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1、 全日制硕士学位论文 学 生 类 别：工学硕士 申请人姓名：吴风国 指 导 教 师：景国勋 教授 专 业 名 称：矿业工程 研 究 方 向：安全系统工程 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二二 O 一二年六月一二年六月 矿井通风系统安全评价与优化研究矿井通风系统安全评价与优化研究 Study on Safety Assessment and Optimization of Mine Ventilation System 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下
2、进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名学位论文作者签名:年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河南理工大学河南理工大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 河南理工大河南理工大学学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等手
3、段保存、汇编、出版本学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书保密的学位论文在解密后适用本授权书。学位论文作者签名学位论文作者签名：指导教师签名指导教师签名：年年 月月 日日 年年 月月 日日 中图分类号中图分类号：X936 密密 级级：公公开开 UDC：622 单位代码单位代码：10460 矿井通风系统安全评价与优化研究矿井通风系统安全评价与优化研究 Study on Safety Assessment and Optimization of Mine Ventilation System 申请人姓名申请人姓名 吴风国吴风国 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 矿业工程矿
4、业工程 研究方向研究方向 安全安全系统系统工程工程 导师导师 景国勋景国勋 职称职称 教授教授 提交日期提交日期 2012.06 答辩日期答辩日期 2012.06 河南理工大学 致致 谢谢 光阴似箭，不觉硕士阶段的学习即将结束。当初正是怀着对安全专业的无限向往和对未来的美好憧憬，经过刻苦的努力，终于能如愿进入安全学院继续学习，使我在学习的领域更扩展了一步。而正是在这里得到了老师们的细心指导和不倦教诲，使我的专业知识有了新的飞跃。同时对事情的认知能力也进一步提高，学会了正确的去面对挫折，世界观、人生观、价值观也逐渐成熟，多了一份从容和淡定，少了些许的喧嚣和浮躁。还结识了许多良师益友，这无疑是我人
5、生中非常宝贵的财富。在这里，我首先要感谢敬爱的导师景国勋教授，在整个过程中他给了我很大的帮助。在论文题目制定时，他首先肯定了我的题目大方向，但是同时又帮我具体分析使我最后选择了矿井通风系统安全评价与优化这个具体目标，让我在写作时有了具体方向。论文提纲制定时，我的思路不是很清晰，经过老师的帮忙，让我在完成论文的过程中加倍顺利。在完成初稿后，老师认真查看了我的文章，指出了我存在的很多不足和需要改进的地方。在此十分感谢景老师的细心指导，才能让我顺利完成毕业论文。在论文的写作过程中，杨运良老师、张攀老师都给予了我很多指导意见，在此谨向他们表示衷心的感谢。同时还要感谢跃进矿通风科的刘海军科长，他提供了很
6、多现场的数据与资料，使我顺利的完成论文的写作。同时安全学院优良的学风和学院老师严肃认真的治学态度值得我永远学习。另外，我还要感谢我们团队的所有师兄弟、同学和所有关心我的朋友们，是他们让我的论文写作过程中不乏欢声笑语，过程也轻松许多。从论文开始选题到现在的定稿，虽然论文的写作过程花费了大量的时间和精力，但论文仍有很多不足。恳请各位老师和同学提出宝贵的意见！I 摘摘 要要 矿井通风系统是矿井生产中的一个子系统，它既依附又制约于矿井生产的主系统。矿井通风系统的优劣，直接关系到矿井的安全生产和经济效益，因此需要对矿井通风系统进行正确合理的评价。本文从矿井通风系统的定义入手，从安全性、可行性、经济性三个
