CN103643997A - 一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法，包括如下步骤：首先在现有的掘进工作面增加瓦斯传感器，通过该上述瓦斯传感器测得的用于代表该断面处瓦斯浓度的平均值的瓦斯浓度值为C巷道，该瓦斯传感器的安装位置与掘进工作面之间的距离a的最小值应该在70至150米之间，然后测量局扇的实时实际送风风量值Q风量；再根据计算掘进工作面的实时瓦斯涌出量q的计算公式q=C巷道*Q风量计算实时瓦斯涌出量q。该计算方法实用性较好、误差较小、计算精度较高，且可实时动态计算小风速掘进工作面的瓦斯涌出量。

Description

一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法
技术领域
本发明涉及矿井瓦斯涌出量计算方法。 
背景技术
安全监控系统是现阶段我国煤矿安全生产必须具备的几大系统之一，最基本最重要的功能便是实时监测矿井各采掘头面瓦斯、CO、风速、温度等参数动态变化，发现环境或设备异常时进行报警和断电控制。国家安全监管总局和国家煤矿安监局在2013年签发的28号文件更是特别指出要建立、完善安全监控和煤与瓦斯突 出事故报警的系统，这就要求对各采掘工作面瓦斯涌出量有一个比较正确的了解和计算。目前国内外并没有持续用来直接测量煤体涌出瓦斯量等参数的设备和仪器，对采掘工作面瓦斯涌出量的判断都是通过监控系统监测到的巷道风速和瓦斯浓度值来计算得到的，认为当瓦斯流和风流均匀混合后巷道中所涌出的瓦斯量为巷道风速、断面积及瓦斯浓度值的乘积。但现场对采掘工作面特别是小风速掘进巷道的瓦斯涌出量进行分析，往往会遇到由于风速波动对瓦斯涌出总量计算结果产生较大影响的情况，如何在现有对风速测量精度和灵敏度的条件下较好的分析和计算小风速掘进巷道瓦斯涌出量是尚待解决的问题。小风速掘进巷道是指巷道风速小于1.0m/s的掘进巷道，《煤矿安全规程》详细规定了井下各巷道中风流速度需符合的要求，规程规定对于采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷允许风速为0.25m/s-4m/s，对于掘进中的岩巷允许风速0.15m/s-4m/s。很多采掘工作面在满足现场生产需求的基础上，为了节省成本风速均控制在较为高效的范围，往往会形成很多小风速的掘进或者回风巷道。 
矿用风速传感器主要用于煤矿井下进回风巷道通风风速的监测。 煤矿井下有毒有害气体通过通风方式排出井口外，所以通风的监测是保证矿井安全生产的重要手段。 它能与井下各种类型的监测系统配套使用，在井下24小时昼夜连续工作，随时将被测巷道的通风状态转换成标准电信号就地显示出来，并输送给与之相连的关联设备。国内煤矿行业使用较多的有GFW15 型矿用风速传感器和GFY15型矿用风速传感器两种。测量范围和误差范围如下表1所示：  
表1 风速传感器测量范围及误差
传感器型号 测量范围（m/s） 基本误差（m/s）
GFW15型矿用风速传感器 0.30-15.00 ±0.30
GFY15型矿用风速传感器 0.00-15.00 ±0.20
分析对于小风速巷道风速测量相对误差，结合第一部分对巷道风流状态的分析，在现场会有很多巷道风速在0.3m/s左右的掘进巷道。结合GFW15型矿用风速传感器和GFY15型矿用风速传感器的基本误差，相对误差公式如下：
Figure DEST_PATH_522900DEST_PATH_IMAGE001
（1）                                        
式中X0为真实值，X1为测量值，当风速为0.3m/s时，两个风速传感器的最大误差分别为67%和100%，可以看出现阶段煤矿使用的风速传感器对于小风速的测定相对误差还是比较大的。所以按照传统方法利用风速和瓦斯浓度来计算小风速巷道瓦斯涌出量的误差同样是非常大的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种实用性较好、误差较小、计算精度较高的实时动态计算小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法。 
实现本发明目的的技术方案是提供一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法，包括如下步骤：①在现有的掘进工作面增加瓦斯传感器，通过该上述瓦斯传感器测得的用于代表该断面处瓦斯浓度的平均值的瓦斯浓度值为C巷道  该瓦斯传感器的安装位置与掘进工作面之间的距离a与巷道风速值的对应关系如下表，巷道风速值由现有的安全监控系统可直接得到： 
