基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法

631 编辑：管理员来源：中国矿业大学(北京)

2024-05-21 09:14:46

权利要求书： 1.基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：分析高海拔环境的特征对高海拔矿井通风机效能的影响，筛选出重要的影响因素，提炼出评价指标，并将各指标因素进行层次分类，建立评价指标体系。

步骤二：结合各对高海拔矿井通风机效能的影响规律，根据各指标的相对重要度，通过层次分析法确定各指标的权重值。

步骤三：结合各指标对高海拔矿井通风机效能的影响规律，运用模糊综合评价法确定各指标的打分规则，对各指标进行打分并进行加权计算，得到最终评价得分。

步骤四：建立合适的高海拔矿井通风机效能水平等级划分区间，将计算得到的最终得分与之对照，得到高海拔矿井通风机效能水平等级。

2.根据权利要求1所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤一中：

通风机效能水平主要包含风机、电机和经济效益三个方面。

风机的关键指标包括当量风量、风压、风机输出功率和风机效率。

电机的关键指标包括电机输出功率、电机效率和绝缘材料强度。

经济效益的关键指标包括风机能耗和风机投资。

3.根据权利要求1所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤二中，首先通过专家打分确定各指标的相对重要度，建立判断矩阵并检验一致性，计算单一准则下元素的相对权重，即可得到各指标的权重值。

4.根据权利要求3所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤二中计算单一准则下元素的相对权重的具体过程为：计算判断矩阵每一行的元素的乘积计算Mi的n次方根为了使总权重为1，计算正规化可得到各层次的各指标权重W＝(W1,W2,...,Wn)。

5.根据权利要求1所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤三中，主要根据高海拔矿井的海拔条件和空气密度条件，运用模糊综合评价的方法对各指标进行打分。

6.根据权利要求5所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤三中模糊综合评价的具体算法为：当量风量风压风机输出功率风机效率?3

电机输出功率b1＝100?4(h?1000)×10 ，电机效率b2＝100?4(h?1000)×?4

10 ，绝缘材料强度风机能耗风机投资

式中，h(m)表示高海拔矿井所在的海拔高度，ρh(kg/m3)表示海拔h处的空气密度，表示海拔在1000～5000m每提高1m所需要的最高环境温度补偿值，tat(℃)表示电机使用地点的最高环境温度。

7.根据权利要求1所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，步骤四的高海拔矿井通风机效能水平等级划分如下：优秀(90≤分值S≤100)，良好(80≤分值S＜90)，一般(70≤分值S＜80)，较差(60≤分值S＜70)，很差(分值S＜60)。

8.根据权利要求1所述的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，其特征在于，将步骤三得到的风机性能指标得分按照步骤二得到的指标权重进行加权计算，得到最终得分，对照步骤四的高海拔矿井通风机效能水平等级划分区间，可得到高海拔矿井通风机效能水平等级。

说明书：基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法技术领域[0001] 本发明涉及高海拔矿井通风安全领域，尤其涉及一种基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法。

背景技术[0002] 随着我国中东部地区矿山资源的长期开发，资源储量越来越少，而我国社会经济的快速发展和现代化进程的加快，对矿产资源的需求量迅速增加，矿产资源的这种供需比

例不平衡性，对我国社会经济的快速发展造成了严重的制约。因此，随着我国西部大开发战

略的实施，资源丰富、地域广阔且已有一定的经济技术水平的西部地区，必将在未来的国民

经济发展中占据越来越重要的地位。

[0003] 然而，我国西部多为高海拔地区，海拔1000m以上的土地面积占全国陆地面积的60％左右，海拔2000m以上的面积约占33％，3000m以上面积约占26％，具有海拔高、面积广、

跨度大的特点。高海拔地区大气压力低，空气密度小，大气压力和空气密度随海拔逐渐降

低。

[0004] 通风机是矿井生产的重要通风设备，在高海拔矿井的实际生产中，无论是主要通风机还是局部通风机均出现明显的降效，特别是风机风压与风机出厂样本风压相差较大，

这增加了高海拔矿井的通风难度，给矿井通风带来了极大的挑战，如何提升高海拔矿井风

机的通风效能，是高海拔矿井安全与高效生产面临的一个重要难题。

[0005] 目前，矿用风机均以标准地区的环境参数为基础进行设计与制造，风机制造企业所提供的风机性能曲线也是在标准气象条件下所作的模型试验资料绘制而成，当风机应用

于高海拔矿井时，由于气压低，空气密度小，导致通风机效能降低。

[0006] 为了科学衡量高海拔矿井通风机效能水平，本发明综合考虑高海拔条件下通风机效能的多个指标因素，选取适合的风机效能评价指标，建立具有高海拔地区特点的评价指

