煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制毕业设计论文 推荐.docx
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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中的监测数据统计各工作面和各巷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：
。
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
ABSTRACT
Thecoalminesafetyproductionisoneofthefocusthatconcernedbythepublic,especiallyunderthebackgroundthattheworldisinshortofenergyandthedemandofthecoalisincreasingcontinuously,thecoalminesafetyproductionisworthyofourbetterconcern,andthisisalsocontributedtobuildasafeandharmonioussociety.Wefindthatmostaccidentsshouldbeduetothefiredampexplosionorgrimeexplosion,whilethegasisunavoidableduringthecoalmineproduction.Therefore,thegasandthegrimeinthecoalmineisverydangeroustothesafetyproduction,howtodetectandcontrolthegasandthegrimeisthekeytomakesureofthecoalminesafetyproduction.
Thispaperfigureouttheabsolutefiredamp（QCH4）andtheoppositefiredamp（qCH4）inthewindcirclelane,andthencomparetheresultwiththestandarddata,thenconfirmit’s‘ahighgaswell’.Accordingtothemonitordataintable2,statthetimesthatgasdensityexceedednormalineachworkdepartmentandeachlane,andthiscanbeseenasthefrequencyinwhichtheinsecurityaffairsappeared,theratioofthefrequencyandthetotalmonitortimesshouldbetheinsecuritydegree,theinsecuritydegreeofthecoalmineis
.AccordingtoboththeactualinstanceofthecoalmineproductionandtheCoalMineSafetyProductionRegulations,usethemethodofinterpolationandfittingtoresolvethisproblem.Wegetthetotalventilationofthecoalmineandthesumsoftheventilationaboutthetwoworkdepartmentsneed.
Keywordsgas;ventilation;fitting;nonlinearconstrainedoptimization
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
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，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
。
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）。
注：
掘进巷需要安装局部通风机，其额定风量一般为
。
局部通风机所在的巷道中至少需要有
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。
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Ⅰ、工作面Ⅱ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。
[7][8]
（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
且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于
的矿井为低瓦斯矿井；而矿井相对瓦斯涌出量大于
或矿井绝对瓦斯涌出量大于
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。
[1][2]
设总回风巷风速为
，平均断面积为
，平均瓦斯浓度为
，则风量为
，瓦斯绝对涌出量为
。
又若煤矿日产量为
，则瓦斯相对涌出量为
。
由附表2数据，求得总回风巷平均风速为
，平均断面积为
，平均瓦斯浓度为
，平均煤矿日产量为
，则总风量为
，瓦斯绝对涌出量为
，瓦斯相对涌出量为
。
由此可得：
，
。
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
。
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]
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
，而当矿井空气中瓦斯浓度增加时，会使煤尘爆炸下限降低。
瓦斯浓度低于
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=[00.511.522.533.54];
y=[3022.51510.56.54.532.51.5];
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Ⅰ
采煤工作面Ⅱ
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Ⅰ
回风巷Ⅱ
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
。
（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，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
为总进风巷的风速，
为采煤工作面Ⅱ进风巷的风速，
为通往采煤工作面Ⅰ进风巷及掘进巷的风速，
为采煤工作面Ⅰ进风巷的风速，
为掘进巷（
的一个分支）的风速，
为局部通风机的风速（如无特别说明，风速的单位为
）。
主巷道断面大约为
，其他各采煤区的进风巷、回风巷和掘进巷的断面大约为
，掘进巷道中的风筒直径为
。
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
。
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：
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
。
由此可得局部通风机的额定风速为
。
得约束条件为：
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：
5.各工作面的瓦斯浓度不超过
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
