基于ANP的高海拔矿山掘进工作面通风方式优选

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.173

基于ANP的高海拔矿山掘进工作面通风方式优选

李蓉蓉^,, 李孜军^,, 黄义龙, 赵淑琪

中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

Ventilation Mode Optimization of Mining Face at High Altitude Based on ANP

LI Rongrong^,, LI Zijun^,, HUANG Yilong, ZHAO Shuqi

School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

通讯作者: 李孜军（1967-），男，湖南醴陵人，教授，从事通风工程、粉尘控制理论与技术研究工作。zijunli@csu.edu.cn

收稿日期: 2019-10-27 修回日期: 2020-02-12 网络出版日期: 2020-05-07

基金资助:

国家重点研发计划课题“高海拔高寒地区矿井通风安全保障技术”. 2018YFC0808404

Received: 2019-10-27 Revised: 2020-02-12 Online: 2020-05-07

作者简介 About authors

李蓉蓉（1994-），女，福建德化人，硕士研究生，从事矿井通风工程与安全科学理论研究工作13164802656@163.com , E-mail：13164802656@163.com

摘要

为取得更好的掘进工作面通风效果，根据高海拔金属矿山特殊环境需求，基于网络层次分析法（ANP），从安全效益、经济效益和技术效益3个方面，确立11个评价指标，建立了独头巷道掘进工作面通风效果评价指标的网络结构。然后利用超级决策软件解决复杂的计算问题，得到“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”3种掘进工作面通风方法的综合权重和各个评价指标的全局权重，从而选出最优通风方式。将该评价体系应用于云南省海拔3 400 m的某金属矿山，结果表明：“长压短抽”通风方式综合权重为46.16%，通风效果最佳；“供氧效果”为最重要评价指标，全局权重为20.08%，在选择高海拔矿山掘进工作面通风方式时应重点考虑其通风供氧效果。该评价体系所得结论符合高海拔矿山通风实际，并指出影响矿山通风效果的主要因素，对金属矿山制定最佳通风方式具有指导意义。

关键词： 高海拔金属矿山 ; 掘进通风 ; 通风方式 ; 网络层次分析法 ; 评价指标 ; 超级决策软件

Abstract

Ventilation of tunneling face is an important part of mine ventilation system，which is of great signi-ficance for guaranteeing the health and life safety of workers.However，the special plateau environment with low pressure and low oxygen has put forward higher requirements for ventilation effect.According to the special environmental requirements of high altitude metal mine and based on analytic network process，11 evaluation indexes were established from three aspects of safety benefit，economic benefit and technical benefit.There is a complex interaction between the evaluation indexes of the ventilation effect of the heading face.The correlation of the evaluation indexes was obtained through group discussion among 12 researchers in the field of mine ventilation.Thus the network structure of ventilation effect evaluation index of heading face was established and the final evaluation system was formed.ANP method involves many elements，the calculation process is complex and the calculation is large.According to the analysis of the ventilation effect evaluation index of the tunneling face of the high-altitude mine and the result of correlation relationship construction，the ANP model diagram of ventilation effect evaluation of the tunneling face was established in the super decision software.The comprehensive weight of three ventilation modes and the global weight of each evaluation index were calculated to select the best ventilation method.This evaluation system was applied to a metal mine at an altitude of 3 400 m in Yunnan.Ten people，including experts in mine ventilation engineering and on-the-job mine ventilation technicians，were invited to fill in the pairwise comparison judgment matrix questionnaire.By comparing the importance of the two evaluation indexes，the judgment matrix was established，and the super decision software was used for relevant calculation.The results show that the comprehensive weight of far-pressing-near-suction ventilation mode ventilation mode is 46.16%，and its ventilation effect is the best.The global weight of “oxygen supply effect” is 20.08%，which is the most important evaluation index.The oxygen supply effect should be taken into account when choosing the ventilation mode of mining face at high altitude.It is proved by practice that the conclusions obtained by the evaluation system are in line with the actual safety of mines，and can point out the main factors to evaluate the ventilation effect of mines.