7、方面选取了矿井通风动力、通风网络、通风设施、通风质量、防灾抗灾能力、通风科学管理、通风经济合理7项二级指标进行分析，继而对这七项指标再进行细化。从中选取出能直接影响到二级指标值并具有明确物理意义和独立量化标准的指标，分别建立相应的隶属量化函数，给出其评价值。建立了完善的矿井通风系统评价体系，运用系统工程中常用的层次分析法，本着突出对矿井通风系统安全、可靠、经济起基础重要作用的因素为原则，分析了每一项指标对系统的影响程度，确立其对应的权重值，构建其相应的隶属函数，计算出其各自的评价值，依据各自的权重值和评价值推出了矿井通风系统综合量化评价值。结合矿井优化的实际案例，根据提出的通风系统优化方案，运
8、用建立的评价体系确定了各项参数值，计算全矿井优化前和优化各方案的指标值和评价值，发现了各个方案的优劣与不足。按最高积分确定最优方案并得出可推广的结论。关键词关键词：通风系统；模糊综合评价；层次分析法；优化；III Abstract Mine ventilation system is a subsystem of the mine production，It attached to the main system，but also restriced the mine production.The pros and cons of the mine ventilation system,dir
9、ectly related to safety in mine production and economic benefits.Therefore,it must be the correct assession of the mine ventilation system.In this article,start form the definition of the mine ventilation system,from three aspects of the safety,feasibility,economic,to determine seven indicators of c
10、oal mine ventilation:Ventilation power,Ventilation network,Ventilation facility,Ventilation quality,Ventilation disaster prevention and resilience,Ventilation scientific management,Economical and reasonable ventilation.Then detail of the seven indicators.In this paper,the author selected from the de
11、tail indicators,which can direct impact on the value of indicators and has a clear physical meaning and independent indicators of the quantitative criteria.To establish the appropriation of the quantization function,the author calculates its evaluation value.Established a perfect system of mine vent
12、ilation system evaluation,combination of analytic hierarchy process in systems engineering,In principle of prominented the mine ventilation system is safe,reliable,and the economy.The author determines the weights of ever indicators.Based on the weight values and the evaluation values,Calculate the
