基于层次分析法优选掘进巷道通风方法分析.pdf

武汉工程大学学报第45卷第45卷第4期2023年8月文章编号：1674-2869（2023）04-0462-06武汉工程大学学报Journal of Wuhan Institute of TechnologyVol.45 No.4Aug.2023矿井通风是地下矿井安全生产不可或缺的重要组成部分，承担着为工作面输送新鲜风流、排除污风的重要使命，矿井通风的基本任务之一是冲淡井下有害气体和粉尘，保证地下矿井安全、高效收稿日期：2022-10-03基金项目：国家重点研发计划（2022YFC2904002）作者简介：张露伟，博士研究生。E-mail：*通讯作者：任高峰，博士，教授。E-mail：引文格式：张露伟，韩亚民，王西兵，等.基于层次分析法优选掘进巷道通风方法分析 J.武汉工程大学学报，2023，45（4）：462-467.基于层次分析法优选掘进巷道通风方法分析张露伟1，韩亚民2，王西兵2，石义虎1，任高峰*11.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430074；2.武钢资源集团程潮矿业有限公司，湖北 鄂州 436051摘要：针对掘进巷道井下爆破炮烟扩散产生的安全问题，基于掘进巷道现场通风方法数据参数，借助Fluent软件开展矿山井下爆破炮烟扩散规律数值模拟，利用层次分析法定量评判了 3种通风方法（压入式、抽出式、混合式）对掘进巷道工作面风速、炮烟体积分数、通风时间及工程投资的影响，优选出掘进巷道最佳通风方法。研究结果表明：利用压入式通风方法是排除巷道炮烟的最佳方式，量化得分 0.517。CO 体积分数与通风时间呈负指数递减关系，当风量为 2.35 m3/s、风筒直径为 0.5 m，距离工作面 10 m 的压入式通风方法条件下，通风 1 500 s井下 CO 体积分数即可满足安全标准。关键词：通风方法；炮烟扩散；层次分析法；数值模拟；掘进巷道；地下矿山中图分类号：TD724文献标识码：ADOI：10.19843/ki.CN42-1779/TQ.202210002Optimization of Ventilation Method of Excavation Roadway Based onAnalytic Hierarchy ProcessZHANG Luwei1，HAN Yamin2，WANG Xibing2，SHI Yihu1，REN Gaofeng*11.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430074，China；2.Chengchao Mining Company of WISCO Resources Group，Ezhou 436051，ChinaAbstract：To dissolve the safety issues caused by the diffusion of blasting fume in excavation roadway，thediffusion law of blasting fume was studied by Fluent software based on the data parameters of on-siteventilation method in the excavation roadway.The effects of three ventilation methods（press-in ventilation，extractive ventilation and mixed ventilation）on the air velocity，CO volume fraction，ventilation time andengineering investment at the working face of the excavation roadway were quantitatively evaluated byanalytic hierarchy process，and the best ventilation method for the excavation roadway was selected.Theresearch results show that the use of press-in ventilation is the best one with a quantitative score of 0.517.TheCO volume fraction vs ventilation time shows a decreasing relationship，and the CO volume fraction vsventilation time has a negative exponential relationship.The diameter of the air duct is 0.5 m，and the distancefrom the working face is 10 m when the air quantity is 2.35 m3/s.The CO volume fraction in the roadwaymeets the safety standard for underground operation after 1 500 s of ventilation time.Keywords：ventilation method；fume spread；analytic hierarchy process；numerical simulation；excavationroadway；underground mine第4期生产。