煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制.doc

煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制 摘要 本文讨论了煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制。 首先根据某煤矿30天的风速、瓦斯及煤尘浓度的每天三班的检测数据，通过计算煤矿的相对瓦斯涌出量与绝对瓦斯涌出量分别是qg25.3991 m3/t与Qg10.9752 m3/min，判断出该煤矿为高瓦斯矿。进而研究了该煤矿的不安全程度，最后为了保障安全生产，对工作面、掘进巷分别确定了最佳风量。 在研究煤矿的不安全程度时，利用了拟合和插值，确定对应煤尘浓度爆炸下限与瓦斯浓度的函数关系，计算了在各种不同的瓦斯浓度时的煤尘爆炸浓度的下限标准，再结合煤矿安全规程的规定判断出在生产过程中的报警与爆炸的发生概率，从而对煤矿的不安全程度作出评判。 在确定最佳需风量的问题时，先分别计算出煤矿的采煤工作面、掘进工作面的需风量。考虑到漏风和局部通风机的需要，建立优化模型，确定矿井通风系数，进而确定出最佳总通风量。 从模型结果中看出，吻合较好，模型计算结果精度及稳定性符合要求。 本模型算法简明，理论严密，参数选取适当，保证了结果的精度和稳定性，符合题目要求。 利用本模型可解决简单煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制的问题，还可以应用于医院、实验室的空气指标监测与控制等领域。 一、问题重述 据北京晨报报道2006年7、8月份全国发生煤矿事故333起，死亡621人，国家煤矿安全监察局局长赵铁锤说，煤矿安全生产形势依然严峻。所以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。 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。 题目给出了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，请结合题目附表的监测数据，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，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，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。根据题目提供的各井巷风量的分流情况以及煤矿安全规程第一百零一条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（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）。 二、模型假设 1.假设煤矿中的各点、各时段的监测数据是可信的（置信度大于95），数据为每个时段的平均值； 2.假设煤矿中采煤工作面和掘进工作面均匀送风，煤矿中的瓦斯均匀渗出，各监测点煤尘均匀分布。 3.假设瓦斯和煤尘混合爆炸的下限是我国的国家标准（即，瓦斯为0时，煤尘浓度为45 g/m3）。我们假设影响爆炸的其它因素，如温度、压强等在普通正常范围内。 4.只考虑在矿井中存在的瓦斯和煤尘对矿井安全的影响,不考虑其它因素和物质的影响如渗水、硐室等。 三、模型建立 1.主要符号说明 Qgi 第i时段第g个监测点的绝对瓦斯涌出量， m3/min Q 风量， m3/min C 风流中的平均瓦斯浓度，％ qgi 第i的时段第g个监测点的相对瓦斯涌出量，m3/t 日产量，t/d Pc 空气中有瓦斯c时的煤尘爆炸下限 Qwi 第i个采煤工作面需要风量，m3/min Qh 掘进工作面的需风量,m3/min 生产过程中的绝对瓦斯涌出量, m3/min 生产过程中的相对瓦斯涌出量, m3/t 2.问题分析 （1）问题1的分析瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量，对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面，叫翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。在有两个采煤工作面和一个掘进工作面的矿井通风系统中，我们根据各点处的检测值，可以利用煤矿开采学中瓦斯涌出量的计算公式，计算出的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。再根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准进行判断。 （2）问题2的分析对于煤矿爆炸事故的不安全性，我们考虑到瓦斯和煤尘混合爆炸与生产过程中报警的可能性来判断该煤矿不安全的程度。根据题目提供的各监测点的风速、瓦斯和煤尘的监测数据，可以判断出不会出现单一的瓦斯爆炸（在新鲜空气中，瓦斯爆炸界限一般为5～16％）。 瓦斯参与，将使煤尘爆炸下限降低。根据题目中附件1提供的瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系表，瓦斯浓度低于4时，煤尘的爆炸下限可用下式计算 式中空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，g/m3 爆尘的爆炸下限，一般为30～50g/m3 ，按我国国家标准取值为 降低系数见表1。 表1 瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数 空气中的瓦斯浓度 0 0.50 0.75 1.0 1.50 2.0 3.0 4.0 k 1 0.75 0.60 0.50 0.35 0.25 0.1 0.05 利用表1的数据，用Matlab拟合出瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系，从而进一步根据各时段监测的瓦斯浓度数据计算煤尘爆炸浓度下限。又根据煤矿安全规程第一百六十八条的规定，利用题目提供的监测数据判断出可能发生报警的次数。利用概率统计的知识来评判矿井的安全性。 （3）问题3的分析由煤矿的通风系统示意图知，矿井中有两个采煤工作面和一个掘进工作面，通过一个局部通风机和风筒实现掘进巷的通风，而风量的分配是通过两个可控风门调节各采煤工作面的风量。将系统中掘进工作面的需要风量与两个采煤工作面的需要风量分别进行计算求其下限。再根据煤矿安全规程第一百零一条中要求的风流速度（m/s）进行验证主要进、回风巷为（0～8）；采煤工作面和掘进工作面为（0.25～6）；通风人行道应大于0.15。相应换算成单位需风量（m3/min）为进、回风巷为（0～2400）、采煤工作面和掘进工作面为（60～1440）、通风人行道应大于36。我们可通过建立优化模型来讨论煤矿所需要的最佳（总）通风量，及其风量分配。 3.建立模型 （1）绝对瓦斯涌出量单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min 相对瓦斯涌出量平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t 则煤矿在一个月内的生产过程中的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量为 ， 2煤矿不安全程度的讨论 a.利用表1的数据，用MatLab曲线拟合工具箱，进行数据拟合，得到煤尘爆炸下限浓度pc 与瓦斯浓度c关系为 利用关系Pc可以得到所有测量点瓦斯浓度对应的煤尘爆炸浓度下限 i1,2,,540。相应监测的煤尘浓度为，为了讨论煤矿的安全性,我们以到的相对距离做为衡量煤矿安全性的基本指标,定义为煤尘浓度安全指标,即煤层浓度离煤尘浓度爆炸下限越远则煤矿越安全,反 则越危险. 令 ； 其平均值为 ； 则，煤尘浓度的波动性为 ； b.利用概率统计的知识，煤矿发生爆炸或发生报警的概率为 式中，m为30天每天3班瓦斯指标的报警次数（即，瓦斯浓度1），n为观测总次数（540次）。 C．综合上述考虑，煤尘浓度安全指标与瓦斯报警的指标，引入加权值来讨论煤矿安全系数 因为在一定瓦斯浓度下,煤尘浓度的高低更能反映煤矿的安全性,而瓦斯浓度指标仅仅是一个单一报警指标,所以我们认为0.8, 0.2的取值比较合适. （3）采煤工作面需风量的计算---根据煤矿安全规程规定，回采工作面回风流中瓦斯或二氧化碳的浓度不超过1的要求，按瓦斯涌出量计算 式中Qwi第i个采煤工作面需要风量，m3/min Qgwi第i个采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min kgwi第i个采煤工作面瓦斯涌出不均衡通风系数。（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大绝对瓦斯涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。 （4）掘进工作面需风量的计算-----与采煤工作面所需风量的计算方法基本相同，按瓦斯涌出量计算 式中，Qh掘进工作面的需风量，m3/min Qgh掘进工作面的绝对瓦斯涌出量,m3/min kgh掘进工作面的瓦斯涌出不均衡通风系数。（正常生产条件下，连续观测1个月，日最大绝对瓦斯涌出量与月平均日瓦斯绝对涌出量的比值）。 