基于突变理论的某矿井通风系统优化方案选择

李亚俊，刘伟强，李印洪

(湖南有色冶金劳动保护研究院， 湖南 长沙 410001)



基于突变理论的某矿井通风系统优化方案选择

李亚俊，刘伟强，李印洪

(湖南有色冶金劳动保护研究院， 湖南 长沙 410001)

在矿井通风系统优化过程中，对通风系统优化方案进行优选，选出技术可行、经济与安全的方案对矿井通风优化决策具有重要意义，应用突变理论对矿井通风系统方案进行综合评价，将矿井通风系统定性分析问题简化为定量选择，避免了通风方案选择中的主观性，为矿井通风方案的优选提供了客观判断依据。

矿井；通风系统；方案选择；突变理论

本文针对湖南某金属矿山的井下通风优化设计，应用突变理论对优化方案进行优选，并确定最合理的方案，证明了突变理论在矿井通风方案选择中的应用具有可行性。

1 突变理论简介

突变理论研究的是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。应用突变理论建立的数学模型通常是通过突变势函数来构建，势函数的状态由临界点决定，控制变量决定系数状态的变化，突变理论中常用的为初等突变，其主要形式有尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变。

利用突变理论对矿井通风系统改造方案进行优选的步骤是：构建通风系统评价体系并将其划分为多层次系统；确定通风优化系统评价底层指标值，并对其进行规格化处理，确定评价体系最底层指标隶属度函数值；确定系统突变模型，利用归一公式对各方案评价体系分层次进行量化递归计算，并确定突变级数值，不同的方案其突变函数值不同，最后得到总突变函值，且数值越大越优，即挑选总突变函数隶属度值较大的为最优方案。突变理论优选改造方案流程见图1。

2 矿井通风方案优选实例

2.1 矿井通风方案

以湖南某金属矿山已开采多年，近年来作业区域扩大，开采深度加深，开采作业重点转移，通风网络变的复杂，现井下通风存在总进风量不足、风量分配不合理、污风循环、通风构筑物不完善等诸多问题，现通风系统已不能满足需求，需要对其进行改造。现拟定2种通风方案，利用突变理论进行运算，将结果进行比较，确定最为合理的通风方案。

图1 改造方案确定系统

拟定的两种通风方案见表1，方案1充分合理利用现有的通风井巷，并在其基础上进行完善，施工周期短；方案2需掘进新的通风井巷，完善主辅扇设置，风路长，通风阻力大，施工周期长，可靠性强，两通风方案需进一步比较。

表1 拟定的两种通风方案

2.2 矿井通风方案评价指标

现我国金属矿山矿井通风系统的评价指标很多，且因不同矿井的各自差异其评价方式亦不能一概而论，如若根据矿山实际状况把所用影响因素都加以考虑，则计算过程过于复杂，应根据矿山通风实际选取主要影响因素为评价指标。

2.2.1评价指标的建立

查阅文献资料并结合该矿山通风的现实状况，确定矿机通风综合评价分为技术、可靠性、成本3大方面，确定底层评价指标为风压、风量、风流稳定性、风机效率等9个，其通风方案优选评价模型见图2。

利用相关通风系统网络解算和专家评定得到各底层的评价指标数值见表2。

2.2.2 隶属度分析

应用模糊数学理论对表2中指标进行处理，得到该项评价各底层指标的隶属度函数值，表3为该矿山两种通风改造方案评价体系最底层指标隶属度函数对比数值，表中数值为[0,1]的无量纲值，具有数值越大越优的特性。

图2 通风系统评价模型

方案ⅠⅠ1/PaⅠ2/(m3/s)Ⅰ3ⅡⅡ1Ⅱ2Ⅱ3ⅢⅢ1/%Ⅲ2/(元/t)Ⅲ3/万元1941．639．911．029090850．853．38127．9221138．741．21．088090900．833．85180．58

表3 归一化处理后最底层隶属函数值

2.2.3 递归运算

在应用突变理论模型进行评价时，评价层次体系中控制变量存在相互关联则为“互补型”系统，否则为“非互补型”，“互补型”上层状态变量模糊隶属函数值为该层中所有突变级数值平均值；“非互补型”则为其最小值。该评价模型选用燕尾突变计算，系统Ⅰ、Ⅲ为互补型，Ⅱ为非互补型。对各评价指标进行量化递归运算，底层指标子系统选用相对应的归一公式，算出各突变级数值如表4所示，中间层变量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相应的突变级数值见表5。

表4 底层指标突变级数

表5 中间层变量计算结果

根据表5可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与X构成互补型系统，由此可得，方案1总突变隶属函数值为0.992，方案2总突变隶属函数值为0.978。方案1的总突变隶属函数值大于方案2的总突变隶属函数值，因此，Ⅰ方案为最佳方案。

3 结 论

将突变理论应用于矿井通风系统的方案选择是可行的，将技术性、可靠性及成本多种指标进行量化递归计算，运用突变理论进行方案优选确定总突变隶属函数值，实例结果显示方案1的总突变隶属函数值大于方案2的，可确定方案1为该矿井通风系统改造最佳方案。

[1]王宏图,黄振华,范晓刚,等.粗糙集-神经网络理论在矿井通风系统评价中的应用[J].重庆大学学报,2011(09):90-94.

[2]宋泽阳,李学创,齐文宇,等.矿井通风系统稳定性定量判定方法研究[J].中国安全科学学报,2011(09):119-124.

[3]陶树银,晏新平,彭 斌,等.应用突变理论优选矿井通风系统改造方案[J].中国钨业,2013(03):19-22.

[4]王书伟.基于突变理论的矿井通风系统方案优选[J].现代矿业,2010(02):79-81.

[5]韩艳杰,张志军,李亚俊.基于新型综合集成法的矿井通风系统安全评价[J].中国安全生产科学技术,2014(02):75-80.(收稿日期：2015-09-22)

李亚俊(1991-)，男，河南驻马店人，助工，硕士，主要研究方向为矿井通风理论，Email：565768546@qq.com。