在采矿作业期间，炸药爆炸产生大量的炮烟，炮烟不但降低生产效率，更危害作业人员的身体健康1-3。在炮烟扩散理论研究方面，朱红青等4通过气体解析理论实验结合 Fluent模拟矿井内爆破作业后炮烟运移情况，研究了爆破作业后回风巷道上隅角炮烟浓度预测模型。张秀华5以炮烟中的CO 与烟尘颗粒为研究对象得出适用采场炮烟扩散规律的计算模型。纪洪广等6通过实验得出炮烟扩散过程中的演化规律，分析影响炮烟扩散的因素，并利用 BP神经网络模型对排烟时间进行了研究。在炮烟扩散规律研究方面，丁翠等7通过计算流体动力学模拟软件建立非稳态爆破数值模型研究了大气风速对深凹露天采坑内风流场特征和爆破排烟时间的影响。陶发玉等8建立矿山独头巷道模型，利用Fluent软件研究了不同施工参数下CO自然扩散规律，并优化了独头巷道通风的施工参数。Zhang等9基于 Boussinesq理论和 Pelant湍流理论研究了巷道断面对风流速度分布规律的影响。王梦妮等10将炮烟的扩散区域划分为安全区、亚安全区、中度危险区以及危险区4个区域，研究了通风时间和风量之间的关系。Huang等11利用计算流体动力学方法研究了不同工况下 CO 的时空演化特征。叶勇军等12建立独头巷道内氡及炮烟浓度随通风时间变化的计算模型，研究了通风风量、巷道长度对氡浓度的影响，以及通风风量对炮烟浓度的影响。在炮烟扩散现场监测研究方面，曹杨等13-14通过炮烟监测试验研究了压入式通风条件下风筒口到掘进面的距离对通风时间的影响，并探究了不同工况下排烟时间的拟合公式。张飞燕等15构建了掘进巷道炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统，实现了掘进爆破炮烟中毒事故与现场监测等功能。李明等16通过开展现场监测分析了爆破后的炮烟扩散规律和危害，研究了巷道内爆破后炮烟浓度变化规律。张舸等17通过监测和数据分析得到炮烟的浓度变化按e指数规律衰减，巷道截面位置处的最大浓度与炮烟抛掷区初始浓度具有较强的线性关系。杜翠凤等18运用现场测试和数值模拟对风流流场分布规律进行研究，研究结果表明随着风速的增大，采场内复环流的中心位置上升，中心宽度和厚度范围增大。高文蛟等19优化了独头巷道爆破过程中通风量计算公式，并结合现场实测数据验证了计算公式的合理性。Cao等20研究了间歇通风条件下采掘工作面气体浓度的时空演化规律，并通过矿山实际监测数据验证了数值计算结果的正确性。近年，矿井通风理论和技术迅速发展，工程应用效果显著，改善了矿山井下的通风条件。但是，在掘进巷道通风问题研究方面，基于数学模型定量评价掘进巷道通风方法优选有所欠缺。针对掘进巷道通风方法选择问题，建立掘进巷道施工模型，基于掘进巷道现场通风方法数据参数，借助Fluent软件开展矿山井下爆破炮烟扩散规律数值模拟，定量分析了 3种通风方法（压入式、抽出式、混合式）对掘进巷道工作面风速、炮烟体积分数、通风时间及建设费用的影响，利用层次分析法分别从4个指标对3种方案进行考察，优选出最佳通风方法，并建立了CO体积分数与通风时间之间的函数关系，以期用于指导施工场地配置及通风参数的选取，为掘进过程中通风方法选择提供技术支持，对保障矿山安全生产具有重要意义。1工程概况及模型建立1.1工程概况某地下矿山采用对角式通风系统，进风井有4 条，分别为新副井、措施井、东主井和西风井，新鲜风流由新副井、措施井、西风井和东主井进入-430 m 中段，然后经采区进风天井到各分段下盘沿脉巷，污风由采区出风天井分别上行进入-447 m中段的新回风井排出地表。现阶段采矿作业点主要集中在-480 m中段与-500 m中段，-570 m中段尚处于开拓掘进阶段，通风系统立体图如图 1 所示。该矿掘进巷道面形状为拱形状，现阶段掘进长度 100 m，宽 3.5 m，高度 3.8 m。掘进巷道通风具有3种通风方法：压入式、抽出式、混合式。通风参数为局部通风机风筒直径为 0.5 m，压入式通风风机的风筒距工作面 10 m，抽出式通风风机的风筒距工作面15 m。1.2几何模型建立及参数选择根据某地下矿山掘进巷道面形状建立几何模型，巷道面形状为拱形状，长 100 m，宽 3.5 m，高3.8 m。数值模拟选择3种通风方法：压入式、抽出式、混合式，局部通风机风筒直径 0.5 m，压入式通风风机的风筒距工作面 10 m，抽出式通风风机的风筒距工作面 15 m，混合式通风风机的风筒距工作面距离分别为 10 m（压入式风筒）和 15 m（抽出式风筒）。