郝昱宇，李树刚

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

煤与瓦斯灾害预防是煤矿安全生产的重要研究内容之一，物理相似模拟实验具有可靠性高、重复性好等特点，成为该类问题研究的主要方法之一，而实验开展的相似性与数据采集的准确性成为了该实验开展的主要研究内容之一。实验过程中，为保证实验的有效性与相似性，需要在箱体内部埋设大量传感器获取实验过程中各项数据。与此同时，传感器布置的数量与位置参数对实验数据的有效性造成了极大影响。针对该问题，有学者提出了基于蒙特卡罗模拟（MCS）和降维积分法（DRI）的2种正交匹配追踪（OMP）方法，通过考虑被测响应的不确定性来确定识别过程中传感器的最优位置[1]；部分学者提出了一种基于统计测试的方法优化传感器布置方案，该方案利用详细建筑模型评估所需传感器的数量/位置，对其结果进行分析，最终获得最佳方案[2]；部分学者通过卡尔曼滤波算法，建立传感器配置（OSP）策略，从系统可观性的角度寻找传感器的最优布置方案[3]；部分学者采用遗传算法优化传感器布置方案，提高其数据采集性能[4]；部分学者利用衰减因子引力搜索算法（DGSA）根据初始传感器布局动态调整的传感器优化方法，通过有效模态质量参与比，获得传感器最优放置方案[5]；也有学者采用双变量高斯核分析方法，解决外在环境的不确定性问题，对气源面积进行估计[6]。综上所述，大量学者针对传感器布置优化问题，通过事件发生的概率分布计算各个位置测量权重，最终获得各个测量区域内传感器最优布置位置参数；但本次物理相似模拟实验过程中，瓦斯主要由采空区底板涌出通过裂隙向上运动，由于裂隙产生具有一定的随机性，传统的概率方案难以应对本实验的测试环境。

为此，根据煤炭生产开采参数，建立瓦斯运移数值模型，提取不同开采条件下，各个时间点瓦斯富集及压应力分布图谱，以此分析煤矿开采过程中数据关键监测点信息。与此同时，根据传感器优化方案，设计分时段、选择性数据采集方法，高效、同步获取各个传感器采样数据。测量结果与微震监测数据比对结果表明，该方法有效获取了瓦斯富集及覆岩应力演化趋势。

1 传感器布置优化方案

煤炭开采过程中，伴随着工作面不断推进。瓦斯从余煤中涌出，沿裂隙向上进行升浮-扩散运动。针对本次实验开采条件参数，通过简化边界条件，建立瓦斯运移及压应力演化数值模型。并以此获取物理相似模拟实验的瓦斯及压应力分布图谱。以此对煤矿开采过程中，瓦斯运移及压应力演化关键监测点位置信息进行分析，建立传感器最佳布置方案。在此基础上，研发多通道，分区域同步数据采集系统，实现分时段，区域同步数据采集方法。待采集数据汇总后通过分段3次Hermite插值算法处理，获得各个条件下瓦斯及压应力分布曲线，最终利用微震监测测量数据对该结果进行验证。

1.1 瓦斯体积分数及压应力模型

利用FLAC3D三维显式有限差分仿真软件建立物理相似模拟矿井数值模型，定义模型满足Mohr-Coulomb破坏准则，并设定相似模拟实验中各岩层物理力学特性参数及边界条件。工作面位于模型中心位置，四周各留50 m煤柱。共建立岩层20层，各岩层之间建立接触面作为层理，划分块体150 000个。

在此基础上，通过ANSYS FLUENT软件建立瓦斯运移数值模拟模型。通过简化物理相似实验结构，假设实验中气体为不可压缩状态，其主要来源由各个遗留煤层中涌出，物理相似模拟实验内部各个区域材料渗透率不随时间变化[7-8]。最终利用湍流流动方程、连续性方程、动量守恒方程和组分质量守恒方程对瓦斯运移规律建立数学模型，设定边界条件，进而实现对各个开采、通风条件下的瓦斯体积分数分布数值模拟[9]。

1.2 瓦斯体积分数分布数值模拟

通过数值模拟获取开采至200 m处不同通风方式下的采空区瓦斯体积分数分布区域,U型通风方式瓦斯体积分数分布数值模拟如图1，U+L型通风瓦斯体积分数分布数值模拟如图2，高抽巷U+L型通风瓦斯体积分数分布数值模拟如图3。

