黃晶晶，肖 健，單文選

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊065201）

0 引 言

近年來，瓦斯含量測定直接方法一般指國標(biāo)GBT23250-2009中的測定方法[1]，該方法被廣泛應(yīng)用，但由于在實際測定過程中，不同礦井選擇常壓解吸法或脫氣法進(jìn)行測定，其中關(guān)于損失量計算，已有軟件系統(tǒng)多采用圖解法，并且采用不同的輸出報表，最終結(jié)果經(jīng)常需要在不同報告所需報表格式中互相轉(zhuǎn)化，增加工作量與復(fù)雜度。而煤層瓦斯含量測定值的準(zhǔn)確性與精度，直接關(guān)系到瓦斯災(zāi)害的預(yù)測和防治效果。

盧小海和陳寶[2-3]基于excel實現(xiàn)了煤層瓦斯含量計算，雖可以實現(xiàn)計算，但是用戶使用不簡便，并且不易推廣。隨著時間累積，會由于數(shù)據(jù)量增長而難以存儲，不易保存。平煤集團(tuán)張建國、王滿[4]和張俊培[5]研發(fā)了基于web的數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)和瓦斯含量數(shù)字化處理系統(tǒng)，雖較excel有了較大改進(jìn)，但其中損失量計算選擇了法，較為單一，無法滿足不同礦井的不同情況，其使用瀏覽器訪問實現(xiàn)了查看數(shù)據(jù)的方便性，但仍沒有解決數(shù)據(jù)留存與輸出的問題。

本文進(jìn)行煤層瓦斯含量測定輔助系統(tǒng)的研究，目的是為解決目前煤層瓦斯含量測定的準(zhǔn)確性與手工計算復(fù)雜的問題，研制簡易，方便，具有標(biāo)準(zhǔn)化操作流程的軟件。

1 總體設(shè)計

煤層瓦斯含量測定輔助系統(tǒng)基于Java設(shè)計，使用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲和管理實驗數(shù)據(jù)，使用IntelliJ IDEA進(jìn)行開發(fā)，使實驗數(shù)據(jù)處理過程程序化，減少實驗過程中手工計算工作量，提高了工作效率并使計算結(jié)果更加精準(zhǔn)[6]。創(chuàng)建了記錄整個實驗過程的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)的一致性，設(shè)置了用戶表，通過用戶不同的權(quán)限可對報表進(jìn)行分級操作，提高了系統(tǒng)安全度。系統(tǒng)具有平臺無關(guān)性，用戶使用Windows系統(tǒng)安裝軟件即可進(jìn)行操作，簡單易用。

2 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

2.1 用戶登錄與管理

為保障數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)采用認(rèn)證訪問，必須使用用戶名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)，輸入無法匹配的用戶名或密碼會進(jìn)行提示。并對用戶進(jìn)行分級管理，分系統(tǒng)管理員、普通、室內(nèi)實驗人員和井下實驗人員。其中管理員可在登陸系統(tǒng)之后在用戶管理界面操作信息更改。通過List結(jié)構(gòu)調(diào)用數(shù)據(jù)庫里的用戶姓名，可在登陸用戶管理界面時為管理員展現(xiàn)已有的目前所有用戶姓名。

2.2 采樣等基本信息錄入

數(shù)據(jù)錄入分為基本數(shù)據(jù)、井下采樣基本數(shù)據(jù)和實驗室溫度，壓力及采樣人員記錄等部分?；緮?shù)據(jù)包括煤樣采樣點的基本信息、采樣時間、鉆孔參數(shù)和取樣過程異常記錄等；井下和實驗室數(shù)據(jù)包括井下大氣壓力，環(huán)境溫度，實驗室大氣壓力實驗室溫度等數(shù)據(jù)?？稍谠摬糠诌M(jìn)行添加煤樣編號，刪除試樣信息，保存修改，以及選擇煤樣編號直接查詢信息等功能。

