某铁矿通风系统监测点选址布局研究

王翔飞，谢贤平，许 旭

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

现代矿山开采过程中，在每个通风节点布置监测点的方案在考虑到资金投入、人力管理、维护费用等各方面是难以实现的。因此，在满足通风系统监测精度、监测范围及经济投入的目标前提下，选用较少、突出特征代表的节点作为监测点的布置原则达到获取整个通风系统的状况。通风系统监测点的合理选址布局，有利于督促矿山规范作业，降低事故危险发生的概率，保障矿山的安全生产[1-2]。

近年来，国内学者对矿山监测点选址布局做了大量研究。孙继平通过运用风量比例法[3]、一元线性回归分析方法[4]，研究了回采工作面[5]、巷道竖直方向[6]瓦斯传感器的部署设置问题；李志等[7]分析了不同的局部通风方式下瓦斯传感器监测点的设置；谢贤平等[8]利用菲波那奇法决定测点数目，分析了多风机多级机站通风系统监测点的布局优化研究。司俊鸿[9]根据图论理论对井下监测分站的布置进行了优化分析，运用可变模糊理论分析了风速传感器的布置选址问题。综上所述，监测点的选址布局研究成果主要是针对井下局部区域的监测点选址问题研究，从矿山通风系统出发的监测点选址布局研究较少。所以本文运用灵敏度矩阵对矿井通风系统监测点选址进行研究。

1 某铁矿通风系统概况

某铁矿矿井通风系统的主进风巷道是1 580 m中段平硐与1 530 m中段平硐，1 630 m中段平硐辅助进风；通风系统的主要回风巷道是1 680 m北部中段回风平硐及1 680 m南部中段回风平硐。共有109条通风系统巷道，现阶段通风系统布置方式为一翼平硐进风、两翼平硐回风，新鲜风流通过1 530 m中段、1 580 m中段、1 630 m中段三个主要的进风平巷进风，进入各中段、分层用风点，污风通过各中段、分层回风平巷流入专用回风天井、回风联络道汇总于1 630～1 680 m中段北部和南部回风上山，最终由1 680 m中段的北部和南部回风平巷排出地表。

2 通风系统监测点选址分析

2.1 灵敏度的概念

当j分支的风阻rj发生改变且变化量为Δrj的情况下，通风网络中i分支的风量值qi会发生改变，其中±Δqi为变化量，当|Δrj|→0 时，有：

(1)

(2)

(3)

bli为以余支的方向为基准的独立回路l中i分支的流向系数。

(4)

当网络分支个数为n的时候，条分支的灵敏度一共有n×n个，为n×n维的灵敏度矩阵。记作：

(5)

风量灵敏度矩阵是系统固有的属性，它与通风网络结构及系统所处状态有关，与独立回路的选择无关。在通风网络结构及系统状态不变的条件下，风量灵敏度矩阵有一个固定的解。风量灵敏度矩阵有如下几个特质：

3)灵敏度同时遵循节点平衡定律和独立回路平衡定律。即：

(6)

(7)

各分支风阻变化后会对分支i风量产生一定影响，影响的总和为Vi，则Vi为分支i的被影响度。分支在网络中的敏感性是通过被影响度体现。

2.2 灵敏度计算

风量灵敏度矩阵计算的方法有解析法、差分法、迭代法，综合风量灵敏度矩阵求解难易程度和求解所需参数等因素，求解某铁矿通风系统风量灵敏度矩阵采用迭代法进行。

迭代计算的步骤如下：

1)在已知风阻rj，j=1，2，3，…，n的情况下。用各分支风量qi可以通过Cross法进行网络解算求出。

6)令j←j+1，如果j≤n，转2)，否则，转7)。

7)结束。

根据迭代法求解计算步骤，调用基于MATLAB的解算程序，进行通风系统风量灵敏度矩阵的求解。

通过式(7)求得分支巷道被影响度曲线如图1所示。

由图1可以较为直观的看到井下各分支巷道的影响度数值。其中，大多数数值低于[0，40]区间。分支巷道的被影响度数值从高到底降序排列的前20条分支巷道，见表1。

表1 分支巷道被影响度降序排列表Table 1 Descending list of the affected degree of branch roadways

