周英烈

(飞翼股份有限公司，湖南 长沙 410600)

矿井通风对于金属非金属矿山安全生产具有举足轻重的作用。矿井通风系统也是井下耗电量最大的系统之一，其耗电量能够达到矿山总耗电量的20%～45%[1]。随着开采深度的增加，大多数金属非金属矿山通风系统都存在系统运行效率低、通风网路混乱、主扇长期高负荷运行等一系列问题，通风系统耗费大量电能。为此，诸多从事矿山通风技术研究工作的技术人员提出了大量通风系统节能降耗的技术手段，如采用高效节能风机、提高矿井有效风量率、采取多级机站优化通风网络、变频控制按需通风等等[2−3]。但是，如何运用科学合理的方法综合评价这些技术手段带来的节能效果鲜有研究。矿井通风系统具有复杂性、开放性与不稳定性的特点[4−5]。本文在总结分析相关学者关于矿井通风节能技术研究成果的基础上，确定评价金属非金属矿山通风节能效果的评价指标，建立与当前矿山实际情况相符合的评价指标体系，并应用层次分析法确定指标体系的权重。最终建立了基于物元模型的金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价模型，为科学合理地评价金属非金属矿山矿井通风节能效果提供了新思路。

1 建立金属非金属矿山矿井通风节能效果评价指标体系

该评价指标体系的总目标层（A）为金属非金属矿山矿井通风节能效果，总目标层的准则层（B）包括4 个方面，分别是减小风阻（Z）、优化指标（S）、风机节能（J）、合理利用自然风压（R），准则层以下一共有16项指标，构成了评价体系的方案层（C），如图1 所示。

图1 金属非金属矿山矿井通风节能效果评价指标体系

1.1 减小风阻

（1）Z1优选通风线路。我国金属非金属矿山开采深度不断增加，通风线路也越来越长，通风系统沿程阻力越来越大。选择合理的通风线路，尽可能地缩短通风线路，对已经开采完的中段进行闭坑处理，对采空区和废旧巷道采取封堵措施，能够有效降低通风阻力，达到节能降耗的效果。

（2）Z2设置通风构筑物。合理地设置风窗、风墙、风门、风桥等通风构筑物，能够起到引导风流方向，优化通风网络，降低总通风阻力的作用。

（3）Z3优化通风巷道布局。矿井通风沿程阻力与通风巷道的断面大小及支护方式关系巨大，巷道断面几何尺寸的不规则变化也会带来较大的系统局部阻力。扩大主要通风巷道的断面尺寸，并采取喷浆等支护方式，能够有效降低通风系统的能耗。

（4）Z4完善主扇装置。主扇装置阻力由主扇自身结构引起，主扇风机的大体优化措施有增加扩散器、降低噪音等。

（5）Z5通风方式的合理性。尽可能选择并联通风方式，能够极大地降低整个系统的通风阻力，从而达到节能效果。

1.2 优化指标

（1）S1风量供需比优化：为实测的主要通风机风量或一级机站风机总风量最大值与设计的矿井需风量的比值，反映风量的供需关系，风量供需比为[1.32，1.67]范围内为合格标准。

（2）S2有效风量率优化：为矿井通风系统中的有效风量和与主扇风量的百分比。反映矿井通风系统主扇风量的利用程度。有效风量率≥60%为合格标准。

（3）S3矿井漏风系数优化：矿井漏风包含内部漏风和外部漏风。

（4）S4通风等积孔优化：矿井通风系统风流运行的难易程度可以用通风等积孔来进行表征，选择合理的通风等积孔是矿井通风系统节能的一种有效措施。

1.3 风机节能

（1）J1节能风机选用：新型节能风机能够起到较好的节能作用，矿山井下通风系统应该淘汰能耗高的落后风机，改用新型节能风机。

（2）J2风机变频：风机变频控制技术能够使矿井通风系统达到按需分配的目的，已经在金属非金属矿山通风系统得到广泛使用，取得了很好的节能效果。

（3）J3节能联动：矿井空气品质综合指数与通风节能联动是一种新型节能通风技术，该技术通过建立全自动控制通风系统，实现主、辅扇风机与井下空气质量自适应联动，从而达到节能通风的目的[6]。

1.4 合理利用自然风压

（1）R1分季节通风：通风困难季节，自然风压阻碍矿井通风系统的运行，通风容易季节，自然风压有利于矿井通风系统运行。分季节合理利用自然风压，可以达到节约用电的目的[7]。

（2）R2空区与旧巷封堵：随着矿井开采深度的增加，上部空区与废旧巷道最终与地表联通，在通风困难季节，自然风压通过这些通道严重制约井下通风系统的有效运行，给矿井通风带来不必要的能源消耗。

