掘進工作面甲烷傳感器布置方法研究

蔣家正

(雞西礦業(yè)集團雙河煤礦，黑龍江 雞西 158147)

巷道停風(fēng)后，工作面和煤壁中的瓦斯不斷涌出，巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛入S著時間推移不斷上升，且沿巷道徑向向回風(fēng)方向的瓦斯?jié)舛鹊姆植疾痪鶆颉１疚挠懻摿送咚節(jié)舛确植己凸ぷ髅嫱咚褂砍隽康扔绊懸蛩刂g的關(guān)系[1]，給出掘進面甲烷傳感器的科學(xué)布置方法。

1 掘進工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

掘進工作面的參數(shù)示意圖見圖1。

圖1 掘進工作面的通風(fēng)方式

[2]可求得有循環(huán)風(fēng)和漏風(fēng)情況下，掘進巷道口的穩(wěn)定后的瓦斯?jié)舛?，則循環(huán)情況下風(fēng)筒中的瓦斯?jié)舛菴a為：

(1)

式中，Qm表示循環(huán)風(fēng)量，單位m3/min；Qf表示局扇吸風(fēng)量，單位m3/min。

掘進工作面瓦斯?jié)舛菴w為：

(2)

不考慮循環(huán)風(fēng)的情況，即β=0或Qm=0，則式(2)可化為：

(3)

安全規(guī)程要求，風(fēng)筒到工作面的距離最大不得超過5m，即l3≤5m。這個距離非常短，所以，靠近工作面巷道壁幫的瓦斯涌出量要遠(yuǎn)小于工作面瓦斯涌出量，即l3ql<

(4)

這和文獻[3]推導(dǎo)結(jié)果是一致的。由式(4)得，宏觀上工作面附近的瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅嫱咚褂砍隽?、風(fēng)筒漏風(fēng)和局扇吸風(fēng)量有關(guān)，和距離工作面距離的遠(yuǎn)近是沒有關(guān)系的。因此，從總體上看，掘進工作面附近的瓦斯?jié)舛仁呛愣ㄖ?，可以從仿真的角度分析掘進面附近的風(fēng)流或瓦斯的分布情況，以此來確定甲烷傳感器的布置位置。

2 基于仿真的甲烷傳感器布置方法

本文參考文獻[3]中的示例，簡要分析了仿真結(jié)果，對甲烷傳感器的布置提出了建議。工作面物理模型如圖2所示，風(fēng)筒末端距離工作面10m，研究區(qū)域內(nèi)巷道長度14m、風(fēng)筒長度4m。

圖2 模擬的物理模型

模擬分三種情況進行：第1種情況，風(fēng)流以20 m/s的風(fēng)速從風(fēng)筒排出進入工作面，瓦斯涌出量為0.0235m3/s，回風(fēng)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.4%；第2種情況，風(fēng)流以10 m/s的風(fēng)速從風(fēng)筒排出進入工作面，瓦斯涌出量為0.0235m3/s，回風(fēng)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.8%；第3種情況，風(fēng)流以20 m/s的風(fēng)速從風(fēng)筒排出進入工作面，瓦斯涌出量為0.047m3/s，回風(fēng)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.8%。針對這三種情況下風(fēng)流和瓦斯的混合過程進行模擬，得到流場和瓦斯積聚的規(guī)律，分別如圖3、圖4所示。

圖3 巷道流場

可以看出在距離掘進面5～8m的地方形成渦流，驗證了風(fēng)流的有效射程一般為5～7m[4]。渦流區(qū)中瓦斯和空氣不能充分混合，所以渦流區(qū)瓦斯?jié)舛群途蜻M面的濃度相差較大，如圖4所示。因為流經(jīng)工作面的風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)流中流出，掘進面涌出的瓦斯在風(fēng)流很難和渦流區(qū)的空氣充分混合，如果將甲烷傳感器放置在渦流區(qū)，將不能有效監(jiān)控工作面的瓦斯?jié)舛取?/p>

圖4 巷道瓦斯分布

從定性角度出發(fā)，分析甲烷傳感器的布置位置。

風(fēng)流從風(fēng)筒出口到其轉(zhuǎn)向點的距離叫有效射程。在有效射程之外，射流達不到的地方，將會出現(xiàn)風(fēng)流的渦流停滯區(qū)。停滯區(qū)內(nèi)瓦斯不能在射流的作用下有效地?fù)胶捅粠ё撸L(fēng)流從風(fēng)筒末端以自由狀態(tài)射向工作面，其風(fēng)流的有效射程一般為5～7m。因此，規(guī)程規(guī)定[5]：風(fēng)筒到工作面的距離，最大不得超過5m，5m之內(nèi)的地方也是瓦斯可以和風(fēng)流充分混合的地方。所以，甲烷傳感器應(yīng)該布置在距離工作面小于等于5m的地方，見圖5。