Keywords： high altitude metal mines ; drifting ventilation ; ventilation scheme ; analytic network process（ANP） ; evaluation index ; super decision software

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本文引用格式

李蓉蓉, 李孜军, 黄义龙, 赵淑琪. 基于ANP的高海拔矿山掘进工作面通风方式优选[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 301-308 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.173

LI Rongrong, LI Zijun, HUANG Yilong, ZHAO Shuqi. Ventilation Mode Optimization of Mining Face at High Altitude Based on ANP[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(2): 301-308 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.173

高海拔地区金属矿山掘进巷道处于低压低氧的特殊环境，选择适宜的通风方式显得尤为重要。若采用单一抽出式通风，易造成巷道内负压状态，从而使氧分压进一步降低，不利于掘进作业人员的身体健康；若采用单一压入式通风，长距离巷道掘进排出炮烟所需要的风量大，所排出的炮烟在巷道中随风流扩散蔓延范围大，排尘效果不佳，工作环境差。因此，高海拔矿山掘进工作面应采取混合式通风。混合式通风有多种布置方式，主要有“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”，各种混合式通风方式对于具有特殊环境需求的高海拔矿山掘进工作面的通风效果有待进一步研究。

矿井通风效果评价方法的理论研究很丰富，主要集中在对矿山整体通风系统的评价，运用较多的研究方法有模糊综合评价^[1,2]、层次分析法^[3,4]、神经网络^[5,6]、Fisher判别法^[7,8]和多目标决策法^[9]等。也有学者综合多种方法形成新的集成矿井通风系统评价体系，如：韩艳杰等^[10]将德尔菲法、层次分析法、灰色关联聚类法和模糊综合评判法的基本理论有机地结合起来，建立了新型综合集成评价法；陈建宏等^[11]应用层次分析法和熵权VIKOR法对矿井通风方法进行优选，为通风方案优化提供了新思路；张庆华^[12]从通风理论、通风系统、通风装备和通风监控4个方面对近年来我国矿井通风取得的新成果进行了梳理，指出目前有关高海拔矿山掘进通风方案评价的研究较少。北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部龚剑等^[13]通过AHP-TOPSIS建立通风评判模型并计算综合优越度，从而对混合式掘进通风方式进行优选，但选用层次分析法仍存在忽视了评价指标之间复杂的相互影响关系的问题。网络层次分析法适用于在复杂系统中考虑层次内部元素的依存和下层元素对上层元素的反馈影响^[14]，通过构建危险因素的网络关系，可清晰地呈现各危险因素之间的相互影响关系，国内外众多学者采用此方法解决具有网络结构的评价与决策问题^{[15,16,17,18]}。

本文将网络层次分析法应用于高海拔金属矿山掘进工作面通风效果评价，基于“安全可靠、技术可行、经济合理”的目标，确定掘进工作面“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”混合式通风方案的通风效果评价指标，根据实际情况构建评价指标之间的关联情况，形成掘进工作面通风效果评价体系。以云南省海拔3 400 m的某金属矿山为例，完成两两比较的判断矩阵，通过超级决策软件建立掘进工作面通风效果评价网络层次分析法（Analytic Network Process，ANP）模型，逐一输入评价指标之间的优势度关系，运用超级决策软件计算得到3种方案的综合权重和各个评价指标的全局权重，从而优选出最适宜的通风方式。

1 通风效果评价指标确定

矿井掘进工作面通风系统是由相互关联、相互制约的众多元素构成的复杂系统，要对掘进工作面通风系统进行科学合理的评价，必须先确定能够准确反映掘进工作面通风系统实际状况的指标，建立一个科学合理的评价指标体系^[19]。在选取指标时，应选择具有较强综合性和代表性的指标，既能简化指标体系，又能全面集中地反映通风系统各个方面的特征和状况，同时考虑高海拔矿山掘进工作面的工作环境特点，使掘进工作面通风方案达到“安全可靠、技术可行、经济合理”的要求。因此，从安全效益、技术效益和经济效益3个方面分析“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”3种混合通风方式在高海拔矿山掘进工作面的通风效果，选取的指标如表1所示，包括3个一级指标和11个二级指标，确保定性分析与定量分析相结合。

