煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制

煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制

摘要

本题主要以煤矿安全的检测与控制为研究对象，在研究过程中，针对安全程度的判断和最佳风量的计算分别建立了评价模型和线性规划模型，并利用lingo软件求解。

针对问题一，通过利用工作面和掘进面的瓦斯浓度计算矿井的相对瓦斯涌出量，利用总回风巷的瓦斯浓度计算绝对瓦斯涌出量，由此建立关于相对瓦斯和绝对瓦斯涌出量的数学计算模型，对模型求解得矿井的平均相对瓦斯涌出量为

322.4282mt/，绝对瓦斯涌出量为9.7536m3/min，并将计算结果与煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准进行比较得该矿为高瓦斯矿。

针对问题二，首先通过题中数据利用拟合的方法计算煤尘爆炸下限与瓦斯浓度的函数关系式并结合瓦斯爆炸下限判断该煤矿发生爆炸的可能性为0，其次找出数据中达到报警点的个数从而计算其发生危险的概率为4.63%，最后考虑瓦斯浓度与煤尘含量对煤矿安全生产的影响，建立评价模型，对模型求解得煤矿各区域的安全评价值，分析结果可得该煤矿整体安全程度不高，其中回风巷2最危险，掘进工作面安全程度最高。

针对问题三，首先利用拟合的方法找出该煤矿各区域中瓦斯浓度与风速、煤尘含量与风速以及工作面风速与回风巷风速间的函数关系式，其次在满足各区域内瓦斯浓度小于报警浓度，煤尘含量不超过爆炸下限的情况下考虑漏风对总通风量的影响，以煤矿总通风量最少为目标，建立线性规划模型，利用lingo软件求解，得最佳总通风量为1596.5700m3/min，局部通风机功率为400m3/min，各工作面通风量分别为720.7m3/min，543.6m3/min,且在满足煤矿生产安全的前提下总通风量不得大于1974.2220m3/min。

关键词：线性规划 数据拟合 评价模型

1、问题重述

问题背景

煤矿安全生产是我国目前亟待解决的问题之一，做好井下瓦斯和煤尘的监测与控制是实现安全生产的关键环节。

瓦斯是一种无毒、无色、无味的可燃气体，其主要成分是甲烷，在矿井中它通常从煤岩裂缝中涌出。瓦斯爆炸需要三个条件：空气中瓦斯达到一定的浓度；

足够的氧气；一定温度的引火源。

煤尘是在煤炭开采过程中产生的可燃性粉尘。煤尘爆炸必须具备三个条件:煤尘本身具有爆炸性；煤尘悬浮于空气中并达到一定的浓度；存在引爆的高温热源。试验表明，一般情况下煤尘的爆炸浓度是30~2000g/m3，而当矿井空气中瓦斯浓度增加时，会使煤尘爆炸下限降低。

提出问题

结合两个采煤工作面和一个掘进工作面的矿井通风系统示意图及各项监测数据，按照煤矿开采的实际情况研究下列问题：

1、根据《煤矿安全规程》第一百三十三条的分类标准 ，鉴别该矿是属于低瓦斯矿井还是高瓦斯矿井。

2、根据《煤矿安全规程》第一百六十八条的规定，并参照附表1，判断该煤矿不安全的程度（即发生爆炸事故的可能性）有多大？

3、为了保障安全生产，利用两个可控风门调节各采煤工作面的风量，通过一个局部通风机和风筒实现掘进巷的通风。根据各井巷风量的分流情况、对各井巷中风速的要求，以及瓦斯和煤尘等因素的影响，确定该煤矿所需要的最佳通风量，以及两个采煤工作面所需要的风量和局部通风机的额定风量。

2、问题分析

本题主要以煤矿安全的检测与控制为研究对象，对煤矿瓦斯和煤尘的安全做出了研究和讨论。

问题一，通过利用工作面和掘进面的瓦斯浓度计算矿井的相对瓦斯涌出量，利用总回风巷的瓦斯浓度计算绝对瓦斯涌出量，由此建立关于相对瓦斯和绝对瓦斯涌出量的数学计算模型，根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准进行比矿井为高瓦斯矿还是低瓦斯。

本题中已给出了一个月内的每天三个班次上各工作面、掘进面及回风巷监测点的风速、瓦斯和煤尘的监测数据和日产量表，针对煤矿的生产开采问题的安全规程的数据指标和安全标准本着科学发展观以人文本的原则对以下各问题进行探讨。

问题二，判断该煤矿不安全的程度（即发生爆炸事故的可能性）。分二种情况判定不安全性：

第一种情况分别分析瓦斯与煤尘爆炸需要的条件，瓦斯爆炸需要的三个条件：空气中瓦斯达到一定的浓度；足够的氧气；一定温度的引火源。在新鲜空气中瓦斯爆炸界限一般为5%～16％，该矿井的瓦斯浓度都低于爆炸界限。煤尘爆炸必须具备三个条件:煤尘本身具有爆炸性；煤尘悬浮于空气中并达到一定的浓度；存在引爆的高温热源。一般情况下煤尘的爆炸浓度是30～ 2000g/m3，而当矿井空气中