圖5 掘進面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

3 掘進工作面甲烷傳感器濃度參數(shù)的研究

首先利用仿真數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)傳感器布點瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅鏉舛茸罡唿c濃度之間的關(guān)系。

傳感器布點和目標(biāo)監(jiān)測點設(shè)置如圖6所示，在距掘進工作面5m的地方布置甲烷傳感器，在距離掘進工作面0.5m的地方，從進風(fēng)流到回風(fēng)流側(cè)每隔1m依次設(shè)立監(jiān)測點N1、N2、N3。取這三個監(jiān)測點中的瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾担瑏泶砉ぷ髅嫱咚節(jié)舛鹊淖罡咧?。礦井供給貫穿巷道的風(fēng)量Q0=140m3/min，局扇吸風(fēng)量為Qf=135m3/min(即工作面風(fēng)量，值為4.2.2.2求得的工作面風(fēng)量下限)，工作面瓦斯涌出量取較大值qw=3m3/min，不考慮漏風(fēng)、不考慮循環(huán)風(fēng)。每隔30s連續(xù)測得布點(CT)和測點的瓦斯?jié)舛?CN1、CN2、CN3)，如表1所示。

圖6 傳感器布點和工作面監(jiān)測點選擇示意圖

圖7 散點圖

表1 傳感器布點和工作面測點瓦斯?jié)舛?/p>

可以看出，濃度最高點在CN3，因此將CN3的濃度值作為工作面瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾?。CN3和CT形成的關(guān)系如圖7所示。

擬合參數(shù)和相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

給定顯著性水平α=0.05，通過查表可得tα/2(T-2)=t0.025(7-2)=2.571， b1的t統(tǒng)計量為9.521，大于2.571，拒絕H0接受H1，說明所有傳感器布點處瓦斯?jié)舛群途蜻M工作面瓦斯最高濃度的線性相關(guān)在統(tǒng)計上是顯著的。表中樣本決定系數(shù)R2接近1，說明一元線性方程的擬合誤差非常小。F檢驗的相伴概率均可近似為0，表明測點濃度和回采工作面瓦斯最高濃度的關(guān)系呈高度線性，回歸方程高度顯著。通過以上對參數(shù)的判斷表明，所有建立的一元線性方程是有效的。

表2 擬合參數(shù)

因此，傳感器布點和工作面濃度最高點瓦斯?jié)舛却嬖谌缦玛P(guān)系：

(5)

根據(jù)每隔30 s的瓦斯?jié)舛戎担瑓⒄瞻踩?guī)程中規(guī)定的1%作為傳感器的報警濃度，將1.01%作為傳感器監(jiān)測相應(yīng)的報警濃度，利用前文所述灰色系統(tǒng)理論公式解決甲烷傳感器延時問題，求得a=-0.19017，b=0.39966。實際值和預(yù)測值比較如表3所示。

表3 灰色系統(tǒng)預(yù)測值與實際值比較

由相對誤差可以看出，利用灰色系統(tǒng)進行預(yù)測誤差較小，比較準(zhǔn)確。當(dāng)t0時刻瓦斯?jié)舛冗_到1.01%(達到安全規(guī)程要求的報警濃度1%)后，傳感器延時30s后的t0+30時刻，求得傳感器布點的瓦斯?jié)舛葹?.28%。將1.28%作為CT，求得工作面最高濃度的預(yù)測區(qū)間為(2.52，3.68)，最大值為3.11%小于設(shè)定的危險濃度下限4%。如果將1%作為報警濃度，可以保證掘進工作面最高點瓦斯?jié)舛刃∮?%。繼續(xù)按照灰色系統(tǒng)參數(shù)進行預(yù)測，在t0+60時刻，傳感器布點濃度達到1.48%(視為安全規(guī)程要求的斷電濃度1.5%)；傳感器延時30s后的t0+90時，求得傳感器布點的瓦斯?jié)舛葹?.73%。同理，將1.73%作為CT，求得工作面最高濃度的預(yù)測區(qū)間為(3.63%，4.31%)，大于設(shè)定的危險濃度下限4%，應(yīng)立即斷電。

4 結(jié) 語

從上面的計算中可以看出，風(fēng)量選取較小值，瓦斯涌出量選取較大值。得到的結(jié)果表示，按照煤礦安全規(guī)程當(dāng)工作面?zhèn)鞲衅鲌缶瘽舛葹?%時，掘進工作面的最高濃度為3.68%，接近設(shè)定的危險濃度4%，因此將1%設(shè)為報警濃度比較合適；工作面?zhèn)鞲衅鬟_到斷電濃度為1.5%時，掘進工作面的最高濃度為4.31%，超過設(shè)定的危險濃度4%，應(yīng)該立即斷電。

參考文獻

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