。
设
分别为采煤工作面Ⅱ、采煤工作面Ⅰ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
。
得约束条件如下：
（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：
[12]
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做数据曲线拟合，可得“瓦斯浓度（
）-煤尘下限浓度（
）”函数关系式：
（1）
其具体程序如下：
x=[00.511.522.533.54];
y=[3022.51510.56.54.532.51.5];
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Ⅱ：
（2）
采煤工作面Ⅰ：
（3）
掘进工作面：
（4）
利用三个面的风速值，求出与之对应的煤尘浓度，得到的浓度需小于相应处的煤尘爆炸下限（将已经计算得到的瓦斯浓度分别代入
（1）式即可得）。
得约束条件如下：
综上所述可建立非线性规划模型如下：
用matlab解此模型。
具体程序如下：
第1步:
建立目标函数和非线性约束的m_文件。
functiony=f（x）%目标函数的m_文件
y=x
（1）
function[c,c1]=t（x）%非线性约束的m_文件
c=[20.4598*x
（2）*x
（2）-84.6745*x
（2）+95.2166-2.2851*（9.864/（4*x
（2）+0.09864））^2+15.9429*（9.864/（4*x
（2）+0.09864））-29.6;0.3566*x（4）*x（4）+0.2838*x（4）+5.2326-2.2857*（6.7728/（4*x（4）+0.067728））^2+15.9429*（6.7728/（4*x（4）+0.067728））-29.6;1.2367*（x（5）+0.01*pi*x（6））^2-3.6172*（x（5）+0.01*pi*x（6））+9.2355-2.2857*（25*0.029056/（x（5）+0.01*pi*x（6）+0.029056/4））^2+15.9429*（25*0.029056/（x（5）+0.01*pi*x（6）+0.029056/4））-29.6];
c1=0;
第2步:
运行程序。
键入
x0=[222222];a=[0000-10.0314159;000010.0314159];b=[-0.697344;4];a1=[5-4-4000;001-1-10];b1=[00];lb=[02.44130.251.6763019.8944];ub=[861061053.0516];
[x,fval]=fmincon（‘f’,x0,a,b,a1,b1,lb,ub,’t’）
得到结果：
x=4.35202.44132.99861.67631.322319.8944，fval=4.3520
输出结果的意义：
总通风巷的最优风速为
，此时采煤工作面Ⅱ进风巷的风速为
，采煤工作面Ⅰ进风巷的风速为
，局部通风机的风速为
。
则通风量计算如下：
总通风量：
局部通风机的额定风量：
采煤工作面Ⅰ所需要的风量：
采煤工作面Ⅱ所需要的风量：
考虑到巷道可能出现漏风的情况，最终结果原则上应比现在的总通风量（约
）要大，安全性提高，并且按基本守恒原则分配到各工作面。
四、模型优化与改进
本文运用插值、拟合等数学方法成功地建立了煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制的数学模型。
该模型可以通过观测风速的变化，得到煤矿瓦斯和煤尘的浓度变化，从而对煤矿的安全情况做出合理的监控和预测，确保煤矿生产的安全进行，对于煤矿的管理工作具有重大的现实意义。
但由于题中所给数据有限，易使模型出现以下缺点：
（一）当温度，压强，含氧量波动范围较大时，该模型不再适用。
导致该模型在更大范围内适用性较差。
（二）在本文建立的模型中风速是影响瓦斯和煤尘浓度的主要因素，本文在处理风速时在一定范围视其为定值，而在实际生产中风速是不断变化的。
（三）实际中，井巷可能会出现漏风现象，本文为了便于建模，忽略了这一点。
[9]
模型改进：
（一）在本文模型的基础上，建立除瓦斯和煤尘浓度之外的其它因素对矿井安全影响的模型，实现煤矿安全综合分析，从而在实际生产中具有更强的指导性和预测性。
（二）考虑到巷道可能出现漏风的情况，实际通风量应比模型求出的通风量要大，提高安全性。
[11][14]
附录
附表1瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系
A
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4
B
30~50
22.5~37.5
15~25
10.5~17.5
6.5~12.5
4.5~7.5
3~5
2.5~3.5
1.5~2.5
[注]A：
空气中瓦斯浓度（%）；B：
煤尘爆炸下限浓度（g/m3）
附表2各监测点的风速及瓦斯和煤尘的监测数据表
监测
日期点
与班次
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
日产量
（t/d）
风速
瓦斯
煤尘
风速
瓦斯
煤尘
风速
瓦斯
煤尘
风速
瓦斯
煤尘
风速
瓦斯
煤尘
风速
瓦斯
煤尘
1
早班
2.4
0.71
8
2.07
0.94
7.67
2.22
0.26
7.44
2.13
0.76
7.52
2.09
0.98
7.23
5.15
0.67
7.05
597
中班
2.56
0.62
8.4
2.08
0.85
7.51
2.29
0.26
7.45
2.27
0.66
7.93
2.1
0.89
7.27
5.36
0.6
7.28
晚班
2.24
0.66
7.61
2.09
0.82
7.51
2.4
0.29
7.62
2.09
0.73
7.14
2.11
0.9
7.07
5.31
0.63
6.8
2
早班
2.27
0.62
7.69
2.08
0.85
7.7
2.21
0.23
7.31
2.08
0.67
7.33
2.11
0.9
7.25
5.14
0.6
7.06
602
中班
2.41
0.63
7.99
2.13
0.92
7.74
2.29
0.26
7.47
2.23
0.68
7.73
2.16
0.98
7.35
5.39
0.64
7.22
晚班
2.4
0.66
7.87
2.1
0.89
7.85
2.29
0.22
7.56
2.21
0.71
7.31
2.12
0.93
7.41
5.32
0.62
7.03
3
早班
2.27
0.78
7.75
2.1
0.89
7.67
2.29
0.27
7.42
2.04
0.83
7.36
2.11
0.95
7.32
5.19
0.68
7.03
639
中班
2.22
0.71
7.71
2.09
0.92
7.56
2.31
0.26
7.48
2.11
0.76
7.25
2.11
0.97
7.26
5.26
0.65
6.93
晚班
2.29
0.66
7.68
2.09
0.94
7.51
2.15
0.16
7.18
2.02
0.71
7.17
2.12
1.01
7.15
5.05
0.63
6.94
4
早班
2.31
0.67
7.67
2.09
0.96
7.55
2.21
0.31
7.28
2.11
0.71
7.3
2.12
1
7.2
5.17
0.68
6.95
616
中班
2.37
0.71
7.89
2.08
0.72
7.58
2.11
0.19
7.02
2.17
0.76
7.42
2.12
0.75
7.09
5.14
0.58
6.95
晚班
2.4
0.62
7.99
2.1
0.87
7.61
2.44
0.18
7.71
2.11
0.68
7.39
2.12
0.9
7.25
5.36
0.58
6.99
5
早班
2.34
0.61
7.83
2
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