煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制摘要探讨煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制问题。根据某煤矿通风系统示意图，对该煤矿一个月内各监测点的监测数据分析，遵守煤矿安全规程的规定，用数学建模的思想去鉴别该煤矿的瓦斯等级，判断煤矿不安全的程度的大小，确定该煤矿需要的最佳（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。针对问题1，在对该煤矿瓦斯等级的鉴别过程中，根据煤矿安全规程第一百三十三条规定，运用数据的分类取量来建立鉴别高、低瓦斯煤矿的模型，并简单的利用Excel整体数据导入与综合运算等强大功能对监测数据进行数据处理，求出该煤井一个月内的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，从而利用模型鉴别出该煤井是属于“高瓦斯矿井”。针对问题2，在判别该煤矿不安全的程度大小的过程中，根据煤矿安全规程第一百六十八条的规定，参照瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数，用模型拟合的方法，建立了瓦斯浓度对煤尘下限的影响系数模型，并根据煤尘爆炸下限计算公式求出了各监测点的空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，再根据各监测点的煤尘浓度与该监测点相应的煤尘爆炸下限比较，利用了两种方法同时判别出该煤矿不安全的程度大小为0.0462963。针对问题3，在对该煤矿需要的最佳（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的确定中，根据某煤矿通风系统示意图中井巷风量的分流情况、煤矿安全规程第一百零一条对各井巷中风速的要求，结合监测数据，找出各监测点的瓦斯和煤尘、风速和瓦斯以及风速和煤尘之间比例关系，并确定了对最佳风量是由最大安全风量决定的，利用该比例关系结合线性规划的方法，建立求解能保障安全生产的风速的模型，再由求风量公式就能确定出该煤矿需要的最佳（总）通风量为、采煤工作面I所需要的风量为、采煤工作面所需要的风量为和局部通风机的额定风量为。关键词：瓦斯相对涌出量，瓦斯绝对涌出量，模型拟合，线性规划，风量，乏风，最佳通风量，监测与控制，煤尘爆炸下限，最大安全风0 问题背景当前，煤矿的安全生产已成为社会关注的热点问题之一，尤其在能源紧张，对煤的需求量不断增加的情况下，煤矿的安全生产问题更为值得我们关注，同时这也是构建和谐、稳定社会的重要组成部分。据新华社北京2006年2月5日电（记者刘铮）国家安全生产监督管理总局局长李毅中5日表示：今年的安全监管工作重点要在遏制煤矿等重特大事故、深化安全专项整治、探寻实施治本之策、加强企业安全基础工作方面实现新的突破。同时，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，以及相应的标准。规程要求煤矿都必须安装瓦斯自动检控系统和通风系统，瓦斯检控系统要求所有的采煤工作面和回风巷及部分进风巷都要设置安装瓦斯传感器，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，停止采煤工作，人员撤离采煤现场。据不完全统计，2005年全国煤矿发生事故405起，死亡2157人。瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的36.0%。在58起一次死亡10人以上的特大事故中，瓦斯事故40起，占69 %。一次死亡百人以上的事故5起。这些事故所造成的经济损失是重大的，给社会和伤亡人员的家庭所造成影响与损失是无法估量的。我们注意到，大部分煤矿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。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： 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”。问题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？ 问题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中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150400 m3/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。2 问题分析由给出了一个煤矿矿井实例以及相应数据（矿井通风系统示意图，监测数据，煤矿安全规程等）的条件下，要求对该矿井的类型和不安全程度分别进行鉴别和判断；并且进一步要求在保障安全生产的前提下考虑如何确定该煤矿需要的最佳（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。