序号 巷道风速值（m/s） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最小值（m） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最大值（m）
1 0.2 70 140
2 0.3 80 160
3 0.4 90 180
4 0.5 100 200
5 0.6 110 220
6 0.7 120 240
7 0.8 130 260
8 0.9 140 280
9 1.0 150 300
②测量局扇的实时实际送风风量值Q风量；
③根据计算掘进工作面的实时瓦斯涌出量q的计算公式q=C巷道*Q风量计算实时瓦斯涌出量q。
步骤②中，测量局扇的实时实际送风风量值Q风量的具体方法是，由于掘进工作面的通风为压入式通风，通过局扇提供动力，则通过风速传感器或风量传感器测量得到压入式通风风筒的实际送风风速值V风筒，并根据掘进巷道的通风设计资料获取或通过实际测量的方式得到当前进行风速监测的风筒断面积S风筒，则所测掘进工作面的局扇的实时实际送风风量值Q风量= V风筒*S风筒。 
本发明具有积极的效果：（1）本发明的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法在掘进巷道瓦斯涌出量的计算上，第一次提出了测量压入式局扇送风风筒的实际送风风速值V风筒和测量点的风筒断面值S风筒，将该数值与巷道中瓦斯和风流均匀混合后的瓦斯浓度值结合起来，从而更为准确的计算风速小于1.0m/s的小风速掘进工作面的瓦斯涌出量值。 
（2）本发明的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法第一次提出了准确计算风速小于1.0m/s的掘进面瓦斯涌出量值的方法，需在现有的煤矿安全规程规定传感器之外，增加瓦斯传感器，并给出了安装位置距离掘进工作面的距离和风速值之间的线性关系。 
（3）本发明的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法相比较传统的通过巷道风速、巷道断面积及瓦斯浓度值的乘积来计算风速值小于1.0m/s的掘进工作面瓦斯涌出量的方法，克服了由于风速传感器本身误差所带来的较大误差，利用给定位置增加瓦斯传感器和测量风筒实际送风风量的方法来计算掘进工作面的瓦斯涌出量，大大提高了计算精度。 
具体实施方式
（实施例1） 
本实施例的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法包括如下步骤：
①在现有的掘进工作面增加瓦斯传感器，该瓦斯传感器的位置能够充分考虑到了掘进工作面瓦斯涌出后在风流中的混合，又尽可能少的包含巷道中的瓦斯涌出，使得测量的瓦斯浓度值能够基本代表该断面处瓦斯浓度的平均值又包含的掘进工作面瓦斯涌出信息量大，通过该上述瓦斯传感器测得的用于代表该断面处瓦斯浓度的平均值的瓦斯浓度值为C巷道。该瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a与现场的风速值大小、巷道断面尺寸以及涌出瓦斯量都有关系，经过现场的大量测量和计算机模拟得出，该瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最小值应该在70至150米之间，为了尽可能少的包含巷道壁的瓦斯涌出信息，同时瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最大值不大于最小值的两倍。对于以上提到的现场的风速值大小、巷道断面尺寸以及涌出瓦斯量三个影响参数值，现场选取瓦斯传感器的安装位置的时候主要以参数巷道风速值作为依据，巷道风速值由现有的安全监控系统可直接得到，例如当巷道风速值为0.2m/s时安装最小距离选择70米，当巷道风速值为1.0m/s时安装最小距离选择150米。其他巷道风速值所对应的瓦斯传感器的安装位置与掘进工作面之间的距离a的取值见如下附表：
附表：瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a对应风速表
序号 巷道风速值（m/s） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最小值（m） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最大值（m）
1 0.2 70 140
2 0.3 80 160
3 0.4 90 180
4 0.5 100 200
5 0.6 110 220
6 0.7 120 240
7 0.8 130 260
8 0.9 140 280
9 1.0 150 300
