基于MATLAB的煤矿通风与瓦斯流动一体化解算

吕 闫 孙 亮

(1.山西华晋焦煤有限责任公司沙曲二矿;2.煤科集团沈阳研究院有限公司)



基于MATLAB的煤矿通风与瓦斯流动一体化解算

吕 闫1孙 亮2

(1.山西华晋焦煤有限责任公司沙曲二矿;2.煤科集团沈阳研究院有限公司)

为快速地获得某矿301综放工作面通风巷道内通风风量与瓦斯流量网络解算数据，在对工作面通风系统参数测试基础上，使用CAD软件提取巷道坐标数据，运用MATLAB软件，结合图论理论、流体力学理论，编制解算程序，程序可读取巷道坐标并且自动建立工作面网络拓扑关系，并求解工作面通风和瓦斯网络解算各参数矩阵，利用Cross迭代算法解算工作面通风系统内的通风巷道通风风量和瓦斯流量解算数据。通过与现场实测数据对比，程序解算数据基本正确。模拟结果表明，MATLAB软件能快速便捷地处理工作面通风风量和瓦斯流量网络解算，并具有较高的准确性。

综放工作面 通风 瓦斯 MATLAB 网络解算 Cross迭代算法

煤矿通风风量、瓦斯浓度情况通常由通风部门的瓦斯检测员每班进行测定并填写报表，但限于人力、物力因素以及时间、空间的限制，在同一时刻获取矿井各巷道内通风风量、瓦斯浓度分布情况是不可能完成的。通过数值模拟手段获取通风系统中所有巷道的通风风量、瓦斯浓度数据，为矿井通风系统优化改造提供理论参数，为矿井制定相关安全技术措施提供理论指导，对保障矿井的安全生产具有重要的意义。为此，张少云[1]利用远程监控系统采集实时数据，实现了通风网络的实时解算。魏引尚[2]提出了通风网络中瓦斯分布的计算模型，并使用Visual Basic 6.0编写了专门的计算机程序，并给出了算例。邓敢博[3]利用概率统计方法，以通风网络解算为基础对通风巷道瓦斯流动及分布规律进行了研究，并使用Visual C++6.0编写了相应程序。以上软件程序在解算过程中均需要大量处理矩阵运算，导致了其编制周期长，编写过程过于复杂。

由于MATLAB软件在通风网络矩阵运算处理、图形显示方面具有较为直观的形式[4-7]，本文使用MATLAB软件编写通风、瓦斯解算程序，并以某矿301综放工作面通风系统为算例，构建通风瓦斯网络解算数学、物理模型，采用回路Cross迭代算法，通过图形直观显示解算结果，为工作面安全生产提供可靠参数。

1 301综放工作面概况

某矿301综放工作面位于403采区南部，东为3条上山保护煤柱，西为井田边界，南为井田边界，北为403采区待采实体煤。工作面标高在675～750 m，地面标高在1 030～1 050 m，埋深约350 m。301综放工作面为403采区首采工作面，其走向长2 845 m，倾斜长180 m，综放开采，开采的4#煤层平均厚16.7 m，平均开采厚度为13.3 m，煤层倾角平均为22°。工作面通风采用矿井负压U型通风方式，布置运输顺槽、回风顺槽以担负通风任务。距离工作面回风顺槽15 m(中对中)布置专用瓦斯抽放巷道以抽放采空区瓦斯。301综放工作面通风系统示意见图1。

2 301工作面瓦斯情况分析

2.1 工作面瓦斯涌出量

工作面瓦斯涌出分为煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出三大部分[8]。目前工作面绝对瓦斯涌出量约59.02 m3/min,其中地面低负压抽采系统抽采混合量约500 m3/min,瓦斯浓度约9.0%，纯量为45 m3/min；井下高负压抽采系统抽采混合量约117 m3/min，瓦斯浓度约8.7%，纯量为10.18 m3/min；回风巷口风量为1 745 m3/min，瓦斯浓度约0.22%，风排瓦斯为3.84 m3/min。301综放工作面瓦斯涌出来源见图2。

2.2 各巷道瓦斯涌出量

为统计301综放工作面各巷道瓦斯涌出情况，同时测试巷道起、末节点瓦斯浓度差值，并且记录巷道的风量数据，即可以计算此条巷道的瓦斯涌出量。301工作面各条巷道瓦斯涌出情况见表1。

图1 301工作面通风系统示意

图2 301综放工作面瓦斯源示意

表1 301综放工作面各巷道瓦斯涌出量

3 通风瓦斯流动耦合仿真模拟数学模型

3.1 风网拓扑关系

3.1.1 巷道坐标提取

为节省时间，提高效率，使用CAD软件作为绘图系统。在CAD软件系统中绘制“通风网络”图层，在绘制通风巷道中，使用单线表示巷道，并确保每一条巷道的通风系统没有大的变化。巷道连接处、通风系统变化处使用不同的直线线条绘制。CAD软件中，使用“工具”中“数据提取”，即可以提取图层中巷道三维坐标，并保存为Excel文件。

3.1.2 拓扑关系自动建立

拓扑关系的自动建立是为通风、瓦斯网络解算所需要的迭代解算矩阵提供必要条件的。使用MATLAB软件读取生成的“通风网络”坐标Excel文件，当读取第一条巷道的三维坐标(X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)后，设置坐标栈，并让第一点坐标入栈，并自动标记为V1和V2节点。接下来程序会读取第二点坐标(X3，Y3，Z3)和(X4，Y4，Z4)，此时坐标入栈策略是(X3，Y3，Z3)坐标首先与栈中所有坐标对比，如果有，则入栈并标记为相应节点，如果没有，则入栈并标记为栈中已经存在的所有节点标号最大值加1，即Vmax+1，其中Vmax表示栈中已经存在的最大的节点标号，(X4，Y4，Z4)节点入栈策略与此相同。当所有巷道坐标都已经入栈并标记节点编号，则循环结束，此时风网拓扑关系自动建立成功。

