郝昱宇，李樹剛

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

煤與瓦斯災害預防是煤礦安全生產(chǎn)的重要研究內(nèi)容之一，物理相似模擬實驗具有可靠性高、重復性好等特點，成為該類問題研究的主要方法之一，而實驗開展的相似性與數(shù)據(jù)采集的準確性成為了該實驗開展的主要研究內(nèi)容之一。實驗過程中，為保證實驗的有效性與相似性，需要在箱體內(nèi)部埋設大量傳感器獲取實驗過程中各項數(shù)據(jù)。與此同時，傳感器布置的數(shù)量與位置參數(shù)對實驗數(shù)據(jù)的有效性造成了極大影響。針對該問題，有學者提出了基于蒙特卡羅模擬（MCS）和降維積分法（DRI）的2種正交匹配追蹤（OMP）方法，通過考慮被測響應的不確定性來確定識別過程中傳感器的最優(yōu)位置[1]；部分學者提出了一種基于統(tǒng)計測試的方法優(yōu)化傳感器布置方案，該方案利用詳細建筑模型評估所需傳感器的數(shù)量/位置，對其結(jié)果進行分析，最終獲得最佳方案[2]；部分學者通過卡爾曼濾波算法，建立傳感器配置（OSP）策略，從系統(tǒng)可觀性的角度尋找傳感器的最優(yōu)布置方案[3]；部分學者采用遺傳算法優(yōu)化傳感器布置方案，提高其數(shù)據(jù)采集性能[4]；部分學者利用衰減因子引力搜索算法（DGSA）根據(jù)初始傳感器布局動態(tài)調(diào)整的傳感器優(yōu)化方法，通過有效模態(tài)質(zhì)量參與比，獲得傳感器最優(yōu)放置方案[5]；也有學者采用雙變量高斯核分析方法，解決外在環(huán)境的不確定性問題，對氣源面積進行估計[6]。綜上所述，大量學者針對傳感器布置優(yōu)化問題，通過事件發(fā)生的概率分布計算各個位置測量權(quán)重，最終獲得各個測量區(qū)域內(nèi)傳感器最優(yōu)布置位置參數(shù)；但本次物理相似模擬實驗過程中，瓦斯主要由采空區(qū)底板涌出通過裂隙向上運動，由于裂隙產(chǎn)生具有一定的隨機性，傳統(tǒng)的概率方案難以應對本實驗的測試環(huán)境。

為此，根據(jù)煤炭生產(chǎn)開采參數(shù)，建立瓦斯運移數(shù)值模型，提取不同開采條件下，各個時間點瓦斯富集及壓應力分布圖譜，以此分析煤礦開采過程中數(shù)據(jù)關(guān)鍵監(jiān)測點信息。與此同時，根據(jù)傳感器優(yōu)化方案，設計分時段、選擇性數(shù)據(jù)采集方法，高效、同步獲取各個傳感器采樣數(shù)據(jù)。測量結(jié)果與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)比對結(jié)果表明，該方法有效獲取了瓦斯富集及覆巖應力演化趨勢。

1 傳感器布置優(yōu)化方案

煤炭開采過程中，伴隨著工作面不斷推進。瓦斯從余煤中涌出，沿裂隙向上進行升浮-擴散運動。針對本次實驗開采條件參數(shù)，通過簡化邊界條件，建立瓦斯運移及壓應力演化數(shù)值模型。并以此獲取物理相似模擬實驗的瓦斯及壓應力分布圖譜。以此對煤礦開采過程中，瓦斯運移及壓應力演化關(guān)鍵監(jiān)測點位置信息進行分析，建立傳感器最佳布置方案。在此基礎上，研發(fā)多通道，分區(qū)域同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)分時段，區(qū)域同步數(shù)據(jù)采集方法。待采集數(shù)據(jù)匯總后通過分段3次Hermite插值算法處理，獲得各個條件下瓦斯及壓應力分布曲線，最終利用微震監(jiān)測測量數(shù)據(jù)對該結(jié)果進行驗證。

