某铅锌矿通风系统阻力测定分析与可靠性评价

王孝东，陈书鹏，蒋梦娇，童学林，符浩南

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

矿井通风阻力是衡量矿井通风能力的主要指标之一，也是进行矿井通风设计和矿井通风管理的主要依据之一[1]。研究通风系统的可靠性就是为了能够尽早地发现运行过程中潜藏的事故隐患，能在将来对通风系统进行维修和改造时提供相关科学技术依据。王振财[2]提出了包含调节风窗的一般型分风网络优化解算法，即将网络分成三个主要区段：进风段、用风段和回风段；冯彬等[3]开发了3DsimOpt software软件，利用该软件对矿井的进、用、回三区段进行了通风阻力与功耗情况分析；徐瑞龙[4]将图论和可靠性理论相结合，定义了矿井通风网络可靠度的含义，讨论了矿井通风网络可靠度的计算；毕娟等[5]采用不同的评价方法对通风系统可靠性进行研究；王洪德等[6]给出了通风系统及其各单元可靠性定义，并建立矿井通风系统可靠性分析数字模型；FONG等[7]1987年定义了最小路集概念，并提出了改进的通风网络可靠度不交化算法。

本文分别对新建回风井投入使用前后的通风系统进行阻力测算，分析新建回风井投入使用后阻力变化规律以及阻力分布情况。同时基于网络流理论，针对现阶段矿井通风系统，分别计算风路、风网可靠度，对通风网络进行可靠性评价。

1 矿井通风阻力测算

云南某铅锌矿开采深度超过1 600 m，由上部老系统和深部新系统构成，属超深井通风系统，矿山采用平硐、竖井、斜井联合开拓方式，两翼对角式的通风方式，90 m一中段，15 m一分段。随着上部老系统硫化矿产量减少，且开采工作不断向深部延伸，为满足深部生产用风需求，矿山新建一条专用回风井，并于2021年5月投入使用。新增回风井后，该回风井作为主要回风井，原有老系统回风井辅助回风，通风系统发生改变。现阶段通风网络系统图见图1。

图1 现阶段通风网络系统图Fig.1 Diagram of the ventilation network system at this stage

1.1 通风阻力影响因素分析

对矿山所处地区一年内气温、气压进行整理汇总，同时根据四季通风参数实测数据计算自然风压，其气温、气压、自然风压变化规律见表1。

表1 四季通风阻力影响因素统计表Table 1 Statistics of factors affecting ventilation resistance in four seasons

由表1可知，春、夏两季平均气温波动幅度最大，约为4 ℃。夏季平均气压波动幅度最大，约为8.5 hPa。冬季自然风压最大，约为193.69 Pa，夏季最小，约为45.17 Pa，波动幅度148.52 Pa。四季自然风压作用方向均为正，即自然风压方向与风机作用方向一致，有利于矿井通风。

综合比较，夏季气温、气压波动幅度均为最大，同时自然风压最小，气候条件不稳定，通风困难。矿井优化改造应选择通风困难时期通风情况作为设计依据，因此选择夏季进行通风参数测定以利于后续优化工作开展。

1.2 通风阻力测算

矿井通风系统由风路、通风设施及构筑物等组成，并且具备多环节、时变、非线性等特点[8]。为研究新建回风井投入使用前后，矿井通风阻力变化规律及阻力分布情况，分别筛选出新建回风井投入使用前后最大阻力路线(图2)。

图2 通风系统最大阻力路线Fig.2 Maximum resistance route of the ventilation system

根据上述最大阻力路线结合2020年夏季和2021年夏季实测通风参数计算出两条线路累计通风阻力，进而得出全矿通风阻力，见表2。

表2 气压计法测定通风阻力汇总表Table 2 Summary table of ventilation resistance measurement by barometer method

通过对两条最大阻力线路通风阻力计算可知，原系统通风阻力较高，为3 027.73 Pa，新建回风井投入使用后，现阶段通风系统阻力降低354.24 Pa，为2 673.49 Pa。

由通风系统实测通风阻力与系统理论通风阻力计算出阻力测算相对误差，见表3。

表3 误差分析表Table 3 Error analysis table

根据《矿井通风阻力测定方法》(MT/T440-2008)相关规定，两条最大阻力线路阻力测定误差范围均小于≤5%，即本次测定数据有效，计算结果可靠。

由气压计法测算数据，绘制出累计通风阻力分布图，见图3。

图3 累计通风阻力分布图Fig.3 Distribution of cumulative ventilation resistance

分析图3，线路L2巷道累计长度2 600 m和3 200 m位置附近阻力增量很大，其主要原因是由于在测点16回风井井底内部设有风窗，致使测段15-16斜坡道实测风速较低；线路L1测段3-6和线路L2测段13-16均为用风段，生产过程中该区段作业人员和设备较多。同时这两测段均为折返式斜坡道，局部阻力较大，进而导致这两段通风阻力较大。

针对新系统，应及时对巷道内堆积物进行清理，同时对测段13-14分段斜坡道转角进行优化以达到降阻目的。

1.3 通风阻力分析

在矿井通风系统中，进风段、用风段和回风段三段的阻力比例常作为衡量系统通风质量优劣的重要标志之一，一般情况下这三段的阻力比例关系应为：25%∶45%∶30%。

将最大通风阻力路线划分为进风段、用风段和回风段三段。线路L1测点1-2为进风段、 3-6为用风段、7-10为回风段；线路L2测点11-12为进风段、13-16为用风段、17-20为回风段。各区段阻力分布情况见表4。

