河南地方永安煤业有限公司 河南 禹州 461670
摘要：目前，随着金属资源需求的持续增大，国内不断建设了种类多、产量大的地采金属矿山，同时开采多年的老矿山也不断扩能提产，增加井下开采巷道。但是众多新建矿山和扩产老矿山对持续变化、影响因素较多的井下通风系统缺乏有效管控能力，造成矿井通风系统紊乱，影响生产效率。提出了一套系统的决策方法，并将其与计算机技术相结合，开发设计一个用于指导煤矿现场安全生产的辅助软件。该通风系统辅助软件已经成功地应用于多种情况下通风系统的设计和评估。
关键词：矿井通风系统；可靠性评价；软件设计
矿井通风系统是矿井生产的重要辅助系统，为生产系统的安全运行提供保证。矿井通风系统由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流检测及控制系统组成。在生产时其任务是利用各种动力，以最经济的方式，向井下各用风地点提供足够的新鲜空气，保证工作人员呼吸，稀释并排除瓦斯等各种有害物质，降低热害，给井下工人创造良好的工作环境;发生事故时，有效地控制风流方向和大小，与其他措施相结合，防止灾害的扩大。准确、及时、可靠的数据信息是矿井通风系统安全部门进行技术管理和防灾救灾的重要依据，也是矿井通风系统可靠性评价的重要组成部分。
一、评价指标体系
根据矿井通风系统的内涵与所涉及的范围，可以从许多不同的侧面提出反映该系统可靠性的指标，本着能够确切地反映系统可靠性特征;具有明确的物理意义;避免用多个指标反映同一个特征;符合科学、可测、可比、简明和可操作”的原则，通过大量调研、统计分析、理论研究，并参考有关技术规范、法规和经验总结，确定出各指标评价分级的界定范围值。由于指标评价分级的边界存在模糊性，因此采用建立各项指标分级隶属函数的方法，为了确定各指标的重要性权数，建立了层次分析结构模型，并采用幂法编制的因素权重计算程序，获得各指标权重分配值。
二、综合软件功能模块开发
矿井通风系统的合理设计、安全性评定、系统能力预测等是比较复杂的课题，其工作量和繁琐程度都较高，在前人研究成果的基础上，将计算机技术用于指导现场生产，其中主要涉及以下几个模块的设计开发。
1、基于工程可靠性理论的矿井通风系统设计模块开发。可靠性分配是在保证矿井通风系统总体可靠度的前提下，通过考虑单元重要程度、复杂程度、技术水平、经济因素及工作环境等因素，把可靠性指标合理地分配给各子系统[2]。从数学角度来看，可靠性分配实质就是求解下面的基本不等式：
可靠性工程在决策过程中将遇到大量的不确定因素，这些因素直接影响着分配结果的合理性。因此，在充分考虑不确定因素的基础上提出了“基于模糊层次分析的系统可靠性分配模型”。从技术的角度来看该模型由两个阶段组成，首先是通过层次分析方法（AHP）将其划分为三个层次结构，分别为对象层，准则层和目标层。如图。
其次是提出了使用模糊数学计算方法来完成和优化的可靠性分配工作。建立了模糊综合评价矩阵，引入熵的概念，一旦总体可靠性值确定，则可以根据熵权向量和串联系统的特性计算出每个子系统的可靠性分配。利用这种开发模型制定出来的解决方案将是更加准确和科学的，它可以确保矿井通风系统设计的合理性和具有较高的工程质量。
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2、通风系统可靠性的评价方法模块开发。本软件使用了两种不同可靠性评价方法：“静态评价方法”和“动态评价方法”对矿井通风系统进行评级，讨论了其可靠度。在“静态评价方法”中，为了对矿井通风系统进行综合评价，表征系统特点的指标必须全面和深入，显示了指标从六个方面选择。矿井通风系统是一个典型的灰色系统[2]，故本软件采用基于灰色聚类分析－模糊综合评价的两级评价模型。在两级评价模型中，第一级评价利用灰色聚类分析方法建立评价矩阵，在函数（TWW）的帮助下得到了指数J、K的灰类，进而得到综合聚类系数。第二级评价则利用模糊理论获得最终的评价等级。在“动态评价方法”中，考虑到矿井通风系统本身是一个动态、随机的系统，具有相当的随机特征，故本软件采用MonteCarlo模拟方法仿真了矿井通风系统的可靠性。
