掘进工作面甲烷传感器布置方法研究

蒋家正

(鸡西矿业集团双河煤矿，黑龙江 鸡西 158147)

巷道停风后，工作面和煤壁中的瓦斯不断涌出，巷道内瓦斯浓度随着时间推移不断上升，且沿巷道径向向回风方向的瓦斯浓度的分布不均匀。本文讨论了瓦斯浓度分布和工作面瓦斯涌出量等影响因素之间的关系[1]，给出掘进面甲烷传感器的科学布置方法。

1 掘进工作面瓦斯浓度分布规律

掘进工作面的参数示意图见图1。

图1 掘进工作面的通风方式

[2]可求得有循环风和漏风情况下，掘进巷道口的稳定后的瓦斯浓度，则循环情况下风筒中的瓦斯浓度Ca为：

(1)

式中，Qm表示循环风量，单位m3/min；Qf表示局扇吸风量，单位m3/min。

掘进工作面瓦斯浓度Cw为：

(2)

不考虑循环风的情况，即β=0或Qm=0，则式(2)可化为：

(3)

安全规程要求，风筒到工作面的距离最大不得超过5m，即l3≤5m。这个距离非常短，所以，靠近工作面巷道壁帮的瓦斯涌出量要远小于工作面瓦斯涌出量，即l3ql<

(4)

这和文献[3]推导结果是一致的。由式(4)得，宏观上工作面附近的瓦斯浓度和工作面瓦斯涌出量、风筒漏风和局扇吸风量有关，和距离工作面距离的远近是没有关系的。因此，从总体上看，掘进工作面附近的瓦斯浓度是恒定值，可以从仿真的角度分析掘进面附近的风流或瓦斯的分布情况，以此来确定甲烷传感器的布置位置。

2 基于仿真的甲烷传感器布置方法

本文参考文献[3]中的示例，简要分析了仿真结果，对甲烷传感器的布置提出了建议。工作面物理模型如图2所示，风筒末端距离工作面10m，研究区域内巷道长度14m、风筒长度4m。

图2 模拟的物理模型

模拟分三种情况进行：第1种情况，风流以20 m/s的风速从风筒排出进入工作面，瓦斯涌出量为0.0235m3/s，回风平均瓦斯体积分数为0.4%；第2种情况，风流以10 m/s的风速从风筒排出进入工作面，瓦斯涌出量为0.0235m3/s，回风平均瓦斯体积分数为0.8%；第3种情况，风流以20 m/s的风速从风筒排出进入工作面，瓦斯涌出量为0.047m3/s，回风平均瓦斯体积分数为0.8%。针对这三种情况下风流和瓦斯的混合过程进行模拟，得到流场和瓦斯积聚的规律，分别如图3、图4所示。

图3 巷道流场

可以看出在距离掘进面5～8m的地方形成涡流，验证了风流的有效射程一般为5～7m[4]。涡流区中瓦斯和空气不能充分混合，所以涡流区瓦斯浓度和掘进面的浓度相差较大，如图4所示。因为流经工作面的风流经回风流中流出，掘进面涌出的瓦斯在风流很难和涡流区的空气充分混合，如果将甲烷传感器放置在涡流区，将不能有效监控工作面的瓦斯浓度。

图4 巷道瓦斯分布

从定性角度出发，分析甲烷传感器的布置位置。

风流从风筒出口到其转向点的距离叫有效射程。在有效射程之外，射流达不到的地方，将会出现风流的涡流停滞区。停滞区内瓦斯不能在射流的作用下有效地掺和被带走，风流从风筒末端以自由状态射向工作面，其风流的有效射程一般为5～7m。因此，规程规定[5]：风筒到工作面的距离，最大不得超过5m，5m之内的地方也是瓦斯可以和风流充分混合的地方。所以，甲烷传感器应该布置在距离工作面小于等于5m的地方，见图5。

