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復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)角聯(lián)風(fēng)流安全穩(wěn)定性評價與控制

文檔作者：郭建偉陳開巖司俊鴻李向東宋凱文檔來源： 1．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 2．中平能化集團(tuán)能源化工研究院 3．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月09日
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2010年10月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第5期
復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)角聯(lián)風(fēng)流安全
穩(wěn)定性評價與控制
郭建偉 ，陳開巖 ，司俊鴻 ，李向東 ，宋 凱
(1．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221008；2．中平能化集團(tuán)能源化工研究院，河南平頂山467000；
3．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦，河南平頂山467000)
摘要：針對復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中角聯(lián)分支風(fēng)流安全穩(wěn)定性問題，從影響角聯(lián)風(fēng)流穩(wěn)定性的內(nèi)因、外因
以及安全性因素方面建立了評價指標(biāo)體系，運用層次分析法確定了各指標(biāo)權(quán)重，提出角聯(lián)風(fēng)流安全穩(wěn)定
性的模糊優(yōu)選評價法。從提高角聯(lián)分支風(fēng)流的安全穩(wěn)定性出發(fā)，提出了在滿足用風(fēng)地點需風(fēng)量的條件
下，優(yōu)先選擇在角聯(lián)分支的可調(diào)正負(fù)導(dǎo)線敏感風(fēng)路上調(diào)節(jié)的方法。以平煤五礦多風(fēng)井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)為例，得
出了所有角聯(lián)分支風(fēng)流安全穩(wěn)定性的評價結(jié)果，并對其中最差的膠帶斜巷，通過合理利用原有巷道，改
變其風(fēng)流方向和風(fēng)量，使其達(dá)到風(fēng)向上行、風(fēng)量增大的目的。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；角聯(lián)分支；安全穩(wěn)定性；評價；控制
中圖分類號：TD72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008—4495(2010)05—0035—04
角聯(lián)分支是位于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的兩條有向通路之
間，且不連接或跨越兩通路的任何公共節(jié)點的分支，
相當(dāng)于兩通路問的橋梁。當(dāng)角聯(lián)分支受到較小的干
擾后，其風(fēng)向發(fā)生改變，則稱該角聯(lián)分支的風(fēng)流不穩(wěn)
定。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中不同的角聯(lián)風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和風(fēng)阻比例，
其風(fēng)流穩(wěn)定性和可靠性不同，單靠人的經(jīng)驗難以判
斷風(fēng)網(wǎng)風(fēng)流的穩(wěn)定性和可靠性，更難以提出有效的
控制措施。
國外對于角聯(lián)的研究較早，1925年波蘭學(xué)者
H．Czeczott首先提出角聯(lián)的概念 ；之后，人們對角
聯(lián)分支的風(fēng)流特性進(jìn)行了大量的研究，提出了復(fù)雜
通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)角聯(lián)分支的自動識別方法 ，運用通風(fēng)網(wǎng)
絡(luò)風(fēng)流流動基本方程推導(dǎo)了多種典型角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)
向判別式，并由此定義了角聯(lián)風(fēng)向穩(wěn)定性系數(shù) j，
但對于推導(dǎo)任意復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的角聯(lián)風(fēng)向判別式是極
其困難的，故應(yīng)用受到極大的限制。為了分析影響
角聯(lián)風(fēng)流穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，運用敏感度分析方法，
尋找影響角聯(lián)風(fēng)流穩(wěn)定性的敏感分支 ；由于風(fēng)
流的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在風(fēng)流的強(qiáng)弱上，因此，又提出
