煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制.精品文档.煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制摘要:由于能源紧张,煤矿安全生产已成为目前社会重点关注的热点问题之一。瓦斯爆炸及煤尘爆炸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。 本文主要研究了利用概率与统计原理,解决矿井瓦斯与煤尘爆炸的安全问题,及降低通风管的能源消耗问题。通过MATLAB及EXCEL对给定数据的处理,在此基础上建立了相应的模型,解决了所要解答的问题。 1)、利用题目所给的数据,算得相对瓦斯涌出量即总回风
2、巷的瓦斯量均值与煤矿日产量的比值,结果为E =18.5568()(),由此可判断该矿为高瓦斯矿井; 2)、利用瓦斯浓度与风速之间的概率关系,算得矿井各工作区域发生爆炸的概率总和,结果为0.3029,由此可知矿井的不安全程度。 3)、利用风量与瓦斯浓度、煤尘浓度之间的关系,算得在开采安全的前提下,计算出了最小合理风量为18.373 ,在最小合理风量的前提下,既节省电能,又提高效益。 结合题目所提供的背景资料,说明本文所使用的方法及所建立的模型是合理的,得出的结论是可靠的。关键字:MATLAB及EXCEL、概率与统计原理、数学期望1 问题提出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
3、煤尘的监测与控制是实现安全生产的关键环节。但瓦斯与煤尘引起的煤矿爆炸,及时作出预报和防御却是一个十分困难的问题,广受中央与各地的关注。以下为某一煤矿的示意图: 附图1 某煤矿的通风系统示意图(1)鉴别该矿是属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井”。(2)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)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,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。二问题分析2 判断低瓦斯矿井和高瓦斯矿井的
4、标准:低瓦斯矿井:矿井相对涌出量小于或等于10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10或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。12 判断煤矿的不安全程度,已知矿井中两大爆炸气体瓦斯与煤尘,瓦斯的爆炸区间为516,;煤尘爆炸下限为30 2000g/m3,由于瓦斯与煤尘混合使得爆炸下限降低,第二问题的目标是混合瓦斯与煤尘的气体,造成煤矿的可能性,解决第二问题的方法为:a、当瓦斯的浓度占新鲜空气=5时,b、认为达到报警概率;c、当煤尘达到30 2000g/m3时,d、认为达到报警概率;3、在第三个问题的前提下,在现有的的开采能力及生产条件下,控制各个
5、采煤工作区域和掘进面的风量,在达到安全生产条件的前提下,使得风量最小,从而减少能源支出。3 模型假设1、由于题目并没有给出工作时间,要算出瓦斯排出气量,一个工作日的时间为24小时,则需要假设每个班次为8小时,化为秒数为(36008)s。2、在计算矿井相对瓦斯涌出量和矿井绝对瓦斯涌出量时,由于煤尘所占体积很小,所以可以忽略煤尘的体积;18 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;19 由于矿井下采煤的机械化作业的环境,产生火花是不可避免的,因此
6、引起瓦斯爆炸的引火温度和氧气浓度条件是客观满足的,于是预防煤矿瓦斯爆炸的方法只有是监测和控制井下瓦斯的浓度。四模型建立与求解本题的第一问,鉴别该矿时属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井“,由根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分。若要判断该矿井是“低瓦斯矿井”,则同时满足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40m3/min,这一条件。瓦斯涌出量:指矿井在单位时间内涌出的瓦斯量,单位用m3min表示。相对瓦斯涌出量:指矿井在正常生产情况下,平均每生产1t煤所涌出的瓦斯量,单位用m3t表示。1)、用:求得总回风巷的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量(参
7、考表1)且: 式中:矿井瓦斯总量单位时间产生瓦斯量瓦斯浓度风速截面面积时间用: 式中:相对瓦斯涌出量瓦斯总量每天煤的日产量判断:根据通风系统可知,所有瓦斯均通过总回风巷被抽出矿井,故不需计算在总回风巷每日瓦斯的的总量,即只计算矿井的每日瓦斯总量: 每日的相对瓦斯涌出量每日矿井瓦斯涌出量/每日煤矿日产量 利用附表的数据可得每日矿井相对涌出量。日期123456总回风巷19.31918.81518.26217.96418.05819.99878910111219.22218.06818.68918.08917.89117.09213141516171819.19618.68418.20518.367
8、19.84219.42419202122232417.79618.30818.75118.21520.31917.69625262728293018.61617.88418.35217.99519.17418.414计算:设相对瓦斯涌出量为x表1:相对瓦斯涌出量E相对瓦斯涌出量期望相对瓦斯涌出量方差0.7249E =18.5568()记相对涌出量为,有结论:综上所得,由高瓦斯矿井定义:矿井相对瓦斯涌出量大于10或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min,可判断该矿井为高瓦斯矿井。本题的第二问,判断该煤矿的不安全程度。即判断发生爆炸事故的可能性。设煤矿爆炸事件为爆炸,设瓦斯得浓度区间为0,所以将瓦
