基于質(zhì)量守恒的全礦井巷道瓦斯分布云圖繪制

梁 軍

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

隨 著我國(guó)煤礦開采向深部空間發(fā)展和礦井開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤礦瓦斯涌出量大幅增長(zhǎng)，是制約礦井安全生產(chǎn)的重要瓶頸[1]。由于日常瓦斯巡檢工作量大、效率低、可靠性差，并且不具有同時(shí)測(cè)量的基本條件，而監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控傳感器布置覆蓋范圍小、數(shù)據(jù)挖掘分析欠缺，導(dǎo)致目前對(duì)全礦井瓦斯分布情況無(wú)法全面直觀把控，不能給通風(fēng)系統(tǒng)、采掘工作和瓦斯治理提供科學(xué)的有效依據(jù)。

在正常生產(chǎn)時(shí)期，需要及時(shí)準(zhǔn)確掌握井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并對(duì)各條巷道瓦斯質(zhì)量濃度即礦井巷道瓦斯分布準(zhǔn)確把控，為礦井風(fēng)量調(diào)控、瓦斯抽采、采煤掘進(jìn)等工作提供指導(dǎo)；若礦井發(fā)生瓦斯事故，需要準(zhǔn)確判斷其產(chǎn)生的災(zāi)害氣體可能波及范圍及波及區(qū)域的瓦斯質(zhì)量濃度，為礦井迅速采取有效地應(yīng)急處理措施提供決策依據(jù)，從而避免發(fā)生連鎖瓦斯事故，將已發(fā)生瓦斯災(zāi)害帶來(lái)的損失控制在最低程度。因此，采取有效手段以監(jiān)控煤礦井下巷道瓦斯分布實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，可及時(shí)消除重大安全隱患，避免重大事故的發(fā)生。采取有效手段以明晰煤礦井下空間瓦斯分布規(guī)律，可以為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 繪制流程分析

基于質(zhì)量守恒原理繪制全礦井巷道瓦斯分布云圖，其原理是基于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流流動(dòng)及風(fēng)量分布情況，根據(jù)瓦斯氣體隨著風(fēng)流流動(dòng)原理，計(jì)算出瓦斯流經(jīng)區(qū)域巷道的瓦斯質(zhì)量濃度。由于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)，因此繪制瓦斯分布云圖是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。礦井瓦斯分布計(jì)算流程如圖 1所示。礦井監(jiān)控系統(tǒng)提供的風(fēng)速、風(fēng)壓及瓦斯實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[2-4]，通過(guò)建立全礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解算出礦井巷道風(fēng)量分布，根據(jù)質(zhì)量守恒原理計(jì)算出全礦井巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布。

圖1 礦井瓦斯分布計(jì)算流程Fig.1 Calculation process flow of mine gas distribution

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源解析

在井下關(guān)鍵區(qū)域安裝井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)設(shè)備將獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心[5]。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由于環(huán)境及人工調(diào)教會(huì)產(chǎn)生無(wú)效及誤差數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行下一步之前需要進(jìn)行濾噪，剔除人工調(diào)校及異常數(shù)據(jù)，并對(duì)某些復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)乘以系數(shù)進(jìn)行誤差修正，以盡量使監(jiān)測(cè)值接近真實(shí)值；

巷道瓦斯涌出量是在單位時(shí)間內(nèi)從巷道煤壁涌入巷道內(nèi)空氣中的瓦斯質(zhì)量。如果知道該巷道瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，則可設(shè)置該巷道具有瓦斯涌出源 (定量)，在計(jì)算瓦斯流出總量時(shí)與其他巷道流入瓦斯量相加，作為該巷道流出瓦斯總質(zhì)量。