13、evaluation values the total score of the mine ventilation.According to the proposed ventilation system optimization,selected the actual case of mine optimization.The use of established evaluation system to determine the parameter values.The calculation of the mine ventilation before optimization and
14、 optimizations of the mine ventilation has been proposed.Discovered the merits and shortcomings of the various options.Determine the optimal solution and can be generalized conclusion.Key words:Ventilation system;Fuzzy comprehensive assession;Analytic Hierarchy Process;Optimization.V 目目 录录 摘摘 要要.I A
15、bstract.III 目目 录录.V 1 绪论绪论.1 1.1 矿井通风系统概述.1 1.2 矿井通风系统综合评价与优化的意义.2 1.3 矿井通风系统评价方法的研究发展与现状.3 1.4 主要内容及技术路线.5 1.4.1 本文主要内容.5 1.4.2 技术路线图.5 2 矿井通风系统评价体系的建立矿井通风系统评价体系的建立.7 2.1 矿井通风系统一级指标.7 2.2 矿井通风系统二级指标.8 2.2.1 矿井通风动力.11 2.2.2 矿井通风网络.15 2.2.3 矿井通风设施.16 2.2.4 矿井通风质量.18 2.2.5 矿井防灾减灾能力.20 2.2.6 矿井通风科学管理.2
16、2 2.2.7 矿井通风经济合理.23 3 矿井通风系统矿井通风系统评价指标权重的确定评价指标权重的确定.27 3.1 建立两级层次分析模型.27 3.2 构造相应判断矩阵.28 3.3 计算判断矩阵的特征向量和最大特征根并检验.29 3.4 层次分析总排序及一致性检验.32 3.5 对三级指标的分析结果.33 4 矿井通风系统评价与优化理论矿井通风系统评价与优化理论.37 4.1 评价与优化方法的选取.37 4.2 评价过程分析.38 VI 4.2.1 计权算法.38 4.2.2 系统安全评价的程序.38 4.3 评价结果计算.39 4.4 评价结论与优化方案的选取.41 5 矿井通风系统评
17、价与优化案例分析矿井通风系统评价与优化案例分析.43 5.1 煤矿概况.43 5.2 通风系统安全评价基本参数.43 5.2.1 矿井通风动力基本参数.46 5.2.2 矿井通风网络基本参数.46 5.2.3 矿井通风设施基本参数.46 5.2.4 矿井通风质量基本参数.47 5.2.5 矿井防灾减灾能力基本参数.47 5.2.6 矿井通风科学管理基本参数.48 5.2.7 矿井通风经济合理基本参数.48 5.3 通风系统存在的主要问题.49 5.4 通风系统优化方案.50 5.5 通风系统优化方案分析.52 5.6 运用建立的通风系统评价体系比较各方案得分.55 6 结论与意义结论与意义.5
18、9 6.1 论文的主要结论.59 6.2 可使用的最优方案.60 6.3 论文的展望.60 参考文献参考文献.63 1 绪论 1 1 绪论 矿井是由多系统（采掘系统、提升运输系统、给排水系统等）密切配合而组成的复杂统一体，各系统之间相互制约，又相互关联。矿井通风是其中的一个子系统，它既依附又制约于矿井生产主系统。同时与开采煤层的地质赋存、自然条件、开拓开采方法等外部因素密切关联。矿井通风系统是矿井通风动力及其装置、通风网络和通风控制设施的总称。它反映了以各种技术手段输送、调度空气在井下流动，维护矿井正常生产和劳动安全的动态过程。矿井通风是矿井安全生产的最重要技术保障手段之一。在矿井正常生产过程
19、中，向矿井各个用风地点供给地面新鲜空气，保障作业地点工作人员呼吸，并排出井下各种有毒、有害气体并稀释矿尘，保障井下作业人员的身体健康和安全生产。煤炭是我国工业可持续发展的重要保障。但是经过多年的开采，生产矿井的延伸，生产布局的变化，矿井生产能力的增大，开采深度不断加深，开采的地质条件也更加复杂，矿井通风系统对矿井安全生产和经济效益起着越来越大的作用。因此，需要对矿井通风系统的优劣做出正确合理的评价与优化，在矿井通风系统的规划、设计施工和管理工作中都要予以充分的考虑。设计好通风系统、施工好通风系统、管理好通风系统、改造好通风系统。关于矿井通风系统的评价问题，人们已提出了许多种评价指标和方法，有单