标体系，依据建立的评价指标体系选取适合的评价方法，对高海拔矿井通风机效能水平进

行综合评估。

发明内容[0007] 本发明的实施方式提供的基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤一：分析高海拔环境的特征对高海拔矿井通风机效能的影响，筛选出重要的影响因素，提炼出评价指标，并将各指标因素进行层次分类，建立评价指标体系。

[0009] 步骤二：结合各对高海拔矿井通风机效能的影响规律，根据各指标的相对重要度，通过层次分析法确定各指标的权重值。

[0010] 步骤三：运用模糊综合评价法对各指标进行打分，经过加权计算得到最终的评价得分。

[0011] 步骤四：建立合适的高海拔矿井通风机效能水平等级划分区间，将计算得到的最终评价得分与之对照，得到高海拔矿井通风机效能水平等级。

[0012] 本发明构建了高海拔矿井通风机效能评估方法，有助于科学评估高海拔矿井通风机效能水平，以指导高海拔矿井正确认识通风现状及存在的问题，指导高海拔矿井采取合

适的方法保证通风质量，具有重要的理论意义和实用价值。

[0013] 进一步地，步骤一中：[0014] 通风机效能水平主要包含风机、电机和经济效益三个方面。[0015] 风机的关键指标包括当量风量、风压、风机输出功率和风机效率。[0016] 电机的关键指标包括电机输出功率、电机效率和绝缘材料强度。[0017] 经济效益的关键指标包括风机能耗和风机投资。[0018] 进一步地，步骤二中，首先通过专家打分确定各指标的相对重要度，建立判断矩阵并检验一致性，计算单一准则下元素的相对权重，即可得到各指标的权重值。

[0019] 进一步地，步骤三中，主要根据高海拔矿井的海拔条件和空气密度条件，运用模糊综合评价的方法对各指标进行打分。

[0020] 进一步地，步骤四的高海拔矿井通风机效能水平等级划分如下：[0021] 优秀(90≤分值S≤100)，良好(80≤分值S＜90)，一般(70≤分值S＜80)，较差(60≤分值S＜70)，很差(分值S＜60)。

[0022] 进一步地，将步骤三得到的风机性能指标得分按照步骤二得到的指标权重进行加权计算，得到最终的评价得分，对照步骤四的高海拔矿井通风机效能水平等级划分区间，可

得到高海拔矿井通风机效能水平等级。

附图说明[0023] 图1是本发明实施方式的高海拔矿井通风机效能评估的层次模型。具体实施方式[0024] 下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。[0025] 本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

[0026] 如图1所示，基于层次模型的高海拔矿井通风机效能评估方法，包括以下步骤：[0027] 步骤一：分析高海拔环境的特征对高海拔矿井通风机效能的影响，筛选出重要的影响因素，提炼出评价指标，并将各指标因素进行层次分类，建立评价指标体系。

[0028] 步骤二：结合各对高海拔矿井通风机效能的影响规律，根据各指标的相对重要度，通过层次分析法确定各指标的权重值。

[0029] 步骤三：结合各指标对高海拔矿井通风机效能的影响规律，运用模糊综合评价法确定各指标的打分规则，对各指标进行打分并进行加权计算，得到最终评价得分。

[0030] 步骤四：建立合适的高海拔矿井通风机效能水平等级划分表，将计算得到的最终评价得分与之对照，得到高海拔矿井通风机效能水平等级。

[0031] 所述步骤一的具体实现方法为：[0032] 高海拔矿井通风机效能水平，主要包含风机、电机和经济效益三个方面。[0033] (1)风机应用于高海拔低气压地区时，随着空气密度下降，对应的体积风量、风机效率与平原地区相同，而当量风量、风压和功率随着空气密度的减小而等比降低。因此，风

机的关键指标包括当量风量、风压、风机输出功率和风机效率。

[0034] (2)风机在高海拔矿井运行时，配备的电机也会出现严重的降效，主要体现在输出功率降低，效率降低和温升增加等方面。因此，电机的关键指标包括电机输出功率、电机效

率和绝缘材料强度。

[0035] (3)经济效益的关键指标包括风机能耗和风机投资。[0036] 根据上述分析提炼出的关键指标，建立高海拔矿井通风机效能水平评估的层次指标体系。

[0037] 所述步骤二的具体实现方法为：[0038] (1)构造判断矩阵。假设C具有下属指标c1，c2，…，cn。在构成判断矩阵过程中，针对C，参考表1的标度依据，邀请数位相关领域的专家，判断两个指标ci和cj的相对重要性，并赋

予相应的分值。将得到的各指标相对重要度列于矩阵之中，可以得到各评价指标两两比较

的判断矩阵

[0039] 表1标度依据及分值[0040][0041] (2)检验判断矩阵的一致性。通过一致性指标CI，平均随机一致性指标RI和随机一致性比例CR三个一致性参数来检验矩阵的一致性。一致性指标CI计算式为随

