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通风安全动态分析系统的研究

文档作者: 王联合        文档来源: 陕西陕煤彬长矿业公司
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更新时间: 2021年01月09日
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2010年1O月 矿业安全与环保 第37卷第5期 通风安全动态分析系统的研究 王联合 (陕西陕煤彬长矿业公司,陕西成阳712000) 摘要:介绍了目前矿井所使用的“通风管理软件”以及用通风技术来解决井下瓦斯问题的方法。 从通风瓦斯综合分析的角度,以大量的通风瓦斯监测数据为基础,在通风网络理论、瓦斯分析的引导下, 针对瓦斯涌出分布及全矿瓦斯流动状况建立起定量分析模型,从整体层面上分析并确定通风瓦斯的危 险区域、瓦斯涌出的状态、瓦斯涌出的规律,以及通风系统所有风道的风流和瓦斯流的波动规律,对日常 瓦斯安全管理中显现的异常发展趋势及瓦斯灾害预警作出指示。 关键词:矿井;通风管理;瓦斯分析;瓦斯预警 中图分类号:TD724 文献标志码:B 文章编号:1008—4495(2010)O5—0043—03 煤矿的采掘作业引起围岩状态的不断变化,由 此导致瓦斯涌出并影响到瓦斯涌出的波动,而通风 瓦斯的异常波动变化进入到相关致灾因素的不利组 合则可能导致事故。在煤矿所发生的重大及特别重 大事故中,瓦斯事故首当其冲,瓦斯事故的起因及其 发展,与矿井通风状况及通风系统密不可分。当前 矿井通常利用风流稀释瓦斯,然后通过风流把瓦斯 排出矿井外的通风技术来解决瓦斯问题。 国内外许多科研院所相继开发了专用的矿井通 风管理软件,但这些软件在可视化性能方面都存在 着不同程度的缺陷。大多系统只能显示栅格图形, 不能显示矢量图形,或者能显示矢量图形但只能在 单机运行,无法实现网络信息传输处理。此外,还存 在操作复杂,数据输入繁琐等缺点,所以这些系统虽 然在一定程度上解决了矿井通风的一些问题,但随 着计算机网络的发展,迫切需要一种新的基于网络 的操作简便、功能完善的矿井通风分析软件。 针对以上问题,笔者设计了通风安全动态分析 系统。该系统从通风瓦斯综合分析的角度,以大量 的通风瓦斯监测数据为基础,在通风网络理论⋯ 、瓦 斯分析模型和通风敏感度分析的引导下,针对瓦斯 涌出分布及全矿瓦斯流动状况建立起定量分析模 型,从整体层面上分析并确定通风瓦斯的危险区域、 瓦斯涌出的状态、矿井分区的瓦斯涌出规律,以及通 风系统所有风道的风流和瓦斯流的波动规律,对日 常通风、瓦斯安全管理中显现的异常发展趋势及瓦 收稿日期:2010—01—09;2010—09—10修订 作者简介:王联合(1967一),男,陕西铜川人,毕业于华东 地质学院,现主要从事煤矿技术管理工作。 斯灾害预警作出指示。 1 系统总体结构设计 通风安全动态分析系统主要是以通风理论和先 进的瓦斯预测分析模型为基础,集远程实时监测监 控、数据采集、安全预警和决策分析为一体的通风瓦 斯安全信息分析与预警平台,以煤矿通风瓦斯安全 分析、监控系统联机分析,以及日常报表、图纸、文档 管理为基础资料。系统由服务器、通风工作站、监控 系统数据上传软件、动态解算服务软件等四部分组 成,是一个基于网络平台运行的软件系统。通风工 作站主要负责通风系统图的绘制、通风参数的设置, 然后送交服务器,服务器结合由监控系统采集的实 时数据对整个通风系统进行不问断的风网解算及风 网中的瓦斯流分析,最后将风网解算结果和瓦斯分 析结果发至客户端供工作人员及时查看。