基于質量守恒的全礦井巷道瓦斯分布云圖繪制

梁 軍

1中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400037

隨 著我國煤礦開采向深部空間發展和礦井開采規模的不斷擴大，煤礦瓦斯涌出量大幅增長，是制約礦井安全生產的重要瓶頸[1]。由于日常瓦斯巡檢工作量大、效率低、可靠性差，并且不具有同時測量的基本條件，而監控系統監控傳感器布置覆蓋范圍小、數據挖掘分析欠缺，導致目前對全礦井瓦斯分布情況無法全面直觀把控，不能給通風系統、采掘工作和瓦斯治理提供科學的有效依據。

在正常生產時期，需要及時準確掌握井下通風系統運行狀況，并對各條巷道瓦斯質量濃度即礦井巷道瓦斯分布準確把控，為礦井風量調控、瓦斯抽采、采煤掘進等工作提供指導；若礦井發生瓦斯事故，需要準確判斷其產生的災害氣體可能波及范圍及波及區域的瓦斯質量濃度，為礦井迅速采取有效地應急處理措施提供決策依據，從而避免發生連鎖瓦斯事故，將已發生瓦斯災害帶來的損失控制在最低程度。因此，采取有效手段以監控煤礦井下巷道瓦斯分布實時動態，可及時消除重大安全隱患，避免重大事故的發生。采取有效手段以明晰煤礦井下空間瓦斯分布規律，可以為礦井安全生產提供技術保障。

1 繪制流程分析

基于質量守恒原理繪制全礦井巷道瓦斯分布云圖，其原理是基于礦井通風網絡風流流動及風量分布情況，根據瓦斯氣體隨著風流流動原理，計算出瓦斯流經區域巷道的瓦斯質量濃度。由于礦井通風網絡是一個復雜的流體網絡，因此繪制瓦斯分布云圖是一個復雜的過程。礦井瓦斯分布計算流程如圖 1所示。礦井監控系統提供的風速、風壓及瓦斯實時數據[2-4]，通過建立全礦井通風網絡拓撲結構，解算出礦井巷道風量分布，根據質量守恒原理計算出全礦井巷道瓦斯質量濃度分布。

圖1 礦井瓦斯分布計算流程Fig.1 Calculation process flow of mine gas distribution

1.1 數據來源解析

在井下關鍵區域安裝井下監測設備，監測設備將獲取到的監測數據傳輸到地面監控中心[5]。監控數據由于環境及人工調教會產生無效及誤差數據，因此在進行下一步之前需要進行濾噪，剔除人工調校及異常數據，并對某些復雜環境監測數據乘以系數進行誤差修正，以盡量使監測值接近真實值；

巷道瓦斯涌出量是在單位時間內從巷道煤壁涌入巷道內空氣中的瓦斯質量。如果知道該巷道瓦斯涌出量數據，則可設置該巷道具有瓦斯涌出源 (定量)，在計算瓦斯流出總量時與其他巷道流入瓦斯量相加，作為該巷道流出瓦斯總質量。

1.2 礦井風量分布動態計算

礦井通風系統是一個動態流動的網絡結構。由于礦井巷道數量繁多及目前通風瓦斯監控只能做到點檢測，無法覆蓋式監測整個礦井巷道，因此需要對未知風量巷道進行解算，根據巷道風阻大小進行自然分風，解算出該巷道風量。由于瓦斯氣體跟隨風流移動，根據質量守恒原理，要獲取該未知風量巷道的瓦斯質量濃度，則需要首先解算出該巷道流入的風量；將通風監控數據代入建立的通風網絡動態解算模型[6-8]，進行動態解算，獲取井下實時風量分配數據。解算步驟如下。

(1) 假設巷道中的風流在巷道斷面內的性質是均勻的，即假設為一維流體流動；獲得礦井風網，選擇風阻較小的分支作為樹枝，選擇風阻較大的分支作為弦，構成風網最小樹。

(2) 在通風網絡動態解算模型通中，計算具有風速傳感器的巷道時，將其假定為固定風量巷道，巷道風量

式中：v為監測風速，m/s；s為巷道斷面，m2。在風網中設定為余樹；計算具有風流壓力傳感器的巷道時，將其假定為固定風壓巷道，在風網中設定為普通分支。

(3) 確立獨立網孔或回路數目，選擇獨立網孔或回路，擬定各分支初始風量，校正值

式中：n為網孔或回路中的分支數；Ri為各分支風阻，N·s2/m-8；Qi為各分支風量，m3/s-1，第 1次迭代計算時為初始風量，憑經驗擬定；hf為機械風壓；hn為自然風壓；采用牛頓迭代法迭代計算，當滿足ΔQ小于 0.000 1時，計算結束，得到所有分支礦井巷道實時風量。

