降低煤矿矿井通风阻力的技术应用研究

2023-08-06李晓平

当代化工研究 2023年15期

＊李晓平

（山西省长治市上党区能源局能源发展中心山西 046000）

引言

煤矿资源是工业可持续发展的重要物质保证，更是保障人民生活水平和社会经济发展的基础资源。如今煤矿在经过多年的开采以后，潜层的煤矿基本已经开采完成，需要延伸生产矿井，增加矿井生产能力。随着矿井开采的深度不断加深，面临的地质条件也更加复杂，时而会出现煤矿安全事故，而绝大多数的煤矿事故都直接或间接地受到矿井通风情况的影响，比如，通风不畅的位置将会有瓦斯聚集，若碰到电火花等，会瞬间导致煤矿或者瓦斯爆炸，所以矿井通风的重要性不言而喻。

1.煤矿矿井通风改造方案的评判因子与数学描述

(1)评判因子确定的原则

①科学与合理的原则

制定的评判因子必须要与矿井的正常发展趋势相适应，保证科学性与合理性，可以对矿井通风系统结构的质量问题，以及影响通风系统实现其功能的因素做出清晰且明确的反应。

②定性与定量的原则

在选取评判因子的时候，要求包含有理论研究的数值和测量数据的数值，所以这就要求选取的评价因子必须要结合定量和定性分析，从而保证得到的评价结果更加具有有效性和准确性。

③普遍性与特殊性的原则

在选取判定因子的时候，必须要保证判定因子兼具特殊性和普遍性，既可以分析出矿井通风管理中存在的个性化指标，还可以将存在的共性指标分析出来。

(2)评判因子的数学描述

①矿井内部总风压

矿井内部总风压在进行计算的时候，主要是1m/s的空气在流经矿井通风网络的时候所产生的机械能消耗，当矿井内部的风压增加的时候，管理通风系统的难度也将会增加。矿井内部总风压计算的关系表达式如式（1）所示：

式中，h表示矿井内部的总风压；R表示井巷位置的摩擦风阻值；Q表示矿井内部通风系统的风量大小。

②矿井内部有效风量率

矿井内部有效风量率表示的矿井内部的采掘工作面、回采工作面、机电设备、避难室、炸药房等用风位置的总风量和实际进风量之间的比值，矿井内部有效风量率计算的关系表达式如公式（2）所示：

式中，Qs表示用风位置所需要使用的风量；Qj表示矿井内部的实际进风量。

③矿井内部总等积孔

矿井内部总等积孔计算的关系表达式如公式（3）所示：

式中，Qi表示风机的风量；hi表示风机设备的风压值。

④矿井工作面风量达标率

矿井工作面风量达标率计算的关系表达式如公式（4）所示：

式中，e表示矿井工作面位置风量达标率；a表示当风量达到设计需风量的工作面数量；b表示在同一时间段内工作的工作面数量总数。

⑤通风设备运行效率

通风设备运行效率计算的关系表达式如公式（5）所示：

式中，Hf表示通风设备的全压；Qf表示通风设备的风量；N表示通风设备电机的输入功率值；表示通风设备电机的运行效率；表示通风设备电机的传动效率。

⑥通风设备优化完善的资金

通风设备优化完善的资金可划分成为三个部分，分别为维修巷道费用，购置设备的费用以及井巷工程费用。其中井巷工程费用计算的关系表达式如公式（6）所示：

式中，kj表示井巷掘进过程中的资金支出；sj表示掘进第j条井巷的时候初选断面的面积；Lj表示第j条掘进的井巷长度值。

购置设备的费用主要是指重要通风设备的资金支出。维修费用主要是指井巷在进行维修的过程中，人工费用支出、各种材料设备的费用支出。

⑦通风费用支出

通风费用支出是指平均每年矿井开采一吨煤炭的时候，通风设备电费的支出。其计算的关系表达式如公式（7）所示：

式中，N表示通风设备输入的功率；C表示通风设备的传动效率；表示通风设备电动机的运行效率；表示电网运行的效率；表示变压器设备的运行效率；b表示矿井每年的总产量。

⑧通风位置角联数

通风位置角联数主要是指矿井内部用风位置的角联数量。

⑨风速超限情况

风速超限从量化角度进行表示，其关系表达式如公式（8）所示：

⑩风机设备运行的稳定性情况

风机设备运行的稳定性情况主要是指不同的风机相互之间不存在干扰的现象，即使是有所干扰，其工况仍旧处于合理的范围，在进行计算时，其关系表达式如公式（9）所示：

式中，Sf表示风机运转稳定指数；表示通风设备运行的效率；表示通风设备最大的运行效率；kr表示风机设备在运转的时候的稳定性系数；kf表示风机设备相互之间的影响系数。

⑪矿井抗灾能力

矿井抗灾能力是指在矿井施工期间，通风系统有良好的瓦斯排放系统，并且对防灭火、降尘、控制温度等等具有有效的解决措施。在进行矿井抗灾能力评价时，重点从防灾设备和技术、通风方式两个主要的内容展开评价。其计算的关系表达式如公式（10）所示：

式中，S表示矿井抗灾能力的指标值；S1表示矿井通风措施的得分情况；S2表示矿井防灾技术和设备的得分。

2.层次分析法明确指标权重

(1)建立递阶层次结构

在对通风系统的多个方面存在的问题进行详细分析以后，可以将通风系统所含有的多个因素划分成为多个层次[5]。一般情况下，可将其划分成为目标层、准则层、指标层和方案层等。

(2)构造判断矩阵

在已经完成的层次结构，已经明确了不同层次元素之间存在的关系，对元素的重要性做出判断，形式如下：

在计算权重的时候，选择使用和积法实现，这种方法相对比较简单，其步骤可以分为以下几步：

第一，正规化处理判断矩阵的每一列元素。

第二，正规化处理每一列元素以后按行相加。

式中，(AW)i表示向量AW第i个元素；n表示判断矩阵的维数。

在进行计算时，其基本条件是要求判断矩阵是一致性矩阵，为了确保不同要素之间具有一致性，其步骤如下：

一致性指标为：

CI值可以对决策者判断思维的一致性情况做出相应的判断。一致性比率CR的计算关系表达式如公式（17）所示：

式中，RI表示平均随机一致性指标。

(3)计算标权重

参照技术人员和众多专家的评分意见构建不同层次的不同因素的判断矩阵，对矩阵对应的特征向量和最大特征值做出判断，之后再做出正规化处理，获得不同层次的因素权值，如表1、表2所示。

表2 判断矩阵B1-Ci及相应权值

3.优化煤矿矿井通风方案

以某地区矿场为例，煤矿通风系统如图1。

图1 煤矿通风系统示意图

在煤矿通风系统中，冒高的地点总共有六处，其中七水平岩石道到三水平电车道阻力最大区段是最大阻力路线。在进行通风系统优化的时候，为了将矿井内部的阻力调整到七水平岩石巷向三水平电车到开拓的岩石航，需要基于现状调整阻力、风量等因素。在调整以后，所有的冒高地点被清理以后，六处冒高位置的风量、断面面积等都获得较为显著的增加，降低量百米阻力和摩擦风阻。