20、指标，也有综合指标，有打分法，也有层次分析法等。由于我国煤矿众多，条件千差万别，目前的具体的各种指标和方法都有一定的欠缺之处，因此，如何正确地评价矿井通风系统仍是人们正在研究的一个重要课题。1.1 矿井通风系统概述 矿井通风系统是向矿井各作业地点供给新鲜空气、排出污浊空气的进、回风井的布置方式，主要通风机的工作方法，通风网路和风流控制设施的总称1。矿井通风系统是矿井通风中运用率很高的一个专业术语。山东矿业学院的谭允祯教授将矿井通风系统定义为:矿井通风系统是生产矿井的主要组成部分，是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称2。中国矿业大学陈开岩、王省身等将它定义为:矿井通风系统是由通风动力及其装置
21、、通风井巷网络、风流监测与控制设施所组成3。吴中立在矿井通风与安全中把它定义为:矿井通风系统是向矿井各作业地点供给新鲜空气、排除污浊空气的通风网路、通风动力和通风控制设施(通河南理工大学硕士学位论文 2 风构筑物)的总称4。在矿井正常生产时期，矿井通风系统的主要任务是：结合通风动力装置，以最有效、最经济的方式，不断供给井下各用风地点优质、充足的新鲜空气，保证用风地点作业人员的呼吸，排除瓦斯、二氧化硫等有毒有害气体，稀释粉尘等各种有害物质，同时排除热量，降低热害，为井下作业人员创造好的工作环境。与些同时，在矿井发生灾变时，矿井通风系统能及及时有效的起到防灾减灾的作用：快速控制风向及风量，并与其它
22、措施相结合，减少灾害的损失，进而消灭事故。矿井通风系统随着矿井生产的进行而不断地发生变化。在矿井设计之初就应该兼顾中、后期的生产需要。在正常生产过程中，随着采掘工作面的推进与接替；采区的准备、生产与结束；矿井巷道开拓不断延伸等，使通风系统在网络结构上随生产的进行不断发生变化。此外，由于采矿活动的影响，通回风巷道在外应力的作用下逐渐变形甚至冒顶、片帮、底鼓等使巷道断面缩小；各种通风动力设备（主、局部通风机）不断磨损、锈蚀等使性能逐渐衰退；矿井自然风压随时间的周期变化；通风设施也受压变形，增大漏风量；矿车运行、人员活动等等，从而使通风系统运行参数发生变化，而且各种参数变化具有随机性。因此，从严格意
23、义上说，矿井通风系统是一个复杂的、随机的、开放的动态系统2。矿井通风系统是矿井防灾、抗灾的基础，是矿井安全生产的根本保证，并且还直接影响着矿井的生产能力和经济效益。一个安全、可靠、经济的矿井通风系统不仅应与矿井的开拓开采系统相匹配，以最经济的手段使通风能力满足矿井生产的需要，而且还应具有简畅的通风网路、合理的通风机工况，以预防灾害的发生，并在灾害发生后能控制灾变的发展。由此可见，人们对矿井通风系统认识的基本内容是大致相同，但是表达方式和侧重点却有所不同。综上所述，矿井通风系统是由一个由相互联系、相互作用、相互影响的各种因素所构成的，由不同的通风方式、通风方法、通风网路、监测监控和调控设施所组成
24、的，向整个矿井供给新鲜风流，同时排除井下的有毒、有害、窒息爆炸性的气体和粉尘，保证井下通风的质量，防止和减少各种灾害事故，保障井下作业人员的健康和安全，保护国家资源和财产的一个多因素组成的动态统一的整体。1.2 矿井通风系统综合评价与优化的意义 矿井通风系统是一个动态的、随机的、模糊的复杂系统，需要引入系统工程、网络图论、模糊数学、人工智能、最优化等理论与方法，利用现代计算机技术手1 绪论 3 段，对矿井通风系统进行优化设计、运行状态模拟、评价和最优控制。矿井通风系统的优化最重要的是确定矿井通风系统方案的评价指标和优化方法。评价指标必须能确切地反映矿井通风系统的状况和质量，指标有独立的物理意义
25、，符合科学、可测、可比和简明的原则。近年来，随着系统工程、最优化理论与算法以及计算机应用的迅速发展，矿井通风系统的优化技术研究也取得了长足的进展。在保证矿井需要风量的前提下，使通风巷道的施工费、维护费和通风电费为最优；合理分配网路使矿井风压值最合理；也能合理布置调节设施的最佳位置及参数，使矿井通风总功率最小；合理分配网络中分支的风量，选择满足矿井通风的最优风机。1.3 矿井通风系统评价方法的研究发展与现状 关于矿井通风系统的评价问题，人们已提出了许多种评价指标和方法，有单指标，也有综合指标，有打分法，也有层次分析法等。由于我国地质条件复杂、煤矿条件千差万别，目前具体的各种指标和方法都有一定的不
