本发明属于矿山开采领域，为矿山开采通风作业提供技术支持。
背景技术：
矿井通风是矿井各生产环节中最基本的一环，在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。探究历次重大矿井灾害事故发生的原因，无不与矿井通风系统有密切的关系。矿井通风系统由通风动力装置、通风网络及其控制系统组成。矿井通风的基本任务是向井下输送新鲜空气，以冲淡并排出井下的有毒有害气体和粉尘，保证井下风流的质量和数量符合国家安全卫生标准，创造良好的工作环境，防止各种伤害和事故的发生，保障井下人员身体健康和生命安全。要实现上述任务，就必须有安全可靠、经济合理的矿井通风系统。为此，我们必须通过通风系统评价来了解矿井通风系统的状态，以便及时找出影响矿井通风系统的不良因素并采取相应的措施，以防止事故的发生。
对确定的矿井通风系统优劣进行评判，评价内容包括确定评价指标、确定各评价指标权重和选择评价方法。
影响矿井通风系统的因素很多，有内部因素也有外部因素，而且这些因素是在不断变化的。建立矿井通风系统评价体系，最主要的就是要选择最能体现矿井通风系统状况的指标。本发明从矿井通风系统的技术可行性、安全可靠性、经济合理性三方面入手建立矿井通风系统评价指标体系。其中表明技术可行性的指标因素主要包括矿井总风压、矿井有效风量率2项指标；表明安全可靠性的指标因素主要包括用风地点风流稳定性、风机运转稳定性2项指标；表明系统经济合理性的指标因素包括通风机效率、单位产量通风动力费2项指标。
1、矿井总负压：影响矿井总负压大小的因素有许多，其中主要有井型、开拓方式、井深、通风方式、矿井总需风量、矿体倾角、采区巷道布置方式等。
《煤矿设计规范》中规定总负压一般不超过3000pa。对于只存在一个风井的矿井，其负压的值和通风阻力存在大小相同、符号相反的关系。对于多个风井进行通风，需要根据多个风井的功率之和与矿井通风的总功率相等的原理来计算。
2、矿井有效风量率：矿井的有效风量率是指井下所有独立回风的用风点(如采掘工作面、硐室)以及其他巷道实际得到的风量之和与主扇的工作风量之比的百分数。它是衡量矿井通风技术管理水平和采区供风情况的指标。有效风量率太小可能会导致供风不足，总进风不能完全被有效利用。一般要求，矿井的有效风量率不得低于80％。
3、用风地点风流稳定性：用风地点的风流稳定性是指新鲜空气进入井下用风地点后，其风量能够满足生产需求，并且风流的方向基本保持不变。当矿井内风流的风量、风向及质量发生波动，且波动范围超过允许值时，这种现象被称为不稳定现象。通风动力不稳定或者通风网路结构不合理都有可能引起风流不稳定。本发明用评分的方法对该项指标进行定量化处理，按照用风地点风流方向、风流质量和数量优劣依次评分10～90分，每10分一档，满分100。
4、风机运转稳定性：随着开采水平的延深，多个水平或矿块、采区同时生产，使得矿井通风系统变得复杂，仅靠单台扇风机作业不能满足矿井安全生产对风量的需要时，必须使用多台扇风机联合通风，形成多风机共同在通风网路中联合作业。通过多风机联合运转的方法进行通风，必须考虑风机运转的稳定性。多台扇风机联合作业与一台扇风机单独作业有所不同。如果不能掌握扇风机联合作业的特点和技术，将会事与愿违，后果不良，甚至可能损坏扇风机。因此，在选择扇风机联合作业方案时，应从扇风机联合运转的特点、效果、稳定性和合理性出发，在考虑风网风阻对工况点影响的同时，还要考虑运转效率和轴功率大小。本发明用评分的方法对该项指标进行定量化处理，按照运转稳定性好坏以百分制评分。
5、主要通风机效率：通风机效率是指有效功率占输入功率的百分比。输入功率的能量损失，主要是由风流在通风机的机体内运动时产生的冲击、摩擦等因素造成。众所周知，若能采用高效风机及设备就能获得最佳运行效率。矿井通风机主要有轴流式和离心式两种，这两种风机生产厂家提供的风机性能曲线不同，对于离心风机是全压效率曲线，对于轴流式通风机是静压效率曲线，全压效率包括动压在内，静压效率则未包括。本发明用评分的方法对该项指标进行定量化处理，按照主要通风机效率高低以百分制评分。
6、单位产量通风动力费：通风机是矿山主要通风设备，功率大，在矿山开采通风工作中需要昼夜连续运行，消耗的电能在矿井生产中占很大比重。在矿井通风费用概算中要求计算出单位产量的通风总动力费用。计算该项时，首先要算出主扇风机运转的耗电量和局扇、辅扇风机运转的耗电量总和即可得总电费，然后由矿井年产量即可得单位产量通风动力费。在本发明中选取矿井生产实际情况下的单位产量通风动力费与设计单位产量通风动力费的比值，按1～1.5分为四个等级。