在信息錄入過程中，設(shè)置了取樣方式的選擇，若為水排渣，需在最后計算步驟里進(jìn)行質(zhì)量校正。底部4個button按鈕分別實現(xiàn)了添加煤樣，保存當(dāng)前界面數(shù)據(jù)，刪除目前界面的煤樣編號及信息和退出系統(tǒng)4個功能。若當(dāng)前煤樣為需新錄入的信息，則在界面輸入好數(shù)據(jù)后，點擊添加煤樣編號。依照當(dāng)前時間生成煤樣編號，若當(dāng)天已有數(shù)據(jù)，則在尾部加1，以此遞推。若需修改某天某個煤樣信息，則在煤樣編號選擇框里單擊所需編號，界面自動填充該煤樣信息，在文本框里修改好數(shù)據(jù)后點擊保存更新信息即可。

2.3 損失量計算交互式選擇

根據(jù)煤層瓦斯含量井下直接測定方法（GB/T 23250-2009），損失瓦斯量的推算可選用冪函數(shù)法、法和其他經(jīng)試驗驗證有效的方法?？諝饨橘|(zhì)中損失量計算方法[7]見表1。

表1 空氣介質(zhì)中損失量計算方法Table 1 Calculation method of loss in air medium

據(jù)研究[8-9]，各損失量計算公式在短時間內(nèi)都具有較顯著的擬合效果。在實際應(yīng)用過程中，需根據(jù)現(xiàn)場實際，靈活選用損失量計算公式。所以該系統(tǒng)仍采用交互式的損失量計算方式，即讓用戶根據(jù)實際情況選擇合適的損失量計算公式。本系統(tǒng)實現(xiàn)了根號t和冪函數(shù)2種方式，選取其中最為合適的瓦斯損失量結(jié)果提交到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

實現(xiàn)過程中，依據(jù)井下自然解吸瓦斯記錄表中的井下解吸數(shù)據(jù)，首先可根據(jù)已列時間進(jìn)行暴露時間計算，然后點擊計算按鈕可進(jìn)行V=at-b型的數(shù)據(jù)擬合，b即為所求損失量，自動將結(jié)果填入右下文本框中后，點擊保存可將當(dāng)前頁面所有數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。若選擇冪函數(shù)法，則根據(jù)含量測定標(biāo)準(zhǔn)中的公式，填入的解吸量信息，換算成解吸速度，進(jìn)行擬合，求得q0（t=0時的瓦斯解吸速度）和系數(shù)n，帶入表1中重慶院式即可求出V損[14]。

該部分的30個解吸數(shù)據(jù)實現(xiàn)了從excel導(dǎo)入的功能。用戶可直接根據(jù)已有的excel里保存的解吸數(shù)據(jù)，點擊導(dǎo)入，彈出文件選擇窗口，選取.xls文件，數(shù)據(jù)即可自動填充（圖1）。

圖1 損失量與井下解吸量計算圖Fig.1 Legend of calculation of loss and desorption

2.4 其他部分計算

數(shù)據(jù)計算部分，總共包括4步，步驟一為井下自然解吸瓦斯量記錄，其中損失量可選擇不同計算公式，并且同步得出井下解吸量；步驟二為實驗室煤樣自然解吸瓦斯量記錄，可得出粉碎前后解吸量；步驟三為可解吸瓦斯含量Xa計算，在該步驟中，總結(jié)所有得出的含量數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積；步驟四為不可解吸瓦斯量Xb?？梢罁?jù)工業(yè)分析結(jié)果按步驟進(jìn)行得出，如圖2～圖4所示。

圖2 實驗室解吸量計算圖例Fig.2 Laboratory desorption calculation legend

圖3 可解吸瓦斯含量匯總Fig.3 Summary of desorbable gas content

圖4 不可解吸瓦斯含量Xb數(shù)據(jù)輸入界面Fig.4 Input interface of undesorbable gas content Xb data

井下自然解吸瓦斯量需進(jìn)行體積的換算：

殘存量也需依據(jù)所輸入數(shù)據(jù)按下式得出：

式中：Qc為煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不可解吸瓦斯含量，m3/t；a為吸附常數(shù)，試驗溫度下煤的極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)，MPa-1；Ad為原煤灰分，%；Mad為煤的水分，%；φ為孔隙率，m3/m3；為視密度，t/m3。