收稿日期：2010—02—08；2010—06—30修訂
作者簡介：郭建偉(1964一)，男，河南鹿邑人，博士研究
生，教授級高級工程師，現(xiàn)為中平能化集團(tuán)能源化工研究院開
采研究所所長，研究方向為礦山安全。E—mail：guojianweipm@
163．eomo
了用風(fēng)流功率(強(qiáng)度)作為評價風(fēng)流穩(wěn)定性的指
標(biāo) J。上述方法均不能綜合體現(xiàn)角聯(lián)風(fēng)流的穩(wěn)定性
和安全性。筆者在分析角聯(lián)風(fēng)流穩(wěn)定性與安全性的
基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的評價指標(biāo)體系，將模糊優(yōu)選
法 運用于角聯(lián)風(fēng)流安全穩(wěn)定性的綜合評價，提
出了治理角聯(lián)分支無風(fēng)或微風(fēng)的控制方法，并在平
煤五礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。
1 角聯(lián)分支安全穩(wěn)定性評價
1．1 評價準(zhǔn)則
為了合理評價角聯(lián)分支風(fēng)流的安全穩(wěn)定性，提
出如下的評價準(zhǔn)則：
1)內(nèi)因決定原則使用風(fēng)流功率(風(fēng)量×壓
差)評價其風(fēng)流的穩(wěn)定性。
2)外因促進(jìn)原則 根據(jù)角聯(lián)分支所屬敏感分
支風(fēng)阻變化難易程度評價其風(fēng)流的穩(wěn)定性。
3)安全性原則 根據(jù)角聯(lián)分支所處位置、長
度、風(fēng)速和溫度對瓦斯積聚及其影響的范圍大小評
價其安全性。
1．2 評價指標(biāo)體系
根據(jù)角聯(lián)安全穩(wěn)定性評價準(zhǔn)則，并遵循指標(biāo)
科學(xué)性、可操作性和獨立性原則，建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)
角聯(lián)分支風(fēng)流安全穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，如圖1
所示。
· 35 ·
2010年1O月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第5期
角聯(lián)分支穩(wěn)定性和安全性
穩(wěn)定性 安全性口
內(nèi)因C．I l外因C2 角聯(lián)風(fēng)速D ll角聯(lián)( 長度D II角聯(lián)位置D ll角聯(lián)溫度D
W5=0．233 9)lJ(14)6 0，233 9)lJ(wT=0．o91 4)I I(ws=0．040 8)
風(fēng)流功率D l l巷道風(fēng)阻變化的敏感分I恰風(fēng)門的敏感分支敏ll含運輸設(shè)備的敏感分支
一(w =0．24)‘l 1l支敏感度絕對值之和 ll感度絕對值之和 lI敏感度絕對值之和D
“ =o．1Ol 9) II ( =n041 3) II ： 016 8) 。
圖1 角聯(lián)分支風(fēng)流安全穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型
D ，D ，D ，D 可通過實測或者風(fēng)網(wǎng)模擬得出；
， 指角聯(lián)分支有無瓦斯積聚的危險性大小，其取值
見表1。
表1 D 指標(biāo)取值
影響角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定性的外因指標(biāo)由其敏感
性分支風(fēng)阻變化的可能性大小得出，包括D ，D ，
D ，反映了實際礦井中敏感分支常見的3種風(fēng)阻變
化形式對角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定性的綜合影響。
分支敏感矩陣的計算模型如下 5 J：
△= =CT dQy
=
一 ( )c，l CTQ CTQ (1)
式中：C為網(wǎng)絡(luò)基本回路矩陣； 為分支風(fēng)阻列向量；
Q為分支風(fēng)量列向量；Q 為余樹分支風(fēng)量列向量；下
標(biāo)diag表示由列向量構(gòu)成的對角矩陣；f為風(fēng)網(wǎng)穩(wěn)
定狀態(tài)方程。
根據(jù)上述模型，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序的基礎(chǔ)之
上，編制了分支敏感矩陣的計算程序。
1．3 指標(biāo)權(quán)重的確定
引起通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流不穩(wěn)定的因素指標(biāo)較多，各
因素指標(biāo)對風(fēng)流穩(wěn)定性和安全性的影響程度存在差
異，故用指標(biāo)權(quán)重來表示。在充分征求專家意見的基
礎(chǔ)上，建立了如圖1所示的評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)
模型，其中包含4個層次、8項指標(biāo)，按1～9比率法
構(gòu)造出各層次上的判斷矩陣，采用冪法求解判斷矩
陣的特征向量及其最大特征根，經(jīng)層次分析法程序
計算，得出了最底層8項指標(biāo)的權(quán)重向量W =(71) ，
?