②测量局扇的实时实际送风风量值Q风量，目前煤矿掘进工作面的通风基本都选择压入式通风，通过局扇提供动力。跟据通风阻力特征方程H=rQ2可知，第一种情况，当压入风压H发生变化时，风量Q大多会发生变化；第二种情况，压入风压H不变的时候，随着巷道掘进，风阻r值增大，风量Q也会发生变化，因此局扇的当前实际送风风量值Q风量是实时在变化的。则本实施例通过风速传感器或风量传感器测量得到压入式通风风筒的实际送风风速值V风筒，并根据掘进巷道的通风设计资料获取或通过实际测量的方式得到当前进行风速监测的风筒断面积S风筒, 则所测掘进工作面的局扇的实时实际送风风量值Q风量= V风筒*S风筒。
③根据计算掘进工作面的实时瓦斯涌出量q的计算公式q=C巷道*Q风量计算实时瓦斯涌出量q。 
（应用例、小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算结果对比） 
举例某小风速掘进工作面的压入式通风选择的局扇使用的电机型号为Y13254，功率5.5kw，全压为108-497Pa。为了验证本发明的小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法，在掘进的某一阶段，局扇的全压为120Pa，测量巷道的当前风阻值为1333Ns2/m8，根据通风阻力特征方程H=rQ2来计算当前的实际风量值为2.76m3/s。
而巷道断面积为9.2m2，则可计算出当前巷道风速值为0.3 m/s。 
由实施例1的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法可知，根据步骤①，需在80米至160米的范围内安装瓦斯传感器，本应用例选择安装在100米位置处，在某一时间段通过瓦斯传感器测得风流中瓦斯浓度值C巷道为0.55%。由上述通过通风阻力特征方程H=rQ2计算得到当前的实际风量值为2.76m3/s，则实际瓦斯涌出量q1应该是0.55%*2.76=0.0152 m3/s。 
如按照传统的瓦斯涌出量计算方法来计算当前的瓦斯涌出量，传统的瓦斯涌出量计算方法所设置的瓦斯传感器测得风流中瓦斯浓度值为0.35%，巷道的风速传感器显示值为0.2 m/s，巷道断面积为9.2 m2，则按照传统的瓦斯涌出量计算方法计算得到当前的瓦斯涌出量q2为0.35%*0.2*9.2=0.0064m3/s，相比较实际值q1误差为57.90%。 
按照实施例1得到的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法来计算，测得风筒断面积S风筒为0.83m2，风筒在该断面处的风速值V风筒为3.50m/s。计算得到当前的瓦斯涌出量q为0.55%*0.83*3.5=0.0160 m3/s，相比较实际值q1误差为4.60%。 
由以上对比可知，本发明所提出的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法相比较传统的通过现有的瓦斯传感器和风速传感器来计算掘进工作面的瓦斯涌出量准确度更高。 

Claims (2)

1.一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法，包括如下步骤：①在现有的掘进工作面增加瓦斯传感器，通过该上述瓦斯传感器测得的用于代表该断面处瓦斯浓度的平均值的瓦斯浓度值为C巷道，该瓦斯传感器的安装位置与掘进工作面之间的距离a与巷道风速值的对应关系如下表，巷道风速值由现有的安全监控系统可直接得到：
序号 巷道风速值（m/s） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最小值（m） 瓦斯传感器与掘进工作面之间的距离a的最大值（m） 1 0.2 70 140 2 0.3 80 160 3 0.4 90 180 4 0.5 100 200 5 0.6 110 220 6 0.7 120 240 7 0.8 130 260 8 0.9 140 280 9 1.0 150 300
②测量局扇的实时实际送风风量值Q风量；
③根据计算掘进工作面的实时瓦斯涌出量q的计算公式q=C巷道*Q风量计算实时瓦斯涌出量q。
2.根据权利要求1所述的一种小风速掘进工作面的瓦斯涌出量的计算方法，其特征在于：步骤②中，测量局扇的实时实际送风风量值Q风量的具体方法是，由于掘进工作面的通风为压入式通风，通过局扇提供动力，则通过风速传感器或风量传感器测量得到压入式通风风筒的实际送风风速值V风筒，并根据掘进巷道的通风设计资料获取或通过实际测量的方式得到当前进行风速监测的风筒断面积S风筒，则所测掘进工作面的局扇的实时实际送风风量值Q风量= V风筒*S风筒。
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