1、基于优化高斯模型的井下空气质量分析摘 要为了研究井下工作面中污染物的来源、组成成分以及各污染物之间的相互作用，本文将把高斯扩建模型引入到矿井空气的评价工作中来，并针对井下工作环境的实际具体状况，对该模型进行改进，建立了优化的高斯扩建模型和多污染源空气污染物扩散模型，最后，基于已建立的优化模型，运用了 MATLAB 对一天中不同的时间段矿井空气的污染物含量进行模拟。结果表明：优化的高斯模型对井下空气的评定在理论上具有一定的应用价值，空气污染物是多源的，而且不同时间井下空气污染物的含量与分布也不同。 关键词井下空气 污染物 高斯扩建模型 多污染源 中图分类号：X820 文献标识码：A 文章编号：1
2、009-914X（2016）20-0296-02 Using Improved Gaussian Expansion Model to Analysis Mining Yan Xi-rui （Mechanical and electronic engineering institute，Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China） AbstractIn order to study the source and composition of the interaction between them，w
3、hich from the working face inside mine，the paper will bring the Gauss expansion model in to evaluate the 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
4、the work environment inside mine.Finally，based on the established optimized model，simulating the content of air pollutants inside mine during different periods in a day by using MATLAB.As the result suggested，optimized Gauss expansion model do have some application value to evaluate the air quality
5、inside mine in theory.Air pollutants are multi-sources，and during different periods，the content and distribution of air pollutants can be different as well Key wordsmining air； pollutants； Gaussian expansion model； source 0 引言 近年来，随着我国煤矿开采的强度和力度不断的增加，在井下工作过程中产生的大量的污染物，对环境和工作人员的健康造成了一定的影响，由于大量的空气污染物，
6、造成了人体健康损害、劳动力下降从而严重制约了国民经济的发展。因此研究怎样改善作业环境质量，明确工作面中污染物的来源、成分以及对人体的危害具有重要的意义。 在井下空气空气污染物的研究与评价工作中，前人已经做出了巨大的贡献。王海桥等人研究分析了矿井风流的年龄和矿井空气的品质1；褚召祥、姬建虎等人综合的考虑了空气温度、湿度以及焓等参数，提出了以矿井空气吸热能力来衡量矿井工作热环境2；刘伟强、周英烈等人基于物元模型，结合相应权重得到关于井下空气品质标准等级的关联度，最终求出井下空气质量的评价结果3。以往的研究都具有重大的意义。本文在前人研究的基础上，引入高斯扩建模型，将其运用到了井下空气的研究与评价当
7、中，并且针对该模型以往研究的不足之处进行优化，在此基础上，综合考虑了井下空气污染物普遍存在生产过程中的每一个环节的现状。最后，运用 MATLAB 对矿井不同时间段的空气污染物进行了模拟评价。 1 高斯扩建模型的建立 1.1 高斯扩建模型的导出 由正态分布假设可以导出下风向任意一点 X（x，y，z）处污染气体浓度的函数为4： 但是在实际生产过程中，由于顶底板、围岩的存在污染物扩散是有界的。故假设地面是一镜面，对污染物气体起全反射作用，并采用像源法进行处理。 任意一点 p 处的浓度为两部分的贡献之和：一部分为底板反射作用增强的污染物浓度；另一部分是自由空间内的污染物浓度。该处的污染物浓度就相当于不