1.2 礦井風(fēng)量分布動(dòng)態(tài)計(jì)算

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于礦井巷道數(shù)量繁多及目前通風(fēng)瓦斯監(jiān)控只能做到點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)法覆蓋式監(jiān)測(cè)整個(gè)礦井巷道，因此需要對(duì)未知風(fēng)量巷道進(jìn)行解算，根據(jù)巷道風(fēng)阻大小進(jìn)行自然分風(fēng)，解算出該巷道風(fēng)量。由于瓦斯氣體跟隨風(fēng)流移動(dòng)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，要獲取該未知風(fēng)量巷道的瓦斯質(zhì)量濃度，則需要首先解算出該巷道流入的風(fēng)量；將通風(fēng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)代入建立的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)解算模型[6-8]，進(jìn)行動(dòng)態(tài)解算，獲取井下實(shí)時(shí)風(fēng)量分配數(shù)據(jù)。解算步驟如下。

(1) 假設(shè)巷道中的風(fēng)流在巷道斷面內(nèi)的性質(zhì)是均勻的，即假設(shè)為一維流體流動(dòng)；獲得礦井風(fēng)網(wǎng)，選擇風(fēng)阻較小的分支作為樹枝，選擇風(fēng)阻較大的分支作為弦，構(gòu)成風(fēng)網(wǎng)最小樹。

(2) 在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)解算模型通中，計(jì)算具有風(fēng)速傳感器的巷道時(shí)，將其假定為固定風(fēng)量巷道，巷道風(fēng)量

式中：v為監(jiān)測(cè)風(fēng)速，m/s；s為巷道斷面，m2。在風(fēng)網(wǎng)中設(shè)定為余樹；計(jì)算具有風(fēng)流壓力傳感器的巷道時(shí)，將其假定為固定風(fēng)壓巷道，在風(fēng)網(wǎng)中設(shè)定為普通分支。

(3) 確立獨(dú)立網(wǎng)孔或回路數(shù)目，選擇獨(dú)立網(wǎng)孔或回路，擬定各分支初始風(fēng)量，校正值

式中：n為網(wǎng)孔或回路中的分支數(shù)；Ri為各分支風(fēng)阻，N·s2/m-8；Qi為各分支風(fēng)量，m3/s-1，第 1次迭代計(jì)算時(shí)為初始風(fēng)量，憑經(jīng)驗(yàn)擬定；hf為機(jī)械風(fēng)壓；hn為自然風(fēng)壓；采用牛頓迭代法迭代計(jì)算，當(dāng)滿足ΔQ小于 0.000 1時(shí)，計(jì)算結(jié)束，得到所有分支礦井巷道實(shí)時(shí)風(fēng)量。

1.3 礦井巷道瓦斯分布計(jì)算

基于質(zhì)量守恒原理，根據(jù)煤礦井下空間已知全礦井巷道風(fēng)量和具有瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)巷道的瓦斯質(zhì)量濃度，進(jìn)行全礦井巷道瓦斯分布計(jì)算。首先以礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)質(zhì)量守恒原理：①同時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流入風(fēng)量與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流出風(fēng)量相等；② 同時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流入瓦斯質(zhì)量與流出瓦斯質(zhì)量相等，得出該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流出瓦斯質(zhì)量濃度與其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)瓦斯質(zhì)量濃度關(guān)系，最后計(jì)算出該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流出風(fēng)流瓦斯質(zhì)量濃度。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間段流出瓦斯質(zhì)量濃度

整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)流出瓦斯質(zhì)量濃度計(jì)算流程如圖 2所示。

圖2 瓦斯質(zhì)量濃度計(jì)算流程Fig.2 Process flow of algorithm for gas mass density

迭代計(jì)算后，計(jì)算出全礦井巷道瓦斯質(zhì)量濃度，為瓦斯云圖繪制打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 瓦斯分布云圖動(dòng)態(tài)繪制

2.1 云圖繪制平臺(tái)選擇

全礦井巷道瓦斯分布云圖可直觀顯示巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布情況，且能反應(yīng)巷道的瓦斯質(zhì)量濃度變化情況，如若發(fā)生瓦斯事故則可直接給出可能波及范圍及波及區(qū)域瓦斯質(zhì)量濃度；由于現(xiàn)代化礦井巷道多，情況復(fù)雜，云圖的繪制需要高效率，高色比渲染[9-11]。因此，我們采用成熟 Client/Server結(jié)構(gòu) (C/S結(jié)構(gòu)) 的軟件架構(gòu)，基于 Microsoft DirectX繪制可提供高效渲染與三維場(chǎng)景[12-13]。

