煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制论文.doc

煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制 摘要 煤矿生产在我国国民经济中占有举足轻重的地位。 改革开放以来, 随着煤矿开采工艺、 开采技术手段的不断改进,矿井开采规模的不断扩大,矿井开采深度的不断延伸,煤尘瓦 斯涌出量越来越大,高瓦斯矿井越来越多,安全上的隐患也越来越多。在开采过程中瓦斯 煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等灾害严重威胁着我国煤矿的安全生产。由于灾害因素多、治理 难度大 , 矿井瓦斯一直是我国煤矿安全工作的重点和难点, 为此, 采矿工人必须按照相关规 定进行合法、安全采矿。 本文对煤矿生产中存在的安全隐患进行评判,根据实际测定的数据对煤矿分析工作面 中相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的关系以及绝对瓦斯涌出量的变化规律。 运用瓦斯地质理论, 研究影响瓦斯涌出量的因素,包括产量、瓦斯含量等。 对于问题一,我们先用 Matlab 软件计算出平均每天的相对瓦斯的涌出量,再由相对瓦 斯的涌出量计算得绝对瓦斯涌出量,最后把所得结果与煤矿安全规程第一百三十三条 的分类标准进行对比,从而鉴别该矿是属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井”。经确定, 我们得到了煤矿为“高瓦斯矿井”的结论。 对于问题二, 我们通过观察相关数据可知, 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限有一定的相关性, 进而猜想引起煤尘爆炸的可能因素,来确定煤矿的不安全度。在确定煤矿的不安全度时, 我们利用了模糊数学的隶属函数求得隶属度,最终确定不安全度的可能性。 对于问题三中,我们采用煤矿通风能力核定办法试行一文中所提及的针对不 同工作面用不同方法的公式来求得该煤矿所需要的最佳通风量,并根据煤矿安全规程 规定,作出了最优化设计。 关键词相对瓦斯涌出量 绝对瓦斯涌出量 煤矿安全规程 隶属函数 MATLAB 1 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见附件 1 。 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,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 见附件 2 。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。具 体内容见附件 2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 1根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准 见附件 2 ,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见下面的注 。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 。 2 问题分析 影响瓦斯涌出量的因素较多,包括产量、瓦斯含量、煤厚、埋深、顶板砂岩厚度等, 这些影响因素在各采区及工作面的影响程度不尽一致。 煤层瓦斯涌出是威胁煤矿安全生产的主要因素,而高瓦斯矿井回采工作面以其瓦斯涌 出量大,来源复杂,影响因素多和作业区域内瓦斯分布不均匀受到特别关注,对工作面瓦 斯来源分布涌出动态变化及煤层瓦斯基本参数等研究是开展工作面瓦斯治理的基础。掘进 巷道是矿井瓦斯涌出最集中的地点,也是矿井瓦斯管理工作的重点,通过对矿井不同采区 掘进巷道瓦斯涌出量与其煤层瓦斯含量的关系统计分析,可以看出,掘进方法和瓦斯绝对 涌出量基本相同,而煤层不相同的掘进面,绝对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比值相关性 较好,反之较差 。 3 模型假设与符号约定 3.1 模型假设 1 假设机采工人是在正常温度和适宜的氧气浓度下进行作业 均按 煤矿安全规程 作业 。 