8、存在限制时由位于（0，0，H）的实源和位于（0，0，H）的像源在 P 点处所造成的污染物浓度之和。 实源的贡献为： 像源的贡献为： 故高架连续点源高斯烟云扩散公式为两部分之和得： 1.2 烟云抬升高度计算 烟云抬升高度的影响因素包含许多，主要有：污染源的初始速度和方向、井下环境风速及风速随高度的变化率、排放口直径、温度、初始温度以及井下空气的稳定性。根据大量的现场实验和工程实践，可得烟云抬升高度的近似计算公式为： 式中 1、1、2 及 2 称为扩散系数，由实验确定系数，在相当长的 x 距离内为常数。 2 建立优化的高斯扩建模型 将 1 中已建立的模型应用到实践当中，发现高斯模型的峰值几乎全部低
9、于实测值，峰值浓度出现的距离较实测距离相差较远5。针对当前普遍使用的烟雨扩散模型的计算结果存在偏差的缺点，现对已建立的高斯扩建模型进行优化处理。 笔者认为造成这种误差的原因除了模型本身的误差外，还可能与抬升高度 H 和平均风速 u 的计算方法存在误差有关。此外，高斯扩散模型中仅考虑了风速对污染物浓度的影响，未能考虑到污染物在扩散过程中污染物本身以及井下环境间的相互作用，如高湿高热的环境、掩体裂隙的吸附、污染物成分之间的化学反应所造成的污染物浓度的变化。就上述误差的原因，对现在的高斯扩建模型进行如下的优化改进： 由于抬升高度与污染物浓度成反比关系，可以设 结合上述公式可得抬升公式： 因此抬升的平
10、均风速为： 污染物扩散层的平均风速为： 将式（4）带入并积分得 式中：T 为风速垂直变化参数。 高湿高热的环境、岩体裂隙的吸附、污染物成分之间的化学反应等因素造成的污染物浓度的变化会造成源强 Q 发生变化。引入削减系数为，表示高热高湿等因素对污染物浓度削减作用的大小， 与各因素强度的关系是： 式中：P，R，N 为各因素的强度，a，b 是经验系数，分别为a=1.5，b=0.5 由于各个因素导致的污染物浓度减小，所以对源强的修正为： 综上，优化后的高斯扩建模型为： 3 多污染源空气污染扩散模型的建立 井下生产中掘进、凿岩等环节生产大量粉尘，因此井下空气污染物不是单一的。 据多污染源排放和井下环境特
11、点，建立工作面多源排放空气污染物的平流扩散方程。 空气污染物的扩散手井下风的平流和湍流扩散影响，建立直角坐标系，取 x 轴与风向相同，因此湍流扩散可忽略，且风速和污染物排放强度不随时间变化，为定值。则从污染源排放气态污染物的浓度分布遵从平流扩散方程： 4 工程实例 当风速为 km/s 时建立上风和下风 L 公里处，污染物质浓度的预测模型。据假设，风速沿 x 轴正方向，恒为正；对上风向 L 公里处的有害气体浓度计算时，方向沿 x 轴负方向，为负；对上风向 L 公里有害气体浓度计算时，方向沿 x 轴正方向，为正。因此问题转化为求（L，0，z）和（-L，0，z）两处污染气体浓度，则污染物质浓度的预测
12、模型为 运用 MATLAB 程序将相应数据带入，得某矿井在早 8 点、中午 12 点、晚 9 点空气污染浓度分布图（见图 1、2、3） 5 结论 （1） 本文考虑风速对污染物浓度的影响和污染物扩散过程中污染物本身与环境间的相互作用对抬升高度 H 和平均风速 u 的影响，改进了计算方法，将模型本身的参数与环境因素相结合，得出优化的高斯扩散模型 （2） 基于优化后的高斯扩散模型计算方式，对不同因素影响下井下空气污染物的扩散规律给出更精确的计算模拟方法，优化后的模型计算结果更接近实际，提高空气污染物的计算精确度。因此，对提高井下空气污染的控制水平和改善井下工作环境具有一定的指导作用。 参考文献： 1
13、 王海桥.矿井风流年龄与矿井空气品质分析J.中国安全科学学报，1998，8（5）：24-27 2 褚召祥，姬建虎，张习军.矿井空气吸热能力分析与应用J.煤炭科学技术，2012，40（1）：70-73 3 刘伟强，周英烈.基于物元模型的矿井空气品质综合评价研究J.矿业研究与开发，2015，35， （3）：61-63 4 张斌才，赵军.大气污染扩散的高斯烟雨模型及其 GIS 集成研究J.环境监测管理与技术，2008，20（5）：17-19 5 孙志宽.高斯烟雨扩散模型再研究J.环境与可持续发展，2013，5：107-109 作者简历： 阎汐睿（1997-） ，男，汉族，山东青岛人，现就读于山东科技大学机械电子工程学院。