2.2 數(shù)據(jù)流與圖形整合

利用 Microsoft DirectX平臺(tái)構(gòu)建全礦井三維立體模型，建立模型化風(fēng)流標(biāo)識(shí)及巷道實(shí)時(shí)模擬參數(shù)，并構(gòu)建通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)礦井監(jiān)控系統(tǒng)不斷獲取井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流，結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算及全礦井巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布分析，利用基于質(zhì)量守恒原理進(jìn)行巷道瓦斯分布計(jì)算，準(zhǔn)確地計(jì)算出全礦井實(shí)時(shí)瓦斯流動(dòng)情況[14]。瓦斯質(zhì)量濃度計(jì)算如圖 3所示。

圖3 瓦斯質(zhì)量濃度計(jì)算Fig.3 Calculation of gas mass density

軟件系統(tǒng)平臺(tái)針對(duì)全礦井所有巷道瓦斯質(zhì)量濃度屬性設(shè)置為可變，利用分析結(jié)果動(dòng)態(tài)設(shè)置巷道質(zhì)量濃度數(shù)值；設(shè)置不同顏色來(lái)區(qū)分不同瓦斯質(zhì)量濃度，以漸變的色差渲染全礦井巷道，繪制出全礦巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布云圖。

2.3 瓦斯分布云圖分析

全礦井瓦斯分布如圖 4所示。云圖直觀展示全礦井通風(fēng)巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布情況，在回采工作面發(fā)生瓦斯涌出異常時(shí)，可以分析出該工作面回風(fēng)風(fēng)流區(qū)域?yàn)橥咚沽鹘?jīng)區(qū)域[15]。由于某些回風(fēng)風(fēng)流區(qū)域巷道風(fēng)量較低及其瓦斯涌出量超標(biāo)導(dǎo)致瓦斯質(zhì)量濃度超限，云圖顯示此處易引起瓦斯火災(zāi)，甚至爆炸事故應(yīng)對(duì)該區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)瓦斯防控，加大風(fēng)量供給，避免人員及帶電設(shè)備進(jìn)入?；仫L(fēng)風(fēng)流區(qū)域越靠近回風(fēng)井，瓦斯絕對(duì)質(zhì)量流入相對(duì)增加不多，由于其他回風(fēng)風(fēng)流匯合，風(fēng)量增加較大，瓦斯質(zhì)量濃度逐漸降低為正常。

工作面發(fā)生瓦斯涌出或突出事故時(shí)，云圖可動(dòng)態(tài)、宏觀展示瓦斯隨著巷道風(fēng)流流動(dòng)過(guò)程及該區(qū)域瓦斯質(zhì)量濃度分布，并可設(shè)置井下具有發(fā)火危險(xiǎn)性的關(guān)鍵巷道區(qū)域，對(duì)礦井火災(zāi)、爆炸進(jìn)行災(zāi)害報(bào)警，并可基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工作面發(fā)生事故后有毒有害氣體影響的礦井區(qū)域，為搶險(xiǎn)救援提供有效技術(shù)輔助。

圖4 全礦井瓦斯分布云圖Fig.4 Contours of gas distribution in full mine

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)有煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，利用瓦斯質(zhì)量守恒原理，結(jié)合礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，由點(diǎn)及面計(jì)算全礦井巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除煤礦重大安全生產(chǎn)隱患，避免煤礦發(fā)生重大事故。根據(jù)不斷獲取的實(shí)時(shí)井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，并繪制礦井巷道瓦斯質(zhì)量濃度分布云圖，直觀展示煤礦井巷道瓦斯分布區(qū)域及危險(xiǎn)地帶，便于通風(fēng)瓦斯管理人員實(shí)時(shí)了解井下瓦斯分布情況；同時(shí)實(shí)現(xiàn)井下巷道瓦斯質(zhì)量濃度超限預(yù)警，對(duì)有發(fā)火、爆炸危險(xiǎn)源地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)重點(diǎn)監(jiān)控，為礦井通風(fēng)瓦斯安全管理及安全生產(chǎn)提供了科學(xué)管理工具和先進(jìn)技術(shù)。