分支巷道被影响度数值从大到小降序排列，前20的分支巷道集合可以表示为WV={e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 36，e 74，e 81，e 37，e 82，e 80，e 60}。通过风量灵敏度矩阵的性质可知分支巷道的被影响程度数值代表了其敏感性，被影响度数值越大，表明分支巷道在通风系统中越容易受到影响。因此，矿山通风系统监测点的选址应优先考虑被影响度数值大、敏感性高的巷道。

2.3 通风系统监测点的选址布局

在对井下通风系统测试时，根据特征分支巷道的选取原则及矿山生产管理人员的经验，确定了某铁矿矿井通风系统的通风重要巷道共计34条。分支巷道的集合C={e 1，e 4，e 9，e 12，e 43，e 16，e 20，e 22，e 27，e 28，e 32，e 31，e 34，e 37，e 35，e 39，e 2，e 44，e 57，e 58，e 60，e 62，e 57，e 67，e 59，e 78，e 89，e 3，e 105，e 93，e 6，e 106，e 108，e 109}。

通过分析可知，监测点的选址应优先考虑被影响度数值大的巷道。通风系统巷道在计算灵敏度时共计109条分支，取被影响度数值排前20的巷道作为研究对象WV。C∩WV={e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}。所以某铁矿通风系统监测点选址分支巷道为{e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}。

3 通风系统监测点选址模拟验证

矿山建立通风监测系统是为了实现对通风环境参数变化的动态监测，最终达到保障通风系统的稳定。通过研究有通风系统监测点的分支风路的稳定性，验证分析风路参数变化对系统整体的影响程度，从而得知设置监测点是否合理。

矿井通风系统的稳定性采用逐步线性回归分析法，通过Ventsim可调整通风系统中分支巷道的通风参数，如图2建立某铁矿通风系统三维基础模型，在其他参数保持不变的情况下，借助Ventsim解算出改变分支巷道的参数这种特定状态下系统的风网解算结果[10-11]。通过改变选址布置监测点巷道的通风参数，模拟解算通风系统测试验证其是否应设置为监测点。

改变3个主要进风巷道中进风量最大的1 530 m中段进风巷道的风阻参数，分析其对矿山进风量和回风量的影响。通过Ventsim软件模拟解算结果如图3所示。

由图3可知，随着1 530 m中段进风巷道分支风阻的逐步减小，1分支的风量对应增加；专用回风巷道108分支和109分支风量都有增加，但增加数值较小；2分支和3分支进风量有所减小。1分支巷道作为主要进风巷道之一，其分支风阻增大，整个矿山通风系统的风阻也随之增大；其进风量减小之后，导致2分支巷道和3分支巷道的进风量增加，但是1分支巷道的风量减少量大于2分支和3分支巷道风量的增加量，导致矿山井下的有效风量减少，总的回风量也对应减少。可见1 530 m中段风阻发生改变对整个通风系统的总进风量和总回风量均有影响，选址设置风速监测点很有必要。在上述所有分支巷道中，随着风阻减小到一定值后，风量值都趋于一个稳定值，此时所有分支巷道内风流稳定，矿山可以进行正常生产。

以分支巷道的风阻为变量，其他分支巷道的风量为因变量，将每次变量发生改变对应的每条分支的风量进行对比，衡量分支巷道风流稳定程度系数fj。

在矿井通风系统中某条分支巷道ej，因为通风参数风阻Ri数值变化了ΔRi，从而造成通风系统中其他分支巷道的通风参数风量Qj发生变化，设定变化函数为fj，满足式(8)。fj的数值决定分支巷道ej的风流稳定性。

ΔRi∝fj(qj)

(8)

(9)