若风网解 算结果或瓦斯分析结果出现异常,服务器发至客户 端的是带报警效果的解算结果。其网络拓扑结构如 图1所示。 2 系统功能架构 通风安全动态分析系统集矿井通风系统方案 编制与分析、数据采集分析、实时监测与报警和辅 助决策功能于一体,功能架构如图2所示,有利于 对矿井各致灾因素及其消长规律、风险辨识与隐患 辨识等进行分析,以及致灾因素耦合致灾的预警与 控制,提高矿井安全保障水平,构建煤矿系统安全 的技术体系,推动煤矿安全的技术管理迈向本质安 全管理。 · 43 · 2010年10月 矿业安全与环保 第37卷第5期 图1 系统网络拓扑结构图 图2 系统功能架构图 系统方案编制:实现矿井图形的快速绘制和各 类通风参数的设置。 通风网络分析:利用风网解算,实现对生产矿井 通风状况的分析,并支持对生产矿井通风系统新建 或改造方案的模拟。 瓦斯数据分析:对巷道系统内瓦斯的当前状态 和发展趋势进行分析,提前进行巷道瓦斯浓度变化 的判定。 辅助决策支持:提供便捷高效的方案预演、异常 问题处理支持工具,辅助管理层进行矿井安全的决 策及方案评估。 系统从本质上区别于基于单点测量数据的瓦斯 监测系统,融预防和整治于一体,具有极高的客观准 确性,预测范围大到全矿,小到具体巷道,为事故防 范和瓦斯治理提供明确的依据,可以有效地分析确 定矿井通风瓦斯的危险区域、瓦斯涌出状态、瓦斯涌 出规律,以及通风系统所有风道的风流和瓦斯流的 · 44 · 波动规律,建立全矿井安全评价的定量分析。内嵌 先进的通风瓦斯预测分析算法和丰富的行业图元 库,可以无缝集成并分析 66,KJ95等多种监控系 统 的数据,并以手机短信、安全警示灯、实时标签 和预测分析图等多种方式展现预警信息。 3 系统原理 矿井瓦斯是煤矿必须充分重视的潜在危险,因 此,在煤矿所有采掘作业地点和其他重要部位都采 取了周密的瓦斯监控措施,定时测取瓦斯数据以了 解生产作业的安全程度,因而煤矿现场积累的瓦斯 数据是十分丰富的。一方面,瓦斯监测数据十分重 要,煤矿通常有安全监控系统和人工检测这两套瓦 斯测定系统同时运行;另一方面,所测定的瓦斯数据 进入安全技术管理的生命周期又十分短,仅用来判 断数据监测的当时当地瓦斯是否超限以决定是否允 许正常作业,其后即被保存起来而很少再用。将煤 矿日常瓦斯监测数据所隐含的瓦斯涌出规律提取出 来,即是瓦斯数据分析的基本目标。 人们对煤矿瓦斯蕴藏和涌出规律的认识主要是 通过对钻孔资料的分析和对瓦斯监测数据的分析得 到的。其中对地质资料和钻孔资料的分析推动了瓦 斯地质的形成和发展,其目标在于对整个井田或煤 田的瓦斯赋存规律形成整体的概念;而对于矿井日 常的瓦斯监测数据目前尚无有效的分析手段,大量 瓦斯数据所反映的矿井瓦斯涌出规律并未得到充分 分析和利用。 井下各测点积累的瓦斯数据形成了当地瓦斯数 据的时问序列。由于矿井风流主要服务于井下的作 业地点,因此为测定风流瓦斯浓度而设立的瓦斯测 点大体上将矿井通风系统分割成了一个个相邻的 “隔离区”。从风量平衡⋯ 和瓦斯平衡⋯ 的角度而 言,隔离区将通风网络系统分割成了隔离区内和隔 离区外两部分,越过隔离区边界的风流相对于该隔 离区可分为流人和流出2类。由于风流所携带的瓦 斯流量可由风量和瓦斯浓度相乘得到,流人和流出 该隔离区的瓦斯流量差即表达了该隔离区内的瓦斯 涌出量。依据一定的规律,可将各隔离区的瓦斯涌 出转换为通风网络内各条风道的瓦斯涌出。经过这 样的转换,将通风系统中与某些固定点相关联的瓦 斯浓度数据转为了井巷系统瓦斯涌出数据。毫无疑 问,这对矿井安全生产管理是十分重要的信息。 通风安全动态分析系统把每一条巷道作为一个 “隔离区”,对全矿井所有“隔离区”实行不问断的网 络解算 J,对网络解算的结果采用数理统计的方法 2010年10月 矿业安全与环保 第37卷第5期 分析就可以得出每一个“隔离区”的瓦斯波动曲线, 也就是每一条巷道中的瓦斯涌出量大小以及波动情 况。