基于质量守恒的全矿井巷道瓦斯分布云图绘制

梁 军

1中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400037

随 着我国煤矿开采向深部空间发展和矿井开采规模的不断扩大，煤矿瓦斯涌出量大幅增长，是制约矿井安全生产的重要瓶颈[1]。由于日常瓦斯巡检工作量大、效率低、可靠性差，并且不具有同时测量的基本条件，而监控系统监控传感器布置覆盖范围小、数据挖掘分析欠缺，导致目前对全矿井瓦斯分布情况无法全面直观把控，不能给通风系统、采掘工作和瓦斯治理提供科学的有效依据。

在正常生产时期，需要及时准确掌握井下通风系统运行状况，并对各条巷道瓦斯质量浓度即矿井巷道瓦斯分布准确把控，为矿井风量调控、瓦斯抽采、采煤掘进等工作提供指导；若矿井发生瓦斯事故，需要准确判断其产生的灾害气体可能波及范围及波及区域的瓦斯质量浓度，为矿井迅速采取有效地应急处理措施提供决策依据，从而避免发生连锁瓦斯事故，将已发生瓦斯灾害带来的损失控制在最低程度。因此，采取有效手段以监控煤矿井下巷道瓦斯分布实时动态，可及时消除重大安全隐患，避免重大事故的发生。采取有效手段以明晰煤矿井下空间瓦斯分布规律，可以为矿井安全生产提供技术保障。

1 绘制流程分析

基于质量守恒原理绘制全矿井巷道瓦斯分布云图，其原理是基于矿井通风网络风流流动及风量分布情况，根据瓦斯气体随着风流流动原理，计算出瓦斯流经区域巷道的瓦斯质量浓度。由于矿井通风网络是一个复杂的流体网络，因此绘制瓦斯分布云图是一个复杂的过程。矿井瓦斯分布计算流程如图 1所示。矿井监控系统提供的风速、风压及瓦斯实时数据[2-4]，通过建立全矿井通风网络拓扑结构，解算出矿井巷道风量分布，根据质量守恒原理计算出全矿井巷道瓦斯质量浓度分布。

图1 矿井瓦斯分布计算流程Fig.1 Calculation process flow of mine gas distribution

1.1 数据来源解析

在井下关键区域安装井下监测设备，监测设备将获取到的监测数据传输到地面监控中心[5]。监控数据由于环境及人工调教会产生无效及误差数据，因此在进行下一步之前需要进行滤噪，剔除人工调校及异常数据，并对某些复杂环境监测数据乘以系数进行误差修正，以尽量使监测值接近真实值；

巷道瓦斯涌出量是在单位时间内从巷道煤壁涌入巷道内空气中的瓦斯质量。如果知道该巷道瓦斯涌出量数据，则可设置该巷道具有瓦斯涌出源 (定量)，在计算瓦斯流出总量时与其他巷道流入瓦斯量相加，作为该巷道流出瓦斯总质量。

1.2 矿井风量分布动态计算

矿井通风系统是一个动态流动的网络结构。由于矿井巷道数量繁多及目前通风瓦斯监控只能做到点检测，无法覆盖式监测整个矿井巷道，因此需要对未知风量巷道进行解算，根据巷道风阻大小进行自然分风，解算出该巷道风量。由于瓦斯气体跟随风流移动，根据质量守恒原理，要获取该未知风量巷道的瓦斯质量浓度，则需要首先解算出该巷道流入的风量；将通风监控数据代入建立的通风网络动态解算模型[6-8]，进行动态解算，获取井下实时风量分配数据。解算步骤如下。

(1) 假设巷道中的风流在巷道断面内的性质是均匀的，即假设为一维流体流动；获得矿井风网，选择风阻较小的分支作为树枝，选择风阻较大的分支作为弦，构成风网最小树。

(2) 在通风网络动态解算模型通中，计算具有风速传感器的巷道时，将其假定为固定风量巷道，巷道风量

式中：v为监测风速，m/s；s为巷道断面，m2。在风网中设定为余树；计算具有风流压力传感器的巷道时，将其假定为固定风压巷道，在风网中设定为普通分支。

(3) 确立独立网孔或回路数目，选择独立网孔或回路，拟定各分支初始风量，校正值

式中：n为网孔或回路中的分支数；Ri为各分支风阻，N·s2/m-8；Qi为各分支风量，m3/s-1，第 1次迭代计算时为初始风量，凭经验拟定；hf为机械风压；hn为自然风压；采用牛顿迭代法迭代计算，当满足ΔQ小于 0.000 1时，计算结束，得到所有分支矿井巷道实时风量。

