文摘

煤与瓦斯突出是一种现象,其特征是天然气和煤炭的弹射固体面对我。物理minioutburst实验是一个非常重要的工具,分析煤炭和天然气的爆发。然而,很少有报道集中在安全问题所产生的气体浓度或在物理实验中气体扩散的作用。在这项研究中,我们设计了一个简单的监控系统的安全人员在minioutburst实验。仿真的结果表明,四个危险的情况下,该系统基于传感器反馈回路可以监控气体含量的发展的时间和空间域增强准确的警告。系统还会自动选择适当的通风措施,降低瓦斯含量考虑不同程度的危险。

1。介绍

煤与瓦斯的突出被定义为的迅速释放大量的天然气与煤的弹射固体的脸。随着开采深度的增加和生产,强度和频率的爆发往往会增加。物理实验是一个非常重要的工具,分析煤炭和天然气的爆发。1953年,两名俄罗斯研究人员宣布第一个岩石和气体minioutburst在实验室条件下进行(1]。不久之后,其他研究人员开始类似的实验将煤炉和提高实验设置和程序(2- - - - - -7]。目前的研究工作属于同一条直线,遵循上面的方法8- - - - - -12]。在物理实验中,潜在危险气体浓度的员工必须强调。在准备实验,一般情况下气体泄漏的方法是安装气体传感器探头安装在实验室光纤甲烷气体传感器等监测气体浓度。当气体泄漏达到prethreshold时,报警系统被激活(13- - - - - -16]。但是一个简单的方法监测可能带来第一个挑战:(1)不连续的工作因为气体的泄漏:实验开始后,所使用的一般保护措施是保持员工远离实验设备,直到气体完全消失,甚至可能需要数天,可视为第二个挑战;,(2)低引起的实验效率缺乏一个强大的气体放电系统:更重要的是,minioutburst实验的结果总是报道的格式在瓦斯突出煤的数量和分布改变的条件下通过改变气体压力,煤电大小,和外载荷;第三个挑战(3),气体扩散的作用,很少被报道的结果缺乏气体监测系统收集气体浓度的趋势,这限制了miniexperiments的价值。为了解决上述挑战,在这项研究中,我们的目标是设计一个简单的监控系统来实现安全的员工,工作效率高,气体趋势的调查期间minioutburst实验(17]。系统不仅利用传感器来监测气体含量的进展时间和空间场景,但同时,对于不同程度的危险,自动选择适当的通风措施减少增加气体含量以提高工作效率(图1)。本文的其余部分组织如下。部分2介绍了minioutburst仿真程序项目中,有两个和天然气有关的问题。部分3强调了监测和控制系统的设计。该系统包括四个不同的危险水平的性能介绍和讨论部分4。结论和未来的研究方向是详细的节5。

2。煤炭和天然气Minioutbursts实验

煤炭和天然气的爆发与某些压力政权,气体压力,和样品的材料特性模拟煤与瓦斯突出模拟装置组成的快速释放组件,承载架,电动自控加载系统,逆转单元,主框架支架,和煤炭样本成型设备如图2和3(18]。原煤被、筛选和compression-molded生产标准化样本(加工)(图4 MPa的压力4(a))。海豹是安装模具和盖之间的起重和粘贴前模具密封板(图4(c))。然后煤炭样本充满了天然气增压在密闭盒(图4(b))。在那之前一个气密试验所需的注气实验气体的纯度99.99%。空气抽真空需要大约2小时前进行气体进入。天然气进入煤炭样本后,充分吸收气体(约48小时)是实验的关键一步。气体压力可以调节在气体吸收装置。在那之后,如图4(b),添加水平载荷首先在突出口径(P1)。的目的是防止变形煤样品在突出口径。然后垂直加载P2、P3和P4应用。最后,为了保持3 d压力稳定,另一个添加水平载荷P5面临的突出口径另一边(更多细节见19])。煤与瓦斯突出的实验观察到迅速打开口径。环境温度波动在18 - 20°C。整个过程如图5。如前所述,从注气到实验的开始,1需要克服的挑战。因此,设备周围的区域被定义为一个“不安全的区域。“实验开始后,不安全的区域扩大到整个实验室。此外,挑战3跟踪气体扩散的煤与瓦斯突出需要处理。