5矿井总需风量计算 矿井的总进风量，应按采煤、掘进、硐室及其他地点实际需要风量的总和 式中，∑Qwl采煤工作面和备用工作面所需风量之和，m3/min； Qhl掘进工作面所需风量之和，m3/min； km矿井通风系统（包括矿井内部漏风和配风不均匀等因素）备用系数，宜取1.15～1.25。 当∑Qwl与Qhl为定值时，矿井总需风量的优化应转化为km的最优值。对于掘进工作面而言设Qh是掘进工作巷道的通风总量，则有 四、模型求解 1.对于问题（1）的数学模型，我们利用MATLAB软件编程（见附录程序sm06d1.m）计算出结果为 （1）绝对瓦斯涌出量Qg10.9752 m3/min，相对瓦斯涌出量qg25.3991 m3/t （2）煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准为“低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10 m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于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大于40m3/min”。所以我们可以认定该煤矿为高瓦斯矿井。 2.对于问题（2）的数学模型，我们利用MATLAB软件编程（见附录程序sm06d2.m） （1）煤尘发生爆炸的次数为0。 （2）煤尘浓度安全指标为 0.26 （3）瓦斯报警次数为25次，则报警的概率为4.6 0.046 （4） 设定0.8 ，0.2时, 煤矿安全系数为 这说明该煤矿不安全的程度较低。其中报警的概率较大，但达到发生爆炸的概率很低. 3.对于问题（3）的数学模型，我们利用MATLAB软件编程（见附录程序sm06d3.m）计算出结果为 （1）采煤工作面Ⅰ需风量；采煤工作面Ⅱ需风量；掘进工作面需风量 （2）根据的优化模型，可以计算，求得，1.233。 （3）矿井最佳总需风量。 五、 结果分析与检验 1. 该煤矿为高瓦斯矿井。 2．我们对煤矿安全综合指标,按下表分类作为衡量煤矿安全程度的依据,以此评定煤矿安全等级,如表2 表2 煤矿安全综合指标分类表 煤矿安全等级 很安全 安 全 较安全 危险 很危险 煤矿安全系数 0～0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.8 大于0.8 因为煤矿安全系数为 ，参照上表可知该煤矿可评定为安全等级. 3.矿井瓦斯报警概率为0.046 ，说明该矿井的瓦斯含量有一定的不稳定性个别时刻稍偏高，但总体说来，是在安全状态下工作。 4.如进一步分析该煤矿的安全状况,以煤尘浓度安全指标来分析,在总共540个样本数据中的煤尘浓度安全指标统计分布如表3所示 表3 煤尘浓度安全系数样本数据统计分布表 煤尘浓度安全系数取值范围 0.1～0.2 0.2～0.3 0.3～0.4 样本数据在该范围中的个数 88 364 88 样本数据在该范围中的百分数 16.3 67.4 16.3 从表3数据可知,该煤尘浓度均低于国家标准下限的40,多数情况下83.7不到国家标准下限的30,矿井的生产状况是安全的,发生爆炸的可能性很低. 5.风量的计算中，充分考虑到了人行道的通风量大于36m3/min，我们认为这是合适的；同时，计算掘进工作面的通风量时，考虑到局部通风机和风筒的使用，使整个巷道的风量一分为二，符合实际情况。 6.结果检验 （1）对于各区域的风速,其计算公式为 式中 各区域所需风量, m3/min 各区域巷道的横截面积, . 按风速要求对结果进行检验，具体如表4 表4 风速计算值的判断 区 域 风速要求m/s 理论风速m/s 是否合格 工作面Ⅰ 0.258 1.6487 合格 工作面Ⅱ 0.258 2.0749 合格 掘进工作面 0.258 0.6299 合格 主巷道 08 4.2873 合格 人行道 0.158 0.1632 合格 （2）根据煤矿安全规程规定的最低风速和最高风速，各区域风量应满足的条件 （为各工作面的断面积） 工作面Ⅰ、工作面Ⅱ、掘进工作面风量应满足,计算值分别为395.6799 m3/min、497.9840 m3/min、149.4875 m3/min，均符合要求；主巷道风量应满足 m3/min，计算值为243.0486 m3/min符合要求。 （3）根据煤矿安全规程规定，井下工作人员每人供风量应大于4 m3/min，可 计算出每个工作面允许的最多的作业人数 ,计算式如下 结果如表5 表5 工作面人数上限的判断 工作面Ⅰ 工作面Ⅱ 掘进工作面 矿井总人数 最多允许 人数 98 124 37 259 为了矿井和工作人员的安全，下井作业人数应不超过上表所示人数。 六、模型评价与推广 1.本模型运用了大量的计算机程序处理数据，同时运用了MATLAB软件进行处理计算，还应用拟合、插值及概率统计的方法,使得计算结果更加的合理，具有较高的准确性。 