1.1 瓦斯體積分數(shù)及壓應力模型

利用FLAC3D三維顯式有限差分仿真軟件建立物理相似模擬礦井數(shù)值模型，定義模型滿足Mohr-Coulomb破壞準則，并設定相似模擬實驗中各巖層物理力學特性參數(shù)及邊界條件。工作面位于模型中心位置，四周各留50 m煤柱。共建立巖層20層，各巖層之間建立接觸面作為層理，劃分塊體150 000個。

在此基礎上，通過ANSYS FLUENT軟件建立瓦斯運移數(shù)值模擬模型。通過簡化物理相似實驗結(jié)構(gòu)，假設實驗中氣體為不可壓縮狀態(tài)，其主要來源由各個遺留煤層中涌出，物理相似模擬實驗內(nèi)部各個區(qū)域材料滲透率不隨時間變化[7-8]。最終利用湍流流動方程、連續(xù)性方程、動量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程對瓦斯運移規(guī)律建立數(shù)學模型，設定邊界條件，進而實現(xiàn)對各個開采、通風條件下的瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬[9]。

1.2 瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬獲取開采至200 m處不同通風方式下的采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)分布區(qū)域,U型通風方式瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬如圖1，U+L型通風瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬如圖2，高抽巷U+L型通風瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬如圖3。

圖1 U型通風方式瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬Fig.1 Numerical simulation of gas concentration distribution in U-shaped ventilation mode

圖2 U+L型通風瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬Fig.2 Numerical simulation of U+L type ventilation gas concentration distribution

從圖1～圖3可觀測出，當開采至200 m處，瓦斯體積分數(shù)分布具有以下特征：①進風巷下隅角至其采空區(qū)對角瓦斯體積分數(shù)遞增；②豎直方向采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)由下至上逐步增加，不同通風方式下可觀測出高抽巷的添加極大地改變了瓦斯體積分數(shù)數(shù)值，降低了采空區(qū)瓦斯富集量。但不同通風方式下，其瓦斯體積分數(shù)分布特征相似。結(jié)合礦井瓦斯來源主要由煤層采落、各區(qū)域煤壁放散組成，通過模擬可推測瓦斯富集區(qū)域集中于采空區(qū)深度方向，并最終匯聚于垮落頂部。

圖3 高抽巷U+L型通風瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)值模擬Fig.3 Numerical simulation of gas concentration distribution in combination with U+L type ventilation

由此可見瓦斯富集區(qū)域主要集中在采空區(qū)頂部中央?yún)^(qū)域，不同通風方式對其區(qū)域位置影響微弱，主要隨工作面推進而發(fā)生改變，為此通過數(shù)值模擬數(shù)據(jù)建立不同工作面推進距離下的瓦斯體積分數(shù)動態(tài)監(jiān)測區(qū)域，生成瓦斯體積分數(shù)分布圖。通過該方案減少傳感器監(jiān)測點位數(shù)量，提高系統(tǒng)采集效率。

1.3 壓應力數(shù)值模擬

數(shù)值計算模型選用FLAC3D三維顯式有限差分仿真計算軟件，根據(jù)物理相似模擬實驗巖層結(jié)構(gòu)參數(shù)建立三維數(shù)值計算模型[10]。制定煤炭開采各項參數(shù)，以此對開采過程中頂板壓應力分布進行模擬，不同時刻壓應力分布如圖4。

從圖4可知，開采進行后引發(fā)覆巖應力分布發(fā)生改變，形成原巖應力區(qū)、應力集中區(qū)、采動卸壓區(qū)。由圖4中可觀測出采動卸壓區(qū)內(nèi)部壓應力分布趨勢平緩，主要差異集中在工作面及采空區(qū)周邊范圍。為此，通過采集工作面及采空區(qū)周邊傳感器數(shù)值即可獲得不同時刻下箱體內(nèi)部壓應力變化趨勢，建立分時段，選擇性數(shù)據(jù)采集方法；根據(jù)不同時刻下模擬開采進度規(guī)劃當前傳感器有效位置參數(shù)，通過減少采動卸壓區(qū)傳感器監(jiān)測點位，提高系統(tǒng)采集效率與穩(wěn)定性。

圖4 不同時刻壓應力分布Fig.4 Compressive stress distribution at different moments

2 物理相似模擬實驗系統(tǒng)