图5 掘进面传感器布置

3 掘进工作面甲烷传感器浓度参数的研究

首先利用仿真数据，确定目标传感器布点瓦斯浓度和工作面浓度最高点浓度之间的关系。

传感器布点和目标监测点设置如图6所示，在距掘进工作面5m的地方布置甲烷传感器，在距离掘进工作面0.5m的地方，从进风流到回风流侧每隔1m依次设立监测点N1、N2、N3。取这三个监测点中的瓦斯浓度的最大值，来代表工作面瓦斯浓度的最高值。矿井供给贯穿巷道的风量Q0=140m3/min，局扇吸风量为Qf=135m3/min(即工作面风量，值为4.2.2.2求得的工作面风量下限)，工作面瓦斯涌出量取较大值qw=3m3/min，不考虑漏风、不考虑循环风。每隔30s连续测得布点(CT)和测点的瓦斯浓度(CN1、CN2、CN3)，如表1所示。

图6 传感器布点和工作面监测点选择示意图

图7 散点图

表1 传感器布点和工作面测点瓦斯浓度

可以看出，浓度最高点在CN3，因此将CN3的浓度值作为工作面瓦斯浓度的最大值。CN3和CT形成的关系如图7所示。

拟合参数和相关统计结果如表2所示。

给定显著性水平α=0.05，通过查表可得tα/2(T-2)=t0.025(7-2)=2.571， b1的t统计量为9.521，大于2.571，拒绝H0接受H1，说明所有传感器布点处瓦斯浓度和掘进工作面瓦斯最高浓度的线性相关在统计上是显著的。表中样本决定系数R2接近1，说明一元线性方程的拟合误差非常小。F检验的相伴概率均可近似为0，表明测点浓度和回采工作面瓦斯最高浓度的关系呈高度线性，回归方程高度显著。通过以上对参数的判断表明，所有建立的一元线性方程是有效的。

表2 拟合参数

因此，传感器布点和工作面浓度最高点瓦斯浓度存在如下关系：

(5)

根据每隔30 s的瓦斯浓度值，参照安全规程中规定的1%作为传感器的报警浓度，将1.01%作为传感器监测相应的报警浓度，利用前文所述灰色系统理论公式解决甲烷传感器延时问题，求得a=-0.19017，b=0.39966。实际值和预测值比较如表3所示。

表3 灰色系统预测值与实际值比较

由相对误差可以看出，利用灰色系统进行预测误差较小，比较准确。当t0时刻瓦斯浓度达到1.01%(达到安全规程要求的报警浓度1%)后，传感器延时30s后的t0+30时刻，求得传感器布点的瓦斯浓度为1.28%。将1.28%作为CT，求得工作面最高浓度的预测区间为(2.52，3.68)，最大值为3.11%小于设定的危险浓度下限4%。如果将1%作为报警浓度，可以保证掘进工作面最高点瓦斯浓度小于4%。继续按照灰色系统参数进行预测，在t0+60时刻，传感器布点浓度达到1.48%(视为安全规程要求的断电浓度1.5%)；传感器延时30s后的t0+90时，求得传感器布点的瓦斯浓度为1.73%。同理，将1.73%作为CT，求得工作面最高浓度的预测区间为(3.63%，4.31%)，大于设定的危险浓度下限4%，应立即断电。

4 结 语

从上面的计算中可以看出，风量选取较小值，瓦斯涌出量选取较大值。得到的结果表示，按照煤矿安全规程当工作面传感器报警浓度为1%时，掘进工作面的最高浓度为3.68%，接近设定的危险浓度4%，因此将1%设为报警浓度比较合适；工作面传感器达到断电浓度为1.5%时，掘进工作面的最高浓度为4.31%，超过设定的危险浓度4%，应该立即断电。

参考文献

[1] 朱红青，周博潇，张彬.掘进巷道停风后瓦斯浓度分布规律探讨[J]. 煤炭科学技术，2003，31(2)：48-50.

[2] Alain Vande Wouser，Nicolas Point，Stephanie Porteman et al.An approach to the selection of optimal sensor locations in distributed parameter systems[J].Journal of Process Control，2000(10)：291-300.

[3] 朱红青，黄元平，谢宏.巷道掘进中应用可控循环通风时瓦斯浓度的峰值运移规律的探讨[J]. 湘潭矿业学院学报，1996，11(3)：1-5.

[4] 梁栋，王继仁，王树刚，等.巷道风流中瓦斯逆流机理及其实验研究[J]. 煤炭学报，1998，23(5)：476-479.

[5] 马世志.矿井通风、瓦检、瓦斯防治技术与措施[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.