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复杂通风网络角联风流安全稳定性评价与控制

文档作者: 郭建伟 陈开岩 司俊鸿 李向东 宋凯        文档来源: 1.中国矿业大学安全工程学院 2.中平能化集团能源化工研究院 3.平顶山天安煤业股份有限公司五矿
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2010年10月 矿业安全与环保 第37卷第5期 复杂通风网络角联风流安全 稳定性评价与控制 郭建伟 ,陈开岩 ,司俊鸿 ,李向东 ,宋 凯 (1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008;2.中平能化集团能源化工研究院,河南平顶山467000; 3.平顶山天安煤业股份有限公司五矿,河南平顶山467000) 摘要:针对复杂通风网络中角联分支风流安全稳定性问题,从影响角联风流稳定性的内因、外因 以及安全性因素方面建立了评价指标体系,运用层次分析法确定了各指标权重,提出角联风流安全稳定 性的模糊优选评价法。从提高角联分支风流的安全稳定性出发,提出了在满足用风地点需风量的条件 下,优先选择在角联分支的可调正负导线敏感风路上调节的方法。以平煤五矿多风井通风网络为例,得 出了所有角联分支风流安全稳定性的评价结果,并对其中最差的胶带斜巷,通过合理利用原有巷道,改 变其风流方向和风量,使其达到风向上行、风量增大的目的。 关键词:复杂通风网络;角联分支;安全稳定性;评价;控制 中图分类号:TD72 文献标志码:A 文章编号:1008—4495(2010)05—0035—04 角联分支是位于通风网络的两条有向通路之 间,且不连接或跨越两通路的任何公共节点的分支, 相当于两通路问的桥梁。当角联分支受到较小的干 扰后,其风向发生改变,则称该角联分支的风流不稳 定。通风网络中不同的角联风网结构和风阻比例, 其风流稳定性和可靠性不同,单靠人的经验难以判 断风网风流的稳定性和可靠性,更难以提出有效的 控制措施。 国外对于角联的研究较早,1925年波兰学者 H.Czeczott首先提出角联的概念 ;之后,人们对角 联分支的风流特性进行了大量的研究,提出了复杂 通风网络角联分支的自动识别方法 ,运用通风网 络风流流动基本方程推导了多种典型角联网络的风 向判别式,并由此定义了角联风向稳定性系数 j, 但对于推导任意复杂网络中的角联风向判别式是极 其困难的,故应用受到极大的限制。为了分析影响 角联风流稳定性的关键因素,运用敏感度分析方法, 寻找影响角联风流稳定性的敏感分支 ;由于风 流的稳定性主要体现在风流的强弱上,因此,又提出 收稿日期:2010—02—08;2010—06—30修订 作者简介:郭建伟(1964一),男,河南鹿邑人,博士研究 生,教授级高级工程师,现为中平能化集团能源化工研究院开 采研究所所长,研究方向为矿山安全。E—mail:guojianweipm@ 163.eomo 了用风流功率(强度)作为评价风流稳定性的指 标 J。上述方法均不能综合体现角联风流的稳定性 和安全性。笔者在分析角联风流稳定性与安全性的 基础上,建立相应的评价指标体系,将模糊优选 法 运用于角联风流安全稳定性的综合评价,提 出了治理角联分支无风或微风的控制方法,并在平 煤五矿进行了现场应用。 1 角联分支安全稳定性评价 1.1 评价准则 为了合理评价角联分支风流的安全稳定性,提 出如下的评价准则: 1)内因决定原则使用风流功率(风量×压 差)评价其风流的稳定性。 2)外因促进原则 根据角联分支所属敏感分 支风阻变化难易程度评价其风流的稳定性。 3)安全性原则 根据角联分支所处位置、长 度、风速和温度对瓦斯积聚及其影响的范围大小评 价其安全性。 1.2 评价指标体系 根据角联安全稳定性评价准则,并遵循指标 科学性、可操作性和独立性原则,建立通风网络 角联分支风流安全稳定性评价指标体系,如图1 所示。 · 35 · 2010年1O月 矿业安全与环保 第37卷第5期 角联分支稳定性和安全性 稳定性 安全性口 内因C.I l外因C2 角联风速D ll角联( 长度D II角联位置D ll角联温度D W5=0.233 9)lJ(14)6 0,233 9)lJ(wT=0.o91 4)I I(ws=0.040 8) 风流功率D l l巷道风阻变化的敏感分I恰风门的敏感分支敏ll含运输设备的敏感分支 一(w =0.24)‘l 1l支敏感度绝对值之和 ll感度绝对值之和 lI敏感度绝对值之和D “ =o.1Ol 9) II ( =n041 3) II : 016 8) 。 图1 角联分支风流安全稳定性评价指标体系层次结构模型 D ,D ,D ,D 可通过实测或者风网模拟得出; , 指角联分支有无瓦斯积聚的危险性大小,其取值 见表1。 表1 D 指标取值 影响角联分支风流稳定性的外因指标由其敏感 性分支风阻变化的可能性大小得出,包括D ,D , D ,反映了实际矿井中敏感分支常见的3种风阻变 化形式对角联分支风流稳定性的综合影响。 分支敏感矩阵的计算模型如下 5 J: △= =CT dQy = 一 ( )c,l CTQ CTQ (1) 式中:C为网络基本回路矩阵; 为分支风阻列向量; Q为分支风量列向量;Q 为余树分支风量列向量;下 标diag表示由列向量构成的对角矩阵;f为风网稳 定状态方程。 根据上述模型,在通风网络解算程序的基础之 上,编制了分支敏感矩阵的计算程序。 1.3 指标权重的确定 引起通风网络风流不稳定的因素指标较多,各 因素指标对风流稳定性和安全性的影响程度存在差 异,故用指标权重来表示。在充分征求专家意见的基 础上,建立了如图1所示的评价指标体系层次结构 模型,其中包含4个层次、8项指标,按1~9比率法 构造出各层次上的判断矩阵,采用幂法求解判断矩 阵的特征向量及其最大特征根,经层次分析法程序 计算,得出了最底层8项指标的权重向量W =(71) , ⋯ , ),如图1所示。各层次随机一致性比率CR均 小于0.1,判断矩阵具有满意的一致性。 . 36 · 1.4 模糊优选综合评价模型 设 是由/7,条角联分支对应于m个评价指标组 成的集合, 为集合 中的一个元素,表示第 条角 联分支对应的第 个指标值。引入相对隶属度消除量 纲不同所带来的不可公度性。 第1类指标属性值越大越好,其隶属度为 :一—max { 字 (2) l ,⋯ , }一min{ I,⋯ , } 第2类指标属性值越小越好,其隶属度为 : — r 竺坐辱 (3) max{ 1,⋯ , }一rain{ “,⋯ , } 、 式中:i=1,2,⋯,m =1,2,⋯,//,;max{}和min{} 分别表示取集合中元素的最大值和最小值。确定出 相对隶属度矩阵R ,表示第 条角联分支对第i个评 价指标的优属度。 标准优等角联的m个指标隶属度是全体角联相 应指标隶属度的最大值,其向量表达式为 一 , n , ⋯ , r面) =(gl’ ⋯ ,g ) (4) 同理,标准劣等角联隶属度的向量表达式为 B =( rlJ, , , ⋯ , ,八lr叫) =(6-,bz,⋯,6 ) (5) 对于通风网络中的12条角联分支,定义模糊分 划矩阵: In】 ㈩ M21 22 ⋯ M2n J 2 满足约束条件: 0 ≤ M ≤ 1,k = 1,2; : 1,2,⋯ ,n 2 Σ“ =1,J.=1,2,⋯,n k=1 ΣⅡ >0, =1,2 i=1 系统中第 条角联分支以隶属度uu隶属于优等 角联分支,同时,以隶属度u2,=1一u,隶属于劣等角 联分支。则第 条角联分支的权异优度D( , )= 2010年10月 矿业安全与环保 第37卷第5期 “u√ [ ( 一 )] ;第 条角联分支的权异劣度 D( , ) “ √ [ ( 一6 )] 。设n条角联分 min F(U )=Σ{ED(R一~, )]。+[D( , )] } 令 :0,可得出最优模糊分划矩阵元素: [ + ] :=Jf1+ 土 —————一l ~ (8), 【 Σ w r —b1)] J 2 角联分支风流稳定性优化控制 1)在不影响用风地点供风量的前提下,优先选 择在角联分支的可调负导线敏感风路上增阻,在对 被调系统总阻力影响较小的情况下,使关键角联分 支风量得到明显增加。 