基于優(yōu)化高斯模型的井下空氣質(zhì)量分析

1、<p>　　基于優(yōu)化高斯模型的井下空氣質(zhì)量分析</p><p>　　[摘 要]為了研究井下工作面中污染物的來源、組成成分以及各污染物之間的相互作用，本文將把高斯擴(kuò)建模型引入到礦井空氣的評(píng)價(jià)工作中來，并針對(duì)井下工作環(huán)境的實(shí)際具體狀況，對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了優(yōu)化的高斯擴(kuò)建模型和多污染源空氣污染物擴(kuò)散模型，最后，基于已建立的優(yōu)化模型，運(yùn)用了MATLAB對(duì)一天中不同的時(shí)間段礦井空氣的污染物含量進(jìn)行模擬。結(jié)果表

2、明：優(yōu)化的高斯模型對(duì)井下空氣的評(píng)定在理論上具有一定的應(yīng)用價(jià)值，空氣污染物是多源的，而且不同時(shí)間井下空氣污染物的含量與分布也不同。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]井下空氣 污染物 高斯擴(kuò)建模型 多污染源 </p><p>　　中圖分類號(hào)：X820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）20-0296-02 </p><p>　　Using Impr

3、oved Gaussian Expansion Model to Analysis Mining </p><p>　　Yan Xi-rui </p><p>　?。∕echanical and electronic engineering institute，Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Ch

4、ina） </p><p>　　[Abstract]In order to study the source and composition of the interaction between them，which from the working face inside mine，the paper will bring the Gauss expansion model in to evaluate the

5、 air quality inside mine，and improve the model to establish the optimized Gauss expansion model and air pollutants dispersion with multiple pollution sources，which depend on the physical truth of the work environment ins

6、ide mine.Finally，based on the established optimized model，simulating the content of air </p><p>　　[Key words]mining air； pollutants； Gaussian expansion model； source </p><p><b>　　0 引言 <

7、/b></p><p>　　近年來，隨著我國煤礦開采的強(qiáng)度和力度不斷的增加，在井下工作過程中產(chǎn)生的大量的污染物，對(duì)環(huán)境和工作人員的健康造成了一定的影響，由于大量的空氣污染物，造成了人體健康損害、勞動(dòng)力下降從而嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此研究怎樣改善作業(yè)環(huán)境質(zhì)量，明確工作面中污染物的來源、成分以及對(duì)人體的危害具有重要的意義。 </p><p>　　在井下空氣空氣污染物的研究與評(píng)價(jià)工作

8、中，前人已經(jīng)做出了巨大的貢獻(xiàn)。王海橋等人研究分析了礦井風(fēng)流的年齡和礦井空氣的品質(zhì)[1]；褚召祥、姬建虎等人綜合的考慮了空氣溫度、濕度以及焓等參數(shù)，提出了以礦井空氣吸熱能力來衡量礦井工作熱環(huán)境[2]；劉偉強(qiáng)、周英烈等人基于物元模型，結(jié)合相應(yīng)權(quán)重得到關(guān)于井下空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，最終求出井下空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果[3]。以往的研究都具有重大的意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，引入高斯擴(kuò)建模型，將其運(yùn)用到了井下空氣的研究與評(píng)價(jià)當(dāng)中，并且針對(duì)該模型

9、以往研究的不足之處進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了井下空氣污染物普遍存在生產(chǎn)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀。最后，運(yùn)用MATLAB對(duì)礦井不同時(shí)間段的空氣污染物進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)。 </p><p>　　1 高斯擴(kuò)建模型的建立 </p><p>　　1.1 高斯擴(kuò)建模型的導(dǎo)出 </p><p>　　由正態(tài)分布假設(shè)可以導(dǎo)出下風(fēng)向任意一點(diǎn)X（x，y，z）處污染氣體濃度的函數(shù)為[4]

10、： </p><p>　　但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于頂?shù)装濉鷰r的存在污染物擴(kuò)散是有界的。故假設(shè)地面是一鏡面，對(duì)污染物氣體起全反射作用，并采用像源法進(jìn)行處理。 </p><p>　　任意一點(diǎn)p處的濃度為兩部分的貢獻(xiàn)之和：一部分為底板反射作用增強(qiáng)的污染物濃度；另一部分是自由空間內(nèi)的污染物濃度。該處的污染物濃度就相當(dāng)于不存在限制時(shí)由位于（0，0，H）的實(shí)源和位于（0，0，H）的像源在P點(diǎn)處所造

11、成的污染物濃度之和。 </p><p><b>　　實(shí)源的貢獻(xiàn)為： </b></p><p><b>　　像源的貢獻(xiàn)為： </b></p><p>　　故高架連續(xù)點(diǎn)源高斯煙云擴(kuò)散公式為兩部分之和得： </p><p>　　1.2 煙云抬升高度計(jì)算 </p><p>　　煙云抬

12、升高度的影響因素包含許多，主要有：污染源的初始速度和方向、井下環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)速隨高度的變化率、排放口直徑、溫度、初始溫度以及井下空氣的穩(wěn)定性。根據(jù)大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐，可得煙云抬升高度的近似計(jì)算公式為： </p><p>　　式中γ1、α1、γ2及α2稱為擴(kuò)散系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定系數(shù)，在相當(dāng)長的x距離內(nèi)為常數(shù)。 　　2 建立優(yōu)化的高斯擴(kuò)建模型 </p><p>　　將1中已建立的模型應(yīng)用到

