煤矿瓦斯爆炸预警技术分析

摘要：本文从瓦斯爆炸的数值模拟研究现状出发，利用ArcGIS完美的显示和分析能力，结合KJ90监控系统强大的数据库和实时监控功能，对煤矿井下瓦斯爆炸进行预警研究。

关键词：瓦斯爆炸，预警系统，事故树

中图分类号：TU94+3.3文献标识码： A 文章编号：

引言

我国是世界上产煤大国，同时也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一，其中瓦斯作用下引起的灾害事故发生频繁。目前的煤矿安全监测监控系统在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，但它仅是传感器数据的简单反应，尚未具有瓦斯爆炸预警功能，还不能较好地满足矿井安全生产管理的需要。

一、瓦斯爆炸的数值模拟研究现状

20世纪90年代以来，计算机技术和数值模拟计算方法的发展极大地促进了瓦斯爆炸过程数值模拟研究的提高，在理论上和数值模拟上取得了进一步的成果。一般来讲，瓦斯爆炸数值模拟可以分为以下三个步骤：建立数学模型-确定数值分析方法-分析、处理计算结果。 在混合可燃气体爆炸的数值模拟方面，N.N.Smirnov将燃烧反应分为感应期和反应期两个阶段，建立了包含紊流项和损失项在内的数学模型，并对模型进行了无因次化和离散化。通过对活化能分别为20kcal/mo1,12.5kcal/mol和10kcal/mol,其它条件相同的爆炸模拟计算得出:活化能较高时爆燃难以转变为爆轰，而活化能较低时爆燃几乎立即可转变为爆轰。东北大学的高泰荫等[[25]则在上述模型基础上应用Lax-Wendroff和Mecormic气动差分和Adams化学差分格式建立了瓦斯一氧气爆炸的数值计算方法，模型中使用的化学反应模型为包含CH4, 02, H20和CO2四种组份的简单化学反应模型。应用该模型进行了当量浓度下10cm长圆管中爆燃爆轰转变的数值模拟，很好再现了这一转变过程。

煤矿瓦斯爆炸发生的原因是多方面的，影响因素众多，有的原因具有潜在性、突发性，而爆炸本身具有破坏性和灾难性。但煤矿瓦斯爆炸的发生也有其一般规律性，只有掌握了灾害发生、发展的规律性，才能有效的避免事故的发生和发展。

本文对煤矿瓦斯爆炸事故提供预警技术，使得在生产过程中能够提前采取有效的预防措施，极大提高矿井安全管理水平和防灾抗灾能力。

基于ArcGIS和KJ90的矿井瓦斯爆炸预警系统研究

1、瓦斯爆炸预警模型

（1）采掘工作面瓦斯涌出量预警模型

以采掘工作面为单位，搜索关联的瓦斯传感器和风速传感器，工作面瓦斯浓度取相关联的瓦斯传感器中最大值，工作面风速取所有关联风速传感器中的最大值，计算瓦斯涌出量。关联传感器需要专用界面和专用数据表记录相关数据。超限的采掘工作面瓦斯涌出量值存储到预警结果表中。瓦斯涌出量计算如下：

式中：Q实时―相对瓦斯涌出量实时值；s―风速传感器位置所在巷道断面积；V―风速传感器所监测风速适时值；CCH4―瓦斯传感器监测瓦斯浓度。具体预模型如图1所示。

图1 采掘工作面瓦斯涌出量预警模型

(2)瓦斯爆炸预警浓度修正

建立矿井瓦斯爆炸相关管理(如通风管理和火源管理等)信息数据库，按日期不同保存相关记录。根据历史记录对管理制度进行综合评价，得出一个评价结果。根据管理水平的评价结果，得到一个瓦斯爆炸临界值影响系数K2，在预警过程中对相关参数进行修正。

根据矿井在最近一个月内瓦斯超限、风速异常、局部风机停电、突出预警结果为危险的频率得到综合评价系数K3，对瓦斯爆炸评价标准，即超限预警临界值和瓦斯、风速变化临界值进行修正。