1.3 矿井巷道瓦斯分布计算

基于质量守恒原理，根据煤矿井下空间已知全矿井巷道风量和具有瓦斯监测点巷道的瓦斯质量浓度，进行全矿井巷道瓦斯分布计算。首先以矿井通风网络为基础构建几何网络，然后根据质量守恒原理：①同时间段内网络节点流入风量与网络节点流出风量相等；② 同时间段内网络节点流入瓦斯质量与流出瓦斯质量相等，得出该网络节点流出瓦斯质量浓度与其前驱节点瓦斯质量浓度关系，最后计算出该网络节点流出风流瓦斯质量浓度。网络节点单位时间段流出瓦斯质量浓度

整个通风网络所有节点流出瓦斯质量浓度计算流程如图 2所示。

图2 瓦斯质量浓度计算流程Fig.2 Process flow of algorithm for gas mass density

迭代计算后，计算出全矿井巷道瓦斯质量浓度，为瓦斯云图绘制打下数据基础。

2 瓦斯分布云图动态绘制

2.1 云图绘制平台选择

全矿井巷道瓦斯分布云图可直观显示巷道瓦斯质量浓度分布情况，且能反应巷道的瓦斯质量浓度变化情况，如若发生瓦斯事故则可直接给出可能波及范围及波及区域瓦斯质量浓度；由于现代化矿井巷道多，情况复杂，云图的绘制需要高效率，高色比渲染[9-11]。因此，我们采用成熟 Client/Server结构 (C/S结构) 的软件架构，基于 Microsoft DirectX绘制可提供高效渲染与三维场景[12-13]。

2.2 数据流与图形整合

利用 Microsoft DirectX平台构建全矿井三维立体模型，建立模型化风流标识及巷道实时模拟参数，并构建通风网络拓扑结构。通过矿井监控系统不断获取井下监控数据流，结合通风网络拓扑进行通风网络实时解算及全矿井巷道瓦斯质量浓度分布分析，利用基于质量守恒原理进行巷道瓦斯分布计算，准确地计算出全矿井实时瓦斯流动情况[14]。瓦斯质量浓度计算如图 3所示。

图3 瓦斯质量浓度计算Fig.3 Calculation of gas mass density

软件系统平台针对全矿井所有巷道瓦斯质量浓度属性设置为可变，利用分析结果动态设置巷道质量浓度数值；设置不同颜色来区分不同瓦斯质量浓度，以渐变的色差渲染全矿井巷道，绘制出全矿巷道瓦斯质量浓度分布云图。

2.3 瓦斯分布云图分析

全矿井瓦斯分布如图 4所示。云图直观展示全矿井通风巷道瓦斯质量浓度分布情况，在回采工作面发生瓦斯涌出异常时，可以分析出该工作面回风风流区域为瓦斯流经区域[15]。由于某些回风风流区域巷道风量较低及其瓦斯涌出量超标导致瓦斯质量浓度超限，云图显示此处易引起瓦斯火灾，甚至爆炸事故应对该区域，进行重点瓦斯防控，加大风量供给，避免人员及带电设备进入。回风风流区域越靠近回风井，瓦斯绝对质量流入相对增加不多，由于其他回风风流汇合，风量增加较大，瓦斯质量浓度逐渐降低为正常。

工作面发生瓦斯涌出或突出事故时，云图可动态、宏观展示瓦斯随着巷道风流流动过程及该区域瓦斯质量浓度分布，并可设置井下具有发火危险性的关键巷道区域，对矿井火灾、爆炸进行灾害报警，并可基于通风网络计算工作面发生事故后有毒有害气体影响的矿井区域，为抢险救援提供有效技术辅助。

图4 全矿井瓦斯分布云图Fig.4 Contours of gas distribution in full mine

3 结语

根据现有煤矿监测监控系统，利用瓦斯质量守恒原理，结合矿井通风网络解算，由点及面计算全矿井巷道瓦斯质量浓度分布情况，及时发现和消除煤矿重大安全生产隐患，避免煤矿发生重大事故。根据不断获取的实时井下监测数据进行动态计算，并绘制矿井巷道瓦斯质量浓度分布云图，直观展示煤矿井巷道瓦斯分布区域及危险地带，便于通风瓦斯管理人员实时了解井下瓦斯分布情况；同时实现井下巷道瓦斯质量浓度超限预警，对有发火、爆炸危险源地点进行实时重点监控，为矿井通风瓦斯安全管理及安全生产提供了科学管理工具和先进技术。