13、實(shí)踐當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)高斯模型的峰值幾乎全部低于實(shí)測值，峰值濃度出現(xiàn)的距離較實(shí)測距離相差較遠(yuǎn)[5]。針對(duì)當(dāng)前普遍使用的煙雨擴(kuò)散模型的計(jì)算結(jié)果存在偏差的缺點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)已建立的高斯擴(kuò)建模型進(jìn)行優(yōu)化處理。 </p><p>　　筆者認(rèn)為造成這種誤差的原因除了模型本身的誤差外，還可能與抬升高度H和平均風(fēng)速u的計(jì)算方法存在誤差有關(guān)。此外，高斯擴(kuò)散模型中僅考慮了風(fēng)速對(duì)污染物濃度的影響，未能考慮到污染物在擴(kuò)散過程中污染物本身以及井下環(huán)境間

14、的相互作用，如高濕高熱的環(huán)境、掩體裂隙的吸附、污染物成分之間的化學(xué)反應(yīng)所造成的污染物濃度的變化。就上述誤差的原因，對(duì)現(xiàn)在的高斯擴(kuò)建模型進(jìn)行如下的優(yōu)化改進(jìn)： </p><p>　　由于抬升高度與污染物濃度成反比關(guān)系，可以設(shè) </p><p>　　結(jié)合上述公式可得抬升公式： </p><p>　　因此抬升的平均風(fēng)速為： </p><p>　　污染

15、物擴(kuò)散層的平均風(fēng)速為： </p><p>　　將式（4）帶入并積分得 </p><p>　　式中：T為風(fēng)速垂直變化參數(shù)。 </p><p>　　高濕高熱的環(huán)境、巖體裂隙的吸附、污染物成分之間的化學(xué)反應(yīng)等因素造成的污染物濃度的變化會(huì)造成源強(qiáng)Q發(fā)生變化。引入削減系數(shù)為λ，表示高熱高濕等因素對(duì)污染物濃度削減作用的大小，λ與各因素強(qiáng)度的關(guān)系是： </p>&l

16、t;p>　　式中：P，R，…，N為各因素的強(qiáng)度，a，b是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別為a=1.5，b=0.5由于各個(gè)因素導(dǎo)致的污染物濃度減小，所以對(duì)源強(qiáng)的修正為： </p><p>　　綜上，優(yōu)化后的高斯擴(kuò)建模型為： </p><p>　　3 多污染源空氣污染擴(kuò)散模型的建立 </p><p>　　井下生產(chǎn)中掘進(jìn)、鑿巖等環(huán)節(jié)生產(chǎn)大量粉塵，因此井下空氣污染物不是單一的。 <

17、;/p><p>　　據(jù)多污染源排放和井下環(huán)境特點(diǎn)，建立工作面多源排放空氣污染物的平流擴(kuò)散方程。 </p><p>　　空氣污染物的擴(kuò)散手井下風(fēng)的平流和湍流擴(kuò)散影響，建立直角坐標(biāo)系，取x軸與風(fēng)向相同，因此湍流擴(kuò)散可忽略，且風(fēng)速和污染物排放強(qiáng)度不隨時(shí)間變化，為定值。則從污染源排放氣態(tài)污染物的濃度分布遵從平流擴(kuò)散方程： </p><p><b>　　4 工程實(shí)例 &

18、lt;/b></p><p>　　當(dāng)風(fēng)速為km/s時(shí)建立上風(fēng)和下風(fēng)L公里處，污染物質(zhì)濃度的預(yù)測模型。據(jù)假設(shè)，風(fēng)速沿x軸正方向，恒為正；對(duì)上風(fēng)向L公里處的有害氣體濃度計(jì)算時(shí)，方向沿x軸負(fù)方向，為負(fù)；對(duì)上風(fēng)向L公里有害氣體濃度計(jì)算時(shí)，方向沿x軸正方向，為正。因此問題轉(zhuǎn)化為求（L，0，z）和（-L，0，z）兩處污染氣體濃度，則污染物質(zhì)濃度的預(yù)測模型為 </p><p>　　運(yùn)用MATLAB

19、程序?qū)⑾鄳?yīng)數(shù)據(jù)帶入，得某礦井在早8點(diǎn)、中午12點(diǎn)、晚9點(diǎn)空氣污染濃度分布圖（見圖1、2、3） </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　?。?） 本文考慮風(fēng)速對(duì)污染物濃度的影響和污染物擴(kuò)散過程中污染物本身與環(huán)境間的相互作用對(duì)抬升高度H和平均風(fēng)速u的影響，改進(jìn)了計(jì)算方法，將模型本身的參數(shù)與環(huán)境因素相結(jié)合，得出優(yōu)化的高斯擴(kuò)散模型 </p&g

20、t;<p>　?。?） 基于優(yōu)化后的高斯擴(kuò)散模型計(jì)算方式，對(duì)不同因素影響下井下空氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律給出更精確的計(jì)算模擬方法，優(yōu)化后的模型計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，提高空氣污染物的計(jì)算精確度。因此，對(duì)提高井下空氣污染的控制水平和改善井下工作環(huán)境具有一定的指導(dǎo)作用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 王海橋.礦井風(fēng)流年

21、齡與礦井空氣品質(zhì)分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，8（5）：24-27 </p><p>　　[2] 褚召祥，姬建虎，張習(xí)軍.礦井空氣吸熱能力分析與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（1）：70-73 </p><p>　　[3] 劉偉強(qiáng)，周英烈.基于物元模型的礦井空氣品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35，（3）：61-63 </p><p

22、>　　[4] 張斌才，趙軍.大氣污染擴(kuò)散的高斯煙雨模型及其GIS集成研究[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2008，20（5）：17-19 </p><p>　　[5] 孫志寬.高斯煙雨擴(kuò)散模型再研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，5：107-109 </p><p><b>　　作者簡歷： </b></p><p>　　閻汐睿（1997-