通过观察巷道过去一段时间瓦斯涌出量的大小 以及曲线的走势,可判断该巷道未来一段时间内的 瓦斯涌出情况。而且该数据分析过程能够跟踪矿井 瓦斯的日常检测而不断进行,并随着矿井瓦斯和通 风数据的不断积累而变得更加准确,进而在跟踪瓦 斯通风监测数据的基础上建立起矿井的瓦斯流量动 态平衡关系,实现日常瓦斯监测数据的可信度分析 和日常监测异常值的因果分析。 网络解算的数学模型可描述为以下3个方程: 1)节点风量平衡方程 Ⅳ Σ6 =0 (k=1,2,⋯,J一1) (1) 式中 Q _ 分支的风量; 6 —— 风流方向的符号函数,当风流方向从 节点K到节点I,时取值一1,否则取值1。 2)回路风压平衡方程 Ⅳ Σo l f —P 一Fi(Qi)=0 ( =1,2, 』=1 3,⋯ ,M;M =N—J+1) (2) 式中 Q 分支的风量,m /s; 分支的风阻,N·S2/m。; P —— 回路的自然风压,Pa; F (Q )— — 号风机的风压,Pa; o —— 风流方向的符号函数,当分支 在回 路i中且风流方向与该回路余树分支风流方 向相同时取值1,否则取值一1;当分支 不在 回路i中时取值0。 3)通风阻力特征方程 风网中的风流,绝大多数处于完全紊流的状态, 故其阻力定律为 h :R Q (3) 式中h 为风网中的i条风路的风压或阻力,Pa。 4 系统的应用效果 1)当井下正常情况下应该关闭的某一风门由 于受损或人为原因不能关闭时,导致用风点风量急 剧下降,通风安全动态分析系统能够及时报警并准 确地指出发生故障的风门位置,矿调度中心接到报 警信号后及时发出指令修复或关闭风门,保证矿井 的安全生产。 2)通风安全动态分析系统能够勾画小到巷道、 大到采区,乃至全矿的通风瓦斯涌出分布及波动情 况,并进一步作出对巷道安全等级及瓦斯浓度变化 情况的判定,为指示潜在危险源和危险区域提供明 确的数据支持。 3)为瓦斯异常排查和治理辅助决策提供了诸 如:风流瓦斯流分析、通风方案对比、瓦斯超限需风量 计算等多种手段,突破性地将以往过于原则和空泛的 矿井灾害预防处理计划定量化、精细化推进了一大 步,打破了矿井灾害预防处理计划编制的技术瓶颈。 5 结语 矿井通风安全分析系统将丰富的瓦斯监测数据与 矿井通风理论辩证统一结合起来,采取数理统计与矿井 通风计算的联合应用,最终将瓦斯、通风、安全管理、信 息网络等功能集成化,大大增强了其适用性,极大地提 高了矿井安全预警能力和事故防范能力。 参考文献: [1]张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 20o0. [2]钱春丽,张兴敢.用于矿井环境监测的无线传感器网络 [J].电子技术应用,2oo6(9):21—23. [3]文再根.计算机模拟和蒙特卡罗方法[M].北京:北京工 业学院出版社,1988. (责任编辑:李琴) (上接第42页) 重要的,往往一个连接的损耗相当于几公里甚至几 十公里光纤的损耗。因此要构成有效的光纤通信 网,必须精确地进行光纤之间的对接,以便使通信网 中的光功率损耗尽可能小。 光纤对接过程中产生的轴向分离、横向错位和 轴线倾斜是直接影响光纤通信系统无中继传输的重 要因数,并且该损耗与光信号的传输方向无关。为 提高通信质量,应严格控制这三种情况在对接过程 中产生的损耗。 参考文献: [1]姜宇.工程电磁场与电磁波[M].武汉:华中科技大学 出版社,2009. (责任编辑:吴自立) · 45 ·
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