1、煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制一、问题重述v 煤矿安全生产是我国目前待解决的问题之一，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。v 瓦斯是一种无毒、无色、无味的可燃气体，其主哟成分是甲烷，在矿井中它通常从没沿裂缝中涌出，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；一定温度引火源。v 煤尘是在煤炭开采过程中产生的可燃性粉尘。没尘爆炸必须具备的三个条件：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。实验表明，一般情况下煤尘的爆炸浓度是302000g/m3，而当空气中瓦斯瓦斯浓度增加时，会使煤尘爆炸的下线降低。v 国家煤矿安全规程给出了煤矿预防瓦斯爆炸的措施和操作
2、规程，以及相关的专业标准。规程要求煤矿必须安装完善的通风系统和瓦斯自动监控系统，所有的采煤工作面、掘进面和回风巷都要安装甲烷传感器，每个传感器都与地面控制中心相连，当井下瓦斯浓度超标时，控制中心将自动切断电源，停止采煤作业，人员撤离采煤现场。v问题一：鉴别该矿是属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井”？v问题二：判断该煤矿不安全程度（即发生爆炸事故的可能性）有多大？v问题三：确定该矿所需的最佳总统风量，采煤工作区所需的风量，采煤工作区所需的风量，局部通风机的额定风量？二、问题假设v1.假设每班工作八小时，进行无间断作业；v2.除少量的损失外，瓦斯只能从总回风巷流向外界；v3.煤矿是理想的模型，无凹
3、凸面且风量总能及时把新产生的瓦斯带出产生地；v4.采煤方式为机采工作面；v5.瓦斯仅含甲烷，不考虑其中混有的其它气体；三、模型的建立v一、问题一的分析，建模与求解：v已知条件：v绝对瓦斯涌出量单位时间涌出的瓦斯的体积，单位m3/min 式中 绝对瓦斯涌出量m3/min Q煤矿所需要的总统风量m3/min c风流中的平均瓦斯浓度v相对瓦斯涌出量平均平均日产一吨煤同期所涌出瓦斯量，单位m3/min 式中 相对瓦斯涌出量 A日产量v由于数据未知，故我们考虑利用总回风巷的瓦斯涌出量计算。v有资料可知：煤矿中瓦斯涌出量由采煤工作面、采煤工作面、掘进工作面来决定，而瓦斯最终通过回风巷和回风巷最终由总回风巷
4、排出。我们先对总回风巷一天的瓦斯排出量进行分析：100/*cQQliliQAQqlii/iqvW总=q1+q2+q3+qv即总回风巷一天的瓦斯排出量可进似等于当天生产煤所产生的瓦斯量即v 第i个监测点第k天总回风巷早，中，晚班速度（j代表早中晚，监测点按表格顺序排），m/minv 瓦斯排量m3v 面积v 煤产量ijkkijkijkipswv/100/60*8*q31kijvkijwkSip303330130121ikiiikikiwwwW总根据上式可分别求出三十天的平均相对瓦斯涌出量(由总回风巷所得,单位:m3/t)24.1491 23.5184 22.8275 22.4546 22.5731
5、 24.997224.0277 22.5847 23.3607 22.611722.3642 21.365523.9953 23.3544 22.7564 22.9589 22.8030 24.279722.2452 22.8847 23.4382 22.7688 25.3991 22.119823.2700 22.3550 22.9401 22.4935 23.9679 23.0170对以上三十个数据进行统计分析，取其平均值。即)/3(23378.23tmiqqggv根据煤矿安全规程第一百三十三条可知，鉴别煤矿是“低瓦斯矿井”与”高瓦斯矿井“的一句相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量。v当矿井相对
6、瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min时为高瓦斯矿井v因为相对瓦斯涌出量大于10m3/t，所以得出我们研究的矿井为高瓦斯矿井。v由计算公式可知，个监测点第k天绝对瓦斯涌出量v由此公式可求出个监测点绝对瓦斯涌出量，再对个监测点求平均绝对瓦斯涌出量如下：工作面为3.79m3/min,工作面为m3/min，掘进工作面为m3/min。3/100/*31jhikijkijiswvqv二、问题二的分析，建模与求解v有问题一得到所研究煤矿为高瓦斯矿井，根据煤矿安全规程可得下表：甲烷传感器设置点报警浓度断电浓度复电浓度断电范围低瓦斯和高瓦斯矿井的采煤工作面1.01.51.0工作面及