3.2 通风瓦斯网络解算

通风网络解算中风量与阻力需满足节点风量平衡定律、回路风压平衡定律及阻力定律三大定律。风网解算的基本方程如下：

(1)

式中,bij为基本关联矩阵元素；qj为分支流量；fi(q1,q2,…,qn-m+1)为回路阻力平衡方程；cij为基本回路矩阵元素；rj为分支风阻,(N·s2)/m8；hj为回路附加阻力，Pa。

通过基本关联矩阵可构造m-1个线性无关的方程组，通过流量平衡方程与n个分支的阻力平衡方程联系，可得到(m-1)+(n-m+1)个，即n个方程，解此方程，一般采用回路的Cross算法，其中基本回路迭代风量修正值为[9]

(2)

式中,bij为基本关联矩阵元素；Rj为与i邻接的j分支的风阻，(N·s2)/m8;Qj为j分支的风量，m3/s；Pi为i回路的自然风压，Pa；Fi1和Fi2为风机特性曲线方程表示的风压及风机特性曲线的斜率。

对基本回路风量进行修正，直至风量修正值满足精度要求，即可求出风网中所有巷道的风量。

在解算通风巷道内所有风量后，对巷道内瓦斯流量进行解算。通风巷道内的瓦斯流动解算与风网解算原理基本相同，主要是满足节点流量守恒定律，即文献[2]中风网内任意节点相关分支的瓦斯流量代数和为零，即

(3)

式中,Qij为与i节点相关联的分支j的有向风量；n为节点相关联的分支数。

在测定通风巷道内的瓦斯后，利用求解风量即可求出网络内巷道瓦斯分布。

4 综放工作面通风瓦斯流动耦合仿真模拟

4.1 工作面通风阻力系数测试

构建301综放工作面通风瓦斯解算系统，首先要对工作面进行通风阻力系数测试，测试内容主要包括名称、支护、形状，断面积、周长、长度、风量、巷道瓦斯涌出量等[10]。测试结果见表2。

表2 301综放工作面通风系统阻力测试结果

4.2 通风瓦斯解算数据处理

预先根据拓扑关系处理并生成的矩阵如下

所示，使用回路Cross算法进行迭代计算。

关联矩阵：

参数矩阵：

树：tree=e1，e8，e2，e3，e5。

余树：cotree=e4，e6，e7。

基本回路矩阵：

4.3 解算结果与应用效果分析

对301综放工作面通风瓦斯流动进行解算，使用MATLAB软件的figure函数[11-12]绘制通风瓦斯实时解算结果(图3)，详细数据见表3。

图3 301综放工作面通风瓦斯解算示意

由图3、表3可知，通风风量模拟结果与现场实测基本吻合；瓦斯流量模拟结果除了专用瓦斯抽放巷(e4)的解算浓度为0.59%，与实测浓度8.7%误差较大外，其余解算浓度基本吻合现场实测数据。专用瓦斯抽放巷浓度较大是因为采空区抽采流量较大。

5 结 论

(1)对某矿301综放工作面通风系统参数进行测试，得到工作面通风风量、瓦斯涌出量等数据，计算了工作面各条巷道瓦斯涌出量。

(2)使用MATLAB软件建立了301综放工作面通风瓦斯网络解算拓扑关系，求解了Cross迭代计算所需要的关联矩阵、回路矩阵和瓦斯网络分布解算的参数矩阵等，得出通风风量、瓦斯流量的模拟解算结果，与实测数据基本吻合，验证了其准确性和可靠性。

表3 301综放工作面通风瓦斯解算结果

(3)将MATLAB软件应用到通风瓦斯网络解算中，具有编程效率高、解算结果图形显示方便等优点，另外，可以将此程序编译成exe可执行文件，方便运行。

[1] 张少云.矿井风网实时解算与安全预警系统的研究和实现[D].西安:西北工业大学,2005.

[2] 魏引尚,常心坦.瓦斯在通风巷道中流动分布情况研究[J].西安科技大学学报,2005(3):271-273.

[3] 邓敢博.基于网络计算矿井瓦斯分布规律研究[D].西安:西安科技大学,2009.

[4] 李宗翔,王德民,温永宇.矿井3D风网图及基于MATLAB仿真编程实现[J].安全与环境学报,2010,10(6):168-171.

[5] 袁 梅.MATLAB在矿井通风网络解算中的应用[J].矿业工程,2009,7(5):63-65.

[6] 姜诗明,裴绍宇,郄雷敏.基于MATLAB的矿井通风网络解算程序编制[J].陕西煤炭,2010(6):28-29.

[7] 陈梅芳,丁德馨,张传飞.基于MATLAB的矿井通风网络图的矩阵表示及电算方法[J].矿业研究与开发,2007,27(6):65-67.

[8] 煤炭科学研究总院抚顺分院.AQ 1018—2006矿井瓦斯涌出量预测方法[S].北京：中国标准出版社，2006.

[9] 刘 剑,贾进章,郑 丹.流体网络理论[M].北京:煤炭工业出版社,2002.

[10] 煤炭科学研究总院抚顺分院，辽宁工程技术大学.MT/T 440—2008矿井通风阻力测定方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[11] 陈 泽,占海明.详解MATLAB在科学计算中的应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

[12] 王海英,黄 强,李传涛,等.图论算法及其MATLAB实现[M].北京:北京航空航天大学出版,2010.

2016-08-06)

吕 闫(1983—)，男，副科长，助理工程师，033399 山西省吕梁市柳林县穆村镇沙曲村。