3所示。监测和控制系统的设计

3.1。控制原则

系统采用闭环控制原理迅速反馈,这意味着研究的主题有一个反馈回路的输出,通过检测器,并回到输入。这提高了控制系统的鲁棒性,减少偏见初始值比较后输出,如图6。图7显示了闭环控制系统的结构。传感器检测当前气体含量和物理信号变成电信号通过一个数据记录器。计算机计算初始气体浓度之间的差异作为输入,并得到的电信号数据记录器。则系统会判断和采取相应的措施(激活粉丝)。在任何时候,气体内容由传感器和监控数据记录器总介绍了最新的数据到一个周期。

3.2。传感器和阈值

两种甲烷传感器(' 1)使用非色散红外方法检测烃类气体的存在实施监控甲烷的空气环境,提供测量的分辨率为0.01%为0 - 10%甲烷体积。传感器包含一个红外辐射源,双重元素定义红外探测器,一个独特的光波导,气体扩散,和内部基于ARM7内核微处理器的电子产品提供一个电压输出的独立电源极性。传感器可以配置为提供pellistor格式输出,通常midsupply在零电压的输出增加对探测器销100 mV范围,或一个线性电压输出,通常0.4 - -2.0 V /范围对消极供应销。此外,输出可以阅读和内部配置可以通过串行通信链路访问。' 1是温度补偿为零和跨度校准气体浓度水平,即从−20 + 50°C。是<±3%的精度范围高达50%的范围。一个全金属与孤立的住房建设是用于电气绝缘的实现。一个不安全的区域会出现在模拟设备如图8。传感器1是安装在的边缘地带。占呼吸器官的高度,在离地面1.7米的位置。工作人员可以接触到甲烷气体在进入实验室的控制室。因此,传感器2是在门口控制室和实验室之间的高度1.7米。气体浓度的值小于0.025%很少伤害人体。所以,在这个级别,没有措施出现。如果周围的气体浓度在1%和0.025之间模拟装置,它会导致氧气的减少,这将影响员工身心2(1)危险。危险是定义为一个气体浓度水平的1%基于中国政府标准20.]。危险3在实验期间,传感器2是更可靠的主要监测设备。0.025%的阈值不同于0.025%的水平在1传感器的危险。4如果出现危险气体值高于1%根据传感器2(对应于近4%在传感器1-explosion限制),被认为是一个危险的紧急情况。度危险和相应的措施如表所示1。

3.3。通风系统

瓦斯抽放是主要的工具,用来减少煤的瓦斯含量低于预定阈值限制(21]。一般来说,作为反应气体排放问题,甲烷排水系统包括一个表面吸入气体的植物和管网状表面(22]。然而,它是不切实际的物理实验之前,地球表面排水气体气体爆发。因此,煤和天然气爆发后瓦斯抽放是一个可行的路径减少气体含量。在我们的例子中,通风系统由两个粉丝。粉丝的力量估计如下: 在哪里由传感器监测区域1传感器的监测区域2,,,是在危险的天然气量1、危险2,分别为3和危险。在1和2危险,危险的工作时间和通风系统的20年代,整个房间的通风系统有效降低危险3在30年代()。然而,气体排出球迷不是纯甲烷气体。因此,我们引入一个通风系数补偿不完整的气体蒸腾。考虑到气体的扩散,,,。这些值大致估计气体体积随着时间在瓦斯突出实验。例如,意味着在那一刻气体的体积占据了整个房间的25%。在危险中1、2,危险和危险3通风水平,,,分别。球迷的能效值。前面的计算表明,风机1(评级20 W和30 W)和风扇2(评级30 W)可以包括通风系统。我们安装风扇1在窗前面对仿真设备为了驱逐周围的气体模拟装置。风扇2,主要的方法在实验室气体,是位于控制室和实验室之间的门。在通风系统开关风扇1 20 W评级;在通风2,风机1打开在30 W评级;在危险中3,两个风扇1(评级20 W)和风扇2(评级30 W)是打开的。

3.4。设计的软件

由vc++软件显示实时数据和动态曲线,其界面分为两个部分(图9)。上部是由三部分组成:左边显示了实时气体浓度价值;在中间,检测到危险水平(绿色,红色意味着低到高);在正确的部分可以设置一个阈值。一般来说,有一个默认的阈值也可以手工设置。下方显示气体浓度传感器的时间价值曲线1和传感器2。