其中，各階段瓦斯量=各階段某種氣體體積/煤樣質(zhì)量。

井下解吸瓦斯量，損失瓦斯量，粉碎前自然瓦斯解吸量，粉碎后自然瓦斯解吸量均按上式進(jìn)行計算。所有數(shù)據(jù)均可通過煤樣編號在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中串聯(lián)起來，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

2.5 報表打印

可實現(xiàn)把樣品的實驗數(shù)據(jù)根據(jù)樣品編號歸結(jié)到一個實驗報告里，并通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪改查等數(shù)據(jù)操作，方便數(shù)據(jù)管理?？蓪崿F(xiàn)通過煤樣編號查詢信息，其中包括煤樣基本信息和含量計算結(jié)果顯示，其中打印按鈕實現(xiàn)了將當(dāng)前頁面保存為項目所在文件夾內(nèi)的圖片?？煞奖阒苯哟蛴〖傲舸妫４鏋閍 file.jpg。

在圖片保存部分，通過點擊打印按鈕，觸發(fā)button按鈕監(jiān)聽，通過生成圖片方法打印當(dāng)前頁面內(nèi)容。

3 礦井含量實測

基于河南省平頂山市平煤股份六礦戊8煤層進(jìn)行瓦斯含量現(xiàn)場實測，檢驗本軟件研究應(yīng)用效果。

3.1 煤層瓦斯含量測定過程

將井下解吸過程中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入所研制的輔助系統(tǒng)，自動計算出瓦斯損失量V2。

常壓自然瓦斯解吸量包括兩部分，即井下測定的解吸量和井上實驗室測定的瓦斯量。經(jīng)溫度、壓力校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)后可求出井下解吸量X1、實驗測定解吸量X3與粉碎后解吸量X4。

最后進(jìn)行殘存瓦斯量即常壓不可解吸量Xb的測定。

根據(jù)華北科技學(xué)院實驗室工業(yè)分析結(jié)果、孔隙率測定結(jié)果及吸附常數(shù)測試結(jié)果將相關(guān)數(shù)值代入系統(tǒng)，即可求出殘存瓦斯量（表2）。

表2 戊8煤基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 2 Basic parameter data results of No.戊8 coal seam

3.2 測定結(jié)果

煤層瓦斯含量由X1、X2、X3、X4、X5累加得出，利用風(fēng)排鉆屑取樣，取樣后按上述步驟進(jìn)行瓦斯含量測定，共取6個測點進(jìn)行瓦斯含量測定，測試結(jié)果見表3。

表3 各測點瓦斯含量構(gòu)成Table 3 Composition of gas content at each measuring point

表4 瓦斯含量測定結(jié)果Table 4 Determination results of gas content

根據(jù)區(qū)域瓦斯含量實測值，得出該區(qū)域內(nèi)原始瓦斯含量的最大值為5.30 m3/t。

4 結(jié) 語

本文從系統(tǒng)實現(xiàn)所需理論、系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵步驟和現(xiàn)場實測等方面，詳細(xì)描述了井下煤層瓦斯含量測定輔助系統(tǒng)的設(shè)計思路、設(shè)計過程和實踐應(yīng)用。

雖然煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)處理的設(shè)計計算不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，但該系統(tǒng)解決了平時含量計算的重復(fù)性、頻繁性及給人工計算帶來了諸多不便等問題。通過制作出科學(xué)化，標(biāo)準(zhǔn)化的計算軟件，實現(xiàn)了依照含量測定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行含量計算各步驟，增加損失量選擇模塊，并且通過現(xiàn)場實踐，將該系統(tǒng)應(yīng)用在平頂山天安煤業(yè)六礦戊8煤層，得出區(qū)域內(nèi)實測最大原始瓦斯含量為5.30 m3/t，在實際瓦斯含量測定中也得到了很好的應(yīng)用。