2 根据日程作业安排,我们分成早、中、晚三班倒,均为 8小时,认定作业能力均相同。 3 假设观测数据真实可信。 4 假设报警系统完备性好,能准确预报当井下瓦斯浓度超标时,工人立即停止作业。 5 假设通风系统正常。 3.2 符号约定 v i - 第 i 个采煤工作面的平均风速, m /s c i - 第 i 个采煤工作面的瓦斯浓度, s i - 第 i 个采煤工作面的平均有效面积 , m2 A 日产量 ,t i ω- 第 i 个采煤工作面的平均瓦斯含量, m 3 Q i 第 i 个采煤工作面需要风量, m 3 /min q i - 第 I 个采煤工作面瓦斯平均日绝对涌出量, m 3 /min k i 第 i 个采煤工作面因瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,它是该工作面瓦斯绝对涌出量 的最大值与平均值之比 P i - 第 i 个采煤工作面瓦斯平均日相对涌出量 m δ空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限, g/ m3 δ爆尘的爆炸下限,一般为 3050g/m3 K 降低系数 T 工作面月产量 , t/ 月 Q fi 第 i 个采煤工作面需要风量, m 3 /min q gfi 第 i 个采煤工作面瓦斯平均绝对涌出量, m 3 /min k gfi 第 i 个采煤工作面因瓦斯涌出不均匀的备用风量系数 I 掘进工作面同时通风的局部通风机台数 Q di 第 i 个掘进工作面的需风量, m 3 /min q gdi 第 i 个掘进工作面的平均绝对瓦斯涌出量, m 3 /min k gdi 第 i 个掘进工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,其含义和观察计算方法与采煤 工作面的瓦斯涌出不均匀的备用风量系数相似。通常,机掘工作面取 gdi k 1. 52. 0。 炮掘工作面取 k gdi 1. 82. 5。当有其他有害气体时,应根据煤矿安全规程规定的 允许浓度按上式计算的原则计算所需风量。 Q x 局部通风机实际吸风量, m3/min ∑ Q mei 其他用风巷道所需风量之和, m 3/min ∑ Q mfi 各采煤工作面所需风量之和, m 3/min Km 矿井内部漏风和调风不均匀等因素的备用风量系数通常可取 1. 151. 25 m Q 矿井所需总风量, m 3/min 4 模型的建立与求解 4.1问题 1的求解 由题目条件以及煤矿安全规程可知瓦斯含量与矿井风速、矿井瓦斯浓度、平均 有效面积有关。我们首先算得单位时间内的瓦斯含量,可用数学公式 . . 100 i i i i ω --- - 表示, 从而可以计算出平均日瓦斯涌出量。用数学公式表示为 360024 P i A i ω - -⨯⨯ ,容易得出相关数 据。 用 Matlab7.1软件计算得出各区域相对 /绝对瓦斯涌出量。 表 1 2 表 2各区域相对 /绝对涌出量与规程标准比较所得结果 计算出各区域涌出量占总瓦斯涌出来量的概率如表 3 区域 各区域涌出量占总相对涌出来量 的比重 各区域涌出量占总绝对涌出来量的 比重 工作面 I 0.148398 0.148397 工作面 II 0.171992 0.17199 掘进工作面 0.048252 0.048252 回风巷 I 0.142965 0.142967 回风巷 II 0.183442 0.183441 总回风巷 0.304951 0.304952 表 3各区域相对 /绝对瓦斯涌出量占总涌出量的比重 根据 煤矿安全规程 第一百三十三条的分类标准 见附件 2 , 可以判断出以下情况 I II I II ⎧⎪ ⎪⎪⎪⎨ ⎪⎪⎪⎪⎩工作面 →低瓦斯 工作面 →高瓦斯 掘进工作面→低瓦斯 回风巷 →低瓦斯 回风巷 →高瓦斯 总回风巷→高瓦斯 再根据表 3,可知各区域涌出量占总涌出来量的比重,最终判断该矿属于高瓦斯矿井。 4.2 问题 2 的建模与求解 对于本文题,我们可从下表 2中得知空气中的瓦斯浓度与煤尘爆炸下限的关系。 当瓦斯浓度低于 4时,煤尘的爆炸下限可用下式计算 m k δδ 具体的对应结果如表 5所示。 