表1 掘进工作面通风效果评价指标体系

Table 1 Evaluate index system of the ventilation effect in tunneling face

一级指标	二级指标	一级指标	二级指标
方案P	长压短抽P₁	技术效益T	有效风量率T₁
	长抽短压P₂		风量供需比T₂
	长抽长压P₃		通风阻力T₃
安全效益S	除尘效果S₁	经济效益E	购置费用E₁
	供氧效果S₂		安装费用E₂
	风流稳定性S₃		使用维护费用E₃
	风机稳定性S₄		风机效率E₄

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1.1 安全效益

掘进工作面通风方案的安全效益是指通风方案在保障矿井安全生产方面的可靠程度，能够确保采掘工作正常进行且能预防和控制灾害事故的发生。安全效益对应的二级指标分别是除尘效果、供氧效果、风流稳定性和风机稳定性。

（1）除尘效果。掘进工作面是矿山井下作业最主要的产尘场所^[20]，在进行钻孔、爆破及装运等作业过程中会产生大量粉尘，且独头巷道的通风距离长，增加了除尘难度，严重破坏掘进工作面的作业环境、损坏采掘机械和影响工人的身体健康，因此除尘效果是评价掘进工作面通风方案的重要指标。

（2）供氧效果。随着矿山掘进工作的不断深入，气压低、氧分压低和气温低等复杂的高原地理气候环境，严重影响了作业人员的健康与施工机械的工作效率，制约着高海拔矿山的安全生产，其中缺氧问题对作业人员健康的影响尤为突出^[21]。对氧分压的提高效果是评价掘进工作面通风方案优劣不可或缺的指标。

（3）风流稳定性。风流稳定性是指风流能满足安全生产需求，即风量合理且风流方向不变。通风动力不足和通风网络结构不合理是引起风流不稳定的主要原因。风流稳定性在一定程度上反映了通风系统的稳定性，因此，将其作为通风效果的评价指标之一。

（4）风机稳定性。矿井风机作为矿井安全生产的四大固定设备之一，能有效调节井下采掘工作面的空气质量，是矿井安全状态监测的重要对象。风机稳定性直接影响到风机压力和流量的稳定性，若风机稳定性低，风机运行时由于磨损或震动等原因产生过大的噪音，将对作业人员的工作效率和身体健康造成不利影响，因此，风机稳定性直接影响采掘作业的安全效益。

1.2 技术效益

若想获得较好的掘进工作面通风效果，在设计阶段就要基于掘进巷道的实际情况研究设计出技术合理的通风方案，并购置与风量大小及风阻相匹配的通风设备，这样才能将数量和质量都符合要求的风流送入掘进工作面，保证采掘工作正常高效进行。技术效益对应的二级指标分别是有效风量率、风量供需比和通风阻力。

（1）有效风量率。有效风量率是指掘进工作面获得的风量占局部扇风机工作风量的百分数，能反映风量利用情况和漏风大小，是考核风机实际运转效率、矿井通风工程质量和管理水平的重要指标。有效风量率过低会造成通风用电的浪费，且不能保证供风，威胁矿井安全生产，在设计施工和生产管理等各个方面都应尽量减少漏风情况，提高有效风量率。

（2）风量供需比。风量供需比为风机实际进风量和掘进工作面所需风量的比值，反映了通风系统的供风状况。风量供需比越接近于1，表明风量供需相当，由风机提供的风量利用率越高，符合节能要求。在进行通风系统设计和实际生产过程中，应着重考察掘进工作面所需供风量，合理设置供风量，提高资源利用率。

（3）通风阻力。通风阻力是指空气沿井巷流动时，井巷对风流呈现的阻力，是进行掘进工作面通风方案设计、改进和通风检查管理工作的基础。通风阻力使风流的能量减少，为了节约通风电能的消耗，必须采取有效措施，降低通风阻力。