4所示。结果与讨论

为了测试这个监控系统,煤和天然气爆发头号危险危险(3)施加荷载为2.4 Mpa,含水量4%,气体压力增量(0.5、1和1.5 Mpa)应用。4是一个危险的条件施加荷载为3.6 Mpa,含水量0%,气体压力为1.5 Mpa。实验的目的是调查的性能监测和控制系统的四种情况下煤与瓦斯突出强度增加。危害1 - 4表明,相对突出强度(突出煤占整个煤炭质量)是0,19.11,26.11和38.7%,分别。

4.1。比较的情况下,没有被危险的系统1 - 4

相应的性能监测和控制系统的数据所示10 ()- - - - - -10 (d)。

图10 ()、危险1:没有爆发意味着天然气排放,没有被推,有助于在实验室气体含量。设备显示周围的气体浓度急剧增加的内容。从= 0 - 4秒,通风1被激活。一旦价值超过1%在传感器1(约4秒),通风2被激活。在对3秒,通风也激活传感器2。可以看出,气体含量恢复到正常状态秒。相比之下,没有通风措施,曲线(传感器1)仍处于高水平超过20秒,需要17秒减少传感器2中的气体含量监测区域。图10 (b)、危险2:较低的煤与瓦斯突出强度导致不安全的区域周围的气体含量比1危险更迅速。在第一第二,超过0.025%的阈值。为了控制气体含量水平,通风1被激活。大约在4日第二,通风2是激活阈值的1%。传感器2表明,气体含量在1%和0.025之间后3秒。一旦开启通风3,气体浓度曲线在13秒似乎变得更加平坦。相反,没有球迷的帮助下传感器1的蓝色曲线达到极限(4%)9秒左右。传感器2(0.5%)也在高层次上的7秒。在数据10 (c)和10 (d),增加的爆发不仅提高了瓦斯含量也将气体浓度推离爆发口径。图10 (c)、危险3:高强度煤与瓦斯突出推动集中气体接近传感器的监测意义2。因此,模拟设备似乎周围的气体含量低于下危险2。大约12秒后,曲线的第二个高峰,因为气体扩散。在第一阶段(1 - 11秒),只有通风1适用于0.025%的门槛。同时,通风3也激活。因此,发现周围的气体含量传感器2逐渐控制。然而,12秒后气体的扩散不仅不安全的区域,还从传感器的面积2提高了瓦斯含量在不安全的区域。通风通风2和3为瓦斯抽放工作。如果没有安装通风措施,员工可以避免第一气体含量浓度但忽略气体含量的第二高峰,这是一个巨大的潜在风险。图10 (d)、危险4:高气体压力和气体吸附引起的低含水量导致煤与瓦斯突出强度最高的在我们的案例中。模拟设备周围的气体含量突然增加超过0.025%,激活通风1。然而,气体含量跳跃在3秒,超过1%,因此通风2已被激活。8秒内,气体含量迅速控制。相比之下,通风3也在第三届第二次但不停止工作,直到18秒。12秒后,气体的扩散诱发瓦斯含量的另一个高峰。所以通风2再次被激活。考虑到没有排水设备,气体含量的峰值明显提高并保持在2%甚至在20秒。特别是,12秒后,气体会导致气体的传播内容(传感器1)约为5%,大于4%(爆炸限制)和绝对是危险的。为了调查实验的错误或偏差以及监测和控制系统,两组复制实验在相同的条件下进行。 Part of the results, for example, is the relative error of the two groups of experiments for Danger 1 shown in Figure11和两组之间的相关性实验危险1所示图12。此外,所有的结果总结在表复制实验2。

4.2。相对突出强度和气体含量之间的关系在时间域

在不同程度的危险气体扩散趋势调查3 d从Matlab拟合如图11。沉重的爆发强度意味着更多的煤与瓦斯突出驱逐远离设备(8- - - - - -10]。换句话说,中心的气体将推动进一步的设备。图(13日)演示当周围的气体中心爆发后爆发口径或接近监视点S1(推开煤炭和天然气动力不足;这里强度< 25%),较强的爆发引发更高的气体浓度峰值强度(= 6 - 12 s);一旦气体中心远离监测3 - 4点像危险气体浓度不高的开始(足够的力量推动煤炭和天然气;这里的强度> 25%)。随着时间的流逝,篮板的气体再次提高了瓦斯含量在S1(它的峰值= 14 - 18岁)。在图13 (b),因为气体中心总是S2的范围内,气体的内容突出强度的增加而增加。和气体含量的峰值出现在早些时候挑夫强度(=比低强度(3 - 7)= 7 - 12岁)。因此,可以认为气体浓度在某个点是突出强度的影响和这些点的位置。位置不应该被忽视的关键因素。