2、煤与瓦斯突出引发瓦斯爆炸预警模型

在煤矿井下采掘过程中，蕴含大量瓦斯的煤(岩)体具有很大的能量，由于受采动影响，当其失控时，能量突然释放，造成煤与瓦斯突出，很可能引起瓦斯、煤尘爆炸，甚至矿井火灾。发生重要事故的煤(岩)体为重大危险源，因此，对煤与瓦斯突出进行等级划分采取预警措施的时候，应按重大危险源来分析。

重大危险源的评价分为固有危险评价和现实危险评价，后者是在前者的基础上考虑各种危险的抵消因子，反映人在控制事故发生和事故后果扩大方面的主观能动作用。固有危险评价主要反映了系统的固有特性。评价的数学模型如下：

式中：(B11)i―第i种事故易发性指标危险评价值；Wi―第i种事故易发性指标权值；(B12)j―第j种事故严重度指标危险评价值；Wj―第j种事故严重度指标权值；(B2)k―第k种事故防治抵消因子。

实际情况下，同一工作面满足以下瓦斯爆炸预警条件中两条及以上，程序给出提示采取紧急措施，防止瓦斯爆炸和防止瓦斯爆炸引发瓦斯煤尘爆炸。

(1)瓦斯涌出量预警模型预警工作面瓦斯爆炸结果为危险; (2)传感器监测值判断模型预警工作面瓦斯爆炸结果为危险; (3)突出引发瓦斯爆炸预警模型预警工作面瓦斯爆炸结果为危险。

3、预警信息在ArcGIS中的显示

(1)正常显示

显示方式为:正常图标+监测数据，图标为传感器维护时选定的图标或简单的点，要求当鼠标选中时可显示传感器的基本属性(位置、类型、point)和属性查询菜单命令。

(2)故障显示

与KJ90数据库连接不正常，无法读取数据时，图标变为灰色，表示无数据显示，并提示连接不正常，自动尝试重新连接，并给出有关帮助提示。

(3)报警显示

显示方式为:正常图标+红色监测数据。监测数据颜色由KJ90数据库实时数据表中Color字段关联读取，1为红色;

(4)预警显示

预警结果由瓦斯爆炸预警结果表读取，预警时出现预警的图标按照GIS瓦斯爆炸预警定义，显示带颜色图标，当预警级别为危险和警戒时加闪烁显示。

当同一位置出现两个及以上的瓦斯爆炸预警因素不正常，包括:瓦斯传感器异常、风速传感器异常、风机异常、煤与瓦斯突出预警结果异常、瓦斯涌出量(人工输入)高，系统提示为预警显示。

（5）定位显示预警图标

根据传感器的布置特点，一般需要放大到显示出完整的工作面，可以根据各位置传感器的特点和图形的比例，规定各传感器定位时图形显示比例和图形的中心点。定位也可由人工逐级放大图形得到。在整个地图上可以看到预警危险点出现红色闪烁(255,0,0)，可在局部放大显示的情况下给出一个鸟瞰小图形，上面也可以看到有红色闪烁预警信号的点，鼠标点击点所在的小方框，即可看到以预警位置点为中心的放大的地图。

在多进程程序运行的情况下，如出现严重程度危险预警情况下，程序正在执行其它操作，则弹出信息提示框提示出现重要预警结果，直到用户关闭为止。

以瓦斯传感器监测值预警为例，受权用户可以通过煤矿瓦斯爆炸预警系统中的“预警结果查询"菜单，对不同类型的瓦斯传感器在不同时期和不同预警级别下的状态进行查询和了解。

结论

瓦斯爆炸预警系统的研究对减少煤矿灾害，保障煤矿安全生产有着重要意义，对它的深入认识和研究仍有大量工作有待我们去完成。

参考文献

【1】周心权，吴兵.煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性.中国煤炭，2002.9

【2】范天吉.煤矿瓦斯综合治理技术手册.吉林音像出版社，2003.9