素。 从可靠性的角度来看，决定通风系统各部分通风阻力的原始数据是否符合实际特别 重要。有些数据是指支护方式、巷道横断面、矿井漏风量等空气动力特性的数据。矿井 通风系统各部分的空气动力阻力(即巷道、通风设施等的风流阻力)是决定井下总入风量 的几个主要因素中的一个因素，同时也用于确定通风网络相对风量的分配。主要扇风机 装置的工作保持稳定状态十分重要，在矿井的全部生产期间，必须使其变化不超过规定 范围1417。对于矿井通风系统安全性来说，可靠性主要影响反风系统的灵活性、用风点 风量情况、矿井风量供需比以及矿井风压，而抗灾能力是可靠性与稳定性结合起来共同 决定的。 2.3 通风系统安全性评判指标体系 2.3.1 指标确立的原则 指标体系制定过程中，应结合全国典型区域的代表性矿井，如根据矿井瓦斯等级分 类（高瓦斯矿井、低瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井）以及不同的通风方式和通风方法制 定有针对性的指标体系。本论文针对渝阳煤矿是煤与瓦斯突出矿井，采用混合式抽出通 风。根据煤矿安全规程等国家有关规定，制定相应的否决指标。比如矿井（采区） 通风能力不足，存在风量不足地点，出现瓦斯积聚、超限，通风能力备用系数达不到要 求及其通风管理难等现象。结合矿井实际进度，看其通风能力是否符合要求。各通风机 是否在规定的范围内工作，风量的分配是否合理。 矿井通风系统评判指标体系的选择和确定是进行系统评价研究的基础和关键，对评 判结果产生直接影响。矿井通风系统的评判指标体系应能够反映矿井通风系统的特征和 基本状况，并以反映该系统存在的危险状态为目标。因此指标体系的构成要素评判过程 至关重要，如果选择的因素过多，可能过分增加系统指标体系结构的复杂程度评判的难 度，而且会削弱或掩盖主要的关键因素；如果指标因素太少，评判过程简单易行但又难 以全面、系统、科学、客观反映矿井通风系统的真实状况，因此全面、系统、科学、客 观地确定指标体系对系统优化有着重要的意义。 一般情况下，在确定指标体系时主要考虑以下原则： （l）系统性：指标体系应能全面反映被评价对象的综合情况，从中抓住主因素，既 能反映直接效果，又要反映间接效果，以保证综合评价的全面性和可信度。 （2）可测性：指标涵义明确，数据资料收集方便，计算简单，易于掌握。 （3）定量指标与定性指标结合使用：既可使评价具有客观性，便于数学模型建立 及其处理，又可弥补单纯定量评价的不足及数据本身存在的某些缺陷。 2 通风系统安全性优化分析基本理论 13 （4）绝对量指标与相对量指标结合使用：绝对量指标反映总量及规模水平，相对 量指标反映在某些方面的强度(或密度)。 （5）独立性：是指影响矿井通风系统的各类因素之间往往具有一定的相关性和较 多的重复信息，若直接对含有太多重复信息的指标赋权求和，指标间未排除的重复信息 将会使得综合评价结果发生偏离，因此要求所选指标具有一定的独立性18。 这些原则，在具体应用中可能会出现一定的矛盾，一般可作如下处理：评价的有 效性和评价的简便性相矛盾：应在满足有效性的前提下，尽可能使简便，而不是反而求 之；指标的系统性与指标的可获得性相矛盾，因为指标体系须要包括各有关方面的诸 多因素，有些指标不易获得和不易测定，不能满足评价所需要的全部数据。因此，在确 立指标体系时，对若干与评价关系甚大的指标，虽然目前尚无法获得数据，仍应该作为 提议指标提出，以保证评价指标体系的系统性和科学性；指标的精确性与指标的可信 度问题。评价指标应尽可能正确，但有些指标目前不能到很精确。与其为了追求精确而 假设数据，或因得不到数据而将一些指标舍去，不如专家们根据经验做定性的描述，给 某些指标以定性的规定更为可信。 2.3.2 指标体系 通风系统安全性评价指标要坚持“系统性和完整性相结合” 、 “科学性与实用性相结 合” 、 “特殊性与普遍性相结合” 、 “定性与定量相结合” 、 “动静相结合” 、 “面面俱到”和 “不可偏废”的原则。评价指标还要以“揭示问题、促进管理水平提高、促进科学技术 进步、促进矿井安全程度提高”为目的18。本论文根据以上原则及目的，并通过大量调 研、文献检索、统计分析和经验总结的基础上，提出了影响矿井通风系统安全性评价的 指标体系如图 2.1。 