4.3。比较真实的场景和数值模型

一般的方法是安装气体传感器探头安装在实验室不考虑气体分布的跟踪,但只给一个警告,当气体含量超过阈值。因此,没有其他比较结果从现有系统在文献中。为了确定空气流和力量,流利的软件数值模拟的气体爆发被用来证明浓度分布和速度分布(1)危险23]。几何模型使用策略构建软件。网格单元的类型是春节/动力和空间四面体网格的类型T网格,生成142209网格元素。非耦合隔离解决方案方法用于解决方案。从图(14日)中心的实验室气体浓度接近3.5%,迁移的方向是朝着左上方(= 3 s)。气体浓度在左边的区域变得更低,而在S2集中区域的面积(0.25%)出现在图14 (b)(= 30年代)。通过比较数据12和10 ()高峰,在真正的场景是6秒,当它有一个2.5%的价值,然后会随着时间流逝S1。S2是0.25%的天然气价值30秒而监测数据的峰值0.2%至15秒。普遍认同的趋势。

4.4。评估我们的系统和传统的系统

选择最优的缓解策略是基于评价经济效益的备选方案,即成本效益分析(CBA) [24- - - - - -26]。定性(非货币)标准环境和社会影响等不包括在CBA (27]。CBA的原则就是比较的收益和成本,选择在一段时间内。选择比较与参考选项(现状或“不闻不问”的选项)和未来所有的好处Bi和成本Ci打折,转换为现值。公共投资的贴现率是c。2 - 4%(3%在我们的研究中)(28,29日]。A和B两种策略的比较如下表3:(一)安装传统的预警系统和疏散,(B)我们的监控系统的建设。

5年时间范围(使用寿命:5年),利率是3%。

讲话

初始成本。考虑以下:(一)硬件(传感器、计算机和数据收集器);人力成本;(B)硬件(传感器、计算机、数据收集器和粉丝);人力成本;(C)什么都没有。

每年成本。考虑以下:(一)24重复实验(材料成本、能量变化和人工工资);(B)24重复实验(材料成本,更多的能量变化(风扇操作),和人工工资);(C)24重复实验(材料成本,更少的能量变化(监控系统);和人类的工资)。

每年预期损失。考虑以下:(一)六个重复的强度爆发(失败的概率50%)意义1或4%的天然气超过警告阈值和人们疏散;实验的损失等于成本;(B)六个重复的强度爆发(没有失败)因为我们的排水系统;(C)假设这些沉重的爆发强度实验诱导一个员工受伤事件(损失包括实验的成本加上医疗费用)。

此外,没有考虑成本的人类死亡,模拟设备维护费用、不可避免的事件,和机会成本。

总收益净现值。考虑以下:

总成本的净现值。考虑以下:

收益成本比率。考虑以下:

总净现值。考虑以下:

从上面的分析,我们知道最好根据这些标准和措施都比游手好闲的选项。

4.5。我们的系统在其他实验室的申请手续

为了繁殖策略的研究在其他实验室,应该强调设计这个系统的一般程序如下:(1)识别所有可能的场景(危险);(2)确定暴露了人们在各种场景和对象;(3)识别和评估环境,例如,房间大小;(4)建立一组可能的策略,例如,风扇排水(监控系统);(5)确定成本的策略(在一生时间);(6)评估预期赔偿所有场景和策略;(7)确定所有策略的收益成本比的评价策略。

5。结论

在本文中,我们开发了一个简单的气体监测和控制系统来减少对煤与瓦斯突出危险程度在实验室实验。系统不仅利用连续循环监测和传感器融合增强准确预警的同时,考虑不同程度的危险,自动选择适当的通风措施,减少气体含量增加。本研究介绍了组件,设计原则,系统的工作过程和通风效果。我们相信系统不仅可以发挥重要作用的安全人员也研究气体扩散在minioutburst实验。诚然,应该注意的是,这项研究可以简化一些条件;例如,甲烷浓度的值可能会影响到空气进入测试房间的入侵。同时,不同温度和空气压力导致多元化的气体浓度速度,影响系统的可靠性。尽管初步的性格,这项研究清楚地表明,开发这种监视和控制系统有巨大的潜在的安全minioutburst实验。在未来,温度传感器和气体流量传感器将被添加到更准确的监测和控制系统工作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

的开放基金支持的研究是煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室(重庆大学)(2011 da105287-kf201312)和部分支持的一般项目国家自然科学基金(批准号51304255)。