图1 U型通风方式瓦斯体积分数分布数值模拟Fig.1 Numerical simulation of gas concentration distribution in U-shaped ventilation mode

图2 U+L型通风瓦斯体积分数分布数值模拟Fig.2 Numerical simulation of U+L type ventilation gas concentration distribution

从图1～图3可观测出，当开采至200 m处，瓦斯体积分数分布具有以下特征：①进风巷下隅角至其采空区对角瓦斯体积分数递增；②竖直方向采空区瓦斯体积分数由下至上逐步增加，不同通风方式下可观测出高抽巷的添加极大地改变了瓦斯体积分数数值，降低了采空区瓦斯富集量。但不同通风方式下，其瓦斯体积分数分布特征相似。结合矿井瓦斯来源主要由煤层采落、各区域煤壁放散组成，通过模拟可推测瓦斯富集区域集中于采空区深度方向，并最终汇聚于垮落顶部。

图3 高抽巷U+L型通风瓦斯体积分数分布数值模拟Fig.3 Numerical simulation of gas concentration distribution in combination with U+L type ventilation

由此可见瓦斯富集区域主要集中在采空区顶部中央区域，不同通风方式对其区域位置影响微弱，主要随工作面推进而发生改变，为此通过数值模拟数据建立不同工作面推进距离下的瓦斯体积分数动态监测区域，生成瓦斯体积分数分布图。通过该方案减少传感器监测点位数量，提高系统采集效率。

1.3 压应力数值模拟

数值计算模型选用FLAC3D三维显式有限差分仿真计算软件，根据物理相似模拟实验岩层结构参数建立三维数值计算模型[10]。制定煤炭开采各项参数，以此对开采过程中顶板压应力分布进行模拟，不同时刻压应力分布如图4。

从图4可知，开采进行后引发覆岩应力分布发生改变，形成原岩应力区、应力集中区、采动卸压区。由图4中可观测出采动卸压区内部压应力分布趋势平缓，主要差异集中在工作面及采空区周边范围。为此，通过采集工作面及采空区周边传感器数值即可获得不同时刻下箱体内部压应力变化趋势，建立分时段，选择性数据采集方法；根据不同时刻下模拟开采进度规划当前传感器有效位置参数，通过减少采动卸压区传感器监测点位，提高系统采集效率与稳定性。

图4 不同时刻压应力分布Fig.4 Compressive stress distribution at different moments

2 物理相似模拟实验系统

物理相似模拟实验系统集应力与气体采集、自动开采系统、通风、瓦斯放散、瓦斯抽采5大模拟系统组成，可开展煤炭开采过程中覆岩裂隙演化、瓦斯运移规律、瓦斯抽采等问题的一体化同步研究[11-12]。实验系统内共连接气体传感器72个，压应力传感器100个，瓦斯抽采、通风系统相关传感器30余个，合计200余个传感器。通过优化传感器内部结构，增加数字与软件滤波模块，可实现箱体内部瓦斯、压应力分布一体化、同步数据采集。

根据物理相似模拟实验内部传感器特性，采用多个采集板卡并联的方式进行数据采集。通过分布式布局，实时获取同一时刻下各个板卡采样数据。根据物理相似模拟实验要求，本系统共使用30余块多路同步采集板卡，分别获得各个监测点采样数据。

为保证采集数据的同步性，本系统采用广播与分布式相结合的通讯模式，分别负责采集板卡的时钟校准与数据交互功能。时钟校准模块采用广播通讯模式定时由上位机向采集板卡下发标准时间信息，采集板卡接收后对其内部时钟芯片进行校准。数据交互模块采用分布式通讯结构，该结构按照设定采样频率下发当前采集数据时间点、位置等信息，采集板卡通过检索自身数据库数据，提取相应数据并加载至数据流中并向下传递，最终将数据返回上位机。在此基础上，按照传感器监测点位置参数对其进行区域划分，提高通讯过程中数据检索效率。