26、足之处，因此，如何正确地评价矿井通风系统是人们不断研究发展的一个重要方向。矿井通风系统就根据矿井设计生产能力、煤层赋存条件、表土层厚度、井田面积、地温、矿井瓦斯涌出量、煤层自燃倾向性等条件，在确保矿井案例、兼顾中、后期生产需要的前提下，通过对多个可行的矿井通风系统方案进行技术经济比较后确定。近年来，通过国内矿井通风学者不断研究，矿井通风系统的外部优化方法(方案优选法)取得了很多的成果，提出了许多不同的方案优选评价方法，概括起来大致可以分为以下三类：（1）单指标法，即用单一的指标来评价矿井通风系统方案的优势。如用单一的矿井等积孔的大小来评判矿井通风系统通风状况的好坏；（2）多目标列举法，是将通风
27、系统中的若干个影响因素列举出来，结合分析出矿井通风系统的运行状况好坏；（3）综合评判法，是目前评价矿井通风系统方案好坏的主要方法。它综合矿井通风系统的各个指标，对各个指标的影响程度大小进行分析，从而在很大程度上全面反映出矿井通风系统方案的优劣，综合进行评价。这类方法包括：矿井通风系统多目标属性决策法、加权相对距离值最小法、耗散结构理论法、矿井通风系统模糊优化法、层次分析法、最高积分法、矿井通风系统方案灰色关联决策法、应用遗传算法进行矿井通风系统方案优化法。1985 年，徐瑞龙教授应用图论和可靠性理论相结合的方法，讨论了矿井通风网络可靠度计算，为矿井通风系统可靠性分析提供了一种定量差别的途径5。
28、1987河南理工大学硕士学位论文 4 年，赵永生教授提出了用逐步线性回归分析法判断对网络影响最大的分支6。1990年王海桥教授以可修系统理论为基础，分析了矿井通风系统的管理、评价矿井通风系统的好坏提供了新的依据7。1995 年，马云东教授从矿井通风系统整体出发，详细分析了矿井通风构筑物、主通风机和矿井通风网络各分支之间的相互联系和影响，给出了矿井通风系统及其各单元的定义，建立了矿井通风系统的可靠性分析理论模型8。2000 年，兖州矿业集团夏孝明在矿井通风系统方案优化中给出了一整套完整的评价指标和优化方法，总结出一套完整的矿井通风系统评价体系9。2002 年武卫东，景国勋等应用层次分析法对所建立
29、的平顶山煤业集团六矿通风系统方案优化指标体系，为优化奠定了可靠的基础，且为指标权重的确定提供了一种科学方法10。2004 年蔡卫运用层次分析法研究了通风系统的影响因素，建立了矿井通风系统安全性评价体系，用矿井通风系统安全度来定量描述矿井通风系统的安全性11。2005 年程磊，杨运良，熊亚选建立一个科学合理的评价指标体系。对其进行系统分析，能全面的反映出矿井通风系统的状况，在实际中推广应用12。我国通风界专家、学者和广大技术人员通过在这几十年里的不断研究和实践，不断总结经验，在矿井通风系统优化方面取得了不少实用的成果，归纳起来主要包括如下几类：矿井通风系统阻力研究、矿井通风系统主通风机工况优化研
30、究、矿井通风系统风量调节研究、矿井通风系统安全可靠性研究13。矿井通风系统评价与优化是一个多目标、多层次的模糊综合评价问题。目前看来，其主流方法为：按目标分层，用模糊优选理论对矿井通风系统设计方案进行优选，层次分析时允许评价指标重叠，从而便于确定目标与评价指标的权重14。运用模糊数学原理，建立矿井通风状况评价指标体系及各指标评价隶属度，采用这种模糊综合评价方法，可以使矿井通风状况的综合评价结果尽量客观，从而取得较好的实际效果15。目前通风系统评价方法存在的问题（1）单指标法：只反映通风系统的某个侧面，不能对系统作出全面、合理的评价，且我国煤矿众多，条件千差万别，指标值差别很大，可比性差。（2）
31、模糊综合评判法，对确立的评价因素，一般是采用专家打分法，一般很难反映矿井通风系统中各因素的真实性，如抗灾能力到底如何。（3）层次分析法：在确立各因素的重要性时，也存在专家意见问题，且层次分析法的结果只是给出各因素对目前的重要性的排序，而不能说明某矿通风系统1 绪论 5 中某一个方面通风工作搞的如何。矿井中的瓦斯、煤尘、煤炭自燃等事故发生的原因是多方面的，其中矿井通风系统不完善是导致这些事故发生的主要因素。因些要减少这些事故的发生，必须提高矿井通风系统对这些事故的防灾、抗灾能力，即要提高矿井通风系统的安全性。1.4 主要内容及技术路线 1.4.1 本文主要内容 本文从矿井通风系统入手，通过对通风
