1、 I 甘肃煤炭工业学校毕业论文 煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制 摘 要 煤矿安全生产是目前社会重点关注的热点问题之一，尤其是在能源紧张，对煤碳的需求量不断增加的情况下，煤矿的安全生产问题更是值得我们关注，这也是建设平安和谐社会的重要组成部分。我们发现，大部分事故的罪魁祸首都是瓦斯或煤尘爆炸，瓦斯在煤矿的开采中是不可避免的。因此，矿井下的瓦斯和煤尘对煤矿的安全生产构成了重大威胁，做好煤矿井下瓦斯和煤尘的监测与控制是保证煤矿安全生产的关键所在。 本文求出总回风巷的瓦斯绝对涌出量和瓦斯相对涌出量，与所 给标准进行比较，鉴别出该矿属于 “ 高瓦斯矿井 ” 。根据附表 2中的监测数II 据统计各工作面和各巷
2、道瓦斯浓度超标次数，作为出现不安全事件的频数，该频数与总监测次数之比作为出现不安全事件的程度，该煤矿不安全的程度为： 4.6% 。根据附图 1，结合附表 2的监测数据，按照煤矿开采的实际情况 以及煤矿安全规程的实际要求，综合运用 拟合、插值等方法解此非线性有约束极小问题，求出了该煤矿所需要的最佳（总）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。 关键 词 瓦斯；通风量；拟合；非线性有约束极小问题 甘肃煤炭工业学校毕业论文 III ABSTRACT The coal mine safety production is one of the focus that concerne
3、d by the public, especially under the background that the world is in short of energy and the demand of the coal is increasing continuously, the coal mine safety production is worthy of our better concern, and this is also contributed to build a safe and harmonious society. We find that most acciden
4、ts should be due to the fire damp explosion or grime explosion, while the gas is unavoidable during the coal mine production. Therefore, the gas and the grime in the coal mine is very dangerous to the safety production, how to detect and control the gas and the grime is the key to make sure of the c
5、oal mine safety production. This paper figure out the absolute firedamp(QCH4)and the opposite firedamp(qCH4)in the wind circle lane, and then compare the result with the standard data, then confirm its a high gas well .According to the monitor data in table 2,stat the times that gas density exceeded
6、 normal in each work department and each lane, and this can be seen as the frequency in which the insecurity affairs appeared, the ratio of the frequency and the total monitor times should be the insecurity degree, the insecurity degree of the coal mine is 4.6% .According to both the actual instance
7、 of the coal mine production and the Coal Mine Safety Production Regulations, use the method of interpolation and fitting to resolve this problem. We get the total ventilation of the coal mine and the sums of the ventilation about the two work departments need. Keywords gas; ventilation; fitting; no
8、nlinear constrained optimization甘肃煤炭工业学校毕业论文 1 目 录 一、问题重述 1 二、模型假设 2 三、模型的建立与求解 2 （一）鉴别该煤矿类型 3 （二）判断该煤矿不安全程度 3 1.由瓦斯引发爆炸事故的可能性 3 2.由煤尘引发爆炸事故的可能性 3 （三）确定该煤矿所需要的最佳通风量 4 四、模型的优化与改进 9 附录 11 参考文献 16 甘肃煤炭工业学校毕业论文 1 煤矿瓦斯与煤尘的监测与控制 一、问题重述 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，
9、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3302000g/m 。 而 当矿井空气中瓦斯浓度增加时，会使煤尘爆炸下限 降低，结果如附表 1所示。 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规程，以及相应的专业标准。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