利用 Fluent软件完成掘进巷道、通风系统等模型网格划分。张露伟，等：基于层次分析法优选掘进巷道通风方法分析463武汉工程大学学报第45卷炮烟的主要成分为 CO，故工作面涌出的有害气体为 CO，巷道初始介质为空气，风筒进风口的边界类型设定为风速入口，巷道出口边界类型设定为初始大气压，爆破后CO浓度为0.24 mol/m3。巷道顶板、底板、壁面设置为固定约束边界条件，巷道壁面设置为无渗流。2掘进巷道炮烟扩散规律影响因素分析2.1掘进巷道炮烟运移规律分析（1）CO 体积分数演化规律分析，掘进巷道通风过程中 CO 体积分数动态演化如图 2 所示。由图 2 可知，随着巷道通风的进行，巷道 CO 的体积分数不断降低，直到降至安全值 0.000 8%以下。以压入式通风巷道 CO体积分数为例，巷道 CO体积分数经历以下 3 个阶段，具体演化过程如下：CO 弥漫状态，由图 2（a）可知通风 10 min后，爆破产生的 CO 气体逐渐弥漫至整个巷道，CO 最大体积分数为 0.006 31%，低于准入巷道安全值；CO 亚安全状态，由图 2（b）可知通风 20 min后，随着通风时间的延长，巷道中CO体积分数逐步降低，局部区域 CO 体积分数较高，巷道处于亚安全状态；CO 安全状态，由图 2（c）可知通风 30 min后，CO 体 积 分 数 极 低，CO 最 大 体 积 分 数 为6.3110-5%，巷道处于安全状态，符合准入条件。（2）巷道风速演化规律分析，掘进巷道通风过程中风速动态演化如图 3所示。以压入式通风工作面风速为例，随着通风时间的延长，工作面最大风速逐渐由 2.8 m/s增加至 3.3 m/s，这是由于风流流经工作面回风时，在风筒附近形成涡流，进而导致工作面风速逐渐增加，最终稳定至3.3 m/s。CO volume fraction contour1.000e-036.310e-053.981e-062.512e-071.585e-081.000e-096.310e-113.981e-122.512e-131.585e-141.000e-15CO volume fraction contour1.000e-036.310e-053.981e-062.512e-071.585e-081.000e-096.310e-113.981e-122.512e-131.585e-141.000e-15CO volume fraction contour1.000e-036.310e-053.981e-062.512e-071.585e-081.000e-096.310e-113.981e-122.512e-131.585e-141.000e-15cba图2掘进巷道通风过程中CO体积分数动态演化图：（a）10 min，（b）20 min，（c）30 minFig.2Dynamic evolution diagrams of CO volume fractionduring roadway ventilation：（a）10 min，（b）20 min，（c）30 minVelocity contour3.506e+003.155e+002.805e+002.454e+002.103e+001.753e+001.402e+001.052e+007.011e-013.506e-010.000e+00cbam/sVelocity contour3.549e+003.194e+002.839e+002.484e+002.129e+001.774e+001.420e+001.065e+007.098e-013.549e-010.000e+00m/sVelocity contour3.568e+003.211e+002.854e+002.498e+002.141e+001.784e+001.427e+001.070e+007.136e-013.568e-010.000e+00m/s图3掘进巷道通风过程中风速演化图：（a）10 min，（b）20 min，（c）30 minFig.3Dynamic evolution diagrams of wind speed duringroadway ventilation：（a）10 min，（b）20 min，（c）30 min2.2工作面风速影响分析工作面风量 Q=2.35 m3/s时，在距离底板高度3.5 m位置监测工作面风速变化，分别计算得出3种通风方法的风速-时间变化曲线，如图 4（a）所示。由图 4（a）可知，压入式通风工作面风速逐渐由2.8 m/s增加至3.3 m/s，最终稳定至3.3 m/s；抽出式通风工作面风速稳定在0.2 m/s；混合式通风工作面风速稳定在1.5 m/s。根据掘进巷道工作面风速要求：掘进巷道的最低风速不应低于 0.15 m/s，最大风速不应高于 4 m/s。由工作面风速对比分析得图1通风系统立体图Fig.1Three-dimensional view of ventilation system-360.0 m-375.5 m-395.0 m-412.5 m-430.0 m-447.0 m-500.0 m西区出风井新主井新回风井新副井措施井西风井东主井150.0 m3/sZS300-165 630 kW370.0 m3/s对旋式，800*2 kW东风井464第4期出3种通风方法选择优先级次序依次为：混合式通风、压入式通风、抽出式通风。