(精品)煤矿和瓦斯的监测与控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,信息工程大学 信息工程学院,*,信息工程大学,-,信息工程学院,煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制,数学建模培训讲座,-,韩 中 庚,Institute of Information Engineering,Information Engineering University,10/15/2024,1,信息工程大学 信息工程学院,煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制,基本内容,：,1,、,问题的提出与背景,；,2,、,判断高瓦斯矿还是低瓦斯矿,;,3,、,判断煤矿不安全的程度,;,4,、,确定最佳通风量和风量控制,;,5,、,问题的评价与存在问题,.,数学建模培训讲座,_,10/15/2024,2,信息工程大学 信息工程学院,一、,问题的提出与背景,煤矿安全生产是社会重点关注的热点问题之一。,2005,年全国煤矿共发生死亡事故,3341,起，共死亡,5986,人，其中瓦斯爆炸事故,405,起，死亡,2157,人，占总死亡人数的,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。,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。,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。,10/15/2024,3,信息工程大学 信息工程学院,一、,问题的提出与背景,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/m,3,，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。,10/15/2024,4,信息工程大学 信息工程学院,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。,一、,问题的提出与背景,10/15/2024,5,信息工程大学 信息工程学院,（,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，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？,一、,问题的提出与背景,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：,10/15/2024,6,信息工程大学 信息工程学院,（,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,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，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。,一、,问题的提出与背景,10/15/2024,7,信息工程大学 信息工程学院,返回,10/15/2024,8,信息工程大学 信息工程学院,按照,规程,要求，当井下瓦斯的相对涌出量不超过,10m,3,/t,，且绝对涌出量不超过,40m,3,/min,时为低瓦斯矿。当相对涌出时大于,10m,3,/t,，或绝对涌出量大于,40m,3,/min,时为高瓦斯矿。更严重的称为瓦斯突出矿。,瓦斯绝对涌出量是单位时间涌出的瓦斯的体积，在此用,G,表示，单位为,m,3,/d,，或,m,3,/min,。,瓦斯相对涌出量是平均日产,1,吨煤所涌出的瓦斯量，在此用,g,表示，单位为,m,3,/t,。,二、判别低瓦斯矿还是高瓦斯矿,10/15/2024,9,信息工程大学 信息工程学院,10/15/2024,10,信息工程大学 信息工程学院,10/15/2024,11,信息工程大学 信息工程学院,由题目所给的实际数据，计算可以得到各工作面的瓦斯绝对涌出量和总回风巷的绝对瓦斯涌出量与相对涌出量的具体结果。,瓦斯的绝对涌出量平均值为,9.7482 m,3,/min,；,相对涌出量的月平均值为,23.1705,（,10,）,m,3,/t,。,该煤矿为,高瓦斯矿,。,低瓦斯矿,：相对涌出量,10m,3,/t,，且绝对涌出量,40m,3,/min,。,高瓦斯矿,：相对涌出量,10m,3,/t,，或绝对涌出量,40m,3,/min,时为。,10/15/2024,12,信息工程大学 信息工程学院,该煤矿包含有两个开采工作面、一个掘进工作面、两条回风巷和一条总回风巷，即,5,个监测点,.,每一个地方的出现不安全的情况都会对整个煤矿构成威胁，为此对每个监测点的数据都应考虑。,根据所给出的,540,组监测数据，既要考虑瓦斯和煤尘浓度单项指标超标的情况，同时还要考虑瓦斯和煤尘的相互作用使得出现不安全的情况。,即随着瓦斯浓度的增高，煤尘爆炸浓度下限急剧下降，使得煤矿不安全的因素增加。,三、统计分析的不安全的程度,10/15/2024,13,信息工程大学 信息工程学院,研究该煤矿出现不安全情况的统计概率如下,:,10/15/2024,14,信息工程大学 信息工程学院,四、确定最佳通风量和风量的调节控制,1.,对问题的分析,采煤工作面和巷道所需通风量的原则：,（,1,）采煤工作面的瓦斯浓度不超过,1%,，,（,2,）采煤工人平均每人所需风量不小于,m,3,/min,，即保证充分的吸氧量；,（,3,）采煤工作面温度不超过,26,o,C,，要保持良好的通风条件；,（,4,）保证爆破作业所需要的风量；,（,5,）能够有效的排出瓦斯和矿尘，但又不能造成煤尘飞扬。