10、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。具体内容见煤矿安全规程的第二章和第三章。 附图 1是有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，请你结合附表 2的监测数据，按照煤矿开采的实际情况研究下列问题： （一）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 ” 。 （二）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？ （三）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
11、和风筒实现掘进巷的通风（见下面的注）。甘肃煤炭工业学校毕业论文 2 根据附图 1所示各井巷风量的分流情况、对各井巷中风速的要求（见煤矿安全规程第一百零一条），以及瓦斯和煤尘等因素的影响，确定该煤矿所需要的最佳（总）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（实际中，井巷可能会出现漏风现象）。 注 ： 掘 进 巷 需 要 安 装 局 部 通 风 机 ， 其 额 定 风 量 一 般 为3150400 m /min。局部通风机所在的巷道中至少需要有 15% 的余裕风量（新鲜风）才能保证风在巷道中的正常流动，否则可能会出现负压导致乏风逆流，即局部通风机将乏风吸入并送至掘进工作面 。
12、名词解释 （一）采煤工作面：矿井中进行开采的煤壁 (采煤现场 )。 （二）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。 （三）掘进工作面：掘进巷尽头的开掘现场。 （四）新鲜风：不含瓦斯和煤尘等有害物质的风流。 （五）乏风：含有一定浓度的瓦斯和煤尘等有害物质的风流。 二、模型假设 （一）该煤矿瓦斯产生截面为采煤工作面、工作面和掘进工作面，其它截面不产生瓦斯。 （二）新鲜气流进入到瓦斯涌出截面时，瓦斯是瞬间释放的，并立刻与气流相混合均匀，新鲜气流随即变成乏气流。 （三）井巷不存在漏风现象。 三、模型的建立与求解 煤矿安全生产是目前社会重点关注的热点问题之一，尤其是
13、在能源紧张，对煤碳的需求量不断增加的情况下，煤矿 的安全生产问题更是值得我们关注，这也是建设平安和谐社会的重要组成部分。我们发现，大部分事故的罪魁祸首都是瓦斯或煤尘爆炸，瓦斯在煤矿的开采中是不可避免的。因此，矿井下的瓦斯和煤尘对煤矿的安全生产构成了重大威胁，做好煤矿井下瓦斯和煤尘的监测与控制是保证煤矿安全生产的关键所甘肃煤炭工业学校毕业论文 3 在。 78 （一）鉴别该煤矿类型 要鉴别该矿是属于 “ 低瓦斯矿井 ” 还是 “ 高瓦斯矿井 ” ，根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准，矿井相对瓦斯涌出量小于或等于 310 /mt且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等 于 340 /minm 的矿井为低瓦
14、斯矿井；而矿井相对瓦斯涌出量大于 310 /mt或矿井绝对瓦斯涌出量大于340 /minm 的则为高瓦斯矿井。于是只要求出总回风巷的瓦斯绝对涌出量和瓦斯相对涌出量，与所给标准进行比较便可以鉴别该矿类型。 12 设总回风巷风速为 ( / )vms ，平均断面积为 2()sm ，平均瓦斯浓度为(%)Cg ，则风量为 36 0 ( / m in )Q sv m ，瓦斯绝对涌出量为3/ 1 0 0 ( / m in )G Q C g m 。又若煤矿日产量为 ( / )Agt d ，则瓦斯相对涌出量为 32 4 6 0 / ( / )g G A g m t 。 由附表 2数据，求得总回风巷平均风速为 5
15、.2( / )v m s ，平均断面积为 25( )sm ， 平均 瓦 斯 浓 度 为 0.63(%)Cg ， 平均 煤 矿 日 产 量为605.8( / )Ag t d ，则总风量为 31 5 5 8 .9 ( / m in )Qm ，瓦斯绝对涌出量为39.8( / min )Gm ，瓦斯相对涌出量为 324.8( / )g m t 。 由此可得： 339 . 8 ( / m i n ) 4 0 ( / m i n )G m m， 332 4 .8 ( / ) 1 0 ( / )g m t m t。所以，该矿属于高瓦斯矿井。 （二）判断该煤矿不安全程度 要判断该煤矿的不安全程度即发生爆炸事故
16、的可能性有多大，主要从以下两方面考虑： 1.由瓦斯引发爆炸事故的可 能性 根据煤矿安全规程第一百六十八条的规定，各工作面和各回风巷的瓦斯浓度均不能超过 1% 。根据附表 2中的监测数据统计各工作面和各回风巷瓦斯浓度超标次数，为 25次，即由瓦斯引起的出现不安全事件的频数为 25，该频数与总监测次数（ 540）之比为 4.6% 。 46 2.由煤尘引发爆炸事故的可能性 一般情况下煤尘的爆炸浓度为 330 2000 /gm，而 当矿井空气中瓦斯甘肃煤炭工业学校毕业论文 4 浓度增加时，会使煤尘爆炸下限降低。瓦斯 浓度低于 4% 时， 煤尘爆炸下限浓度 见表 1： 表 1 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度
17、关系 瓦斯浓度 (%) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4 煤尘爆炸下限 (g/m3) 30 22.5 15 10.5 6.5 4.5 3 2.5 1.5 利用表 1及 Matlab插值，可得瓦斯浓度从 0开始每增大 0.01所对应的煤尘爆炸下限浓度的值。具体实现过程如下： x=0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4; y=30 22.5 15 10.5 6.5 4.5 3 2.5 1.5; x1=0.13:0.01:1.18; y1=interp1(x,y,x1,spline)3 筛选各观测点瓦斯浓度的上限和下限，利用插值求出相应的煤尘爆炸下限浓度，见