32、系统的评价体系的建立，选出能全面反应出矿井通风系统整体的各项指标，建立评价模型。对其每项指标建立分级隶属函数，得出其合理的评价量。再用层次分析法将七项指标分别从安全性，可靠性，经济性三个方面的分析，得出其不同的权重值，带入求出其得分。并以义煤集团跃进煤矿为案例，对其进行评价分析，并对其系统进行优化。对其例出的优化方案进行分析，运用建立的评价体系对其进行评价，找出最优结果，提出意见并总结。1.4.2 技术路线图 本文的技术路线图如下所示：河南理工大学硕士学位论文 6 图图 1-1 本文技术路线图本文技术路线图 Fig.1-1 The technical route of this text 建立
33、矿井通风系统三级评价体系 对评价体系每一项指标进行量化分析 对评价体系每一项量化指标建立隶属函数 运用层次分析法对每一项指标进行权重计算并分析结果 计算矿井多目标综合评价值 应用优化案例 选出最优方案并分析 2 矿井通风系统评价体系的建立 7 2 矿井通风系统评价体系的建立 本文从矿井通风系统的定义入手，结合矿井通风系统安全性、技术性、经济性三个方面的要求，从矿井通风动力、通风网络、通风设施、通风质量、防灾抗灾能力、通风科学管理、通风经济合理七个方面来研讨并把每一项再细化为若干小项对其进行三级评价，共确定了 33 个矿井通风系统评价指标。对每一项指标的评价标准分别列出，并对每一项评价指标综合分
34、析，兼顾影响其状态的各个方面从而给出评价标准，能全面、系统地反映矿井通风系统，建立了一套系统、科学的矿井通风系统评价指标体系。2.1 矿井通风系统一级指标 矿井通风系统安全评价不同于目前煤矿安全评比，也不同于安全检查，目前的检查评比注重矿井通风的管理。矿井通风系统的综合安全评价应考虑到系统的各个方面，客观反映出评价矿井通风系统结构本身的安全状况。因此，确定的评价指标应能系统地反映矿井通风系统结构安全和各方面的综合质量。综合前人的分析可看出，矿井通风系统是一个模糊的但有一定内在规律的综合体系。故本文把目标层概分为安全可靠、技术可行、经济合理三个方面16，再就矿井通风的整体细化为以下七个方面的指标
35、进行分析。从全面考虑，对矿井通风系统组成结构进行了全面系统的分析，参考规程的有关规定和各方面文献资料的考阅和现场技术人员的经验，并本着主从相关原则、回归关系原则和方向性原则，本文选取了矿井通风动力，矿井通风网络，矿井通风设施，矿井通风质量，矿井防灾减灾能力，矿井通风科学管理，矿井通风经济合理七个方面的二级指标进行分析。河南理工大学硕士学位论文 8 图图 2-1 矿井通风系统评价体系指标图矿井通风系统评价体系指标图 Fig.2-1 The evaluation system indicatrix of mine ventilation system 2.2 矿井通风系统二级指标 在一级指标体系中
36、选取了矿井通风动力，矿井通风网络，矿井通风设施，矿井通风质量，矿井防灾减灾能力，矿井通风科学管理，矿井通风经济合理七个方面。笔者通过参阅前人对矿井通风系统二级指标体系的建立的大量资料的基础上，从上文建立的七个准则层一级指标细分为 33 个二级指标，对其每一项都找出其所属的量化评价标准17，建立隶属函数。矿井通风系统评价体系及底层评价项目确立后，其首要问题是如何能正确、合理、客观地对底层评价项目指标进行定量化。本着能够确切地反映系统综合状况，具有独立明确的物理意义，避免用多种指标同时反映一个特征，符合科学、可靠、可比、简明和可操作性的原则，将每一项指标的物理意义及隶属量化函数分别建立，并给出其评
37、价值。矿井通风动力 B1 矿井通风网络B2 矿井通风设施 B3 矿井通风质量B4 矿井防灾减灾能力 B5 矿井通风科学管理 B6 矿井通风经济合理 B7 矿井通风系统综合指标体系 2 矿井通风系统评价体系的建立 9 图图 2-1 矿井通风系统三级评价指标图矿井通风系统三级评价指标图 Fig.2-1 The evaluation system indicatrix of mine ventilation system 矿井通风风压 C11 矿井通风等积孔 C12 主要通风机运转稳定性 C13 矿井外部漏风率 C14 主要通风机工况点合理 C15 矿井通风网络复杂程度 C21 用风段串联通风发生率
38、 C22 矿井通风网路独立回路数 C23 矿井通风网路角联分支数 C24 用风区风流不稳定角联分支数 C25 矿井通风调节设施合格率 C31 局部通风设备与设施可靠性 C32 矿井通风调节设施合理性 C33 矿井风网调节合理度 C34 矿井通风阻力分布合理性 C35 矿井风量供需比 C41 用风地点风量合格率 C42 用风地点风质合格率 C43 用风地点温度合格率 C44 用风地点粉尘浓度合格率 C45 通风方式与方法可靠性 C51 矿井防灾设施安装达标率 C52 矿井反风系统灵活度 C53 矿井反风系统可靠度 C54 通风系统防火阻燃系统合格度 C55 避灾路线通行时间 C56 矿井通风监测