瓦斯浓度增加时，会使煤尘爆炸下限降低，因此根据瓦斯不同班次的浓度，计算煤尘所对应的爆炸下限，以此时该矿井中各班次的煤尘含量能否达到爆炸的下限值，来判断是否会出现爆炸；

第二种情况为检测器报警及断电的概率，如果当瓦斯的浓度达到了使传感器 报警或者断电的情况时就说明此时的瓦斯浓度超出了安全的范围，存在安全隐患。

问题三，求最佳风量的就相当于求最佳的风速，最佳的风速就是满足在矿井安全的情况下最小的风俗，因此我们就要弄明白风速与瓦斯浓度、煤尘浓度之间的关系，以及瓦斯浓度与煤尘爆炸下限之间的关系，因此需要拟合出风速与瓦斯浓度，风速与煤尘浓度以及瓦斯浓度与煤尘爆炸下限之间的函数关系，以通风量最小时还应保证瓦斯浓度不至于导致报警、断电的情况发生，煤尘含量小于爆炸下限，各工作面的风速在《煤矿安全规程》范围内，还要考虑漏风量的约束。

3、模型的基本假设

1、假设同一巷道中的瓦斯和煤尘的浓度可近似看做均匀的； 2、假设矿井中不会出现意外失火、管道爆裂等情况； 3、不考虑高温热源和电火花等因素对矿井安全性的影响； 4、假设对单个矿井每天的漏风率是一定的。

4、符号定义及说明

符号 aij 定义 矿井在第i天第j个监测点瓦斯含量的评价值 备注 bij wij mij Vij Sj i为监测日期编号，其矿井在第i天第j个监测点煤尘含量的评价值 值取1、2…..30; 矿井在第i天第j个监测点的瓦斯含量 分 j指工作面1、工作面2、掘进面、回风巷1、回矿井在第i天第j个监测点的煤尘含量 风巷2、总回风巷的编矿井在第i天第j个监测点每分钟的通风量 号，值取1、2…..6，。 第j个监测点的断面面积 5、模型的建立与求解

5.0名词解释

采煤工作面：矿井中进行开采的煤壁 (采煤现场)。

掘进巷：用爆破或机械等方法开凿出的地下巷道，用以准备新的采煤区和采煤工作面。

掘进工作面：掘进巷尽头的开掘现场。

新鲜风：不含瓦斯和煤尘等有害物质的风流。

乏风：含有一定浓度的瓦斯和煤尘等有害物质的风流。

5.1构建判断矿井类型的模型

5.1.1模型准备

1、确定判断高瓦斯矿井和低瓦斯矿井的标准

根据《煤矿安全规程》第一百三十三条的分类标准得知：

低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t，且矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。

高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t，或矿井绝对瓦斯涌出量小于40m3/min。

2、明确判断标准的计算方法：

根据分类标准，可将每分钟的绝对瓦斯涌出量表示为：

绝对瓦斯涌出量=风速?总回风巷断面积?60秒?总回瓦斯浓度

每天的相对瓦斯涌出量可表示为：

矿井日瓦斯涌出量相对瓦斯涌出量=

矿井日产量设第i天的绝对瓦斯涌出量为Li，风速为vi，总回风巷断面积为Si，总回瓦斯浓度为ri。因此每分钟的绝对瓦斯涌出量表示为：

Li?vi?Si?60?ri

设第i天的相对瓦斯涌出量为Pi，矿井日瓦斯涌出量为wi，矿井日产量为Mi，则每天的相对瓦斯涌出量可表示为：

Pi?wi Mi设k表示工作面Ⅰ、工作面Ⅱ、掘进工作面，k的值为1、2、3，在第i天，各个工作面的瓦斯浓度为cik其中矿井的日瓦斯涌出量wi为：

wi??cikk?13（i的值为1、2...30）

因此，矿井每天的相对瓦斯涌出量为：

Pi??cikk?13Mi

矿井每天的绝对瓦斯涌出量为：

Li?1440?vi?Si?ri

其中：总回风巷断面积为Si大约为4 m2，结合题中所给的监测数据，按照煤矿开采的实际情况对两者进行求解。

3、判断高瓦斯矿井和低瓦斯矿井的基本思路

结合两个采煤工作面和一个掘进工作面的矿井通风系统示意图及各项监测数据，将早中晚的各项指标按一定标准计算得到每天瓦斯的总涌出量，根据每天每个工作面和回风巷的瓦斯浓度、风速、管道断面面积等数据可得出本矿井每天的相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量，将其与《煤矿安全规程》中的分类标准比较，得到每一天在每个区域的分类情况，最后，将每个月在每个区域的瓦斯浓度风速等指标分别求和取平均，得到矿井总体的分类情况。