通风安全动态分析系统的研究.pdf

2 0 1 0 年1 0 月矿业安全与环保第3 7 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7 1 2 0 0 0 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T D 7 2 4文献标志码B文章编号1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 5 0 0 4 3 0 3 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J 、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2 0 1 0 0 1 一0 9 ；2 0 1 0 0 9 1 0 修订 作者简介王联合 1 9 6 7 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。 l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间断的风网解算及风 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。 4 3 万方数据 2 0 1 0 年1 0 月矿业安全与环保第3 7 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 4 4 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K J 6 6 ，K J 9 5 等多种监控系 统‘23 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孑L 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 据的时间序列。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，流入和流出 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”实行不间断的网 络解算”J ，对网络解算的结果采用数理统计的方法 万方数据 2 0 1 0 年1 0 月矿业安全与环保第3 7 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 ∑6 茸Q J 0 | | } 1 ，2 ，⋯，，一1 1 式中Q i _ f 分支的风量； 6 。i 风流方向的符号函数，当风流方向从 节点K 到节点．，时取值一1 ，否则取值1 。 2 回路风压平衡方程 ，v ∑ⅡF 弓lqg P i F i Q ； 0 i 1 ，2 ， J l 3 ，⋯，肘；肘 J 7 ＼r 一- ， 1 2 式中Q ，_ f 分支的风量，m 3 ／s ； 尺i _ f 分支的风阻，N s 2 ／m 8 ； P i i 回路的自然风压，P a ； E Q i i 号风机的风压，P a ； 口i 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J 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 i R i Q ； 3 式中h i 为风网中的i 条风路的风压或阻力，P a 。 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， 2 0 0 0 ． [ 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，2 0 0 6 9 2 1 - 2 3 ． [ 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，1 9 8 8 ． 责任编辑李琴 上接第4 2 页 重要的，往往一个连接的损耗相当于几公里甚至几提高通信质量，应严格控制这三种情况在对接过程 十公里光纤的损耗。因此要构成有效的光纤通信中产生的损耗。 望耋翌熏璧竺篓黧蓼l 之间的对接，以便使通信网 参考文献 中的光功率损耗尽可能小。 77 一”“ 光纤对接过程中产生的轴向分离、横向错位和 [ 1 ] 姜宇．工程电磁场与电磁波[ M ] ．武汉华中科技大学 轴线倾斜是直接影响光纤通信系统无中继传输的重 出版社，2 0 0 9 要因数，并且该损耗与光信号的传输方向无关。为 责任编辑吴自立 4 5 万方数据 通风安全动态分析系统的研究通风安全动态分析系统的研究 作者王联合， WANG Lian-he 作者单位陕西陕煤彬长矿业公司,陕西,咸阳,712000 刊名 矿业安全与环保 英文刊名MINING SAFETY 张兴敢 用于矿井环境监测的无线传感器网络[期刊论文]-电子技术应用 200609 3.张国枢 通风安全学 2000 本文链接