， )，如圖1所示。各層次隨機(jī)一致性比率CR均
小于0．1，判斷矩陣具有滿意的一致性。
． 36 ·
1．4 模糊優(yōu)選綜合評價模型
設(shè) 是由／7,條角聯(lián)分支對應(yīng)于m個評價指標(biāo)組
成的集合， 為集合 中的一個元素，表示第 條角
聯(lián)分支對應(yīng)的第 個指標(biāo)值。引入相對隸屬度消除量
綱不同所帶來的不可公度性。
第1類指標(biāo)屬性值越大越好，其隸屬度為
：一—max { 字 (2) l ，? ， }一min{ I，? ， }
第2類指標(biāo)屬性值越小越好，其隸屬度為
： — r 竺坐辱 (3)
max{ 1，? ， }一rain{ “，? ， } 、
式中：i=1，2，?，m =1，2，?，／／,；max{}和min{}
分別表示取集合中元素的最大值和最小值。確定出
相對隸屬度矩陣R ，表示第 條角聯(lián)分支對第i個評
價指標(biāo)的優(yōu)屬度。
標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等角聯(lián)的m個指標(biāo)隸屬度是全體角聯(lián)相
應(yīng)指標(biāo)隸屬度的最大值，其向量表達(dá)式為
一
，
n
，
?
， r面) =(gl’ ? ，g )
(4)
同理，標(biāo)準(zhǔn)劣等角聯(lián)隸屬度的向量表達(dá)式為
B =( rlJ，
，
， ?
，
，八lr叫) =(6-，bz，?，6 )
(5)
對于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的12條角聯(lián)分支，定義模糊分
劃矩陣：
In】 ㈩ M21 22 ? M2n
J 2
滿足約束條件：
0 ≤ M ≤ 1，k = 1，2； ： 1，2，? ，n
2
Σ“ =1，J．=1，2，?，n
k=1
ΣⅡ >0， =1，2
i=1
系統(tǒng)中第 條角聯(lián)分支以隸屬度uu隸屬于優(yōu)等
角聯(lián)分支，同時，以隸屬度u2，=1一u，隸屬于劣等角
聯(lián)分支。則第 條角聯(lián)分支的權(quán)異優(yōu)度D( ， )=
2010年10月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第5期
“u√ [ ( 一 )] ；第 條角聯(lián)分支的權(quán)異劣度
D( ， ) “ √ [ ( 一6 )] 。設(shè)n條角聯(lián)分
min F(U )=Σ{ED(R一~， )]。+[D( ， )] }
令 ：0，可得出最優(yōu)模糊分劃矩陣元素：
[ + ]
：=Jf1+ 土 —————一l ～ (8)，
【 Σ w r —b1)] J
2 角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定性優(yōu)化控制
1)在不影響用風(fēng)地點供風(fēng)量的前提下，優(yōu)先選
擇在角聯(lián)分支的可調(diào)負(fù)導(dǎo)線敏感風(fēng)路上增阻，在對
被調(diào)系統(tǒng)總阻力影響較小的情況下，使關(guān)鍵角聯(lián)分
支風(fēng)量得到明顯增加。
2)設(shè)法給關(guān)鍵角聯(lián)分支創(chuàng)造1條可控回風(fēng)通
道，使其形成獨立回風(fēng)。在不影響用風(fēng)地點供風(fēng)量
的前提下，優(yōu)先選擇在角聯(lián)分支的可調(diào)正導(dǎo)線敏感
風(fēng)路上減阻，使關(guān)鍵角聯(lián)分支風(fēng)量得到明顯增加。
3 實例分析
3．1 模糊優(yōu)選綜合評價法的應(yīng)用
在平煤五礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中存在34條角聯(lián)分支，
且均處在進(jìn)風(fēng)側(cè)。根據(jù)表2中的各指標(biāo)屬性值，按
式(2)或式(3)進(jìn)行無量綱處理，其中，風(fēng)流功率
D 、角聯(lián)位置D 和風(fēng)速D 取第1類指標(biāo)屬性值，其
他取第2類指標(biāo)屬性值，再按模糊優(yōu)選綜合評價法
模型進(jìn)行計算，得出各角聯(lián)分支安全穩(wěn)定性排序，部