图 2.1 矿井通风系统安全性优化体系 矿井通风系统安全性 反 风 系 统 的 灵 活 程 度 主 要 通 风 机 运 转 稳 定 性 矿 井 风 压 用 风 点 的 风 量 情 况 矿 井 等 积 孔 井 巷 风 流 的 稳 定 性 矿 井 抗 灾 能 力 矿 井 风 量 供 需 比 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 西安科技大学硕士学位论文 14 安全性较好的矿井通风系统的标志是：通风系统完整，主要通风机装置运行状况良好， 并与通风网络匹配，通风井巷联接形式合理，风质风量满足要求。 2.4 指标函数及其合理性 2.4.1 通风系统的安全性指标函数 （1）反风系统的灵活程度，进行反风是井下发生火灾、爆炸事故时防止灾害扩大的重 要措施。主要通风机必须安装反风设施，并能在 10min 内改变巷道中风流方向且风量不 小于正常值的 40%19。 112 f (2.1) 其中 1 =t10， 2 5(2 )qq， 21, 0，1。当10t ， 25qq 时 12 1 。t为反 风时改变巷道中风流方向所需的时间，min； q 为反风后主要通风机所供风量，sm3； q为主要通风机正常风量，sm3。多台主要通风机联合运转时，取较小的值作为f的 值。 （2）主要通风机运转稳定性，主要通风机的稳定运转与否决定着矿井通风系统的安全 可靠程度。它也指风机的工作状况是否在合理的范围内，各风机之间是否有干扰。从安 全角度考虑：主要通风机的实际工作风压上限不能超过最高风压的 90%，最低不得低于 最高风压的 60%。则主要通风机运转稳定性的量化计算公式为： 9 . 05 . 01 6 . 09 . 00 2 i ii k kk f 或 (2.2) 其中， isisi hhk max ； 式中 is h 主要通风机实际工作风压，pa； is hmax 主要通风机最高风压，pa。 对于多台风机的情况，计算每台通风机的 i k 值，并取最小f的值。 （3）矿井通风量供需比，矿井实际风量大于或等于井下所需风量，它能保证各用风地 点风量足够， 也可改善井下劳动环境和保障安全生产。 一般认为矿井风量供需比在1-1.2 之间较为合理，小于 1 时矿井风量不足，大于 1.2 是风量过剩，最大不超过 1.5，由此得 出该量化指标公式19： 2 . 111 5 . 12 . 1 3 10 5 15 . 10 3 或 f (2.3) 其中 0 qq，q为矿井实际通过的风量； 0 q 为矿井实际所需的风量。 （4）矿井风压，矿井风压是指 1m/s 的空气流过矿井通风网络时所消耗的机械能量，主 2 通风系统安全性优化分析基本理论 15 要对矿井外部漏风、采区的内部漏风和通风网络风流稳定性产生影响。矿井风压越高， 井下风量越大，漏风率也越大，过大的漏风不仅导致有效风量降低、造成通风能耗，而 且对于采区乃至整个矿井的煤自燃不利。相反，风压值偏小，虽然漏风减少，但难以抵 御自然风压等因素变化的干扰，从而引起通风网络风流不稳定。一般认为，矿井的风压 不超过 3000pa，最低不能低于 400 pa 其计算公式为： 4 1 3000 3000 1 3000 h f h h (2.4) 其中h为风压取整数，单位 pa。多台主要通风机联合运转时，分别计算各台主要通风机 所担负系统的风压，并取较小值作为 4 f的值。 （5）实行分区通风和各用风地点是否风量足够，每一生产水平都必须布置回风巷，实 行分区通风；采煤工作面和掘进工作面都采用独立通风；为了防止瓦斯、煤尘和热害事 故还要要求风量足够。 nnf 5 (2.5) 其中n为采用分区通风且足够的通风地点数；n为矿井总通风地点的个数。 （6）矿井的等积孔，等积孔是用一个与井巷或矿井风阻值相当的理想孔的面积值来衡 量井巷或矿井通风难易程度的抽象概念，它是反映井巷或矿井通风阻力和风量依存关系 的数值。等积孔愈大，表示其通风愈容易；等积孔愈小，表示通风愈困难。 6 01 2 12 5 12 a a fa a (2.6) 其中 h q a 19. 1 ，hq,分别为通风机风量（sm3）和通风机风压（pa） ；如果有多台通 风机时， n i ii z z hq q a 1 2 3 19. 1 ， z a为矿井总等积孔（ 2 m） ， z q为矿井总风量（sm3） ， ii hq , 多台风机矿井中每台风机的风量（sm3）和每台风机的风压（pa） 。 （7）巷道风流的稳定性，影响风流稳定性的因素有：角联网络的混乱，风门数量多、 位置不当、管理欠妥；自然风压的季节性变化，作用在某些分支风路上；多风机相互干 扰。 所以，为了防止上述危险的发生，就要安装自动监控系统。 n i i npf 1 7 (2.7) 西安科技大学硕士学位论文 16 其中n为安装自动监控系统的风机