煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測與控制一、問題重述煤礦安全生產(chǎn)是我國目前待解決的問題之一，做好井下瓦斯和煤塵的監(jiān)測與控制是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。瓦斯是一種無毒、無色、無味的可燃氣體，其主喲成分是甲烷，在礦井中它通常從沒沿裂縫中涌出，瓦斯爆炸需要三個條件：空氣中瓦斯達到一定的濃度；足夠的氧氣；一定溫度引火源。煤塵是在煤炭開采過程中產(chǎn)生的可燃性粉塵。沒塵爆炸必須具備的三個條件：煤塵懸浮于空氣中并達到一定的濃度；存在引爆的高溫熱源。實驗表明，一般情況下煤塵的爆炸濃度是30~2000g/m^3，而當空氣中瓦斯瓦斯?jié)舛仍黾訒r，會使煤塵爆炸的下線降低。國家?煤礦安全規(guī)程?給出了煤礦預(yù)防瓦斯爆炸的措施和操作規(guī)程，以及相關(guān)的專業(yè)標準。規(guī)程要求煤礦必須安裝完善的通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)，所有的采煤工作面、掘進面和回風(fēng)巷都要安裝甲烷傳感器，每個傳感器都與地面控制中心相連，當井下瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r，控制中心將自動切斷電源，停止采煤作業(yè)，人員撤離采煤現(xiàn)場。問題一：鑒別該礦是屬于“低瓦斯礦井”還是“高瓦斯礦井”？問題二：判斷該煤礦不安全程度（即發(fā)生爆炸事故的可能性）有多大？問題三：確定該礦所需的最佳總統(tǒng)風(fēng)量，采煤工作區(qū)Ⅰ所需的風(fēng)量，采煤工作區(qū)Ⅱ所需的風(fēng)量，局部通風(fēng)機的額定風(fēng)量？二、問題假設(shè)1.假設(shè)每班工作八小時，進行無間斷作業(yè)；2.除少量的損失外，瓦斯只能從總回風(fēng)巷流向外界；3.煤礦是理想的模型，無凹凸面且風(fēng)量總能及時把新產(chǎn)生的瓦斯帶出產(chǎn)生地；4.采煤方式為機采工作面；5.瓦斯僅含甲烷，不考慮其中混有的其它氣體；

W總=q1+q2+q3+△q即總回風(fēng)巷一天的瓦斯排出量可進似等于當天生產(chǎn)煤所產(chǎn)生的瓦斯量即——第i個監(jiān)測點第k天總回風(fēng)巷早，中，晚班速度（j代表早中晚，監(jiān)測點按表格順序排），m/min——瓦斯排量m^3——面積——煤產(chǎn)量根據(jù)上式可分別求出三十天的平均相對瓦斯涌出量(由總回風(fēng)巷所得,單位:m^3/t)24.149123.518422.827522.454622.573124.997224.027722.584723.360722.611722.364221.365523.995323.354422.756422.958922.803024.279722.245222.884723.438222.768825.399122.119823.270022.355022.940122.493523.967923.0170對以上三十個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，取其平均值。即根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百三十三條可知，鑒別煤礦是“低瓦斯礦井”與”高瓦斯礦井“的一句相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量。當?shù)V井相對瓦斯涌出量大于10m^3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m^3/min時為高瓦斯礦井因為相對瓦斯涌出量大于10m^3/t，所以得出我們研究的礦井為高瓦斯礦井。由計算公式可知，個監(jiān)測點第k天絕對瓦斯涌出量由此公式可求出個監(jiān)測點絕對瓦斯涌出量，再對個監(jiān)測點求平均絕對瓦斯涌出量如下：工作面Ⅰ為3.79m^3/min,工作面Ⅱ為m^3/min，掘進工作面為m^3/min。二、問題二的分析，建模與求解有問題一得到所研究煤礦為高瓦斯礦井，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可得下表：甲烷傳感器設(shè)置點報警濃度斷電濃度復(fù)電濃度斷電范圍低瓦斯和高瓦斯礦井的采煤工作面≥1.0﹪≥1.5﹪≤1.0﹪工作面及其回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)電氣設(shè)備高瓦斯和煤（巖）的采煤工作回風(fēng)巷≥1.0﹪≥1.0﹪≤1.0﹪工作面及其回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)電氣設(shè)備煤（巖）與瓦斯突出礦井采煤工作面進風(fēng)巷≥0.5﹪≥0.5﹪≤0.5﹪工作面及其回風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)電氣設(shè)備低瓦斯、高瓦斯和由瓦斯涌出掘進工作面≥1.0﹪≥1.5﹪≤1.0﹪掘進巷道內(nèi)全部非本質(zhì)電鎖設(shè)備高瓦斯與煤（巖）掘進工作面回風(fēng)流≥1.0﹪≥1.0﹪≤1.0﹪掘進巷道內(nèi)全部非本質(zhì)電鎖設(shè)備并且結(jié)合一些數(shù)據(jù)資料中瓦斯的濃度，在對工作面Ⅰ、工作面Ⅱ、掘進工作面、回風(fēng)巷Ⅰ、回風(fēng)巷Ⅱ、總回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确治隹傻茫渫咚節(jié)舛瓤蛇_到甲烷的報警濃度1.0﹪，而無法達到斷電濃度，故只考慮報警的可能性，忽略斷電的可能性。工作面Ⅰ工作面Ⅱ掘進工作面回風(fēng)巷Ⅰ回風(fēng)巷Ⅱ總回風(fēng)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。根據(jù)資料處理得空氣中瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限濃度的關(guān)系：空氣中瓦斯?jié)舛醛?0.51.01.52.02.53.03.54沒塵爆炸下限濃度﹪3022.51510.56.54.532.51.5對此在Matlab中做最小二乘擬合，做出一元二次曲線:y=2.2857*x^2-15.9429*x=29.600各監(jiān)測點的安全程度的量化指標：指標越大，安全程度越高。