分結(jié)果見表2，隸屬度u 離0越近，角聯(lián)分支的安全
穩(wěn)定性越差。通過對 較小的分支風(fēng)流控制，可以
提高通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流的安全穩(wěn)定性。
表2 角聯(lián)分支安全穩(wěn)定性評價參數(shù)
3．2 角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定性優(yōu)化控制的應(yīng)用
以安全穩(wěn)定性最差的己三膠帶暗斜——161角聯(lián)
分支為例，說明所提出的優(yōu)化控制方法。161分支是
連接副井和北山風(fēng)井2個進(jìn)風(fēng)井的聯(lián)絡(luò)巷，長度為
1 057 m，風(fēng)流方向為下行，阻力為15．9 Pa。為確保此
巷道風(fēng)流的安全穩(wěn)定性，提出下列2種控制方案。
方案一，增強(qiáng)161分支下行風(fēng)強(qiáng)度。如圖2所
示，在負(fù)導(dǎo)線117分支上增阻，并在滿足工作面需風(fēng)
量的前提下，使161分支的風(fēng)量增加到8．137 m ／s，
如表3所示，保證了其下行風(fēng)的風(fēng)流穩(wěn)定性。
方案二如圖3所示，使117分支的風(fēng)流方向由
15節(jié)點流向6節(jié)點，與180工作面回風(fēng)并聯(lián)進(jìn)入己
三回風(fēng)下山，調(diào)節(jié)136分支(180風(fēng)巷出煤道)，分別
將117分支風(fēng)量定為20，30，35 m ／s，模擬解算出主
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2010年10月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第5期
要巷道風(fēng)流參數(shù)見表3。當(dāng)117分支風(fēng)量定為
30 m ／s，可使膠帶暗斜161分支的風(fēng)向由下行風(fēng)變
為上行風(fēng)，風(fēng)量達(dá)到8．15 m。／s，并且能夠保證180
工作面的供風(fēng)量。
圖2 控制方案一簡化示意圖
圖3 控制方案二簡化示意圖
從提高己三膠帶暗斜通風(fēng)穩(wěn)定性和防火安全性
考慮，161分支上行通風(fēng)要明顯優(yōu)于下行通風(fēng)，故選
擇方案二，將117分支設(shè)定為30 m ／s進(jìn)行實施。
表3 2種控制方案的主要巷道風(fēng)流參數(shù)對比
4 結(jié)論
1)提出了復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中角聯(lián)分支風(fēng)流的穩(wěn)
定性和安全性評價準(zhǔn)則，建立了角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定
性與安全性的評價指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法，確定
了各因素指標(biāo)權(quán)重，運用模糊優(yōu)選評價法，得出平煤
五礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各角聯(lián)分支的穩(wěn)定性與安全性的優(yōu)劣
排序，其中己三膠帶暗斜的風(fēng)流安全穩(wěn)定性最差。
2)提出了角聯(lián)風(fēng)流穩(wěn)定性控制的2種優(yōu)化方法。
結(jié)合對平煤五礦己三膠帶暗斜角聯(lián)分支風(fēng)流穩(wěn)定性的
治理，對2種優(yōu)化方案進(jìn)行了對比分析，選擇了安全性
和穩(wěn)定f生較好的風(fēng)流控制方案進(jìn)行實施，消除了角聯(lián)分
支風(fēng)流不穩(wěn)定的現(xiàn)象，取得了顯著的效果。
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(責(zé)任編輯：呂晉英)

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