基于AHP的瑶岗仙黑钨矿区通风系统方案优选

李 杨（湖南瑶岗仙矿业有限责任公司，湖南郴州 424209）

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基于AHP的瑶岗仙黑钨矿区通风系统方案优选

李 杨
（湖南瑶岗仙矿业有限责任公司，湖南郴州 424209）

针对瑶岗仙黑钨矿区现有通风系统的实际情况，分析随着生产重心向矿井深部转移对现有通风系统的影响。根据分析论证提出两种通风系统改造方案，采用层次分析法（AHP）从经济、技术和安全三个方面建立8个评判指标对两种方案进行比较，从而选择出方案一为较好的通风系统改造方案。

通风系统；层次分析法；风阻风量；方案优选

湖南瑶岗仙矿业有限责任公司是以开采钨为主的中型金属矿山。矿产资源分为黑钨和白钨两大矿区，其中黑钨矿区开采至今已有101年的历史。由于瑶岗仙黑钨主矿区上下开采中段高差较大，开采中段和通往地表的窿口多，使之难以形成全矿稳定的通风系统。

目前10中段以上的生产工作由于开采年限久远，资源枯竭，已经封停。井下生产重点已转移到深部19－23中段的开采以及24－26中段的开拓，其中深部24－26中段生产开拓系统已基本形成，26中段已掘进一条长约2 600m的平窿贯通地表，为更深一步的27－29中段开拓做准备。随着井下生产布局的调整和复杂化，现有通风系统已与生产要求不相适应，特别是15中段以上部分区域的资源综合回收工作的通风完全靠自然风压和局部通风来控制，作业环境无法满足井下开采通风的需要，给井下安全生产留下了较大的隐患。为了满足井下开采通风安全的需要，必须对现有通风系统进行改造和优化［1，2］。

1 通风系统方案介绍

1.1 现有通风系统方案介绍

现有通风系统主要采用各平窿口进风，通过各个中段的回风井阶梯式、接力式回风，最终汇入13中段，从13中段平窿口排出地表。

目前由于井下生产重点转移，通风条件日益复杂，现有通风系统存在以下隐患：

1.无专用回风井，系统回风不稳定。最初的回风线路设计过于理想化，设计中采用的是矿脉端部阶梯式回风，其要求做到同一矿脉上部中段开采完成后方能进行下一中段的开采，而实际上是多个中段同时开采，因此造成污风串联严重。

2.风压风量未得到合理的分配。由于中段多且无专用回风井，漏风与风流短路现象较为突出，主风机产生的负压基本消耗在本中段及相邻中段，造成风压与风量得不到有效的分配。

3.随着生产情况的变化，生产重心逐渐转移到深部，深部19－26中段生产污风回风线路长，风阻大，回风困难也造成进风困难，已无法满足生产的需要。

1.2 通风系统改造方案介绍

根据矿山实际的情况，提出两种可行的通风系统改造方案［3～5］。

方案一总体规划：由各平窿口进风，污风通过11中段平窿口排出地表，各中段开掘专用回风井相互连通。并在风路节点处加装风机站，克服风阻，弥补风量损失。专用回风井均设置在矿体西北部纵深233脉组处。具体方案如下：

1.顺风时期（冬春季）：新鲜风流从26、23、21、19、17、16、13中段平窿口进入，经过中段主运输巷道进入需风点，通过风机和风筒的作用将在各个中段污风集中排往233脉组端部脉外专用回风井，最终将污风排至11中段排出地表。

2.反风时期（夏秋季）：新鲜风流从26中段平窿口及2＃竖井进入，经过26平窿及1＃斜井，将新鲜风流送至各个中段主运输巷道进入需风点，通过风机和风筒的作用将在各个中段污风集中排往233脉组端部脉外专用回风井，最终将污风排至11中段排出地表。

3.机站安排及风机安装位置。Ⅰ级机站：在26平窿安装Ⅰ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2 ×90 kW。克服26平窿、26中段巷道的风阻和26至19中段反向自然风压，强制进风。Ⅱ级机站：在25、24、23、22、21等5个中段安装Ⅱ级机站，安装轴流式风机5台，总功率5×15 kW，克服所在中段风阻，调节风量，辅助回风。Ⅲ级机站：在19中段安装Ⅲ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2×37 kW。克服19至11中段回风井风阻，为19中段以下总回风机站。Ⅳ级机站：在12中段安装Ⅳ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2×55 kW。克服11中段风阻、19至11中段自然反向风压，为全矿井总回风机站。