我们对表 1进行三次数据拟合得出以下图形 空 气 中 的 瓦 斯 深 度 k 图 1对表 4进行三次拟合图 从上图中可以看到,随着瓦斯浓度的增高,煤尘爆炸浓度下限急剧下降,这一点在有 瓦斯煤尘爆炸危险的矿井应引起高度重视。一方面,煤尘爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的; 另一方面,有煤尘参与时,小规模的瓦斯爆炸可能演变为大规模的爆尘瓦斯爆炸事故,造 成严重的后果。 我们对上表用 Excel 处理得出瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度的关系图 2,如下 图 2瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系图 从图 2中同样得到以下规律随着瓦斯浓度的增高,煤尘爆炸浓度下限急剧下降。进 一步说明瓦斯浓度的变化会导致煤尘爆炸浓度下限变化。 4.2.1 模型 I 题目中给了大量的参考数据, 我们从早中晚分三班考虑, 并且估算出煤井的安全与否。 我们首先是对日期 1的早班瓦斯浓度做平均处理。 c - 0.710.940.260.760.980.67 /60.7200,同理煤尘浓度做平均处理, u - 87.677.447.527.237.05 /67.485, 我们依靠 煤矿安全规程 可得, 当空气中瓦斯浓度达到 5-16的区间时, 才会引起爆炸; 而 0.72005-16根本不会引起爆炸。对于日期 2, 3 ...30通通做上述操作,可以 发现均没有爆炸, 可见安全程度比较好。 关于安全程度的计算, 我们不妨对它总体分析 即 把这些数据做统计分析对瓦斯浓度和煤尘浓度做平均处理。用 Excel 软件计算出不安全 系数为 4.6。 4.2.2 模型 II用模糊数学进行量化分析 我们将煤矿的程度分为安全、不安全,此类型依次用 R 非负实数域上的模糊集 1A , 2A ;其隶属函数分别为 105 125exp[] 5[]3x x A x x ⎧≤⎪⎪ ⎨-⎪-≥⎪⎩ 1 2 10 exp 25 x x A -- 2 因为引起爆炸的因素有如下三种可能1 煤尘爆炸下限超标且无瓦斯浓度时; 2 瓦斯浓度超标; 3 煤尘爆炸下限和瓦斯浓度共存,切瓦斯浓度可能 引起煤尘爆炸。 我们考虑第一种情况即瓦斯浓度为 0时, 10A 1 3 2010exp 205 A --0.018316 4 由最大隶属原则可以得到 x0应相对隶属于 1A , 此时为安全状态,其不安全概率为 1.8316。 我们考虑第二种情况指定瓦斯浓度为 4,此时 14A 1 5 36 exp 0.0236932425 A - 6 由最大隶属原则可以得到 x4应相对隶属于 1A , 此时为安全状态,其不安全概率为 2.3693。 我们考虑第三种情况由观察附表 1的相关数据可知当瓦斯浓度为 0.5且对应有煤尘爆 炸下限为 22.5-37.5 g/ m3,由煤矿安全规程可以知道煤尘爆炸下限 30-50 g/ m3 有可能引起煤尘爆炸,由隶属函数求得 10.5A 1 7 29.5exp 0.027052 20.55 A - 8 由最大隶属原则可以得到 x0.5应相对隶属于 1A , 此时为安全状态,其不安全概率为 2.7052。 综合这三种情况可知该煤矿的安全系数良好也即其不安全的可能性很小 。 4.3 问题 3的建模和求解 我们充分考虑了风量的来源,分巷道区域计算风量。发现绝对瓦斯涌出量与风量存在 一致对应关系。再根据煤矿安全规程计算第 i 个采煤工作面需要风量,其数学表达式 100k q Q gfi fi gfi 。注意到 k gfi 是一个不均匀的备用风量系数,这是一个变量。一般认为工 人采煤是用机采作业的。我们考虑到矿井总需风量要最佳即矿井风量既不能太大也不能 太小 ,我们合理地根据煤矿安全规程备用风量系数并设定为 1.4. 通常我们要对采煤方法进行选取参照下表 6 根据问题一很容易用 MALAB 实现 Q fi 的值程序见附录 工作面 I 1Q f 531.7900; 工作面 II 2Q f 616.3360; 根据 煤矿安全规程 计算第 i 个掘进工作面需要风量, 其数学表达式为 100Q q k gdi di gdi 。 注意到 gdi k 第 i 个掘进工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数,其含义和观察计算方法与 采煤工作面的瓦斯涌出不均匀的备用风量系数相似。 