39、监控合格率 C61 井下通风安全状况检测率 C62 通风设备质量合格率 C63 通风系统规章制度执行达标率 C64 矿井吨煤主要通风机电费 C71 主要通风机综合效率 C72 矿井有效风量率 C73 矿井通风动力B1 矿井通风网络B2 矿井通风设施B3 矿井通风质量B4 矿井通风防灾减灾能力B5 矿井通风科学管理B6 矿井通风经济合理B7 矿井通风系统二级综合指标体系 河南理工大学硕士学位论文 10 在矿井安全生产中有很多复杂的过程，由于它们所具有的非线性和时变性特点，以及对它们的状态进行测量存在许多困难等原因，难以对它们实现自动控制与防范。因此，在矿井生产中有许多模糊性因素，这些因素往往在矿
40、井通风系统中对其影响显著并有很强的模糊概念，从而使传统的数学方法在这些方面很难发挥效力，而模糊数学恰为处理这类模糊事物提供了合适的数学手段。1965 年，美国著名数学家查德（Lotfi Asker Zadeh）在模糊集合一文中提出了处理模糊事物的新的数学概念“模糊集合”，并引入”隶属函数”概念来描述模糊与不模糊之间的过渡，它标志着模糊数学的诞生，现已广泛应用于科学技术和实际生活中18。由于人们对事物的描述、看法、评价在很大程度上都是模糊的，因此，它在教育学、工程、自然灾害预测预报、人工智能等许多领域得到了广泛应用。它的指导思想是，尽可能全面地考虑影响因素，同时也考虑这些因素所起作用的大小(即权
41、重)，通过模糊合成关系得出明确的结论。此方法的特点就是按块块考虑问题，而不是按条条考虑问题。模糊数学应用于研究和处理模糊现象。在这里，模糊概念本身具有明确的物理意义，但概念的外延是模糊的，我们就称之为模糊概念。为了能定量的表达模糊概念，不能简单用一个字“是”和“否”来分析，应用一个定量的标准来反映它隶属于该模糊概念的程度。在模糊数学中，我们就引入“0”和“1”来定义“是”和“否”，用01 之间的数来反映论域中元素隶属于模糊集合的程度，而隶属函数的作用就在于确定这个因素的定量值。结合矿井通风系统以上的综合指标，把每一个指标的隶属度得出一个定量的分析结论19。如何正确地建立各个因素对应的隶属函数，
42、是利用模糊数学原理准确的定量分析矿井通风系统不同因素模糊性的基础。故可采用如下正规简单的模糊隶属函数的构造方法来建立。在矿井通风系统中，我们把某一项指标的论域 X 限制在实数域内，一个正规简单模糊子集 A 应含有且只含有一点 x0使 A（x0）=1，x0可看作模糊集 A 的“核心”，我们还可以根据经验来判定在 x0的左右分别有一个点 x1，x2，使得 A（x1），A（x2）=0，且当 x1x0。x1，x2实际上给出的是模糊集的台。一种自然的想法是用线性插值法来得到其余各点的隶属函数。于是可以设想 A（x）具有如下的形式：2 矿井通风系统评价体系的建立 11 110102(),(x)(),0,A
43、f xxxxf xxxx其他 （2-1）式中 f1(x)，f2(x)为线性函数并满足 f1(x1)=f2(x2)=0，f1(x0)=f2(x0)=1。参考上述正规简单模糊集的构造方法，结合本文选取矿井通风系统评价指标，建立评价指标的分级隶属函数如下文所述。2.2.1 矿井通风动力 2.2.1.1 矿井通风风压 矿井风压是反映矿井通风系统的重要指标。矿井风压越高，矿井通风管理难度越大，漏风的几率和风量也越大，从而导致煤炭自燃和瓦斯积聚的可能性也越高。根据现场的经验，按照类比的方法确定矿井风压的阈值20为：0.420174.95fhQ （2-2）式中：0h 矿井风压的阈值，Pa；fQ通风机的风量，
44、31ms。故，可例出矿井风压的白化函数如下所示：000001102HhHhfHhhHh （2-3）式中：H矿井的实际风压值，Pa；0h 矿井风压的阈值，Pa。2.2.1.2 矿井通风等积孔 在矿井通风系统中，地面大气从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力mRh，就是井巷通风阻力的叠加原则。已知矿井通风总阻力mRh和矿井总风量 Q,即可求得矿井总风阻mR:m2RmhRQ （2-4）式中：mR 矿井总风阻，28Nsm；mRh矿井总阻力，Pa；Q矿井总风量，31ms。mR 可以作为反映矿井通风难易程度的一个指标，但不够形象且单位又复杂。因此常用矿井等