,10/15/2024,15,信息工程大学 信息工程学院,对于井下的瓦斯而言，降低浓度的基本办法就是通风，而且瓦斯的浓度随着风速的增大而单调减小。,风速,m/s,瓦斯浓度,%,煤尘是不可避免的，风速太小不能将煤尘带走，风速太大虽可能带走一些浮尘，但又可扬起一些积尘，即当风速大于,1.5,m,/,s,时，风速越大煤尘浓度就越严高。所以对于矿井下的煤尘而言风速不宜过小，也不宜过大，适宜最佳。,1.5,风速,m/s,煤尘浓度,%,10/15/2024,16,信息工程大学 信息工程学院,四、确定最佳通风量和风量的调节控制,2.,确定瓦斯浓度与风速的关系,各工作面和回风巷的瓦斯浓度除了与风速有关以外，还与瓦斯的涌出量有关，而且涌出量是一个不可控的因素，也是不确定的。,事实上瓦斯的浓度与风速成反比，与断面面积成反比。,10/15/2024,17,信息工程大学 信息工程学院,根据问题的监测数据作最小二乘拟合可得拟合系数：,即可得到各工作面与回风巷的瓦斯浓度随风速变化的近似关系：,10/15/2024,18,信息工程大学 信息工程学院,3.,确定煤尘浓度与风速的关系,10/15/2024,19,信息工程大学 信息工程学院,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，寻求煤矿的最小的通风量，即保证全煤矿的安全生产。,4,.,确定煤矿的最佳通风量,10/15/2024,20,信息工程大学 信息工程学院,说明：,目标函数：,总的通风量最小，为局部通风机的额定风量；,条件,1,：,总通风量与总回风量的守恒，不等号是实际都会有漏风的现象，会差别；,条件,2,：,规程,要求工作面的瓦斯浓度不能超过,1.0%,；,条件,3,和,4,：,在不同瓦斯浓度下对煤尘浓度的要求范围；,条件,5,，,6,和,7,：,规程,要求工作面、巷道和总回风巷的风速标准；,条件,8,：,实际中局部通风机的额定风量范围；,条件,9,：,是对巷道分流的要求，以保证巷道风流的压力。,10/15/2024,21,信息工程大学 信息工程学院,10/15/2024,22,信息工程大学 信息工程学院,5.,风量的调节与控制,10/15/2024,23,信息工程大学 信息工程学院,五、问题的评价与存在问题,问题（）,:,基本上都是依据绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两项指标判断确定该煤矿为高瓦斯矿，主要是相对涌出量指标超过,10 m,3,/t,。,问题（）,:,要求根据所给出的,30,天,(,每天,3,次,)6,个观测点的风速、瓦斯和煤尘的监测数据来统计判断该煤矿不安全的程度。解决方法主要有三类：,一类是由已知的监测数据做统计计算得到统计概率，即出现指标超标的次数与总监测次数之比，但很多答卷中的总监测次数为,540.,3540,1620,即“,30,天,每天,3,次,6,个监测点,3,项指标”。,10/15/2024,24,信息工程大学 信息工程学院,第二类,:,对所监测数据作统计分析，假设服从正态分布规律，并估计其均值和方差，自定义安全性指标和相应标准，进行检验和判断得出结论。,这类方法总体可行，但缺少客观性和可信度，将问题考虑的过于复杂化，同时对假设和安全性指标定义的合理性缺少依据。,第三类,:,仅依据煤尘爆炸下限随瓦斯浓度变化的关系作简单的数据拟合（指数拟合，或二次拟合、三次拟合等），并自定义所谓的安全性指标和相应标准，对问题进行检验和判断得出结论，这类方法有明显的不合理性。,五、问题的评价与存在问题,10/15/2024,25,信息工程大学 信息工程学院,问题（）,:,是这个题目的核心问题，主要是根据煤矿的实际情况以及,规程,的实际要求，确定采煤工作面和巷道所需通风量的,主要原则,：,“采煤工作面的瓦斯浓度不超过,1%,，其他有害气体都不超过,规程,规定（瓦斯和煤尘）；,能够有效的排出瓦斯和矿尘，但又不能造成煤尘飞扬”。,解决问题的主要思路是三个步骤：,（,1,）确定瓦斯浓度与风速的关系,;,（,2,）确定煤尘浓度与风速的关系,;,（,3,）确定最佳通风量与风量分配,.,10/15/2024,26,信息工程大学 信息工程学院,最佳通风量,:,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：,目标函数,:,总的通风量最小,;,约束条件：,按照各井巷风量的分流情况及总通风量与总回风量基本守恒得到的关系；,各工作面的瓦斯浓度不超过,1%,；,在不同瓦斯浓度下煤尘浓度的允许范围；,各工作面、巷道和总回风巷的风速标准；,局部通风机的额定风量范围；,巷道可能出现漏风的情况等。,10/15/2024,27,信息工程大学 信息工程学院,一般应该是一个线性（或非线性）规划模型，求解可以得到总通风量、各工作面通风量和局部通风机的额定风量。,结果原则上应比现在的总通风量,(1560m,3,/min),要大，安全性提高，并且按基本守恒原则分配到各工作面。,答卷中存在的主要问题大体上有五个方面：,(1),只考虑三个工作面的安全问题做了局部优化，没有考虑回风巷瓦斯浓度的超标也会发生爆炸事故的可能性。,10/15/2024,28,信息工程大学 信息工程学院,(2),基于问题（）中自定义的安全性指标最大为目标和相应的标准为约束建立优化模型,.,所得结果都有明显的不合理性，对实际问题难已解释，也就是基于一个不合理的目标和约束，得到不合理的结论，通常所得到的通风量