9、斯浓度称为下列不相交区间; 共11个小区间可能发生5个爆炸地区,分别记为: i式中:1工作面2工作面3掘进工作面4回风巷5回风巷所以,(爆炸)为第个区域的爆炸概率。计算原理:把瓦斯浓度在每个区间爆炸的概率相加,即是爆炸的可能性(爆炸)(爆炸,0 0.5)+(爆炸,0.51)+(爆炸,11.5)+(爆炸,1.52)+(爆炸,22.5)+(爆炸,2.53)+(爆炸,33.5)+(爆炸,3.54)+(爆炸,44.5) +(爆炸,5) 其中:风速与瓦斯浓度的关系: 1煤尘浓度与风速的关系: 2其中:风速由1,2得:3计算(爆炸ab):(爆炸ab)(爆炸 )*(ab)(a b)是各个瓦斯浓度范围内煤矿各
10、部分的爆炸概率(a b)(ab)由于式3:有 根据101条款,分别表示第个工作区时允许的最大及最小值,其允许值如下表。工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷Min0.250.250.250.250.25Max55466(爆炸)是瓦斯浓度范围内煤矿各部分的是否爆炸概率令=(爆炸 )表:瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系空气中瓦斯浓度(%)00.511.522.533.544.55煤尘爆炸最下限浓度(g/m3)3022.51510.556.54.532.51.50.750.4计算(爆炸,5)(爆炸,5)=(爆炸)*(5)其中:(爆炸)=1(5)由1式有:根据101条款,分别表示第个工作区时允许的最大及最小
11、值风速,其允许值如下表。工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷Min0.250.250.250.250.25Max55466总的煤矿爆炸的可能性:P1=工作面(爆炸) Q1=工作面 P2=工作面(爆炸) Q2=工作面P3=掘进工作面(爆炸) Q3=掘进工作面P4=回风巷(爆炸) Q4=回风巷P5=回风巷(爆炸) Q5=回风巷P6=总回风巷(爆炸) Q6=总回风巷煤矿发生爆炸的概率为:P= P1 +P2 +P3 +P4+ P5+ P6 1(Q1 +Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6) 1(P1 *P2 *P3 *P4* P5* P6) 1(1- Q1)* (1- Q2)* (1- Q3)* (1-
12、 Q4)* (1- Q5)* (1- Q6)表:各个瓦斯浓度范围内煤矿各部分的爆炸概率瓦斯C范围工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷(0,0.5)0.332850.386150.13710.264880.34021(0.5,1)0.110950.128720.0456990.0882940.1134(1,1.5)0.0554760.0643580.0228490.0441470.056701(1.5,2)0.0332850.0386150.013710.0264880.034021(2,2.5)0.022190.0257430.00913970.0176590.02268(2.5,3)0.015
13、850.0183880.00652840.0126130.0162(3,3.5)0.0118880.0137910.00489630.00946010.01215(4,4.5)0.0092460.0107260.00380820.00735780.0094502(4.5,5)0.00739680.00858110.00304660.00588710.00755960.01390.02460.01290.00950.0246表:各个瓦斯浓度范围内煤矿各部分的是否爆炸概率瓦斯C范围工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷(0.5,1)00000(1,1.5)00000(0,0.5)00000(1.5,2
14、)00000(2,2.5)01011(2.5,3)11111(3,3.5)11111(4,4.5)11111(4.5,5)1111111111综上计算过程得:各点(爆炸)的概率如下表值表:矿井中各个部分的爆炸概率爆炸概率工作面工作面掘进工作面回风巷回风巷分概率0.0582810.101830.0311790.0624770.09264总概率 0.3029结论:该煤矿不安全的程度(即发生爆炸事故的可能性)为30.29%。本题的第三问,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,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
15、所需要的风量和局部通风机的额定风量。关于最佳通风量的讨论: 最佳通风量有下列两个限制:1 保证安全2 风速最小,故最佳通风量的目标函数为:minP(爆炸|), 设:取(0.05,1)的100等分点每个点所对应的浓度如附录:(表3-2)空气中的瓦斯浓度: 瓦斯参与使煤尘爆炸下限降低。瓦斯浓度低于4%时,煤尘的爆炸下限可用下式计算: 4 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3050g/m3 k 降低系数,见下表1表1:瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数 空气中的瓦斯深度% 00.50 0.75 1.0 1.50 2.0 3.0 4.0 k 1 0.75 0.60 0.