通常, 机掘工作面取 gdi k 1. 52. 0。 炮掘工作面取 k gdi 1. 82. 5。一般认为工人采煤是用机采作业的。当有其他有害气体 时,应根据煤矿安全规程规定的允许浓度按上式计算的原则计算所需风量。我们考虑 到矿井总需风量要最佳即矿井风量既不能太大也不能太小 ,我们合理地根据煤矿安全 规程备用风量系数并设定为 1.75。 根据问题一很容易用 Matlab 实现 Q di 的值程序见附录 掘进工作面1Q d 216.1425; 4. 4 其他用风巷道的需风量计算 其他用风巷道的需风量,应根据瓦斯涌出量和风速分别进行计算,采用其最大值。 按风速进行验算 按煤矿安全规程规定的最低风速,验算最小风量 600.25Q S i fi ≥⨯ 按煤矿安全规程规定的最高风速,验算最大风量 604Q S i fi ≤⨯, 按 煤 矿 安 全 规 程 以 及 相 关 规 律 容 易 得 到 采 区 内 的 其 他 用 风 巷 道 数 学 表 达 式 100Q q k gei ei gei 注 k gei 是一个不均匀的备用风量系数,这是一个变量 , 我们同样考虑 到矿井总需风量要最佳即矿井风量既不能太大也不能太小 ,我们合理地根据煤矿安全 规程备用风量数并设定为 1.2用 Matlab 实现 Q ei 的值程序见附录 。 回风巷 I 1Q e 439.1400; 回风巷 II 3Q e 563.4600; 总回风巷3Q e 936.6960; 参照煤矿安全规程规定容易列出煤巷掘进数学表达式 15Q Q s i di - -x 掘进工作面同时通风的局部通风机台数为 1 。 易用 MALAB 实现 Qdi 的值程序见附录 得到 Q x 156.1425; 矿井所需总风量 Q m 是矿井井下各个用风地点需风量之和,并考虑漏风和配风不均匀等 的备用风量系数, 我们这里取备用风量系数为 1.2又局部通风机所在的巷道中至少需要 有 15的余裕风量才能保证风在巷道中的正常流动,否则可能出现负压导致乏风逆流,故 矿井所需总风量的数学表达式 85Q Q Q Q Q K m m mfi di mei ⨯-⨯∑∑∑x 计算得 Q m 3831.6最优解 5 误差分析 在第一问中由于观测数据比较多,我们采取求平均值的方法求解,这一平均值在某种 意义上说具有数据参考价值。但是,这一平均数值只是一个确定的区间数值,不能代表整 个矿区所反映的情况,因此有一定的误差性。这样有可能有某几个区域为高瓦斯或者某几 个区域为低瓦斯。增加了判断煤矿高 /低瓦斯的难度性。 在第二问中的模型 I 中,我们采用数据初探法把它分为早、中、晚三班将一个月的 早班、中班、晚班的瓦斯浓度、煤尘含量分别求均值,并与煤矿安全规程的附表比较, 可发现他们全都没危险。这种从局部到整体的方法具有一定的可行性,它同样也是一个确 定的区间值,但是不能准确地预测不安全的可能性,用此判断必然会有一定的误 差性,因此我们采用了修正模型 II 。 在第三问中, 我们在计算煤矿总需风量的时候没有考虑井巷漏风的情形, 必然会给结果 造成一定的误差性。 6 模型的评价 6.1 优点 1 从上述计算过程中,可以看出该评价方法简单方便,易于操作。 2 该评价方法也可用于不同矿井间的通风系统安全性排序。 6.2 缺点 1模型没有考虑温度、压强、煤尘深度等因素的影响; 2 矿井在各个采区、总回风巷及工作面中均没设调节风窗。 3 各采掘面和用风地点的风量的配备没有充分考虑有害气体温度、风速 , 其配风量应考虑 网络的通过能力。 7 模型的推广 本模型可以适用于火车排风系统,抽水机抽水 。 参考文献 [1] 赵静,但琦 . 数学建模与数学实验第 2版 . 北京高等教育出版社, 2003。 [2] 王大曾 . 瓦斯地质 [M] . 北京 煤炭工业出版社 , 1992。 [3] 林伯泉 , 张建国 . 矿井瓦斯抽放理论与技术 [M] .徐州 中国矿业大学出版社 , 1996。 [4] 曹炳元 . 应用模糊与系统 . 北京 科学出版社, 2005。 [5] 刘卫国 .MATLAB 程序设计教程 .. 北京中国水利水电出版社, 2005。 [6] 国家安全生产监督管理总局、 国家煤矿安全监察局、 国家发展和改革委员会 . 关于印发 煤矿通风能力核定办法试行的通知 . . 2006年 9月 15日。