（3）R3反向风流控制：通过增阻调节法防止自然风压作用下的风流反向，避免通风网络的混乱。

（4）R4辅扇引导：在主扇无法改变风向抵抗自然风压的情况下，通过安装辅扇进行引导是一种行之有效的方法。

2 基于层次分析法指标体系权重的确定

2.1 准则层权重指标的计算

金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价指标体系准则层为：减小风阻（Z）、优化指标（S）、风机节能（J）、合理自然风压利用（R）4个指标，上述指标的重要程度比较见表1。

表1 准则层指标重要度两两比较

可得判断矩阵：

并依据此矩阵求出相关指标的权重值。

先对矩阵A的每一列归一化得矩阵：

经过计算，矩阵A的最大特征值λmax=4.2204，一致性检验满足要求。

由准则层的权向量结果可知，准则层4 个指标的权重系数见表2。

表2 准则层权重系数

2.2 减小风阻权重指标的计算

减小风阻（Z）包含了5 项指标：Z1优选通风线路、Z2设置通风构筑物、Z3优化通风巷道布局、Z4完善主扇装置、Z5通风方式的合理性。对这5 个指标的重要程度进行比较，结果见表3。

表3 减小风阻指标两两比较重要度

再对其每一行进行求和得出：

经过计算，判断矩阵AZ满足一致性要求。

根据指标权向量可以得出减小风阻5 个指标的权重系数（见表4）。

表4 减小风阻权重系数

2.3 优化指标权重指标的计算

优化指标（S）包含了4 项指标：S1风量供需比优化、S2有效风量率优化、S3矿井漏风系数优化、S4通风等积孔优化。4 项指标的重要程度比较见表5。

表5 优化指标重要度两两比较

经过计算，判断矩阵AS满足一致性要求。

根据指标权向量可以得出优化指标4 项指标的权重系数（见表6）。

表6 优化指标权重系数

2.4 风机节能权重指标的计算

风机节能措施有3 项指标：J1节能风机选用、J2风机变频、J3节能联动。3 项指标的重要程度比较见表7。

表7 风机节能重要度两两比较

经过计算，判断矩阵AJ满足一致性要求。

根据指标权向量可以得出风机节能措施3 项指标的权重系数（见表8）。

表8 风机节能权重系数

2.5 合理利用自然风压权重指标的计算

合理利用自然风压包含了4 项指标：R1分季节通风、R2空区与旧巷封堵、R3反向风流控制、R4辅扇引导。4 项指标重要程度比较结果见表9。

表9 合理利用自然风压重要度两两比较

再对其每一行进行求和得出：

经过计算，判断矩阵AR满足一致性要求。

根据指标权向量可以得出合理利用自然风压4项指标的权重系数（见表10）。

表10 合理利用自然风压权重系数

3 基于物元模型的综合评价模型

3.1 确定待评物元

征求具有几十年通风技术经验的专家教授对4个方面的16 项指标进行打分以确定特征量值，最终建立评价物元模型[9]。如减小风阻（Z）待评物元为Z={Z1、Z2、Z3、Z4、Z5}，其特征量值分别为v1、v2、v3、v4、v5。

3.2 评价等级的确定

依据相关文献的研究成果[10−12]，设计5个评价等级对金属非金属矿山矿井通风节能效果进行综合评价，评价等级和指标值的取值范围见表11。

表11 金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价等级划分标准

3.3 确定经典域矩阵和节域矩阵

经典域范围取各级特征指标的最低值和最高值，得出金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价5 个等级的经典域。

金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价各级经典域矩阵如下所示:

金属非金属矿山矿井通风节能效果综合评价中的节域物元，节域矩阵如下:

同理可分别计算出减小风阻（Z）、优化指标（S）、风机节能（J）、合理自然风压利用（R）4个指标的经典域、节域及相对于5 个级别的关联度。

4 结论

（1）影响金属非金属矿山通风节能效果的因素具有许多不确定性，综合国内外矿山经验，以“金属非金属矿山矿井通风节能效果”为总目标层，以减小风阻（Z）、优化指标（S）、风机节能（J）、合理自然风压利用（R）4 个方面为准则层，选取16项指标为方案层，建立了金属非金属矿山通风节能效果综合评价指标体系。

（2）建立了基于物元模型的金属非金属矿山通风节能效果综合评价模型，并应用层次分析法计算得出各项指标的权重，最终能够得出评价结果的加权值。

（3）该模型用于评价金属非金属矿山通风节能效果是合理、有效的，为综合评价金属非金属矿山通风节能效果提供了新思路。