表4 最大阻力线路阻力分布表Table 4 Resistance distribution table of the maximum resistance line

通过对两条最大阻力线路上进风、用风和回风三段通风阻力计算，得出“三段”通风阻力占全矿总阻力的百分比的比例关系图，见图4。

图4 通风阻力分布图Fig.4 Distribution of ventilation resistance

由图4可知，L1进风段、用风段和回风段的风阻占全矿总阻力百分比的比例关系分别是：17.66%∶54.70%∶27.64%∶L2为：25.68%∶48.40%∶25.92%。

“进风、用风、回风” 三段通风阻力分布中，用风段阻力占全矿总阻力的百分比略高，回风段阻力占全矿总阻力的百分比略低。新建回风井投入使用后，用风段、回风段阻力占比减小，进风段阻力占比随之增大，经比较L2“三段”通风阻力分布较为合理。

2 风路可靠度

本文可靠度计算只针对现阶段通风系统主要通风线路，因此应对通风网络图进行简化，即在通风网络系统图中选取主要分支风路。测段和节点主要选取井口、井底、斜坡道口等风流波动范围大的风流汇集处。经线路梳理和节点选取后筛选出14个节点和17条分支风路，绘制可靠度计算线路图，见图5。

图5 可靠度计算线路图Fig.5 Reliability calculation circuit diagram

综合考虑通风构筑物、风阻、有毒有害气体及粉尘等约束因素，当系统正常运转时，通风网络中第i条风路风量值保持在正常范围[qi1，qi2]内的概率即为该风路可靠度[8]，记作Ri(qi)。巷道的最低需风量为实际需风量除以1.1；最高风量为《金属非金属地下矿山通风技术规范通风系统》(AQ2013.1-2008)所规定的井巷断面平均最高风速乘以巷道断面面积的风量[8]。通过可靠性工程理论可得出矿井通风网络系统可靠度服从正态分布。

计算出风路风量的边界范围后，依据公式可计算出各巷道的风路可靠度，其中公式Ri的取值可通过标准正态分布表得出。

首先，将标准正态分布的形式转换为：

(1)

因而，风量在[qi1，qi2]范围内的概率为：

(2)

(3)

通过标准正态分布表，确定Λ(ti1)和Λ(ti2)的值。

最终可得风路可靠度为：Ri(qi)=Φ(qi2)-Φ(qi1)。

分支风路可靠度计算结果见表5。

表5 各井巷风量分配及可靠度统计表Table 5 Air volume distribution and reliability statistics of each shaft

由图6可知，19条分支风路中有11条可靠度在0.9～1为可靠，5条可靠度在0.8～0.899为较可靠，3条可靠度在0.6～0.799为一般可靠，可靠度较低的三条分支风路分别为：e8可靠度为0.767、e15可靠度为0.732和e17可靠度为0.712。分析可靠度较低三段，发现其存在共性问题为这三段实测风量都略小于最小需风量，需通过增设局部扇风机，提高风量，进而提高可靠度。

图6 分支风路可靠度统计图Fig.6 Reliability statistics of branch air routes

3 通风网络可靠度

矿井通风网络可靠度是基于网络流理论，先计算各个分支风路的可靠度，后利用矩阵形式对通风网络系统图进行描述，通过联络矩阵法选取最小路集，经不交化处理后求出通风网络可靠度[9]。

3.1 通风网络系统最小路集的确定

在通风网络系统G中，连接风流输入节点v1与输出节点v2的分支集合称为通风网络系统的一个路集。在某一路集中，如任意去除其中的一个分支就无法再次构成路集，那么这样的路集就可以称为最小路集[9]。本文运用联络矩阵法对取最小路集进行求解。

3.2 基于联络矩阵法的可靠度计算

由图5结合网络流理论，得通风网络的关联矩阵C：

由于1、3号节点进风，13、14号节点回风，因此，计算最小路集时计算节点2至12即可。对矩阵C计算其乘方得到Cn的第一行、第14列的数值，见表6。

表6 矩阵C乘方数值统计表Table 6 Numerical statistics table of matrix C power

由表6可知，通风网络存在8条最小路集，图论理论中最小路集数量=分支数-节点数+2，即存在7条最小路集，应用线性代数理论选择最大线性无关的最小路集。结果如下：

S1=e2e6e11e16

S2=e3e7e11e16

S3=e3e8e12e17

S4=e3e8e13e17

S5=e2e5e9e15

S6=e2e5e10e15

S7=e2e6e11e14e15

不交化处理

S1=e2e6e11e16

×e2e5e10e15

通风网络最终的不交化最小路集如下：

由通风网络最终的不交化最小路集和表5得出通风网络的可靠度RS为0.881。整体可靠度较高，风量分配合理。

4 结论

1)通过对云南某超深井矿山一年内四季气温、气压以及自然风压的统计和计算得出夏季为通风困难时期。

2)分别选择对2020年夏季原有通风系统和2021年夏季新建回风井投入使用后的现阶段通风系统进行阻力测算分析，得出新建回风井投入使用后全矿通风阻力降低354.24 Pa。在能够满足深部通风系统生产用风需求的前提下，全矿通风阻力进一步降低，通风能耗降低，利于矿山未来发展。

3)现阶段通风系统“进风、用风、回风”三段阻力比例关系为25.68%∶48.40%∶25.92%，阻力分配较为合理。需进一步加强通风系统管理，对“三段”通风阻力进行合理调配。

4)基于网络流理论，结合各分支风路可靠度计算出全矿通风网络可靠度为0.881，网络系统整体可靠度较高。