在第一问对矿井类型鉴别中，主要是对瓦斯的相对涌出量与绝对涌出量进行判断。我们由已知条件知道相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量分别与瓦斯的体积、煤的日产量有关，如果我们知道该煤矿瓦斯的体积和煤日产量，就能够很容易求出相对瓦斯涌出量与绝对瓦斯涌出量。但通过观察分析我们发现瓦斯浓度在现有给出的监测数据中存在量叠加的重复问题（如回风巷I的瓦斯来源于工作面I以及其它部分放散出来的），因而简单的对各区相对瓦斯量相加是不可取的。为此，我们对现有的监测数据按各个监测点分类考虑。并取矿井瓦斯总体积最大量作为瓦斯的总体积，来就求解相对和绝对瓦斯涌出量，进而鉴别该矿井的类型。在第二问对判断煤矿不安全的程度中，我们分析发现煤矿不安全程度主要由瓦斯爆炸的不安全程度和煤尘爆的不安全程度组成。首先、根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准及煤尘浓度的上、下限的一般范围，可以知道瓦斯浓度和煤尘对煤矿安全的影响。其次、就煤矿中瓦斯参与对煤尘下限的影响，根据二者的数据对应关系来判断空气中瓦斯浓度和煤尘下限降低系数的关系，从而确定瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系，然后从不同日期和监测点分别对该矿的安全程度进行讨论，通过对比分析来确定出该煤矿的不安全程度。在第三问对矿井所需要的最佳（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的确定中，最主要的问题就是如何对最佳（总）通风量确定的问题。根据题目给出的数据分析可知，通风量主要受风速与断面的影响并与风速存正比的关系。但风速受煤矿安全规程第一百零一条的要求限制。那么要使总通风量达到最佳，必须要使受限的风速在满足于瓦斯和煤尘在爆炸范围之外时达到最大。而在对风速最大安全风速求解问题上，可以根据限制条件把风速归纳为线性规划问题。3 名词解释与模型假设3.1名词解释（1）采煤工作面-矿井中进行开采的煤壁 (采煤现场)；（2）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；（3）掘进工作面-掘进巷尽头的开掘现场；（4）新鲜风-不含瓦斯和煤尘等有害物质的风流；（5）乏风-含有一定浓度的瓦斯和煤尘等有害物质的风流；（6）矿井通风-向矿井连续输送新鲜空气，供给人员呼吸，稀释并排出有害气和浮尘，改善井下气候条件及救灾时控制风流的作业；（7）瓦斯绝对涌出量-单位时间内涌出的瓦斯量；单位为m3/min；（8）瓦斯相对涌出量-矿井平均日产吨煤涌出的瓦斯量；单位为m3/日.t；（9）煤尘上限和下限浓度-单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低和最高煤尘含量；(10)上限和下限浓度-单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低或最高煤尘量；(11) 风量-单位时间内空气的体积；(12)大安全风：受煤矿安全规程第一百零一条的要求限制风速，在满足于瓦斯和煤尘在爆炸范围之外时达到最大的风速；3.2模型假设（1）该矿井给出的这一个月内的监测数据具有代表性（能够反映平常矿井内风速、瓦斯、煤尘情况）；（2）矿井中的瓦斯产生主要有四个来源，即：从采落下来的煤炭内放散出来的，从采掘工作面的煤壁内放散出来的，从煤巷两帮及顶底板放散出来的，从采空区周围煤壁中放散出来的；（3）煤的产出量是从煤被运出矿井后算起；（4）矿井为全天（24小时）作业且每班次的工作时间都为8小时；（5）在一天的每一班次（8小时）内矿井内的风速、瓦斯浓度变化不大；（6）当煤矿瓦斯和煤尘在爆炸范围之外（即煤矿达到安全时），矿井内的风速大也比风速小要好；4 符号说明-第日产煤的吨数（）；-天数 ；-高瓦斯矿井；-低瓦斯矿井；-第天矿井相对瓦斯涌出量；-第天矿井绝对相对瓦斯涌出量（）；-第天内班区内测点的风速；-第天内瓦斯的总体积（）；-各采煤区的进风巷、回风巷、掘进巷和掘进巷道中的风筒的横截面积；-早班、中班、晚班各通风的时间，其均为8小时；-第天内班区内测点监测点空中瓦斯浓度，即体积百分比；-为1、2、3、4、5、6分别代表工作面I、工作面II、掘进工作面、回风巷I、回风巷II、总回风巷；-为1、2、3分别代表一天中的早班、中班、晚班；-空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，；-煤尘的爆炸下限，一般为3050； -瓦斯参与使煤尘爆炸下限降低的降低系数；-一个月天数；-每天出现不安全的程度；-一个月内煤矿出现不安全的程度大；5 模型建立与求解5.1 高、低瓦斯矿井的鉴别由煤矿安全规程第一百三十三条的矿井分类标准鉴别如下图所示： 鉴别相对瓦斯涌出量且绝对瓦斯涌出量相对瓦斯涌出量或绝对瓦斯涌出量低瓦斯矿井高瓦斯矿井