掘進(jìn)工作面甲烷傳感器布置方法研究

蔣家正

(雞西礦業(yè)集團(tuán)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(shí)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(jìn)面甲烷傳感器的科學(xué)布置方法。

1 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

掘進(jìn)工作面的參數(shù)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 掘進(jìn)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(jìn)巷道口的穩(wěn)定后的瓦斯?jié)舛龋瑒t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(jìn)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(guò)5m，即l3≤5m。這個(gè)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(xiàn)[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俊L(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(méi)有關(guān)系的。因此，從總體上看，掘進(jìn)工作面附近的瓦斯?jié)舛仁呛愣ㄖ担梢詮姆抡娴慕嵌确治鼍蜻M(jìn)面附近的風(fēng)流或瓦斯的分布情況，以此來(lái)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(xiàn)[3]中的示例，簡(jiǎn)要分析了仿真結(jié)果，對(duì)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(zhǎng)度14m、風(fēng)筒長(zhǎng)度4m。

圖2 模擬的物理模型

模擬分三種情況進(jìn)行：第1種情況，風(fēng)流以20 m/s的風(fēng)速?gòu)娘L(fēng)筒排出進(jìn)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?gòu)娘L(fēng)筒排出進(jìn)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?gòu)娘L(fēng)筒排出進(jìn)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(duì)這三種情況下風(fēng)流和瓦斯的混合過(guò)程進(jìn)行模擬，得到流場(chǎng)和瓦斯積聚的規(guī)律，分別如圖3、圖4所示。

圖3 巷道流場(chǎng)

可以看出在距離掘進(jìn)面5～8m的地方形成渦流，驗(yàn)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(jìn)面的濃度相差較大，如圖4所示。因?yàn)榱鹘?jīng)工作面的風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)流中流出，掘進(jìn)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(diǎn)的距離叫有效射程。在有效射程之外，射流達(dá)不到的地方，將會(huì)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(guò)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(jiàn)圖5。

圖5 掘進(jìn)面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

3 掘進(jìn)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(diǎn)瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅鏉舛茸罡唿c(diǎn)濃度之間的關(guān)系。

傳感器布點(diǎn)和目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖6所示，在距掘進(jìn)工作面5m的地方布置甲烷傳感器，在距離掘進(jìn)工作面0.5m的地方，從進(jìn)風(fēng)流到回風(fēng)流側(cè)每隔1m依次設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)N1、N2、N3。取這三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾担瑏?lái)代表工作面瓦斯?jié)舛鹊淖罡咧怠５V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(cè)得布點(diǎn)(CT)和測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?CN1、CN2、CN3)，如表1所示。

圖6 傳感器布點(diǎn)和工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇示意圖

圖7 散點(diǎn)圖

表1 傳感器布點(diǎn)和工作面測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛?/p>

可以看出，濃度最高點(diǎn)在CN3，因此將CN3的濃度值作為工作面瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾怠N3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(jì)結(jié)果如表2所示。

給定顯著性水平α=0.05，通過(guò)查表可得tα/2(T-2)=t0.025(7-2)=2.571， b1的t統(tǒng)計(jì)量為9.521，大于2.571，拒絕H0接受H1，說(shuō)明所有傳感器布點(diǎn)處瓦斯?jié)舛群途蜻M(jìn)工作面瓦斯最高濃度的線性相關(guān)在統(tǒng)計(jì)上是顯著的。表中樣本決定系數(shù)R2接近1，說(shuō)明一元線性方程的擬合誤差非常小。F檢驗(yàn)的相伴概率均可近似為0，表明測(cè)點(diǎn)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(guò)以上對(duì)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(diǎn)和工作面濃度最高點(diǎn)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(bào)警濃度，將1.01%作為傳感器監(jiān)測(cè)相應(yīng)的報(bào)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(shí)問(wèn)題，求得a=-0.19017，b=0.39966。實(shí)際值和預(yù)測(cè)值比較如表3所示。

表3 灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

由相對(duì)誤差可以看出，利用灰色系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)誤差較小，比較準(zhǔn)確。當(dāng)t0時(shí)刻瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.01%(達(dá)到安全規(guī)程要求的報(bào)警濃度1%)后，傳感器延時(shí)30s后的t0+30時(shí)刻，求得傳感器布點(diǎn)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(cè)區(qū)間為(2.52，3.68)，最大值為3.11%小于設(shè)定的危險(xiǎn)濃度下限4%。如果將1%作為報(bào)警濃度，可以保證掘進(jìn)工作面最高點(diǎn)瓦斯?jié)舛刃∮?%。繼續(xù)按照灰色系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在t0+60時(shí)刻，傳感器布點(diǎn)濃度達(dá)到1.48%(視為安全規(guī)程要求的斷電濃度1.5%)；傳感器延時(shí)30s后的t0+90時(shí)，求得傳感器布點(diǎn)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(cè)區(qū)間為(3.63%，4.31%)，大于設(shè)定的危險(xiǎn)濃度下限4%，應(yīng)立即斷電。

4 結(jié) 語(yǔ)

從上面的計(jì)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?bào)警濃度為1%時(shí)，掘進(jìn)工作面的最高濃度為3.68%，接近設(shè)定的危險(xiǎn)濃度4%，因此將1%設(shè)為報(bào)警濃度比較合適；工作面?zhèn)鞲衅鬟_(dá)到斷電濃度為1.5%時(shí)，掘進(jìn)工作面的最高濃度為4.31%，超過(guò)設(shè)定的危險(xiǎn)濃度4%，應(yīng)該立即斷電。

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