16、50 0.35 0.25 0.1 0.05 用插值法,得到(0.05,1)的100等分点对应得k值。由公式4:得到(0.05,1)区间中的100等分点的煤尘爆炸的最下限浓度,见附录:(表3-1)。比较(表3-1)与(表3-3),当表(表3-3)点的值超过(表3-1),则不考虑该点对应的风速,在所有考虑到的点中,速度最低的点为最佳速度,找到各个区的最佳风速(在附录:表3-2中查找)。如下表前面通过计算已得采煤工作面、和掘进工作面的最小风速。各工作区域(采煤工作面、,掘进工作面)的风量计算公式为:工作区域所需风量=风速工作区域截面积在保障安全的情况下,最小风量就是最佳风量,此时成本最底。于是各工作
17、区域所需风量计算如下表所示:采煤工作面采煤工作面掘进工作面风速截面积风量风速截面积风量风速截面积风量1.58094 632361.1843444.73730.5169947.2721对于掘进巷,由于掘进巷中的空气未与回风巷连通形成。循环回路,故掘进巷中空气流通是通过局部通风机向其中加注新鲜空气而形成回流。为保证回风巷道中的正常流动,掘进巷道中至少应有15%的余裕风量。故掘进巷所需风量为:采煤工作面最佳风量+采煤工作面最佳风量+采掘工作面最佳风量=最佳通风量式中:矿井所需总风量,各采煤工作和备用工作面所需风量之和,各掘进工作面所需风量之和,其它用风巷道所需风量之和,km矿井内部漏风和调风不均匀等
18、因素的备用风量系数。通常可取1.151.25综上所述,煤矿所需最佳风量为:18.373 ()五模型的问题回归与展望1)、 矿井瓦斯总量没有产煤时,瓦斯涌出量每吨煤的瓦斯涌出量煤矿日产量因此,、取决于地质条件,勘探技术两个因素,假设煤矿的工作面满足以上两个条件,则可利用这两个条件预测煤矿的相对与绝对涌出量,有效的预防煤矿爆炸。同时,煤矿的产量受到风速的限制(依据101条、168条、133条,最大风速为5米/秒最大风速),所以瓦斯涌出量不能超过5*1*4(工作面)上述结论只考虑了瓦斯的影响,若再考虑煤尘的因素则上述的问题最高产量还会降低。2)、煤矿爆炸的主要原因是由于瓦斯和煤尘爆炸引起的,由于矿井
19、下采煤的机械化作业的环境,产生火花是不可避免的,因此引起瓦斯爆炸的引火温度和氧气浓度条件是客观满足的,于是预防煤矿瓦斯爆炸的方法只有是监测和控制井下瓦斯的浓度。降低井下瓦斯浓度的唯一方法就通过通风系统将瓦斯排出井外,因此为了,降低瓦斯的浓度,只有调节风速的大小,因此计算出煤矿的不安全程度的,有利于防止煤矿的爆炸所带来的经济损失,和人命伤亡带来的家庭悲剧,促进社会的和谐建设。3)、利用煤矿的不安全程度,可以计算出矿进内,在达到安全系数的前提条件下,把风速降到最小,这样从经济效益的角度上,不仅节约了通风机的电能的支出,另一方面降低煤尘的浓度,保障了矿工的呼吸健康安全,减少企业在矿工医疗保险的支出。
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