18、表 2： 表 2 各观测点瓦斯浓度及相应的煤尘爆炸下限浓度 采煤工作面 采煤工作面 掘进工作面 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 最小值 0.59 17.9905 0.67 13.91 0.13 25.292 最大值 0.78 21.0098 1.11 19.708 0.33 28.32 回风巷 回风巷 总回风巷 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 瓦斯浓度 煤尘爆炸下限 最小值 0.64 17.25 0.71 13.91 0.54 19.071 最大值 0.83 20.192 1.18 19.708 0.71 21.836 对比附表 2各观测
19、点的煤尘浓度与相应的煤尘爆炸下限浓度可得，煤尘浓度远远小于其爆炸下限浓度，故该矿井的煤尘不会引发爆炸事故。 综上所述，该煤矿出现不安全事件的程度（即发生爆炸事故的可能性）为 4.6% 。 （三）确定该煤矿所需要的最佳通风量 根据煤矿开采工作中的实际情况以及煤矿安全规程的实际要求，甘肃煤炭工业学校毕业论文 5 确定该煤矿所需要的最佳（总）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（所谓最佳通风量是指在保证各工作面和回风巷瓦斯浓度与煤尘浓度都不超标的情况下，寻求矿井的最小通风量，形成一个优化问题，目标是总的通风量最小）。 具体实现过程如下： 设 1x 为总进风巷的风速， 2x 为
20、采煤 工作面进风巷的风速， 3x 为通往采煤工作面进风巷及掘进巷的风速， 4x 为采煤工作面进风巷的风速， 5x 为掘进巷（ 3x 的一个分支）的风速， 6x 为局部通风机的风速（如无特别说明，风速的单位为 /ms）。主巷道断面大约为 25m ，其他各采煤区的进风巷、回风巷和掘进巷的断面大约为 24m ，掘进巷道中的风筒直径为 400mm 。 针对上述变量建立非线性规划模型，具体建立过程如下： 1设定函数 要想求出最佳总进风量，只需要在满足各项限制条件的前提下，求出总进风量的最小值即可。因此，目标函数定义为 1()f x x 。 2风量守恒原则 该煤矿利用两个可控风门调节各采煤工作面的风量，通
21、过一个局部通风机和风筒实现掘进巷的通风。根 据题中附图 1所示各井巷风量的分流情况，得约束条件如下： 1 2 3 3 4 55 4 ,x x x x x x 3.局部通风机的额定风量范围 掘进巷需要安装局部通风机，其额定风量一般为 min/400150 3m 。由此可得局部通风机的额定风速为 sm /0 5 1 6.538 9 4 4.19 。得约束条件为： 61 9 .8 9 4 4 5 3 .0 5 1 6x 4.各工作面、巷道和总回风巷的风速标准 对各井巷中风速的要求，得约束条件如下： 1 2 3 4 5 60 8 , 0 . 2 5 6 , 0 . 2 5 1 0 , 0 . 2 5
22、6 , 0 . 1 5 0 . 0 1 4x x x x x x 5.各工作面 的瓦斯浓度不超过 1% 第一问已鉴别出该矿属于 “ 高瓦斯矿井 ” ，再根据煤矿安全规程第一百六十八条的规定，该矿各矿井的瓦斯体积百分比均应小于 1% 。设 1 2 3,a a a 分别为采煤工作面、采煤工作面和掘进工作面的瓦斯绝对涌 出量 （ 均取 已知 值 的最 大值 ， 可以 通过 筛 选得 到 ），其 中甘肃煤炭工业学校毕业论文 6 3 3 31 2 30 . 0 9 8 6 / , 0 . 0 6 7 7 / , 0 . 0 2 9 1 /a m s a m s a m s 。 得约 束 条 件如 下 ：
23、3122 1 4 2 5 6 31001 0 0 1 0 0% 1 % , % 1 % , % 1 %4 4 4 0 . 0 4 aaax a x a x x a （不等式左 边的表达式为相应观测点的瓦斯浓度） 化简不等式可得： 242 .4 4 0 4 ; 1 .6 7 5 6xx12 6.在不同瓦斯浓度下煤尘浓度的允许范围 表 3 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系 空气中瓦斯浓度 (%) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 煤尘爆炸下限浓度 (g/m3) 30 22.5 15 10.5 6.5 4.5 3.0 2.5 1.5 运用 matlab做数据曲线拟
24、合，可得 “ 瓦斯浓度（ x瓦 ） -煤尘下限浓度 (y煤 )” 函数关系式： 22 . 2 8 5 7 1 5 . 9 4 2 9 2 9 . 6y x x 瓦瓦煤 （ 1） 其具体程序如下 ： x=0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4; y=30 22.5 15 10.5 6.5 4.5 3 2.5 1.5; polyfit(x,y,2)5 另外根据附表 2的数据可以分别得到两个采煤工作面和掘进工作面“ 风速（ x） -煤尘浓度 (y)” 的函数关系式，分别为： 采煤工作面： 2222 0 . 4 5 9 8 8 4 . 6 7 4 5 9 5 . 2 1 6 6y x x 风风煤2 （ 2） 采煤工作面： 2111 0 . 3 5 6 6 0 . 2 8 3 8 5 . 2 3 2 6y x x 风 风煤 （ 3） 掘进工作面： 21 . 2 3 6 7 3 . 6 1 7 2 9 . 2 3 5 5y x x 煤 掘 风 掘 风 掘 （ 4） 利用三个面的风速值，求出与之对应的煤尘浓度，得到的浓度需小