2.3炮烟体积分数影响分析工作面风量 Q=2.35 m3/s时，在距离底板高度3.5 m 位置监测工作面 CO 体积分数变化，分别计算得出 3种通风方法的 CO 体积分数-时间变化曲线，如图4（b）所示。由图4（b）可知，压入式通风工作面 CO 体积分数由 0.005 5%迅速降低至安全值0.000 8%；抽 出 式 通 风 工 作 面 CO 体 积 分 数 由0.005 5%逐步降低至 0.001 0%；混合式通风工作面 CO 体积分数由 0.005 5%逐步降低至安全值0.000 8%。随着通风时间的增加，CO体积分数随之减小，CO 体积分数与通风时间符合负指数关系，压入式通风拟合关系为 CO=0.005 71e-0.018 72t，相关系数为 0.993；抽出式通风拟合关系为 CO=0.005 85e-0.000 989t，相关系数为0.986；混合式通风拟合关系为 CO=0.005 58e-0.002 21t，相关系数为 0.994。根据炮烟危险区域划分指标：当炮烟体积分数小于0.000 8%时，即为安全区域，由炮烟体积分数安全对比分析得出 3种通风方法选择优先级由高到低依次为压入式通风、混合式通风、抽出式通风。2.4通风时间影响分析工作面风量 Q=2.35 m3/s时，在距离底板高度3.5 m 位置监测子面 CO 体积分数变化，分别计算得出 3种通风方法的通风时间-CO 体积分数变化曲线，如图4（c）所示。由图4（c）可知，瓦斯体积分数稀释越小，所需时间越长。当工作面CO体积分数稀释到 0.003%时，压入式通风、混合式通风及抽出式通风所需时间分别为156、282、674 s。通过巷道通风尽快排出巷道CO可以提高掘进效率，因此从通风时间对比分析得出 3种通风方法选择优先级高到低依次为压入式通风、混合式通风、抽出式通风。2.5建设费用影响分析掘进巷道通风设施主要包括局部通风机、风筒帆布及铁架等设备，按照建设费用分析，矿用防爆局部通风机（FBY-11）15 000元/台，风筒帆布及铁架 800 元/m，故压入式、抽出式、混合式通风方法所需费用分别 87 000、83 000、170 000元。由建设费用对比分析得出3种通风方法选择优先级高到低依次为抽出式通风、压入式通风、混合式通风。3层次分析法方案优选通风方法准则层指标体系的选取应符合安全可行、技术可行、经济合理原则，安全可行是指炮烟体积分数需满足安全规程要求；技术可行是指工作面风速和通风时间需合理，既要满足规程要求，也要平衡采掘关系；经济合理是指在满足安全和技术可行的前提下工程投资应缩减。炮烟体积分数越低可保障工作人员的生命安全；工作面风速和通风时间的合理既能实现粉尘浓度达标，也可在时间上平衡采掘关系；工程投资的指标评判可实现资金投资的合理性。因此，针对100 m掘进巷道设置 3种通风方法（压入式、抽出式、混合式）方案建立 4个指标体系（工作面风速、炮烟体积分数、通风时间、工程投资）进行综合评价对比分析，其中3种方案均符合掘进巷道通风要求，在满足通风要求的前提下进行定量评价。（1）建立层次分析结构图，如图5所示。（2）准则层和方案层权重计算。利用 T.L.Saaty确定的数字 1-9及其倒数作为标度进行成对矩阵比较21。根据专家反馈的通风方法影响因素权重指标分析表和现场应用经验结果对准则层中的 4个影响因素（工作面风速、炮烟体积分数、通风时间、工程投资）进行比较得到准则层成对比较矩阵A。图4不同通风方法的风速变化曲线（a）、CO体积分数-时间变化曲线（b）和通风时间-CO体积分数变化曲线（c）Fig.4Curves of wind speeds（a），CO volume fractions vs time（b），and ventilation time vs CO volume fraction curves（c）ofdifferent ventilation methods张露伟，等：基于层次分析法优选掘进巷道通风方法分析465武汉工程大学学报第45卷A=115131512331212113121定义一致性指标（consistency index，ICI）和引入随机一致性指标（random consistency index，IRI），当一致性比率（consistent ratio，RCR）小于 0.1时，矩阵通过一致性检验。ICI=-nn-1（1）RCR=ICIIRI（2）式（1）式（2）中：为矩阵最大特征值；n为矩阵的阶数；ICI为一致性指标；IRI为随机一致性指标；RCR为一致性比率。利 用 MATLAB 求 得 矩 阵 A 最 大 特 征 值 为4.034，结合式（1）和式（2），RCR=0.012 60.1，矩阵通过一致性检验。矩阵 A最大特征值对应的特征向量Wj即为准则层权向量。Wj=0.106 20.48700.27320.1336式中，Wj为准则层权向量；j=1，2，3，4。