3 物理相似模拟实验

实验选取山西某矿工作面为原型，根据物理相似模拟原则，按照煤矿工作面走向布置。根据其地质状态，布置其内部材料分层特性。与此同时，根据其煤层倾角等参数，按照1∶100的相似比例设定其物理相似模拟方案。采用一次采全高采煤法，顶板采用全部垮落法管理。

3.1 瓦斯体积分数传感器区域划分

瓦斯在覆岩采动裂隙中运移主要表现为瓦斯气体的升浮-扩散、渗流过程。根据瓦斯气体运移特性其主要以走向及高度方向上运动，根据开采进度下瓦斯富集区域数值模拟结果，本次实验采用4层布置，分别应对不同开采进度下瓦斯富集区域。第1层传感器位于顶板上方，待工作面推进后，顶板垮落其内部传感器掉落，可对工作面瓦斯体积分数分布数据进行采集。瓦斯体积分数传感器区域划分如图5。

图5 瓦斯体积分数传感器区域划分Fig.5 Gas concentration sensor area division

3.2 压应力传感器区域划分

压应力传感器布置于底板上方，按照3横3纵布置方式，分别采集开采顶板压应力沿倾向与走向方向变化趋势。根据开采应力集中区、原岩应力区分布位置参数，分别于开采底板四周布置压应力传感器，获取各个时刻下开采区及采空区周边覆岩应力变化情况。根据开采推进速度，将传感器划分为压应力稳定区、变化区2大区域。压力传感器区域划分如图6。

图6 压力传感器区域划分Fig.6 Pressure sensor area division

变化区域1即为原岩应力区，伴随着煤炭开采其内部应力分布发生改变，属于固定采集区域。变化区域2～变化区域4列伴随开采进度的推进，逐步开始随工作面推进而发生应力变化。变化区域5为开采完成后的原岩应力区，当开采完成后该区域发生改变。稳定区为工作面及采空区，伴随着开采的推进，稳定区1～稳定区9列逐步依次成为应力集中区，采空区部分逐步形成稳定区域，工作面前部形成原岩应力区。根据数值模拟数据，变化区域1与参照轴为固定数据采集区域，变化区域2～变化区域5伴随工作面推进逐步开始采集。稳定区1～稳定区9列跟随工作面推进向前顺延50 m，向后20 m为数据采集区域。通过该方法实现压应力数据采集的选择性动态采集，降低了采集数量，提高了系统采集效率。

4 实验结果数据分析

4.1 不同风量对瓦斯运移影响

工作面推进至200 m，待模型充分垮落裂隙发育稳定后，按照工作面瓦斯涌出量对模型内部注入相似气体并启动通风系统。根据实际开采情况，将本次物理相似模拟实验通风量依次设定为2 000、2 500、3 000 m3/min。实验过程中，通风时间等待各个瓦斯体积分数监测点位稳定不变时结束。收集数据，停止注入相似气体，并加大通风量促使箱体内部气体排出。待系统恢复后，改变通风参数开展第2次试验。根据传感器布置方案，采集倾向方向工作面处与距离工作面76 m处瓦斯体积分数变化数据，通过观察发现，不同距离下其瓦斯变化趋势基本一致，距离工作面越近其受通风参数影响越大。不同风量对瓦斯体积分数分布影响如图7。

图7 不同风量对瓦斯体积分数分布影响Fig.7 The influence of different air volumes on gas concentration distribution

由图7可知，工作面内随着风量的增加，气体排出量逐步增多，该时刻下相似气体体积分数沿倾向方向递减；距离工作面76 m位置，随着风量增加，相似气体体积分数也呈现梯度递减；随着与工作面距离增加，由于风量的增大，使得更多风量通过覆岩裂隙涌入采空区后方区域。进而带走深部区域相似气体，降低采空区瓦斯体积分数。

推进至60 m处距离底板不同高度瓦斯体积分数分布如图8。由图8可看出，该时刻下距离底板25 m处瓦斯体积分数达到最大值，40 m处瓦斯体积分数为0。由此推测出，该时刻下瓦斯富集区域为25 m处附近。

图8 推进至60 m处距离底板不同高度瓦斯体积分数分布Fig.8 Gas concentration distribution at different heights from the bottom plate at 60 m