45、积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。河南理工大学硕士学位论文 12 矿井等积孔 A 是 1873 年缪尔格（Murgue）根据当时的生产情况提出的21，一直没用至今。计算式如下：A=1.191.19/mRmQRh （2-5）式中：Q矿井总风量，31ms；mRh矿井总阻力，Pa；mR 矿井总风阻，28Nsm。对于单风机工作的矿井，其通风难易程度划分如下表 2-1 所示：表表 2-1 矿井通风难易程度分级矿井通风难易程度分级 Table 2-1 Classification of the degree of difficulty of mine ventilation 矿井能风难易程度 矿井总风阻
46、 Rm/28Nsm 等积孔 A/m2 容易 0.355 2 中等 0.3551.420 12 困难 1.420 1 此指标适应于单风机通风的矿井，目前还在沿用。根据有关通风质量标准所定的矿井风量与阻力的合理关系，进行矿井通风等积孔与矿井风量的回归分析，从而建立其相关的函数式22，可表示如下：0.8340.791minmax0.050.07AQAAQ （2-6）式中：A矿井等积孔，m2；minA矿井等积孔合理的最小值，m2；maxA矿井等积孔合理的最大值，m2；Q矿井总风量，m3s-1。由上式可得下表 2-2：表表 2-2 矿井等积孔合理范围取值表矿井等积孔合理范围取值表 Table 2-2 T
47、he mine equivalent orifice reasonable scope value Q/31minm 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 10000 minA/m2 0.52 0.93 1.31 1.66 2 2.33 2.65 3.56 maxA/m2 0.65 1.12 1.55 1.94 2.31 2.67 3.02 4 故矿井通风等积孔分级隶属函数，可用下列公式，maxminmaxmin110AAfAAAAA （2-7）式中：A矿井等积孔，m2；minA矿井等积孔合理的最小值，m2；2 矿井通风系统评价体系的建立 13 maxA矿井等积
48、孔合理的最大值，m2；2.2.1.3 主要通风机运转稳定性 矿井主要通风机是矿井安全生产的生命线，担负着整个矿井或一翼的通风，其稳定性好坏直接影响着矿井的安全生产和职工的生命安全。本文主要从三个方面评价其稳定性：（1）是否配备两台风机，其中一台运行，一台备用。且备用风机是否无故障，能按时检修，做到能在一台风机出现故障的三分钟内开启备用风机，及时送风。1d100fd，（2-8）式中：d备用风机数。（2）主扇喘振发生率（次/年）。评价标准是指轴流式主扇在矿井正常生产期间，平均一年的时间里发生喘振的次数。1d000fd，（2-9）式中：d主扇喘振发生率，次/年。（3）主扇无计划停运次数。评价标准是按
49、在一年的正常生产期间在用风机实际发生无计划停运的次数。1d000fd，（2-10）式中：d主扇无计划停运次数，次。以上三项因素属于条件事件，任意一项为 0，则定义主通风机运转稳定性为 0。2.2.1.4 矿井外部漏风率 矿井外部漏风率是指矿井外部漏风量 QL与各台主要通风机排风量总和之比。其计算公式如下：100%fitiLfiQQPQ （2-11）式中：PL矿井外部漏风率，%；Qfi分别为第 i 台主要通风机的实测风量，m3/s；Qti分别为第 i 号回风井的实测风量，m3/s。其评价标准以漏风率的百分率得出，煤矿安全规程规定：装有通风机的井口必须封闭严密，外部漏风率在无提升设备时不得超过 5
50、%，有提升设备时不得超过 15%23。此指标值越小越好，属下限效果测度，故可列出如下公式：河南理工大学硕士学位论文 14 P55PP55LLLf0，（2-12）式中：PL矿井外部漏风率，%；2.2.1.5 主要通风机工况点合理 为使通风机能安全稳定、经济高效地运行，它在整个运行期间，其运行工况点应在合理的范围中。从安全稳定的角度出发，其工况点必须位于驼峰点的右下侧、单调下降的直线段上，一般限定实际工作风压不得超过最高风压的 90%。而目前矿井主要通风机大多使用轴流式通风机，其性能曲线存在马鞍形区段，为了防止因采掘工作面的增减和转移、瓦斯涌出量等自然条件变化和风机本身性能变化（如磨损）而改变响，