根据数值模拟结果针对每个影响因素对比分析 3种方案的比重，得到方案层成对比较矩阵 B1、B2、B3、B4。B1=121312114341B2=143141121321B3=132131121221B4=112221312131由成对比较矩阵计算出 Bk（k=1，2，3，4）的权向量 Wk，最大特征值 k，一致性指标 ICI，k和一致性比率RCR，k，计算结果见表1。表1方案层成对比较矩阵计算结果Tab.1Calculation results of paired comparison matrix ofscheme layerkWkkICI，kRCR，k10.238 50.136 50.625 03.018 30.019 150.015 7820.625 00.136 50.238 53.018 30.009 150.015 7830.539 60.163 40.297 03.009 20.004 600.007 9340.297 00.539 60.163 43.009 20.004 600.007 93通过表1可得RCR，k0.1，方案层成对比较矩阵均通过一致性检验。故可得到方案层权重矩阵P。P=0.23850.136 50.62500.62500.136 50.23850.539 60.16340.29700.29700.539 60.1634（2）方案优选将准则层权重矩阵Wj与方案层权重矩阵P相乘，可以得到3种施工方案层次分析法综合评判的评价结果：Z=0.5170.1980.285式中，Z为方案层相对目标层的权向量。组合一致性检验是指包括准则层、方案层一致性和整个系统的一致性。方案层所有方案的一致性比率可以通过公式（3）求得。RCR,5=j=14WjICI,jj=14WjIRI,j（3）式（3）中：W1、W2、W3、W4为准则层各影响因素对应的权重；ICI，1、ICI，2、ICI，3、ICI，4分别为方案层4个一致性指标；IRI，j=0.58。整个系统的一致性比率为 RCR，6=RCR+RCR，5=图5层次分析法结构图Fig.5Structure diagram of analytic hierarchy process目标层准则层方案层优选通风方法布置方案工作面风速炮烟体积分数通风时间工程投资混合式通风抽出式通风压入式通风466第4期0.027 00.1，整个系统通过一致性检验。组合一致性通过检验，表1得到的权向量可以作为最终决策依据。从结果上来看，压入式通风的权重得分为0.517，因此可以选择压入式通风作为掘进巷道通风的最佳实施方案。4结论本文基于地下矿山掘进巷道现场通风方法数据参数，开展矿山井下爆破炮烟扩散规律数值模拟，定量分析了 3种通风方法（压入式、抽出式、混合式）对掘进巷道工作面风速、炮烟体积分数、通风时间及工程投资的影响，并利用层次分析法分别从4个指标对3种方案进行了考察。（1）通过层次分析法，分别从工作面风速、炮烟体积分数、通风时间、工程投资 4个指标对 3种方案进行考察分析，优选出掘进巷道最佳通风方法是压入式通风，量化得分0.517。（2）CO 体积分数与通风时间呈递减关系，并且 CO 体积分数与通风时间符合负指数关系 CO=ae-bt，其中a和b为常数。（3）针对地下矿山掘进巷道 100 m 时，风量为2.35 m3/s、风筒直径为0.5 m，距离工作面10 m的压入式通风条件下，通风 1 500 s，井下爆破产生的CO 气体体积分数在规定时间内即可达到井下作业安全标准。参考文献1 郑建军，王卫忠，任仲罕，等.某金矿有毒有害气体的来源、组成及影响因素分析 J.金属矿山，2013（6）：148-150.2FENG X，JIANG Z A，ZHANG G L，et al.Study onCOdiffusionlawandconcentrationdistributionfunction under ventilation after blasting in high-altitudetunnelJ.Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics，2022，220：104871：1-11.3 王远，杜翠凤，靳文波，等.深凹露天矿复环流决定参数准则方程式的建立 J.煤炭学报，2018，43（5）：1365-1372.4 朱红青，沈静，胡瑞丽.井下巷道内矿用防爆车 CO排放分布规律数值模拟 J.煤矿安全，2015，46（12）：229-232.5 张秀华.回采爆破空间中有害物质扩散规律模拟与分析 D.长沙：中南大学，2010.6 纪洪广，曹杨，张舸，等.独头巷道掘进过程中排烟时间预测 J.金属矿山，2014（5）：142-145.7 丁翠，聂百胜，孙殿阁.大气风速对深凹露天矿山炮烟排烟时间的影响研究 J.矿业安全与环保，2022，49（4）：117-122.8 陶发玉，陶云波，黄春云.基于Fluent模拟的龙首矿下向进路采矿炮烟扩散规律研究 J.金属矿山，2022（8）：232-238.9 ZHANG Q H，LUO G，ZOU 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