方案二总体规划：由各平窿口进风，污风通过17中段回风道排往16中段501采空区，各中段开掘专用回风井相互连通。并在风路节点处加装风机站，克服风阻，弥补风量损失。专用回风井均设置在矿体西北部纵深233脉组处。具体方案如下：

1.顺风时期（冬春季）：新鲜风流从26、23、21、19、17窿口进入，经过中段主运输巷道进入需风点，通过主要通风机、辅助风机作用将在各个中段污风集中排往233脉组端部脉外专用回风井，通过17中段398回风道排往16中段501采空区。

2.反风时期（夏秋季）：新鲜风流从26窿口及2＃竖井进入，经过26平窿及1＃斜井，将新鲜风流送至各个中段主运输巷道进入需风点，通过主要通风机、辅助通风机作用将在各个中段污风集中排往233脉组端部脉外专用回风井，通过17中段398回风道排往16中段501采空区。

3.机站安排及风机安装位置。Ⅰ级机站：在26平窿安装Ⅰ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2 ×90 kW。克服26平窿、26中段巷道的风阻，26至19中段反向自然风压，强制进风。Ⅱ级机站：在25、24、23、22、21等5个中段安装Ⅱ级机站，安装轴流式风机5台，总功率5×15 kW。克服所在中段风阻，调节风量，辅助回风。Ⅲ级机站：在19中段安装Ⅲ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2×30 kW。克服26至17中段回风井风阻，为19中段以下总回风机站。Ⅳ级机站：在17中段安装Ⅳ级机站，安装轴流式风机2台，总功率2×132 kW。克服17中段回风道风阻、19至16中段自然反向风压，为全矿井总回风机站。

1.3 通风系统改造方案经济技术安全指标

矿井通风系统的优化改造要求安全可靠，技术可行，经济合理。上述提出的两个通风初选方案，只有通过技术、经济、安全三方面的全面比较，才能得出最优的符合矿山实际的井下通风方案［6，7］。

1.3.1 技术指标

通风系统改造要求风量符合相关要求和生产实际需求，风阻较小，通风系统工程量较小。根据调查研究和实际测量，方案一和方案二的风阻和风量见表1和表2。

表1 方案一风阻风量计算表

表2 方案二风阻风量计算表

由表1、表2可以看出，两种方案主平窿进风量均为46.85 m3／s，方案一中回风中段回风量为71.31 m3／s，方案二回风中段的回风量为62.45 m3／s，说明方案一对污风排出能力更大。方案一总风阻为1 918.8 Pa，方案二总风阻为2 802.5 Pa，说明方案一虽然通风线路较长，但风阻较小。方案一新开掘回风井和通风道工程量为16 982 m3，方案二新开掘回风井、回风道和通风道工程量为14 843 m3。

1.3.2 经济指标

经济指标主要包括设备和工程投入及年耗电量等。

工程和设备投入：方案一共需要安装风机11台，总装机功率439 kW，工程和设备投入1 007万元；方案二共需要安装风机11台，总装机功率579 kW，工程和设备投入约903万元。

年耗电量：通风系统年运行约340 d。顺风时期按170 d，每天运行16 h，开机功率（439÷2）kW；反风时期按170 d，每天运行24 h计算。方案一开机功率439 kW，方案二开机功率579 kW。计算得方案一年耗电量238.8万kWh，方案二年耗电量314.9万kWh。

1.3.3 安全指标

安全指标包括风源风质，回风效果和系统服务范围等指标。风源风质主要要求进风的空气质量良好，风源稳定；回风效果不仅要满足井下污风的通风要求，还要使通风系统的管理和维护尽量简单，风路稳定，不漏风，不跑风，不串风，风路风量可调可控。服务范围包括通风系统控制到的通风范围。

方案一和方案二的技术、经济、安全指标对比见表3。

表3 矿井通风系统方案比较表

2 层次分析法优选过程

由于通风改造方案涉及因素众多，要综合考虑经济、技术和安全三大方面的8个因素，因此仅凭表3的内容无法科学、准确地选择两种方案的优劣。层次分析法（AHP）是一种针对多因素指标的综合评判体系，可以有效解决方案选择中的主观性和随意性，更具准确性。