式中：fj—第i条分支巷道风阻发生改变时，第j条分支巷道风流稳定程度系数；Q′j—第i条分支巷道风阻发生改变时，第j条分支巷道的风量值,m3/s；Qj—第i条分支巷道风阻没有发生改变时，第j条分支巷道的风量值,m3/s。

fj的数值决定了该分支巷道参数改变对其他分支巷道的影响，为了便于分析判别是否有影响，将fj数值接近1的情况都近似表示为1，代表该分支巷道通风参数改变对研究的分支没有影响；fj数值不近似等于1的亦或出现负数的情况都表示为0，代表该分支巷道风参数改变对研究的分支有影响。

通过Ventsim逐一的设置改变某铁矿分支巷道风阻，矿山井下第i条分支风阻变化对第j条分支风量是否有影响用分支巷道风流稳定程度系数fij表示，当分析矿山的分支巷道总计n条时，结果可以用矩阵F表示。

(10)

取2.3中34条分支巷道的风量变化情况，逐一改变分支巷道的风阻，解算通风网络统计分析分支巷道风量变化情况，见矩阵：

矩阵的列向量从左往右依次对应34条分支巷道，每一列对应某一分支巷道风阻发生改变，其他分支巷道的风量改变情况。以第一列为例，表示改变分支巷道e1(1 530 m中段主巷)的风阻后，数值为1表示对应巷道风量未发生改变，数值为0表示对应的巷道风量发生了改变，分析可得34条分支巷道中33条分支巷道风量发生了改变，受到了分支巷道e1的风阻参数改变的影响。

通过分析解算得到的矩阵可知，上节通风系统监测点选址分支巷道{e 1，e 4，e 108，e 109，e 9，e 2，e 44，e 106，e 105，e 3，e 12，e 59，e 93，e 37}对应矩阵的列向量中数值为0的居多，表明其分支巷道影响范围较大，选址作为监测点较合理。

其中分支巷道{e 1，e 4，e 9}(1 530 m中段主巷、运输大巷、进风平巷)均在1 530 m中段贯通连接且对应的影响巷道集合完全一致，上述3条分支巷道的3个监测点可以优化为1个监测点，取分支巷道被影响度数值最高的分支巷道e 1(1 530 m中段主巷)作为监测点；分支巷道{e 2，e 44}(1 580 m中段主巷、进风平巷)均在1 580 m中段贯通连接且对应的影响巷道集合完全一致，上述2条分支巷道的2个监测点可以优化为1个监测点，取分支巷道被影响度数值较高的分支巷道e 2(1 580 m中段主巷)作为监测点；分支巷道{e 3，e 93}(1 630 m中段主巷、进风平巷)均在1 630 m中段贯通连接且对应的影响巷道集合完全一致，上述2条分支巷道的2个监测点可以优化为1个监测点，取分支巷道被影响度数值较高的分支巷道e 3(1 630 m中段主巷)作为监测点；分支巷道{e 59，e 37}(1 580～1 630 m中段9号回风天井、1 556 m分层3号回风天井)均为矿山中段之间的回风竖井，分支巷道被影响度数值较小，对应的影响巷道集合范围相对较小，结合矿山现场施工、调试、校正及维护等因素，这两处的监测点排除。选址确定的监测点分支巷道为{e 1，e 108，e 109，e 2，e 106，e 105，e 3，e 12}，求上述分支巷对应影响巷道集合的并集，并集集合包括了34条分支巷道，即优化监测点后监测点的监测范围是合理的。

综上所述，通风系统监测点分支巷道选址为{e 1，e 108，e 109，e 2，e106，e 105，e 3，e 12}，选址布局监测点位置见表2。

表2 通风系统监测点选址布局位置Table 2 Location of monitoring points for ventilation system

4 结论

1)介绍了网络灵敏度的基础理论，计算了某铁矿的网络灵敏度、分支巷道的被影响度，根据灵敏度矩阵的性质进行了某铁矿井下通风系统监测点的选址。

2)借助Ventsim通风模拟软件分析通风系统监测点巷道通风参数对系统稳定性的影响，验证其监测点选址的合理性和必要性。根据分支巷道影响范围将监测点数目确定为8个。