1.3 经济效益

掘进工作面通风是一项工程投资、运营费用和管理难度均较大的工程，经济效益是考核通风效果的主要指标，即尽可能用较低的成本，安全地采出更多的矿石，取得良好的经济效益。经济效益对应的二级指标分别有购置费用、安装费用、使用维护费和风机效率。

（1）购置费用。购置费用是由设备原价、运费和装卸费、包装费、设备供销部门手续费以及采购和保管费构成。优化通风网络设计，以最简易的通风设备和管道布置，达到更好的效益，能大大减少购置费用，获得最佳经济效益。

（2）安装费用。通风设备的安装是一道很重要的工序，通风设备的安装质量直接影响到工程的整体质量，在追求更高经济效益的同时，更要保证安装的质量，准确固定通风设备支架，及时连接机电线路，消除安全隐患，保证通风方案的效果。

（3）使用维护费。使用维护费包括运行通风设备需要的机电费用、人力成本以及维修保养设备产生的费用。定期清理、检查和维护通风设备，对延长通风设备的寿命、提高通风设备的使用率以及提高经济效益具有重要作用。

（4）风机效率。风机效率是指风机的输出功率与输入功率的比值，风机效率越高，说明风机的内部阻力越小，性能越好，提高风机产品的运行效率，对于节能减排，降低企业生产成本有很大帮助。

2 评价指标关联情况构建

各个评价指标不是独立地影响通风方案的效果，而是存在着相互影响的关系，对于存在反馈和依赖关系的评价指标，需要依据两两比较的判断矩阵原则，建立重要程度的调查问卷，逐一比较具有关联情况之间的优势度。

2.1 评价指标关联情况调查

掘进工作面通风效果的评价指标之间存在着复杂的相互影响的关系，例如：安全效益和经济效益之间存在复杂关联情况，要保证较高的安全性，对设备、管道的质量要求就会提高，购置费用也会随之增加，而设备质量的提高会增强设备的安全性能，能延长设备使用寿命。因此，需要根据实际情况构建评价指标之间的关联情况。指标关联情况是通过12位矿井通风领域研究人员进行小组讨论，填写二维形式的调查表得到的，如表2所示。

表2 掘进工作面通风效果评价指标关联情况调查表

Table 2 Investigation form of ventilation effect evaluation index of tunneling face

评价指标		方案			安全效益S				技术效益T			经济效益E
评价指标		P₁	P₂	P₃	S₁	S₂	S₃	S₄	T₁	T₂	T₃	E₁	E₂	E₃	E₄
方案P	P₁				√	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√
	P₂				√	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√
	P₃				√	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√
安全效益S	S₁	√	√	√		√
	S₂	√	√	√	√
	S₃	√	√	√	√	√		√	√	√
	S₄	√	√	√	√	√	√		√	√					√
技术效益T	T₁	√	√	√	√	√	√			√				√
	T₂	√	√	√	√	√	√		√					√
	T₃	√	√	√	√	√	√	√
经济效益E	E₁	√	√	√	√	√	√	√	√	√			√	√	√
	E₂	√	√	√	√	√	√	√				√		√
	E₃	√	√	√	√	√	√	√	√	√					√
	E₄	√	√	√	√	√	√	√	√	√		√	√	√

注：表头要素为被影响的评价指标，左列要素为可能引起顶部风险的评价指标;打“√”表示左列评价指标可能影响表头评价指标

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2.2 比较优势度的判断矩阵构建

根据掘进工作面通风效果评价指标关联情况调查表，对一级指标所影响的二级指标进行计数，最终得到一级指标关联情况，如表3所示。在一级指标中，只要相应计数大于0，建立两两比较的判断矩阵的调查问卷。根据表2，对二级指标所影响的二级指标进行计数，最终得到二级指标关联情况，如表4所示。在二级指标中，只要相应计数大于1，就可以建立两两比较的判断矩阵的调查问卷。两两比较的判断矩阵用于比较元素之间的优势度，表示对于上一层评价指标，本层与之有关的评价指标之间相对重要性的比较，凡是存在相互影响关系的指标，均要进行两两比较。

