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        井下煤層瓦斯含量測試輔助系統(tǒng)研究與應(yīng)用

        2021-07-04 02:52:52黃晶晶單文選
        煤炭與化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:損失量煤樣瓦斯

        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。

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