4.2 沿煤层走向垂直应力分布

推进0～30 m时垂直应力如图9，推进94～120 m时垂直应力如图10，推进154～180 m时垂直应力如图11，推进180～200 m时垂直应力如图12。

图9 推进0～30 m时垂直应力Fig.9 Vertical stress advancing at 0 m to 30 m

图10 推进94～120 m时垂直应力Fig.10 Vertical stress advancing at 94 m to 120 m

图11 推进154～180 m时垂直应力Fig.11 Vertical stress advancing at 154 m to 180 m

图12 推进180～200 m时垂直应力Fig.12 Vertical stress advancing at 180 m to 200 m

由图9~图12中数据可得工作面推进至不同位置处的来压步距，当工作面推进至99 m处，来压步距为18 m，主要表现为工作面后方传感器先波动，然后稳定升高。通过该方法，以此推断出159 m处与180 m处，来压步距分别为21 m与19 m。

随着工作面推进，支承压力是动态变化的，受采动影响煤壁前方形成了随工作面推进而不断前移的支承压力，其影响范围可分为3个区域，即：①未受采动影响区：工作面前70 m以远，此区受采动影响较小；②采动影响区：位于工作面前20~70 m范围，该区支承压力趋于下降，底板传感器在来压时波动明显；③采动影响剧烈区：位于工作面至工作面前20 m范围，在工作面前0~5 m形成1个应力降低区，应力峰值在工作面前大约8～11 m处不断前移，此区受采动影响剧烈，随工作面推进，底板应力传感器波动剧烈，且波动时间长。

4.3 微震监测数据

工作面推进64 m处微震事件分布如图13，工作面推进200 m处微震事件分布如图14。

图13 工作面推进64 m处微震事件分布Fig.13 Distribution of microseismic events at 64 m of the working face

图14 工作面推进200 m处微震事件分布Fig.14 Distribution of microseismic events at 200 m of the working face

本次物理相似模拟实验为了对各个传感器数据进行印证，在其内部布置了微震监测传感器，通过该传感器获取各个时间点下实验箱体内部微震频率、能力变化参数。以此对箱体内部相似材料裂隙演化、垮落等现象进行推测，通过观测微震集中点位置对开采完成后应力集中位置进行推测，以此对压应力采集数据进行印证[13-14]。将裂隙演化通道与瓦斯体积分数变化趋势进行对比，以此对箱体内部瓦斯运移趋势进行推测，最终获得开采完成后瓦斯运移趋势及压应力变化趋势。

当工作面推进至200 m时事件集中分布高度在65 m左右，最大分布高度在113 m左右，采空区四周煤岩分布较多微震事件。由此推断出采空区中间部位已经发生完全垮落，其中心区域已经完全压实，四周及底部形成裂隙分布区域。瓦斯可借此通道进行运移，将其与不同通风方式下各个点位瓦斯体积分数分布图进行对比，可发现其裂隙分布与瓦斯体积分数分布区域相吻合。其压应力集中于相似材料底板中央部位，四周压应力变化平缓，其结果与压应力采集数据相吻合。当工作面推进至64 m处时，微针事件在高度方向上集中于25 m处，由此可得出该处为瓦斯煤层垮落带顶部，并形成瓦斯富集区域，该结果与气体测量数据相吻合。

5 结 语

1）通过数值模拟数据分析，对实验过程中气体运移与压应力演化趋势进行分析，获取了瓦斯及压应力关键监测点信息。对传感器布置区域进行优化，提出了一种基于走向与高度方向的传感器布置方法，极大的简化了传感器布置需求，建立了分时刻、选择性数据采集方法，提高了系统采集效率。

2）通过分布式时钟的应用，实现了多板卡并联下的采样数据同步交互。获得了相同时间点下的各个板卡采样数据，经过实际测试验证，该数据真实有效，完整的反应了系统工作状态与实验过程。并对系统中200余路监测点位数据进行采集，准确获得了不同状态下的瓦斯及压应力分布情况。

3）通过实验的进行，获得了2 000、2 500、3 000 m3/min不同通风风量下工作面与采空区深度方向瓦斯分布情况，得出开采至60 m处瓦斯富集区域，其结果与微震监测结果相一致；获得了不同时刻下压应力分布情况，得出采场应力未受采动影响区、采动影响区、采动影响剧烈区分布规律。