2.1 构造判断矩阵

根据评判指标间的层次关系，构造各层次、各部分的指标的判断矩阵。设判断矩阵为D＝（Xij），其中Xij表示评判指标i相对与评判指标j的重要程度，如公式（1）。

采用模糊语言算子的九标度法描述不同目标之间的相对重要程度（见表4）。

表4 九标度法

2.2 确定评价指标权重及一致性检验

对于判断矩阵D，用方根法计算其特征DW＝λmaxW方程，所得到的W经规一化后作为指标的排序权重。由数学理论可知正定互反矩阵D的最大特征根λmax存在且唯一，并且W也是唯一的，可由正分量组成［11］。用方根法计算特征方程的过程如下：

判断矩阵D的各行元素相乘得Mi：

计算Mi的n次方根：

以上各式中，i＝1，2，…，n。

然后需对判断矩阵进行一致性检验，其公式为：

II断矩阵的阶数；RI为平均随机一致性指标（取值见表5）。当CR＜0.1时，一般认为判断矩阵D具有满意的一致性，否则需重新构造判断矩阵。

表5 平均随机一致性指标取值

3 通风系统改造方案选择

3.1 构建指标评判体系

根据表3，对通风系统改造方案的各项指标进行量化，其中对安全的三个指标进行量化，并进行数值归一化，使其更具有可操作性，其中对于越大越好的指标用＋，对于越大越不好的指标用－，见表6。

表6 两种方案指标评判体系

3.2 指标权重的确定

依据层次分析法基本理论，在查阅大量文献和分析矿山实际情况后，构筑目标层对应于准则层G－H的判断矩阵，见表7。

依据WG可得判断矩阵G－H的λmax0＝3，CI0＝0，RI0＝0.58，CR0＝0＜0.1，故判断该矩阵G－H满足一致性检验要求，于是得到可接受的权重矩阵W＝［0.3，0.1，0.6］。

表7 G－H判断矩阵

同理，可得H1－H1j，H2－H2j，H3－H3j各指标层的权重系数如下：

所得各评判指标权重见表8。

表8 各评判指标权重

将表8指标的权重与表6中的方案一和方案二的归一化值相乘，并计算总和。对于越大越好的指标用加法，对于越大越不好的指标用减法。则得出方案一A1＝0.18，方案二A2＝0.12。由于A1＞A2，因此方案一优于方案二。

4 结 论

1.根据对瑶岗仙黑钨矿区通风系统的调研，提出两种通风系统改造方案，可改善目前由于生产重心转移造成的通风困难和安全隐患。

2.运用层次分析法（AHP）建立通风系统改造方案指标评判体系，从经济、技术和安全3个方面确定了8个评判指标，并运用AHP计算出各指标权重。通过综合评判，得出方案一优于方案二，即采用各平窿口进风，开掘脉外专用回风井相互连通，并在通风节点处加装风机站，由11中段统一回风为较好的改造方案。

［1］ 李方波.凡口铅锌矿井下通风系统可靠性分析及优化［J］.采矿技术，2012，12（6）：35－36.

［2］ 姚道春.冬瓜山铜矿矿井通风降温技术方案优化研究［J］.采矿技术，2012，12（2）：44－45.

［3］ 杨加伟.浅谈矿井通风阻力产生的原因及降低阻力的方法［J］.采矿技术，2010，10（2）：60－62.

［4］ 邓红卫，张瑞，雷涛，等.基于Ventsim的云锡新山矿段通风系统优化研究［J］.采矿技术，2010，10（4）：74－76.

［5］ 陈建平，武华，杨天容.澄合二矿矿井通风系统优化研究［J］.陕西煤炭，2013，（1）：51－53.

［6］ 吴冷峻，汪峻，程厉生，等.冬瓜山多级机站通风系统优化设计［J］.矿业快报，2005，21（9）：17－18.

［7］ 宋永平.金属地下矿山矿井通风系统存在的问题及采取的安全技术措施［J］.新疆有色金属，2011，（1）：42－43.

Based on the AHP Yaogangxian W olfram ite Qrea Ventilation System Plan Optim ization

LIYang
（Hunan Yaogangxian Mining Co.，Ltd.，Chenzhou 424209，China）

For Yaogangxian wolframite area of the actual situation of the existing ventilation system，it analyzes the impact on the existing ventilation system with the production center of gravity tomine deep.According to the analysis of the argument，put forward two kinds of ventilation system retrofit scheme，use the analytic hierarchy process（AHP）from the aspects of economy，technology and safety three to eight evaluation index to compare two kinds of schemes，to choose a retrofit scheme for good ventilation system.

ventilation system；analytic hierarchy process；wind resistance air volume；plan optimization

TD724

A

1003－5540（2017）03－0001－05

2017－04－06

李 杨（1988－），男，助理工程师，主要从事矿山安全和通风管理工作。