物理相似模擬實驗系統(tǒng)集應力與氣體采集、自動開采系統(tǒng)、通風、瓦斯放散、瓦斯抽采5大模擬系統(tǒng)組成，可開展煤炭開采過程中覆巖裂隙演化、瓦斯運移規(guī)律、瓦斯抽采等問題的一體化同步研究[11-12]。實驗系統(tǒng)內(nèi)共連接氣體傳感器72個，壓應力傳感器100個，瓦斯抽采、通風系統(tǒng)相關(guān)傳感器30余個，合計200余個傳感器。通過優(yōu)化傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加數(shù)字與軟件濾波模塊，可實現(xiàn)箱體內(nèi)部瓦斯、壓應力分布一體化、同步數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)物理相似模擬實驗內(nèi)部傳感器特性，采用多個采集板卡并聯(lián)的方式進行數(shù)據(jù)采集。通過分布式布局，實時獲取同一時刻下各個板卡采樣數(shù)據(jù)。根據(jù)物理相似模擬實驗要求，本系統(tǒng)共使用30余塊多路同步采集板卡，分別獲得各個監(jiān)測點采樣數(shù)據(jù)。

為保證采集數(shù)據(jù)的同步性，本系統(tǒng)采用廣播與分布式相結(jié)合的通訊模式，分別負責采集板卡的時鐘校準與數(shù)據(jù)交互功能。時鐘校準模塊采用廣播通訊模式定時由上位機向采集板卡下發(fā)標準時間信息，采集板卡接收后對其內(nèi)部時鐘芯片進行校準。數(shù)據(jù)交互模塊采用分布式通訊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)按照設定采樣頻率下發(fā)當前采集數(shù)據(jù)時間點、位置等信息，采集板卡通過檢索自身數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，提取相應數(shù)據(jù)并加載至數(shù)據(jù)流中并向下傳遞，最終將數(shù)據(jù)返回上位機。在此基礎上，按照傳感器監(jiān)測點位置參數(shù)對其進行區(qū)域劃分，提高通訊過程中數(shù)據(jù)檢索效率。

3 物理相似模擬實驗

實驗選取山西某礦工作面為原型，根據(jù)物理相似模擬原則，按照煤礦工作面走向布置。根據(jù)其地質(zhì)狀態(tài)，布置其內(nèi)部材料分層特性。與此同時，根據(jù)其煤層傾角等參數(shù)，按照1∶100的相似比例設定其物理相似模擬方案。采用一次采全高采煤法，頂板采用全部垮落法管理。

3.1 瓦斯體積分數(shù)傳感器區(qū)域劃分

瓦斯在覆巖采動裂隙中運移主要表現(xiàn)為瓦斯氣體的升浮-擴散、滲流過程。根據(jù)瓦斯氣體運移特性其主要以走向及高度方向上運動，根據(jù)開采進度下瓦斯富集區(qū)域數(shù)值模擬結(jié)果，本次實驗采用4層布置，分別應對不同開采進度下瓦斯富集區(qū)域。第1層傳感器位于頂板上方，待工作面推進后，頂板垮落其內(nèi)部傳感器掉落，可對工作面瓦斯體積分數(shù)分布數(shù)據(jù)進行采集。瓦斯體積分數(shù)傳感器區(qū)域劃分如圖5。

圖5 瓦斯體積分數(shù)傳感器區(qū)域劃分Fig.5 Gas concentration sensor area division

3.2 壓應力傳感器區(qū)域劃分

壓應力傳感器布置于底板上方，按照3橫3縱布置方式，分別采集開采頂板壓應力沿傾向與走向方向變化趨勢。根據(jù)開采應力集中區(qū)、原巖應力區(qū)分布位置參數(shù)，分別于開采底板四周布置壓應力傳感器，獲取各個時刻下開采區(qū)及采空區(qū)周邊覆巖應力變化情況。根據(jù)開采推進速度，將傳感器劃分為壓應力穩(wěn)定區(qū)、變化區(qū)2大區(qū)域。壓力傳感器區(qū)域劃分如圖6。

