呂剛 陳圣兵

(合肥學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

煤礦安全生產(chǎn)是各國(guó)煤炭行業(yè)的共同話題，各國(guó)政府都很重視。我國(guó)煤礦井下生產(chǎn)條件復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，自然災(zāi)害較為嚴(yán)重［1］。我國(guó)煤礦安全狀況和生產(chǎn)水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有相當(dāng)大的差距。本文通過(guò)對(duì)影響煤礦安全生產(chǎn)因素的分析，通過(guò)建立模型與計(jì)算機(jī)仿真對(duì)一種小型煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

1.1 不安全度

本文將煤礦安全監(jiān)測(cè)問(wèn)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)舛取⒚簤m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(gè)度，稱為不安全度。通過(guò)判斷不安全度所在的范圍來(lái)決定危險(xiǎn)程度，從而及時(shí)采取相應(yīng)措施消除危險(xiǎn)。這樣將很多復(fù)雜的變量及關(guān)系化簡(jiǎn)為一個(gè)不安全度來(lái)分析，使得問(wèn)題更簡(jiǎn)單明了，也便于計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)。

1.2 模型的建立

1.2.1 瓦斯的絕對(duì)涌出量

根據(jù)單位時(shí)間的通風(fēng)量等于巷道的橫截面積與通風(fēng)速度［2］的乘積，可以得到第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通風(fēng)量為:Qk=Skvk，Sk巷道橫截面積(m2)、vk巷道風(fēng)速(m/s)。根據(jù)瓦斯絕對(duì)涌出量等于風(fēng)量乘以瓦斯?jié)舛?，可以得到第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯絕對(duì)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(fēng)速的關(guān)系

各個(gè)工作面和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛瘸伺c風(fēng)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(gè)不可控的因素，即瓦斯的涌出量是不確定的。實(shí)際上，瓦斯的濃度與風(fēng)速成反比，與巷道截面面積成反比。于是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)速的近似關(guān)系為:

其中εk是隨機(jī)誤差，不妨設(shè) εk服從于正態(tài)分布N(0，σk)。根據(jù)大量的監(jiān)測(cè)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(fēng)速的關(guān)系擬合系數(shù)

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

1.2.3 煤塵濃度與風(fēng)速的關(guān)系

礦井中煤塵濃度只與風(fēng)速有直接的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，煤塵與風(fēng)速應(yīng)該呈非線性的關(guān)系，但實(shí)際監(jiān)測(cè)出的風(fēng)速變化范圍很小，相對(duì)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(shè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵濃度與風(fēng)速的關(guān)系近似為:

根據(jù)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作最小二乘擬合可得擬合系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤塵濃度與風(fēng)速的關(guān)系擬合系數(shù)

由此即可得到各工作面與回風(fēng)巷的煤塵濃度隨風(fēng)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(shí)，煤塵的爆炸下限可用下式計(jì)算:

式中:δm—空氣中有瓦斯時(shí)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?duì)煤塵爆炸下限的影響系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵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(gè)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(jìn)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(dāng)煤塵的濃度為0時(shí)，不安全程度為0;當(dāng)煤塵的濃度為L(zhǎng)k時(shí)，不安全程度為1［4］，即100%。帶入模型，可得:

結(jié)合實(shí)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(kāi)采工作中的實(shí)際情況以及《規(guī)程》的實(shí)際要求，工作面的瓦斯?jié)舛炔荒艹^(guò)1.0%，即當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1.0%時(shí)，產(chǎn)生警報(bào)，且當(dāng)濃度超過(guò)1.5%時(shí)應(yīng)及時(shí)斷電，為此構(gòu)造倒數(shù)模型:

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

結(jié)合實(shí)際，求解方程組，得:

由此可以得到模型:

綜上所述，當(dāng)0.8＜H＜1時(shí)，警報(bào)器發(fā)出警報(bào);當(dāng)H≥1時(shí)，不安全程度達(dá)到紅色危險(xiǎn)級(jí)別，應(yīng)及時(shí)斷電。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)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(kāi)采區(qū)域，上面安置了通風(fēng)管道;將待開(kāi)采區(qū)域劃分為2個(gè)采煤工作面，一個(gè)掘進(jìn)工作面，根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定在3個(gè)工作面、2個(gè)回風(fēng)巷及1個(gè)總回風(fēng)巷上分別安置檢測(cè)器和報(bào)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(guò)分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)建立瓦斯、煤塵與風(fēng)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(cè)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和仿真。系統(tǒng)仿真界面友好，采用語(yǔ)音報(bào)警，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，工作面采用真實(shí)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(shí)時(shí)性。

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