2)设法给关键角联分支创造1条可控回风通 道,使其形成独立回风。在不影响用风地点供风量 的前提下,优先选择在角联分支的可调正导线敏感 风路上减阻,使关键角联分支风量得到明显增加。 3 实例分析 3.1 模糊优选综合评价法的应用 在平煤五矿通风网络图中存在34条角联分支, 且均处在进风侧。根据表2中的各指标属性值,按 式(2)或式(3)进行无量纲处理,其中,风流功率 D 、角联位置D 和风速D 取第1类指标属性值,其 他取第2类指标属性值,再按模糊优选综合评价法 模型进行计算,得出各角联分支安全稳定性排序,部 分结果见表2,隶属度u 离0越近,角联分支的安全 稳定性越差。通过对 较小的分支风流控制,可以 提高通风网络风流的安全稳定性。 表2 角联分支安全稳定性评价参数 3.2 角联分支风流稳定性优化控制的应用 以安全稳定性最差的己三胶带暗斜——161角联 分支为例,说明所提出的优化控制方法。161分支是 连接副井和北山风井2个进风井的联络巷,长度为 1 057 m,风流方向为下行,阻力为15.9 Pa。为确保此 巷道风流的安全稳定性,提出下列2种控制方案。 方案一,增强161分支下行风强度。如图2所 示,在负导线117分支上增阻,并在满足工作面需风 量的前提下,使161分支的风量增加到8.137 m /s, 如表3所示,保证了其下行风的风流稳定性。 方案二如图3所示,使117分支的风流方向由 15节点流向6节点,与180工作面回风并联进入己 三回风下山,调节136分支(180风巷出煤道),分别 将117分支风量定为20,30,35 m /s,模拟解算出主 · 37 · 2010年10月 矿业安全与环保 第37卷第5期 要巷道风流参数见表3。当117分支风量定为 30 m /s,可使胶带暗斜161分支的风向由下行风变 为上行风,风量达到8.15 m。/s,并且能够保证180 工作面的供风量。 图2 控制方案一简化示意图 图3 控制方案二简化示意图 从提高己三胶带暗斜通风稳定性和防火安全性 考虑,161分支上行通风要明显优于下行通风,故选 择方案二,将117分支设定为30 m /s进行实施。 表3 2种控制方案的主要巷道风流参数对比 4 结论 1)提出了复杂通风网络中角联分支风流的稳 定性和安全性评价准则,建立了角联分支风流稳定 性与安全性的评价指标体系,结合层次分析法,确定 了各因素指标权重,运用模糊优选评价法,得出平煤 五矿通风网络各角联分支的稳定性与安全性的优劣 排序,其中己三胶带暗斜的风流安全稳定性最差。 2)提出了角联风流稳定性控制的2种优化方法。 结合对平煤五矿己三胶带暗斜角联分支风流稳定性的 治理,对2种优化方案进行了对比分析,选择了安全性 和稳定f生较好的风流控制方案进行实施,消除了角联分 支风流不稳定的现象,取得了显著的效果。 参考文献: [1]H.CZECZOTF.Pra d6w pre~k aL tnych.Prace AGH ~ ak6w,1925. [2]蔡峰,刘泽功.复杂矿井通风系统角联风路自动识别方 · 38 · 法的研究[J].中国安全科学学报,2005(7). [3]周世宁.矿井通风网的某些基本性质及其在判别风向中 的应用[J].煤炭学报,1982(3). [4]黄元平,赵以惠.矿井通风系统的评价方法[J].煤矿安 全,1983(9). [5]李湖生.矿井通风系统的敏感性和风流稳定性分析[J]. 淮南矿业学院学报,l997,17(3):32—37. [6]黄光球,陆秋琴,郑彦全.地下矿通风系统风流稳定性分 析新方法[J].金属矿山,2005(11). [7]袁树杰.风网安全指标的量化与计算机分析[J].淮南工 业学院学报,2000(4). [8]陈守煜.模糊分析设计优选理论与模型[J].系统工程, 1990,8(6):55—61. [9]周福宝,王德明,李正军.矿井通风系统优化评判的模糊 优选分析法[J].中国矿业大学学报,2002(3). [10]邱进伟,张国枢.基于模糊优选的矿井通风系统决策研 究[J].煤矿安全,2007(4). (责任编辑:吕晋英)
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