圖6 壓力傳感器區(qū)域劃分Fig.6 Pressure sensor area division

變化區(qū)域1即為原巖應力區(qū)，伴隨著煤炭開采其內(nèi)部應力分布發(fā)生改變，屬于固定采集區(qū)域。變化區(qū)域2～變化區(qū)域4列伴隨開采進度的推進，逐步開始隨工作面推進而發(fā)生應力變化。變化區(qū)域5為開采完成后的原巖應力區(qū)，當開采完成后該區(qū)域發(fā)生改變。穩(wěn)定區(qū)為工作面及采空區(qū)，伴隨著開采的推進，穩(wěn)定區(qū)1～穩(wěn)定區(qū)9列逐步依次成為應力集中區(qū)，采空區(qū)部分逐步形成穩(wěn)定區(qū)域，工作面前部形成原巖應力區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，變化區(qū)域1與參照軸為固定數(shù)據(jù)采集區(qū)域，變化區(qū)域2～變化區(qū)域5伴隨工作面推進逐步開始采集。穩(wěn)定區(qū)1～穩(wěn)定區(qū)9列跟隨工作面推進向前順延50 m，向后20 m為數(shù)據(jù)采集區(qū)域。通過該方法實現(xiàn)壓應力數(shù)據(jù)采集的選擇性動態(tài)采集，降低了采集數(shù)量，提高了系統(tǒng)采集效率。

4 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

4.1 不同風量對瓦斯運移影響

工作面推進至200 m，待模型充分垮落裂隙發(fā)育穩(wěn)定后，按照工作面瓦斯涌出量對模型內(nèi)部注入相似氣體并啟動通風系統(tǒng)。根據(jù)實際開采情況，將本次物理相似模擬實驗通風量依次設定為2 000、2 500、3 000 m3/min。實驗過程中，通風時間等待各個瓦斯體積分數(shù)監(jiān)測點位穩(wěn)定不變時結(jié)束。收集數(shù)據(jù)，停止注入相似氣體，并加大通風量促使箱體內(nèi)部氣體排出。待系統(tǒng)恢復后，改變通風參數(shù)開展第2次試驗。根據(jù)傳感器布置方案，采集傾向方向工作面處與距離工作面76 m處瓦斯體積分數(shù)變化數(shù)據(jù)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，不同距離下其瓦斯變化趨勢基本一致，距離工作面越近其受通風參數(shù)影響越大。不同風量對瓦斯體積分數(shù)分布影響如圖7。

圖7 不同風量對瓦斯體積分數(shù)分布影響Fig.7 The influence of different air volumes on gas concentration distribution

由圖7可知，工作面內(nèi)隨著風量的增加，氣體排出量逐步增多，該時刻下相似氣體體積分數(shù)沿傾向方向遞減；距離工作面76 m位置，隨著風量增加，相似氣體體積分數(shù)也呈現(xiàn)梯度遞減；隨著與工作面距離增加，由于風量的增大，使得更多風量通過覆巖裂隙涌入采空區(qū)后方區(qū)域。進而帶走深部區(qū)域相似氣體，降低采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)。

推進至60 m處距離底板不同高度瓦斯體積分數(shù)分布如圖8。由圖8可看出，該時刻下距離底板25 m處瓦斯體積分數(shù)達到最大值，40 m處瓦斯體積分數(shù)為0。由此推測出，該時刻下瓦斯富集區(qū)域為25 m處附近。

圖8 推進至60 m處距離底板不同高度瓦斯體積分數(shù)分布Fig.8 Gas concentration distribution at different heights from the bottom plate at 60 m

4.2 沿煤層走向垂直應力分布

推進0～30 m時垂直應力如圖9，推進94～120 m時垂直應力如圖10，推進154～180 m時垂直應力如圖11，推進180～200 m時垂直應力如圖12。

圖9 推進0～30 m時垂直應力Fig.9 Vertical stress advancing at 0 m to 30 m

圖10 推進94～120 m時垂直應力Fig.10 Vertical stress advancing at 94 m to 120 m

圖11 推進154～180 m時垂直應力Fig.11 Vertical stress advancing at 154 m to 180 m

圖12 推進180～200 m時垂直應力Fig.12 Vertical stress advancing at 180 m to 200 m

由圖9~圖12中數(shù)據(jù)可得工作面推進至不同位置處的來壓步距，當工作面推進至99 m處，來壓步距為18 m，主要表現(xiàn)為工作面后方傳感器先波動，然后穩(wěn)定升高。通過該方法，以此推斷出159 m處與180 m處，來壓步距分別為21 m與19 m。