1.3 礦井巷道瓦斯分布計算

基于質量守恒原理，根據煤礦井下空間已知全礦井巷道風量和具有瓦斯監測點巷道的瓦斯質量濃度，進行全礦井巷道瓦斯分布計算。首先以礦井通風網絡為基礎構建幾何網絡，然后根據質量守恒原理：①同時間段內網絡節點流入風量與網絡節點流出風量相等；② 同時間段內網絡節點流入瓦斯質量與流出瓦斯質量相等，得出該網絡節點流出瓦斯質量濃度與其前驅節點瓦斯質量濃度關系，最后計算出該網絡節點流出風流瓦斯質量濃度。網絡節點單位時間段流出瓦斯質量濃度

整個通風網絡所有節點流出瓦斯質量濃度計算流程如圖 2所示。

圖2 瓦斯質量濃度計算流程Fig.2 Process flow of algorithm for gas mass density

迭代計算后，計算出全礦井巷道瓦斯質量濃度，為瓦斯云圖繪制打下數據基礎。

2 瓦斯分布云圖動態繪制

2.1 云圖繪制平臺選擇

全礦井巷道瓦斯分布云圖可直觀顯示巷道瓦斯質量濃度分布情況，且能反應巷道的瓦斯質量濃度變化情況，如若發生瓦斯事故則可直接給出可能波及范圍及波及區域瓦斯質量濃度；由于現代化礦井巷道多，情況復雜，云圖的繪制需要高效率，高色比渲染[9-11]。因此，我們采用成熟 Client/Server結構 (C/S結構) 的軟件架構，基于 Microsoft DirectX繪制可提供高效渲染與三維場景[12-13]。

2.2 數據流與圖形整合

利用 Microsoft DirectX平臺構建全礦井三維立體模型，建立模型化風流標識及巷道實時模擬參數，并構建通風網絡拓撲結構。通過礦井監控系統不斷獲取井下監控數據流，結合通風網絡拓撲進行通風網絡實時解算及全礦井巷道瓦斯質量濃度分布分析，利用基于質量守恒原理進行巷道瓦斯分布計算，準確地計算出全礦井實時瓦斯流動情況[14]。瓦斯質量濃度計算如圖 3所示。

圖3 瓦斯質量濃度計算Fig.3 Calculation of gas mass density

軟件系統平臺針對全礦井所有巷道瓦斯質量濃度屬性設置為可變，利用分析結果動態設置巷道質量濃度數值；設置不同顏色來區分不同瓦斯質量濃度，以漸變的色差渲染全礦井巷道，繪制出全礦巷道瓦斯質量濃度分布云圖。

2.3 瓦斯分布云圖分析

全礦井瓦斯分布如圖 4所示。云圖直觀展示全礦井通風巷道瓦斯質量濃度分布情況，在回采工作面發生瓦斯涌出異常時，可以分析出該工作面回風風流區域為瓦斯流經區域[15]。由于某些回風風流區域巷道風量較低及其瓦斯涌出量超標導致瓦斯質量濃度超限，云圖顯示此處易引起瓦斯火災，甚至爆炸事故應對該區域，進行重點瓦斯防控，加大風量供給，避免人員及帶電設備進入。回風風流區域越靠近回風井，瓦斯絕對質量流入相對增加不多，由于其他回風風流匯合，風量增加較大，瓦斯質量濃度逐漸降低為正常。

工作面發生瓦斯涌出或突出事故時，云圖可動態、宏觀展示瓦斯隨著巷道風流流動過程及該區域瓦斯質量濃度分布，并可設置井下具有發火危險性的關鍵巷道區域，對礦井火災、爆炸進行災害報警，并可基于通風網絡計算工作面發生事故后有毒有害氣體影響的礦井區域，為搶險救援提供有效技術輔助。

圖4 全礦井瓦斯分布云圖Fig.4 Contours of gas distribution in full mine

3 結語

根據現有煤礦監測監控系統，利用瓦斯質量守恒原理，結合礦井通風網絡解算，由點及面計算全礦井巷道瓦斯質量濃度分布情況，及時發現和消除煤礦重大安全生產隱患，避免煤礦發生重大事故。根據不斷獲取的實時井下監測數據進行動態計算，并繪制礦井巷道瓦斯質量濃度分布云圖，直觀展示煤礦井巷道瓦斯分布區域及危險地帶，便于通風瓦斯管理人員實時了解井下瓦斯分布情況；同時實現井下巷道瓦斯質量濃度超限預警，對有發火、爆炸危險源地點進行實時重點監控，為礦井通風瓦斯安全管理及安全生產提供了科學管理工具和先進技術。