技术实现要素：
本发明提供一种基于加权聚类的矿井通风系统评价方法，用于实现对任意矿井通风系统进行优劣评价。
影响矿井通风系统优劣因素很多，本发明选取矿井总风压、矿井有效风量率、用风地点风流稳定性、风机运转稳定性、通风机效率、单位产量通风动力费六项指标，将矿井通风系统优劣分为优秀、良好、一般、差四个等级，并用加权聚类法对矿井通风系统的这六项指标进行优劣评价。评价步骤如下：
1、确定评价指标及标准模型库u
基于矿山具体情况，把矿井通风系统的优劣性级别确定为4个等级，并建立标准模型库u：
u＝{ai}(1)
其中，ai为标准模型库的第i个标准子集(i＝1～4),代表矿井通风系统优劣性的第i个级别，即：
把矿井总风压、矿井有效风量率、用风地点风流稳定性、风机运转稳定性、通风机效率、单位产量通风动力费这六个特征量作为对矿井通风系统优劣性进行评价的指标，则有：
ai＝(xi1,xi2,xi3,xi4,xi5,xi6)(3)
式中：xi1——对矿井通风系统评价的影响因素矿井总风压；
xi2——对矿井通风系统评价的影响因素矿井有效风量率；
xi3——对矿井通风系统评价的影响因素用风地点风流稳定性；
xi4——对矿井通风系统评价的影响因素风机运转稳定性；
xi5——对矿井通风系统评价的影响因素通风机效率；
xi6——对矿井通风系统评价的影响因素单位产量通风动力费。
根据矿山安全规程、技术规范及诸多矿山实践经验，建立矿井通风系统评价标准样本库，如表1所示。
表1矿井通风系统评价标准样本库
2、确定评价指标权重
权重是一个表示各指标的重要程度的概念，在对一个评价对象进行评价时，每个指标对所评价对象的影响程度不同，其重要程度也不一样，权重计算就是对各指标对评价对象的重要程度进行定量化处理的过程。确定权重系数的方法较多，在此不再赘述，本文采用层次分析法确定六项评价指标的权重系数如表2所示。
表2矿井通风系统评价指标权重系数
3、建立待评价样本b
在任意矿井总风压、矿井有效风量率、用风地点风流稳定性、风机运转稳定性、通风机效率、单位产量通风动力费已知时，构成待评价样本b，即
b=(x01，x02，x03，x04，x05，x06)（4）
式中：x01——待评价矿井通风系统的总风压；
x02——待评价矿井通风系统的有效风量率；
x03——待评价矿井通风系统的用风地点风流稳定性；
x04——待评价矿井通风系统的风机运转稳定性；
x05——待评价矿井通风系统的通风机效率；
x06——待评价矿井通风系统的单位产量通风动力费。
4、归一化处理
由于指标的量纲不同以及数值量级的悬殊性，需对原始数据进行正规化处理，处理后的数据为无量纲且属于0～1之间，具体处理如下式：
式中ximin和ximax分别表示n个实例中第i个指标的最小值和最大值。
将表1中所示的矿井通风系统4个优劣评价样本经归一化处理后，得到评价指标的典型实例矩阵，如下：
5、确定评价等级
样本的亲疏关系可由距离系数dij来衡量：
dij＝{[λ1(x1i-x1j)]2+[λ2(x2i-x2j)]2+…+[λ4(x4i-x4j)]2}1/2，1≤i≤m，1≤j≤n(7)
权重系数满足
据此，对于任一待评价样本，已知其矿井总风压、矿井有效风量率、用风地点风流稳定性、风机运转稳定性、通风机效率、单位产量通风动力费六项具体值时，将其与标准样本归一化处理即得指标样本。利用距离系数公式计算它与四个标准样本的距离系数，即可得待评价样本的评价等级类型。
具体实施方式
具体实施方法是，根据矿山各种不同通风系统的矿井总风压、矿井有效风量率、用风地点风流稳定性、风机运转稳定性、通风机效率、单位产量通风动力费，建立矿井通风系统评价六指标四等级的标准模型库，然后将待评价样本与标准模型库进行距离系数相似度计算，最后根据距离系数确定样本所属的评价等级。
以某矿为例，其六项指标分别为：矿井总风压2895pa、矿井有效风量率93％、用风地点风流稳定性77分、风机运转稳定性66分、通风机效率80分、单位产量通风动力费1.31，经与标准样本归一化处理得指标矩阵:
xj＝[0.65830.80.90.53330.83330.62]
计算它与4个标准样本的加权距离系数，得距离系数矩阵:
dij＝[0.14460.18190.23220.3784]
由于距离系数0.1819在所有加权距离系数中为最小值，故可将此样本通风系统的评价等级视为属于表1中的第2类，即该矿属良好矿井通风系统。