机一致性比例CR查表2，随机一致性比例CR计算式为当CR＜0.1时，一般认为判

断矩阵具有完全一致性，此时判断矩阵是有效的。

[0042] 式中，λmax表示判断矩阵的最大特征根，n表示判断矩阵的阶数。[0043] 表21～13阶矩阵RI值[0044] 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13RI 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56

[0045] (3)计算单一准则下元素的相对权重。具体过程为：计算判断矩阵每一行的元素的乘积计算Mi的n次方根为了使总权重为1，计算

正规化可得到各层次的各指标权重W＝(W1,W2,...,Wn)。

[0046] 所述步骤三的具体实现方法为：[0047] 根据高海拔矿井的海拔条件和空气密度条件，运用模糊综合评价的方法对各指标进行打分。模糊综合评价的具体算法为：

[0048] 当量风量风压风机输出功率风机效率?3

电机输出功率b1＝100?4(h?1000)×10 ，电机效率b2＝100?4(h?1000)×

?4

10 ，绝缘材料强度风机能耗

风机投资

[0049] 式中，h(m)表示高海拔矿井所在的海拔高度，ρh(kg/m3)表示海拔h处的空气密度，表示海拔在1000～5000m每提高1m所需要的最高环境温

度补偿值，tat(℃)表示电机使用地点的最高环境温度。

[0050] 所述步骤四的具体实现方法为：[0051] 建立的高海拔矿井通风机效能水平等级划分表见表3，将最终的评价得分对照表3即可得到高海拔矿通风机效能水平评估等级。

[0052] 表3通风效能水平等级划分表[0053]通风效能水平值S S≥90 80≤S＜90 70≤S＜80 60≤S＜70 S＜60

通风效能等级优秀良好一般较差很差

[0054] 应用实例[0055] 下面将用本发明提出的评估方法，对位处海拔3600m、2700m、1500m的三个矿井风机通风效能水平进行评估，以展示该套评估方法的具体使用及评估效果。已知：海拔3600m

处大气压力66.58kPa，其空气密度0.792kg/m3，约为标准地区空气密度的66％；海拔2700m

处大气压力为73946Pa，空气密度为0.879kg/m3，约为标准地区空气密度的73％；海拔1500m

处大气压力为85058Pa，空气密度为1.011kg/m3，约为标准地区空气密度的84％。

[0056] (1)建立高海拔矿井通风机效能评价指标体系，见附图1。[0057] (2)通过专家打分构造判断矩阵并检验其一致性，计算各指标的权重值。[0058] 计算得到查表2得RI＝0.52，经计算，可见该矩阵满足一致性要求。计算单一准则下元素的相对

权重，可得第一层指标权重

计算得到查表2得RI

＝0.89，经计算，可见该矩阵满足一致性要求。计算单一准则下元素的相对权

重，可得指标权重

[0059] 计算得到查表2得RI＝0.52，经计算，可见该矩阵满足一致性要求。计算单一准则下元素的相对权

重，可得指标权重

[0060] 计算得到查表2得RI＝0，当CI和RI均为0时CR＝0，可见该矩阵满足一致性要求。计算单一准则下元素的相对权重，可得指

标权重

[0061] 综上所述，第一、二层指标权重分别为：[0062][0063] W＝(Wsa1,Wsa2,Wsa3,Wsa4,Wsb1,Wsb2,Wsb3,Wsc1,Wsc2)[0064] ＝(0.15,0.2,0.05,0.05,0.05,0.05,0.1,0.25,0.1)[0065] (3)运用模糊综合评判的方法对各指标打分，根据前述具体算法，得到的各指标分值见表4。

[0066] 表4各指标分值[0067] 指标 a1 a2 a3 a4 b1 b2 b3 c1 c2海拔3600m 64.52 64.52 41.63 41.63 88.80 98.60 72.00 34.89 41.05

海拔2700m 73.36 73.36 53.82 53.82 93.2 99.15 83.00 49.69 53.36

海拔1500m 84.38 84.38 71.20 71.20 98.00 99.75 95.00 72.36 71.03

[0068] (4)对各指标分值进行加权计算，得出最终的评价分值。前述得出第二层指标权重W＝(0.15,0.2,0.05,0.05,0.05,0.05,0.1,0.25,0.1)，经计算，得到海拔3600m、2700m、

1500m的矿井风机通风效能水平值分别为：56.14分、66.73分、81.23分。

[0069] (5)得出风机效能水平的评价等级。对照表3的高海拔矿井通风机效能水平等级划分，海拔3600m、2700m、1500m的三个矿山风机效能水平分别为很差、较差、良好。