基于不安全度模型的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

呂剛 陳圣兵

(合肥學院網(wǎng)絡與智能信息處理重點實驗室，合肥 230601)

煤礦安全生產(chǎn)是各國煤炭行業(yè)的共同話題，各國政府都很重視。我國煤礦井下生產(chǎn)條件復雜，地質(zhì)條件多變，自然災害較為嚴重［1］。我國煤礦安全狀況和生產(chǎn)水平與世界發(fā)達國家相比，仍有相當大的差距。本文通過對影響煤礦安全生產(chǎn)因素的分析，通過建立模型與計算機仿真對一種小型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)進行設計與實現(xiàn)。

1 監(jiān)測數(shù)學模型設計

1.1 不安全度

本文將煤礦安全監(jiān)測問題歸結(jié)于討論判斷該煤礦不安全的程度(即發(fā)生爆炸事故的可能性)有多大。將造成煤礦安全的因素，即瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度及它們與溫度、含氧量之間的相互關(guān)系，均轉(zhuǎn)換為一個度，稱為不安全度。通過判斷不安全度所在的范圍來決定危險程度，從而及時采取相應措施消除危險。這樣將很多復雜的變量及關(guān)系化簡為一個不安全度來分析，使得問題更簡單明了，也便于計算機仿真的實現(xiàn)。

1.2 模型的建立

1.2.1 瓦斯的絕對涌出量

根據(jù)單位時間的通風量等于巷道的橫截面積與通風速度［2］的乘積，可以得到第k個監(jiān)測點的通風量為:Qk=Skvk，Sk巷道橫截面積(m2)、vk巷道風速(m/s)。根據(jù)瓦斯絕對涌出量等于風量乘以瓦斯?jié)舛龋梢缘玫降趉個監(jiān)測點的瓦斯絕對涌出量Ak，Ak=Qkcgk，cgk為瓦斯的平均濃度(%)。

1.2.2 瓦斯?jié)舛扰c風速的關(guān)系

各個工作面和回風巷的瓦斯?jié)舛瘸伺c風速有關(guān)以外，還與瓦斯的涌出量有關(guān)，而且涌出量是一個不可控的因素，即瓦斯的涌出量是不確定的。實際上，瓦斯的濃度與風速成反比，與巷道截面面積成反比。于是各監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛扰c風速的近似關(guān)系為:

其中εk是隨機誤差，不妨設 εk服從于正態(tài)分布N(0，σk)。根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)作最小二乘擬合系數(shù)ak和方差σk如表1所示。

表1 瓦斯?jié)舛扰c風速的關(guān)系擬合系數(shù)

由此即可得到各工作面與回風巷的瓦斯?jié)舛入S風速變化的近似關(guān)系。

1.2.3 煤塵濃度與風速的關(guān)系

礦井中煤塵濃度只與風速有直接的關(guān)系。一般來說，煤塵與風速應該呈非線性的關(guān)系，但實際監(jiān)測出的風速變化范圍很小，相對比較穩(wěn)定，而且都在1.9 m/s以上。為此，在較小的范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系，于是不妨假設各監(jiān)測點的煤塵濃度與風速的關(guān)系近似為:

根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)作最小二乘擬合可得擬合系數(shù)見表2。

表2 煤塵濃度與風速的關(guān)系擬合系數(shù)

由此即可得到各工作面與回風巷的煤塵濃度隨風速變化的近似關(guān)系。

1.2.4 空氣中的瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限的關(guān)系

瓦斯參與使煤塵爆炸下限降低。瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，煤塵的爆炸下限可用下式計算:

式中:δm—空氣中有瓦斯時的煤塵爆炸下限，g/m3;δ—爆塵的爆炸下限，一般為30～50 g/m3;k— 降低系數(shù)。

瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響系數(shù)見表3。

表3 瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響系數(shù)

1.2.5 瓦斯與煤塵影響的不安全度模型

將不安全程度分為由瓦斯?jié)舛纫鸬牟话踩潭群陀擅簤m濃度引起的不安全程度2個部分，取其中最大值作為礦井的不安全度，即

(1)由煤塵濃度引起的不安全程度

煤塵濃度的影響是由于濃度與爆炸下限的臨近，引起了礦井的不安全事故，根據(jù)式(3)選取爆炸下限組中的值進行擬合，得到煤塵的爆炸下限與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系式為:

構(gòu)造倒數(shù)模型為:

當煤塵的濃度為0時，不安全程度為0;當煤塵的濃度為Lk時，不安全程度為1［4］，即100%。帶入模型，可得:

結(jié)合實際，求解方程組，可得:

由此可得:

(2)由瓦斯?jié)舛纫鸬牟话踩潭?/p>

根據(jù)煤礦開采工作中的實際情況以及《規(guī)程》的實際要求，工作面的瓦斯?jié)舛炔荒艹^1.0%，即當瓦斯?jié)舛瘸^1.0%時，產(chǎn)生警報，且當濃度超過1.5%時應及時斷電，為此構(gòu)造倒數(shù)模型:

由《規(guī)程》知，當瓦斯的濃度為1.5%時，不安全程度為1;當瓦斯的濃度為1.0%時，不安全程度為0.8，代入模型可得:

結(jié)合實際，求解方程組，得:

由此可以得到模型:

綜上所述，當0.8＜H＜1時，警報器發(fā)出警報;當H≥1時，不安全程度達到紅色危險級別，應及時斷電。

2 仿真平臺設計與實現(xiàn)

本文選取的小型煤礦環(huán)境為一塊規(guī)則的煤炭待開采區(qū)域，上面安置了通風管道;將待開采區(qū)域劃分為2個采煤工作面，一個掘進工作面，根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定在3個工作面、2個回風巷及1個總回風巷上分別安置檢測器和報警器，以此作為主仿真登錄界面(圖1)。

圖1 主仿真登錄界面

3 結(jié)論

本文通過分析，設計了一個小型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，并通過建立瓦斯、煤塵與風速之間的關(guān)系，引入礦井的不安全程度概念，建立煤礦安全監(jiān)測模型，并對數(shù)學模型進行求解和仿真。系統(tǒng)仿真界面友好，采用語音報警，各監(jiān)測點參數(shù)實時顯示，工作面采用真實圖片縮略顯示，甲烷氣泡代表煤層中瓦斯?jié)舛容^大的區(qū)域，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。

［1］馬向華，魏震，謝劍英.基于CAN bus的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗平臺［J］. 系統(tǒng)仿真學報，2005，17(1):100-103.

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［4］Hua C，Guan X，Shi P.Robust Backstepping Control for A Class of Time Delayed Systems［J］.IEEE Transactions on Automatic Control(S0018-9286)，2005，50(6):894-899.