表3 掘进工作面通风效果评价一级指标关联情况

Table 3 Correlation of first-level index of ventilation effect evaluation of tunneling face

评价指标	方案P	安全效益S	技术效益T	经济效益E
方案P	0	12	9	12
安全效益S	12	8	4	1
技术效益T	9	10	2	2
经济效益E	12	16	6	9

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表4 掘进工作面通风效果评价二级指标关联情况

Table 4 Correlation of secondary index of ventilation effect evaluation of tunneling face

评价指标		方案P	安全效益S	技术效益T	经济效益E
方案P	P₁	0	4	3	4
	P₂	0	4	3	4
	P₃	0	4	3	4
安全效益S	S₁	3	1	0	0
	S₂	3	1	0	0
	S₃	3	3	2	0
	S₄	3	3	2	1
技术效益T	T₁	3	3	1	1
	T₂	3	3	1	1
	T₃	3	4	0	0
经济效益E	E₁	3	4	2	3
	E₂	3	4	0	2
	E₃	3	4	2	1
	E₄	3	4	2	3

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以云南省海拔3 400 m的某金属矿山为例，邀请矿井通风工程领域专家和在职矿井通风技术人员共10人填写两两比较判断矩阵的调查问卷，分别对比2个评价指标的重要程度，对其重要程度按照“1～9标度法”进行赋值，如表5所示。汇总这10位专业人员填写的调查问卷数据，取平均值，建立最终两两比较判断矩阵。以一级指标中的一个判断矩阵为例进行说明，如表6所示，两两比较被安全效益影响的评价指标，即安全效益、技术效益、经济效益和通风方案之间的优势度。按照此规则两两比较所有具有关联情况的指标间的优势度。

表5 1～9标度法

Table 5 1～9 scaling method

序号	重要性等级	C_ij赋值
1	i、j两元素同等重要	1
2	i元素比j元素稍重要	3
3	i元素比j元素明显重要	5
4	i元素比j元素强烈重要	7
5	i元素比j元素极端重要	9
6	i元素比j元素稍不重要	1/3
7	i元素比j元素明显不重要	1/5
8	i元素比j元素强烈不重要	1/7
9	i元素比j元素极端不重要	1/9

注：C_ij={2,4,6,8,1/2,1/4,1/6,1/8}表示重要性等级介于C_ij={1,3,5,7,9,1/3,1/5,1/7,1/9}，这些数字是根据人们进行定性分析的直觉和判断力而确定的

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表6 方案P影响因素的判断矩阵

Table 6 Judgement matrix of influencing factors of scheme P

方案P	安全效益S	技术效益T	经济效益E
安全效益S	1	5	3
技术效益T	1/5	1	1/2
经济效益E	1/3	2	1

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3 通风方式优选

ANP算法涉及的元素较多，计算过程复杂且计算量大，如图1所示。据文献[22]报道，Satty教授开发了专门用于ANP法计算的超级决策软件（Super Decision software，SD），解决了复杂的计算问题。基于高海拔矿山掘进工作面通风效果评价指标的分析和关联关系构建结果，在超级决策软件中，建立掘进工作面通风效果评价ANP模型，如图2所示。ANP模型由控制层和网络层构成，体现了评价指标层次结构内部循环及其存在的依赖性和反馈性。控制层体现了评价体系的层次性，包括评价目标和准则，目标即高海拔矿山掘进工作面通风方式优选，准则就是一一对应的一级评价指标和二级评价指标。网络层则体现了评价体系的内部依赖性和反馈性，包括所有受控制层支配的指标，是一个呈现相互影响关系的网络结构，单向箭头表示2个危险因素为因果关系，由原因指向结果；双向箭头表示2个危险因素互为因果关系，二者互相影响。