2.模型从模型结果中看出，吻合较好，模型计算结果精度及稳定性符合要求。 3.本模型算法简明，理论严密，参数选取适当，保证了结果的精度和稳定性，符合题目要求。 4.利用本模型可解决简单煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制的问题，还可以应用于在医院、实验室的空气指标监测与控制等领域,同时对其他的一些矿产作业（如天然气、石油的开采等），矿井的安全生产提供了一定的参考。 5.在计算中，未考虑矿井当地的气温、地温、井下机械设备等热源、其他热源和岩石的热物理性能,以及井下各通风巷道和采、掘工作面的风流温度；也未考虑采煤方式机采、炮采、水采,以及供风方式压入式、抽出式,这是本文的不足之处。 参考文献 [1] 徐永圻主编，煤矿开采学修订本，中国矿业大学出版社，1999.8第二版 [2] 赵全福，煤尘爆炸事故分析与预防对策建议，国家安全生产监督管理总局调查研究，第3期 （总119期），2006年 3月28日 [3]张智星，MATLAB程序设计与应用，北京清华大学出版社，2002年4月。 [4]刘嘉昆.王家生、张玉环，应用概率统计，北京科学出版社，2004年4月。 [5]煤矿矿井风量计算方法，MT/T634-1996,中华人民共和国煤炭工业1996-12-30批准 附录 1.数据的预处理将题目提供的观测数据中的工作面Ⅰ、工作面Ⅱ、掘进工作面、回风巷Ⅰ、回风巷Ⅱ、总回风巷的风速、瓦斯、煤尘保存为txt文件。位于默认目录下，文件名为d.txt。一共包括1620个数据。 2．程序清单 序号 程序名 目 的 结 果 备 注 1 sm06d1.m 解决第1问 1.计算各个点，每班的瓦斯涌出量（立方米）。 2. 计算 ①总回风巷的最大相对瓦斯涌出量； ②总回风巷的最大绝对瓦斯涌出量； ③各工作点天每天3班共450个数据中的，绝对瓦斯涌出量最大值 1.总回风巷的最大相对瓦斯涌出量25.3991立方米/吨, 2. 总回风巷的最大绝对瓦斯涌出量10.9752立方米/min 3.各工作点天每天3班共450个数据中的，绝对瓦斯涌出量最大值 4.4986（立方米/min） 每班的瓦斯涌出量（立方米），结果保存在wsl.txt中。 2 sm06d2.m 解决第2问 1.计算两个工作面、两个回风巷、掘进工作面共个数据中，存在爆炸危险的个数 2.计算5个工作面瓦斯浓度1的个数 3 sm06d3.m 解决第3问 1.求各工作面所需要的风量 2.求矿井最佳的总需风量 1.采煤工作面Ⅰ需风量Qw395.6799 m3/min 2.采煤工作面Ⅱ需风量Qw497.9840 m3/min 3.掘进工作面需风量Qh149.4875 m3/min 4．矿井最佳总需风量 3.程序sm06d1 本程序解决第1问 本段程序运行后,得到各个点，每班的瓦斯涌出量（立方米），得到540个数据 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; for i1130 for j113 for k116 if k0 end end end ww/540 统计煤尘爆炸的次数,即tt1的个数 ddd0; for i1190 for j116 if tti,j1 dddddd1; end end end 煤尘爆炸的次数 ddd 计算tt--的平均值 yyy0; for i1190 for j116 yyyyyytti,j; end end yyyyyy/540; 计算每个数据与平均值的差的绝对值hh,并取其最大值, 结果就是煤尘涌出的不稳定性 for i1190 for j116 hhi,jabstti,j-yyy; end end 煤尘涌出的不稳定性 hhmaxmaxhh 对于采煤工作面Ⅰ,求平均 pp10; for i1190 pp1pp1tti,1; end pp1pp1/90; 对于采煤工作面Ⅱ,求平均 pp20; for i1190 pp2pp2tti,2; end pp2pp2/90; 对于掘进工作面,求平均 pp30; for i1190 pp3pp3tti,3; end pp3pp3/90 ; 对于回风巷Ⅰ,求平均 pp40; for i1190 pp4pp4tti,4; end pp4pp4/90 ; 对于回风巷Ⅱ,求平均 pp50; for i1190 pp5pp5tti,5; end pp5pp5/90 ; 对于总回风巷,求平均 pp60; for i1190 pp6pp6tti,6; end pp6pp6/90 ; 结果是6个数据,分别代表6个煤层在30天内3班, 各共90个数据的平均数 pp; pyyy*0.8hh*0.2 综合计算 ------------------------------------------------------------------ 