隨著工作面推進，支承壓力是動態(tài)變化的，受采動影響煤壁前方形成了隨工作面推進而不斷前移的支承壓力，其影響范圍可分為3個區(qū)域，即：①未受采動影響區(qū)：工作面前70 m以遠，此區(qū)受采動影響較??；②采動影響區(qū)：位于工作面前20~70 m范圍，該區(qū)支承壓力趨于下降，底板傳感器在來壓時波動明顯；③采動影響劇烈區(qū)：位于工作面至工作面前20 m范圍，在工作面前0~5 m形成1個應力降低區(qū)，應力峰值在工作面前大約8～11 m處不斷前移，此區(qū)受采動影響劇烈，隨工作面推進，底板應力傳感器波動劇烈，且波動時間長。

4.3 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)

工作面推進64 m處微震事件分布如圖13，工作面推進200 m處微震事件分布如圖14。

圖13 工作面推進64 m處微震事件分布Fig.13 Distribution of microseismic events at 64 m of the working face

圖14 工作面推進200 m處微震事件分布Fig.14 Distribution of microseismic events at 200 m of the working face

本次物理相似模擬實驗為了對各個傳感器數(shù)據(jù)進行印證，在其內(nèi)部布置了微震監(jiān)測傳感器，通過該傳感器獲取各個時間點下實驗箱體內(nèi)部微震頻率、能力變化參數(shù)。以此對箱體內(nèi)部相似材料裂隙演化、垮落等現(xiàn)象進行推測，通過觀測微震集中點位置對開采完成后應力集中位置進行推測，以此對壓應力采集數(shù)據(jù)進行印證[13-14]。將裂隙演化通道與瓦斯體積分數(shù)變化趨勢進行對比，以此對箱體內(nèi)部瓦斯運移趨勢進行推測，最終獲得開采完成后瓦斯運移趨勢及壓應力變化趨勢。

當工作面推進至200 m時事件集中分布高度在65 m左右，最大分布高度在113 m左右，采空區(qū)四周煤巖分布較多微震事件。由此推斷出采空區(qū)中間部位已經(jīng)發(fā)生完全垮落，其中心區(qū)域已經(jīng)完全壓實，四周及底部形成裂隙分布區(qū)域。瓦斯可借此通道進行運移，將其與不同通風方式下各個點位瓦斯體積分數(shù)分布圖進行對比，可發(fā)現(xiàn)其裂隙分布與瓦斯體積分數(shù)分布區(qū)域相吻合。其壓應力集中于相似材料底板中央部位，四周壓應力變化平緩，其結(jié)果與壓應力采集數(shù)據(jù)相吻合。當工作面推進至64 m處時，微針事件在高度方向上集中于25 m處，由此可得出該處為瓦斯煤層垮落帶頂部，并形成瓦斯富集區(qū)域，該結(jié)果與氣體測量數(shù)據(jù)相吻合。

5 結(jié) 語

1）通過數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析，對實驗過程中氣體運移與壓應力演化趨勢進行分析，獲取了瓦斯及壓應力關(guān)鍵監(jiān)測點信息。對傳感器布置區(qū)域進行優(yōu)化，提出了一種基于走向與高度方向的傳感器布置方法，極大的簡化了傳感器布置需求，建立了分時刻、選擇性數(shù)據(jù)采集方法，提高了系統(tǒng)采集效率。

2）通過分布式時鐘的應用，實現(xiàn)了多板卡并聯(lián)下的采樣數(shù)據(jù)同步交互。獲得了相同時間點下的各個板卡采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過實際測試驗證，該數(shù)據(jù)真實有效，完整的反應了系統(tǒng)工作狀態(tài)與實驗過程。并對系統(tǒng)中200余路監(jiān)測點位數(shù)據(jù)進行采集，準確獲得了不同狀態(tài)下的瓦斯及壓應力分布情況。

3）通過實驗的進行，獲得了2 000、2 500、3 000 m3/min不同通風風量下工作面與采空區(qū)深度方向瓦斯分布情況，得出開采至60 m處瓦斯富集區(qū)域，其結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果相一致；獲得了不同時刻下壓應力分布情況，得出采場應力未受采動影響區(qū)、采動影響區(qū)、采動影響劇烈區(qū)分布規(guī)律。