通過分析以上兩個表格可得：此煤礦安全程度相對可以。工作面Ⅰ工作面Ⅱ掘進工作面回風(fēng)巷Ⅰ回風(fēng)巷Ⅱ總回風(fēng)巷t29.420011.510069.330024.88007.660033.6700問題三的分析，建模與求解，根據(jù)一百零三條可以得出下表井巷名稱允許風(fēng)速(m/s)最低最高主要進、回風(fēng)巷8運輸機巷，采區(qū)進、回風(fēng)巷0.256采煤工作面掘進中的煤巷和半煤巖巷0.254根據(jù)題意和從參考書中可知以下結(jié)論：礦井的總進風(fēng)量，應(yīng)按采煤、掘進、銅室及其他地點實際需要風(fēng)量的總和：同時本文已設(shè)忽略銅室影響，即1、采煤工作面需風(fēng)量的計算（1）按瓦斯涌出量計算:本題中假設(shè)采用機采工作，并取k最大值1.6.即得采煤工作面Ⅰ的需風(fēng)量為607.1274667m^3/min采煤工作面Ⅱ的需風(fēng)量為704.3362133m^3/min（2）按風(fēng)速進行驗算按最低風(fēng)速驗算各個采煤工作面的最小風(fēng)量：按最高風(fēng)速驗算各個采煤工作面的最大風(fēng)量：即得采煤工作面Ⅰ和采煤工作面Ⅱ需風(fēng)量的范圍：掘進工作面需風(fēng)量的計算：（1）按瓦斯涌出量的計算：取最大值2.0(2)按局部通風(fēng)機吸風(fēng)量計算：取最小值1.2（3）按風(fēng)速進行驗算按最小風(fēng)速驗算，巖巷掘進面最小風(fēng)量：各個煤巷或半煤巷掘進面的最小風(fēng)量：按最高風(fēng)速驗算，掘進面的最大風(fēng)量：

S.t.運用lingo軟件對其求解，結(jié)果取所需的最佳總統(tǒng)風(fēng)量為1556m^3/min，采煤工作區(qū)Ⅰ所需的風(fēng)量約為455m^3/min，采煤工作區(qū)Ⅱ所需的風(fēng)量約為528m^3/min，局部通風(fēng)機的額定風(fēng)量約為222m^3/min.五、模型的評價及推廣（1）針對問題一，我們將各監(jiān)測點瓦斯涌出量都集中到總回風(fēng)巷監(jiān)測點計算相對瓦斯涌出量，避免了在不知道各工作面產(chǎn)煤量的情況下無法求出其相對瓦斯涌出量的情況，通過總回風(fēng)巷的瓦斯總產(chǎn)量和產(chǎn)煤總量即可正確求出相對瓦斯涌出量，但在考慮總回風(fēng)巷的瓦斯總產(chǎn)量時忽略了瓦斯通過其他方式的溢出量，實際上存在瓦斯通過其他方式溢出的現(xiàn)象。（2）針對問題二，進行數(shù)據(jù)處理，考慮瓦斯爆炸時，設(shè)定了瓦斯?jié)舛劝踩导磮缶担瑢⒏鞅O(jiān)測點瓦斯?jié)舛扰c瓦斯?jié)舛劝踩当容^分析量化安全程度并做出安全程度低的監(jiān)測點瓦斯?jié)舛日龖B(tài)分布圖，得到報警概率；考慮煤塵爆炸時，運用數(shù)據(jù)擬合，得出風(fēng)速與瓦斯?jié)舛缺ㄏ孪拗档年P(guān)系，與各監(jiān)測點對應(yīng)風(fēng)速的瓦斯?jié)舛缺容^分析，得到安全程度。綜合兩者的不安全的程度，該方法可以準確的求出安全程度的多少，避免了兩者混淆在一起無法求解。但由于實驗抽取數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致一些誤差。（3）針對問