7、其回风巷内全部非本质电气设备高瓦斯和煤（岩）的采煤工作回风巷1.01.01.0工作面及其回风巷内全部非本质电气设备煤（岩）与瓦斯突出矿井采煤工作面进风巷0.50.50.5工作面及其回风巷内全部非本质电气设备低瓦斯、高瓦斯和由瓦斯涌出掘进工作面1.01.51.0掘进巷道内全部非本质电锁设备高瓦斯与煤（岩）掘进工作面回风流1.01.01.0掘进巷道内全部非本质电锁设备v并且结合一些数据资料中瓦斯的浓度，在对工作面、工作面、掘进工作面、回风巷、回风巷、总回风巷中瓦斯浓度分析可得，其瓦斯浓度可达到甲烷的报警浓度1.0，而无法达到断电浓度，故只考虑报警的可能性，忽略断电的可能性。工作面工作面掘进工作面回
8、风巷回风巷总回风巷瓦斯t29.420011.510069.330024.88007.660033.6700h00.1500000.70000注：t：小于1.0的差之和，h：大于1.0的差值之和。v根据资料处理得空气中瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度的关系：空气中瓦斯浓度00.51.01.52.02.53.03.54没尘爆炸下限浓度3022.51510.56.54.532.51.5对此在Matlab中做最小二乘拟合，做出一元二次曲线:y=2.2857*x2-15.9429*x=29.600v各监测点的安全程度的量化指标：v指标越大，安全程度越高。v通过分析以上两个表格可得：此煤矿安全程度相对可以。工作
9、面工作面掘进工作面回风巷回风巷总回风巷t29.420011.510069.330024.88007.660033.6700v问题三的分析，建模与求解，根据一百零三条可以得出下表 井巷名称 允许风速(m/s)最低 最高主要进、回风巷 8运输机巷，采区进、回风巷 0.25 6采煤工作面掘进中的煤巷和半煤岩巷 0.25 4根据题意和从参考书中可知以下结论：矿井的总进风量，应按采煤、掘进、铜室及其他地点实际需要风量的总和：同时本文已设忽略铜室影响，即1、采煤工作面需风量的计算（1）按瓦斯涌出量计算:本题中假设采用机采工作，并取k最大值1.6.即得采煤工作面的需风量为607.1274667m3/min采
10、煤工作面的需风量为704.3362133m3/minmrthtwtmKQQQQ*)(mhtwtmKQQQ*)(kQQgwiwi*100v（2）按风速进行验算v按最低风速验算各个采煤工作面的最小风量：v按最高风速验算各个采煤工作面的最大风量：v即得采煤工作面和采煤工作面需风量的范围：wiwiSQ*25.0*60wiwiSQ*4*6096060wiQv掘进工作面需风量的计算：v（1）按瓦斯涌出量的计算：v 取最大值2.0v(2)按局部通风机吸风量计算：v 取最小值1.2v（3）按风速进行验算v 按最小风速验算，岩巷掘进面最小风量：v各个煤巷或半煤巷掘进面的最小风量：v按最高风速验算，掘进面的最大风
11、量：v ghighihikQQ*100min/37722667.246mQhighikhflhflhikQQ*min/36436.205mQhfihflkhihisQ*15.0*60dihiSQ*4*60hihiSQ*25.0*60AQHwBminvS.t.40015047.30810.22234.70425.52813.60735.45532.013.011.167.078.06.0)3,2,1(45.01001*60*4*)2,1(1001*4*60*)(*85.0*100)2,1(*100432132152153433QQQQcccivcvQicvQkQQQQQQkQQkQQikQQii
12、ighiigwimafghghgwigwii运用lingo软件对其求解，结果取所需的最佳总统风量为1556m3/min，采煤工作区所需的风量约为455m3/min，采煤工作区所需的风量约为528m3/min，局部通风机的额定风量约为222m3/min.五、模型的评价及推广v（1）针对问题一，我们将各监测点瓦斯涌出量都集中到总回风巷监测点计算相对瓦斯涌出量，避免了在不知道各工作面产煤量的情况下无法求出其相对瓦斯涌出量的情况，通过总回风巷的瓦斯总产量和产煤总量即可正确求出相对瓦斯涌出量，但在考虑总回风巷的瓦斯总产量时忽略了瓦斯通过其他方式的溢出量，实际上存在瓦斯通过其他方式溢出的现象。v（2）针对
13、问题二，进行数据处理，考虑瓦斯爆炸时，设定了瓦斯浓度安全值即报警值，将各监测点瓦斯浓度与瓦斯浓度安全值比较分析量化安全程度并做出安全程度低的监测点瓦斯浓度正态分布图，得到报警概率；考虑煤尘爆炸时，运用数据拟合，得出风速与瓦斯浓度爆炸下限值的关系，与各监测点对应风速的瓦斯浓度比较分析，得到安全程度。综合两者的不安全的程度，该方法可以准确的求出安全程度的多少，避免了两者混淆在一起无法求解。但由于实验抽取数据不足导致一些误差。v（3）针对问题三，首先对各监测点的风速与煤尘做出散点图，更直观的表现出当风速大于2.2时，为线性相关，小于2.2是在7到8之间波动。对通风量的分析，主要影响所需的最佳总统风量的为采煤工作面、采煤工作面和掘进工作面所需风量。进行线性回归的数据处理，并通过最优化模型建立，以吨煤用于通风单位上的单位耗电量作为目标函数，考虑煤尘瓦斯不爆炸的限定，得到该矿所需的最佳总统风量。