首先分析矿井通风系统的特点及井下风流的流动规律，进而给出影响风流流量的状态分布函数，运用统计方法建立通风系统可靠性模型，最后通过计算机模拟及对结果的分析，得到可靠性评价指标。在通过风量分布函数建立可靠性模型过程中需要明确通风系统的失效准则，一般来说，巷道风流量小于所需空气量的最小值或超过允许量的最大值可以被定义为巷道故障，其中约束条件最小值和最大值可以由下列公式确定：
3、矿井通风系统预警技术研究模块开发。矿井通风系统受其本身的因素或外部条件变动的影响，一般呈现或趋于安全状态或偏向故障失效状态的波动性。当这种波动变化剧烈时，则有可能发生事故。因此，需要构建矿井通风系统的预警机制，本软件使用粗集—支持向量机集成的矿井通风系统预警体系，使用粗集（RS）的属性简约算法作为前端处理器，利用属性约简在众多矿井通风系统指标中进行优选。然后借用支持向量机（SVM）处理多维问题的优势来构建预警模型。
三、综合软件开发设计
1、矿井通风系统安全辅助软件采用了结构化设计方法，以模块化设计为中心，将待开发的软件系统划分为若干个相互独立的模块。该模块向用户提供了数据输入、输出接口，此外，还提供了数据合法性检查和数据导出到文件等功能，为可靠性分配模块的数据输入界面，可靠性评价模块由静态评价和动态评价两部分组成，该模块除了提供数据输入和数据检查功能外，还提供了数据存储功能，对有价值的评价数据和结果进行存储可以减少重复输入和计算，分别为可靠性评价模块的静态评价和动态评价界面。本软件实现的大部分功能都需要大量的数据输入，同时也产生大量有价值的结果，因此本软件的所有模块都提供了数据导入和导出功能以方便用户使用。系统预警和优选模型也具备这些功能，此处不再赘述。
2、软件应用
此软件已成功地应用于各种矿井通风工程的研究。
（1）在对矿井通风系统进行的初步设计或升级时，应用此软件进行可靠性的设计或调整。已对多个矿井通风系统的通风单元的可靠性分配设计起到了很好的指导作用。使用该软件可避免人为因素或单一指标对最终结果带来的严重的影响，已利用该软件优化和更新了多个不同特点和生产历史的矿井通风系统。
（2）对多个通风系统进行过功能等级评价，并利用评价结果帮助矿商确保矿井通风系统处于最为合理和经济的状态。已成功应用于通风预警工作，帮助采矿工程师采取适当的措施以避免事故发生，减轻了意外风险与保护了矿工的人身安全。
围绕矿井通风系统安全生产的监测、预警和应急处理等需求，综合利用可靠性分配、方案优选、可靠性评价和系统预警等多个关键技术，构建了矿井通风系统研究模型。并在此基础上开发设计了通风系统安全辅助软件，以应对复杂的矿井通风工程的设计或升级，同时通过对矿井通风系统的准确评价和预测为提高矿山安全提供了非常有价值的信息。基于理论基础和广泛的现场验证，通风咨询软件已经被证明是一个通用、可靠的通风工程领域的研究工具。
参考文献
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[4]王海宁，杨友良，张清田.浅谈矿井通风信息界定与分类研究[J].安全与环境学报，2013，(7):96-98
论文作者:闫涛,冯怀林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/18
标签：矿井论文; 通风系统论文; 可靠性论文; 评价论文; 方法论文; 软件论文; 指标论文; 《防护工程》2018年第26期论文;