下面这段程序,计算采煤工作面Ⅰ的报警次数, 即题目提供的瓦斯浓度数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; cm10; 采煤工作面1,统计瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-121 cm1cm11; end end cm1; fclosefid; 下面这段程序计算,采煤工作面Ⅱ的报警次数, 即题目提供的数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; cm20; 采煤工作面2,统计瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-151 cm2cm21; end end cm2; fclosefid; 下面这段程序,计算掘进工作面的报警次数, 即题目提供的数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; jj0; 统计掘进工作面,瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-181 jjjj1; end end jj; fclosefid; 下面这段程序,计算回风巷Ⅰ的报警次数, 即题目提供的数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; hf10; 统计回风巷Ⅰ,瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-1111 hf1hf11; end end hf1; fclosefid; 下面这段程序,计算回风巷Ⅱ的报警次数, 即题目提供的数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; hf20; 统计回风巷Ⅱ,瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-1141 hf2hf21; end end hf2; fclosefid; 下面这段程序,计算总回风巷的报警次数, 即题目提供的数据中有多少个是大于1的 fidd.txt; d.txt中保存的是各个观测点测量的风速、瓦斯、和煤尘的原始数据 ffscanffid,g; zhf0; 统计回风巷Ⅱ,瓦斯浓度大于1的个数 for i1190 if f18*i-1171 zhfzhf1; end end zhf; fclosefid; 6个煤层,瓦斯浓度数据中大于1的总数 cm1cm2hf1hf2zhfjj 6个煤层,瓦斯浓度数据中报警的概率 cm1cm2hf1hf2zhfjj/540 ------------------------------------------------------------------ 5.程序sm06d3 本程序sm06d3,解决第3问 下面这段程序，计算工作面Ⅰ的风量要求，公式，Q1100*q11*K1 先计算工作面Ⅰ瓦斯的平均绝对涌出量 fidwsl.txt; ws1.txt中保存的是30天每天班6个点的瓦斯涌出量立方米 yyfscanffid,g; wss0; for i1190 wssyy1i-1*6wss; end q1wss/30; q1是工作面Ⅰ,30天每天的瓦斯涌出量的平均值,单位是立方米/天 q11wss/90*8*60; q11是工作面Ⅰ,30天每天的瓦斯绝对涌出量的平均值,单位是立方米/min 计算日瓦斯涌出量的最大值,把每天的3班相加 q120; q12是工作面Ⅰ,30天的瓦斯绝对涌出量的某一天的最大值,单位是立方米/天 for i1130 mmyy1i-1*6yy1i*6yy1i1*6; if mmq12 q12mm; end end K1q12/q1; 采煤工作面Ⅰ需风量,立方米/ min Q1100*q11*K1 Q1是工作面Ⅰ需要的风量,立方米/ min 下面这段程序，计算工作面Ⅱ的风量要求，公式，Q2100*q21*K2 先计算工作面Ⅱ瓦斯的平均绝对涌出量 wss0; for i1190 wssyy2i-1*6wss; end q2wss/30; q2是工作面Ⅱ,30天每天的瓦斯涌出量的平均值,单位是立方米/天 q21wss/90*8*60; q21是工作面Ⅱ,30天每天的瓦斯绝对涌出量的平均值,单位是立方米/min 计算日瓦斯涌出量的最大值,把每天的3班相加 q220; q22是工作面Ⅱ,30天的瓦斯绝对涌出量的某一天的最大值,单位是立方米/天 for i1130 mmyy2i-1*6yy2i*6yy2i1*6; if mmq22 q22mm;