煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制毕业论文设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！ )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

2、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：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ABSTRACTThe coal mine safety production is one of the focus that concerned by the publi

3、c, 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 or grime explosion, while the gas is unavoidable during the

4、 coal mine production. Therefore, the gas and the grime in the coal mine is very dangerous to the safety production, .This paper figure out the absolute firedamp( QCH4 )and the opposite firedamp( qCH4 )in the wind circle lane, and then compare theresult with the standard data, then confirm it s a ta

5、ble 2,stat the times that gas density exceeded 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

6、is4.6% .According to both the actual instance 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 totalventilation of the coal mine and the sums of the ventilation about the two work departments

7、need.Keywords gas; ventilation; fitting; nonlinear constrained optimization目录1,2,2,3,31.,32.,3,4,911,16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

8、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302000g/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。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

9、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

10、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 m 3 /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。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

11、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。 78（一）鉴别该煤矿类型要鉴别该矿

12、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 10m3 / t 且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40 m3 / min 的矿井为低瓦斯矿井；而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 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 v(m / s) ，平均断面积为 s(m2 ) ，平均瓦斯浓度为 Cg (%) ， 则 风 量 为 Q 60sv(m3 / min) ， 瓦 斯 绝 对 涌 出 量 为 G Q

13、Cg /100( m3 / min) 。又若煤矿日产量为 Ag (t / d ) ，则瓦斯相对涌出量为 g 24 60G / Ag (m3 / t) 。由附表 2数据，求得总回风巷平均风速为v5.2(m / s) ，平均断面积为 s5(m2 ) ， 平 均 瓦 斯 浓 度 为 Cg0.63(%) ， 平 均 煤 矿 日 产 量 为Ag 605.8( t / d ) ，则总风量为 Q 1558.9(m3 / min) ，瓦斯绝对涌出量为 G 9.8(m3 / min) ，瓦斯相对涌出量为 g 24.8(m3 / t ) 。由此可得： G9.8(m3 / min)40(m3 / min) ，g24

14、.8(m3 / t)10(m3 / 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% 。 462. 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。

15、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关系瓦斯浓度 (%)00.51.01.52.02.53.03.54煤尘爆炸下限 (gm 3)3022.51510.56.54.532.51.5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

16、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0.5917.99050.6713.910.1325.292最大值0.7821.00981.1119.7080.3328.32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0.6417.250.7113.910.5419.071最大值0.8320.1921.1819.7080.7121.836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

17、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，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 x1 为总进风巷的风速，x2 为采煤工作面进风巷的风速，x3 为通往采煤工作面进风巷及掘进巷的风速，x4 为采煤工作面进风

18、巷的风速，x5 为掘进巷（x3 的一个分支）的风速，x6 为局部通风机的风速（如无特别说明，风速的单位为m / s）。主巷道断面大约为5m2 ，其他各采煤区的进风巷、回风巷和掘进巷的断面大约为4m2 ，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f (x)x1 。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：5x14 x2x3, x3

19、x4x53. 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150 400m3/ min。由此可得局部通风机的额定风速为19.8944 53.0516m / s。得约束条件为：19.8944x653.05164. 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：0x18,0.25x26,0.25x310,0.25x46,0.15x50.01 x645. 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 a1 , a2 ,a3 分别为采煤工作面、采煤

20、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a10.0986m3 / s, a20.0677m3 / s, a30.0291m3 / s 。 得 约 束 条 件 如 下 ：100a1 %1%, 100a2 %1%,100a3% 1% （不等式左边的4x2a14x4a24x50.04 x6a3表达式为相应观测点的瓦斯浓度）化简不等式可得：x22.4404;x41.6756 126. 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(%)0.00.51.01.52.02.53.03.54.0煤尘爆炸下限浓度(gm3 )302

21、2.51510.56.54.53.02.51.5运用 matlab 做数据曲线拟合，可得“瓦斯浓度（x瓦 ）- 煤尘下限浓度 ( y煤 ) ”函数关系式：y煤2.2857x瓦215.9429x瓦 29.6（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：y煤220.4598x风 2284.6745x风2 95.2166（2）采煤工

22、作面：y煤10.3566x风 120.2838x风1 5.2326（3）掘进工作面：y煤掘1.2367x风掘23.6172x风掘9.2355（ 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：220.4598 x2284.6745x295.21662.28579.864x20.098615.94299.8629.64x20.098620.3566 x420.2838 x45.23262.28576.774x40.067715.94296.7729.64x40.06771.2367( x50.

23、01 x6 )23.6172( x50.01 x6 )9.23550.726420.726415.94292.285729.6x5 0.01 x6 0.0073x50.01 x6 0.0073综上所述可建立非线性规划模型如下：min f ( x)x10.15x50.01 x645x14 x2x3x3x4x5220.4598x2284.6745x295.21662.28579.864x20.098615.94299.8629.64x20.09866.772s.t 0.3566x420.2838x45.23262.28574x40.067715.94296.7729.64x40.06771.236

24、7( x50.01x6 )23.6172( x50.01 x6 )9.23550.726420.72642.285715.942929.6x5 0.01 x6x5 0.01 x60.00730.00730x18,2.4404x26,0.25 x310,1.6756x46,0x510,19.8944x6 53.0516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。function y=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

25、)+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)+0.0290564)2+15.942

26、9*(25*0.029056(x(5)+0.01*pi*x(6)+0.0290564)-29.6;c1=0;第 2步 : 运行程序。键入x0=2 2 2 2 2 2 ;a=0 0 0 0 -1 0.0314159;0 0 0 0 1 0.0314159;b=-0.697344;4;a1=5 -4 -4 0 0 0;0 0 1 -1 -1 0;b1=0 0 ;lb=0 2.4413 0.25 1.6763 0 19.8944;ub=8 6 10 6 10 53.0516;x,fval=fmincon( f ,x0,a,b,a1,b1,lb,ub, t )得到结果：x=4.35202.44132.