图1

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图1 ANP算法步骤

Fig.1 ANP algorithm steps

图2

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图2 掘进工作面通风效果评价ANP模型

Fig.2 ANP model for ventilation effect evaluation of tunneling face

将表6所示两两比较的判断矩阵的最终结果，输入SD软件中求解ANP，如图3所示。重复此操作，直至对比完所有相互影响的评价指标的优势度。再运用超级决策软件计算“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”3种通风方式的综合权重和各个评价指标的全局权重，最终结果见表7。SD软件能自动计算出一致性检验的结果，本文所有判断矩阵的一致性系数均小于0.1，表明权重可接受。

图3

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图3 SD软件中一级指标间判断矩阵赋值界面

Fig.3 Judgment matrix assignment interface between first level indexes in SD software

表7 评价指标综合权重

Table 7 Comprehensive weight of evaluation index

一级指标	二级指标	全局权重/%	综合权重/%
方案P	长压短抽P₁	17.86	46.16
	长抽短压P₂	06.78	17.51
	长抽长压P₃	14.06	36.33
安全效益S	除尘效果S₁	16.45	37.81
	供氧效果S₂	20.08	46.13
	风流稳定性S₃	02.75	06.32
	风机稳定性S₄	04.24	09.75
技术效益T	有效风量率T₁	02.23	34.70
	风量供需比T₂	03.70	57.49
	通风阻力T₃	00.50	07.82
经济效益E	购置费用E₁	04.60	40.48
	安装费用E₂	01.16	10.22
	使用维护费用E₃	03.31	29.11
	风机效率E₄	02.30	20.20

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由表7可知，“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压”方案的综合权重分别为46.16%、17.50%和36.33%，由综合权重结果可知，从安全效益、技术效益和经济效益3个方面综合评估，“长压短抽”为最优掘进工作面通风方案。“长压短抽”与“长抽短压”通风方式的购置费、安装费和使用维护费等相差不大，但“长压短抽”通风方式在安全效益方面有很大优势，压入风筒内的风流更新鲜，供氧和除尘效果更佳；“长抽长压”通风方式需要耗费大量的购置费和安装费，且对通风各项技术的要求更高，虽然其在安全效益方面有一定的优势，但效果不明显。

在安全效益、技术效益和经济效益3个一级指标中，安全效益的全局权重达43.52%，由此可见安全效益是高海拔矿山掘进工作面通风效果的核心评价指标，在进行高海拔掘进工作面通风方案设计、评价和优化时，应把安全效益放在首要地位。在所有二级指标中，供氧效果的全局权重最高，达到20.08%，符合高原低压低氧的特殊环境需求，从侧面验证了评价结果的合理性。除尘效果的全局权重为16.45%，仅次于供氧效果，可见其在评价掘进工作面通风效果中的重要性。

4 结论

（1）从“安全可靠、技术可行、经济合理”的角度出发，构建高海拔掘进工作面通风方案评价指标体系，确定了11个二级评价指标：安全效益对应的二级指标分别是除尘效果、供氧效果、风流稳定性和风机稳定性；技术效益对应的二级指标分别是有效风量率、风量供需比和通风阻力；经济效益对应的二级指标分别是风机效率、购置费用、安装费用和使用维护费。

（2）运用超级决策软件建立掘进工作面通风效果评价ANP模型，并运用该软件计算得到“长压短抽”、“长抽短压”和“长抽长压” 3种通风方式的综合权重。其中“长压短抽”综合权重为46.16%，“长抽短压”综合权重为17.50%，“长抽长压”综合权重为36.33%。因此，“长压短抽”通风方式在安全、技术和经济方面的综合效益最佳，高海拔矿山掘进工作面的通风方式应优先选择“长压短抽”。

（3）运用超级决策软件计算得到各个评价指标的全局权重，在所有二级指标中供氧效果的全局权重最高，达到20.08%，因此评价通风方案的效果，最重要的指标为供氧效果，符合高海拔矿山氧分压低的特殊环境需求，在进行高海拔矿山通风系统设计时，应着重考虑通风方案的氧气补给能力。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陆刚，韩可琦，肖桂彬.

矿井通风系统可靠性的模糊综合评价

[J].采矿与安全工程学报，2008，25（2）：244-247.