27、99861.67631.322319.8944，fval=4.3520输出结果的意义：总通风巷的最优风速为4.3520m/s ，此时采煤工作 面 进风 巷的 风速 为 2.4413m/s ， 采 煤工作面 进 风巷 的风速为1.6763m/s ，局部通风机的风速为19.8944m/s 。则通风量计算如下：总通风量：4.3525 =1305.6 m3 / min局部通风机的额定风量：19.8944 0.0460/ 1-0.15 =176.47m3 / min采煤工作面所需要的风量：1.6763460=402.312 m3 / min采煤工作面所需要的风量：2.4413460598.912m3 /

28、 min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 1305.6m3 / min ）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

29、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。1114附录附表 1 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系A00.51.01.52.02.53.03.54B305022.537.5152510.517.56.512.54.57.5352.53.51.5

30、2.5 注 A ：空气中瓦斯浓度(%) ； B：煤尘爆炸下限浓度( gm3)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早班1 中班晚班早班2 中班晚班早班3 中班工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷总回风巷日产量风瓦（ td ）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 煤尘速斯2.40.7182.070.947.672.220.267.442.130.767.522.090.987.235.150.677.052.560.628.42.080.857.512.290.267.452.270.667.932.10.897.275

31、.360.67.285972.240.667.612.090.827.512.40.297.622.090.737.142.110.97.075.310.636.82.270.627.692.080.857.72.210.237.312.080.677.332.110.97.255.140.67.062.410.637.992.130.927.742.290.267.472.230.687.732.160.987.355.390.647.226022.40.667.872.10.897.852.290.227.562.210.717.312.120.937.415.320.627.032.27

32、0.787.752.10.897.672.290.277.422.040.837.362.110.957.325.190.687.032.220.717.712.090.927.562.310.267.482.110.767.252.110.977.265.260.656.93639晚班2.29 0.66 7.682.09 0.947.51 2.15 0.167.18 2.020.71 7.17 2.121.017.155.05 0.636.94早班2.310.677.672.090.967.552.210.317.282.110.717.32.1217.25.170.686.954中班2.3

33、70.717.892.080.727.582.110.197.022.170.767.422.120.757.095.140.586.95616晚班2.40.627.992.10.877.612.440.187.712.110.687.392.120.97.255.360.586.99早班2.340.617.832.110.847.772.270.287.462.080.667.42.140.897.315.210.6175中班2.430.648.12.140.87.672.360.247.552.170.697.722.160.827.285.370.587.1610晚班2.270.697.

34、642.080.997.652.210.217.341.960.757.232.111.037.15.030.656.96早班2.290.727.812.10.977.752.270.27.481.930.777.442.121.027.285.080.667.026中班2.390.647.962.110.987.542.10.237.242.020.717.642.131.017.135.010.687.06588晚班2.310.697.732.1217.462.180.227.1720.757.312.131.077.15.070.686.94早班2.360.77.812.130.777.

35、662.210.237.352.090.747.472.160.827.415.190.67.077中班2.40.697.952.090.847.632.290.237.542.020.747.472.120.887.245.180.627.12582晚班2.520.658.232.070.947.82.240.217.552.270.717.952.070.997.395.290.647.43早班2.490.648.192.140.787.782.270.287.452.210.687.92.160.827.395.340.597.388中班2.210.737.592.090.87.72.2

36、20.267.211.910.777.152.10.847.395.010.626.94605晚班2.270.667.672.070.947.682.220.197.372.080.717.212.0917.455.130.637.01早班2.390.597.822.061.017.662.240.167.22.130.647.482.081.057.325.170.617.199中班2.370.688.082.10.917.572.290.177.472.150.757.282.120.957.315.280.637.03585晚班2.270.737.652.080.697.512.290.

37、197.342.060.777.342.120.757.245.190.586.94早班2.360.657.952.120.877.542.270.327.462.040.737.482.130.97.155.180.656.9910620中班2.360.677.852.130.857.852.230.237.392.130.727.172.140.927.335.230.627.07晚班2.360.677.862.110.847.572.240.167.512.10.727.482.140.97.225.210.67.16早班2.290.77.882.070.847.512.140.227.

38、262.110.747.442.090.897.125.10.626.911中班2.310.657.742.090.817.852.180.247.242.140.687.222.110.867.55.170.617616晚班2.370.698.12.090.837.612.090.276.992.110.757.722.110.887.065.080.647.11早班2.370.647.862.090.887.652.220.197.211.970.77.362.110.927.075.060.66.9612中班2.360.657.82.10.817.642.180.177.332.10.7

39、27.462.120.867.275.130.587.05608晚班2.360.667.812.10.677.682.180.267.22.270.77.592.120.717.185.280.577.18早班2.270.727.82.130.947.682.140.257.072.140.777.362.1417.465.160.687.1913中班2.370.717.772.090.897.692.440.197.742.140.757.282.110.957.255.360.627.05612晚班2.210.767.592.120.827.722.210.277.331.970.837.

40、352.160.877.265.10.667.07早班2.430.67.962.070.787.482.140.217.332.180.647.642.090.837.155.130.577.114中班2.360.6982.081.117.662.310.27.732.090.747.612.091.187.265.220.697.15606晚班2.310.697.752.090.857.552.220.277.342.110.737.422.110.97.255.160.647.07早班2.520.638.082.10.797.772.290.157.592.210.687.762.140.837.395.320.557.1515中班2.270.77.752.090.857.712.220.247.262.020.757.342.120.97.385.110.627.06592晚班2.460.678.172.110.767.662.220.297.162.210.747.772.120.837.335.2