煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制

1、煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制摘要 关键词 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（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

2、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： （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”。（2）根据煤矿安全规程第一

3、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？ （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

4、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。二、问题分析(一)问题一分析根据煤矿安全规程第一百三十三条可知，鉴别该矿是属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井”的主要决定因素是矿井的相对瓦斯涌出量多少和矿井的绝对瓦斯涌出量多少。通过对绝对瓦斯涌出量及相对瓦斯涌出量的定义分析，可得出绝对瓦斯涌出量计算公式为绝对瓦斯涌出量=风量风流中的平均瓦斯浓度风巷面积60，相对瓦斯量计算公式为相对瓦斯涌出量=该天绝对瓦斯涌出量该天产煤量工作时间60，在根据附表2给出的数据计算出掘进面绝对涌出量，回风巷1绝对涌出量，回风巷绝对涌出量，总回风巷相对涌出量，总回风巷绝对涌量，掘进面

5、，回风巷1，回风巷2三者绝对涌出量之和。最后根据煤矿安全规程中矿井瓦斯分类标准确定该矿属于属于“低瓦斯矿井”还是“高瓦斯矿井”。(二)问题二分析 根据煤矿安全规程第一百六十八条规定结合附表1的数据，对该煤矿的瓦斯引起爆炸的可能性和煤尘引起爆炸的可能性分别进行分析,得出煤尘爆炸下限浓度关于瓦斯的函数关系式。利用煤尘爆炸下限浓度及MATLAB插值，求出每一个瓦斯浓度对应的每一个煤尘爆炸下限浓度值。通过筛选各测点瓦斯浓度的上限和下限,利用插值求出煤尘爆炸下限浓度，对比附表2各观点的煤尘浓度与相应的煤尘爆炸下限浓度来确定该矿井的煤尘是否引起爆炸事件，从而确定煤矿出现不安全事件的程度（即发生爆炸事故的可

6、能性）为多少。（三）问题三分析三、模型假设1、假设通风系统和瓦斯自动监控系统完善；2、假设甲烷传感器完好，并能准确预报矿井情况；（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）3、假设进风时瓦斯的浓度为0且瓦斯在空气中均匀分布；4、假设井巷不会出现漏风现象；四、符号说明五、模型建立与求解（一）问题一：根据煤矿安全规程第一百三十三条的分类标准：一个煤矿中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。矿井瓦斯等级，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为：（一）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于且矿

7、井绝对瓦斯涌出量小于或等于。（二）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于或矿井绝对瓦斯涌出量大于（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作报省（自治区、直辖市）负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。上报时应包括开采煤层最短发火期和自然倾向性、煤尘爆炸性的鉴定结果。新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。模型一 求绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量的方法，根据定义可知：绝对瓦斯涌出量：指单位时间涌出的瓦斯体积，单位为；相对瓦斯涌出量：平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量,单位为。即：绝对瓦斯涌出量=风量风流中的平均瓦斯浓度风巷面积6

8、0相对瓦斯涌出量=该天绝对瓦斯涌出量该天产煤量工作时间60即：由附表2可得出各巷道绝对涌出量和相对涌出量的结果。见附录1由表1可以得出：掘进面、回风巷1、回风巷2的瓦斯涌出量之和均小于总回风巷的瓦斯涌出量。所以直接考虑总回风巷的瓦斯涌出量即可满足题意。由表中数据得出总回风巷的绝对瓦斯涌出量范围为8.683m3/min10.975 m3/min;相对瓦斯涌出量范围为21.366 m3/t25.399 m3/t。按照煤矿安全规程的规定，相对瓦斯涌出量高出要求的10 m3/t，所以该矿井属于高瓦斯矿井。（二）问题二在矿井中进行正常开采，必须要向井下输送充足的新鲜空气，由于矿井下有采煤机械化作业的环境

9、，即当机械工作时会产生一定的热量，从而会是矿井下温度升高且氧气的浓度也会随之减少，这是不可避免的。于是影响煤矿的不安全程度只要考虑井下瓦斯浓度与煤尘的爆炸。模型二 判断煤矿的不安全程度要判断该煤矿不安全的程度大小，就是说发生爆炸事故的可能性有多大,从以下两个方面考虑：1、瓦斯引发爆炸事故的可能性。根据煤矿安全规程第168条规定，煤矿各工作面和各回风巷的瓦斯浓度均不可以超过1%，氧气尽可能少，温度要小于300。根据附表二中监测数据统计，各工作面和各回风巷瓦斯浓度超标次数为25次，所以由瓦斯引起的爆炸事故的事件频数为25，该频数与总监测数据次数（540）之比为4.6%2、 煤尘引发爆炸事故的可能性

10、已知：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。出于人身生命安全的考虑，在求解模型时，爆炸下限的取值范围最小。当瓦斯浓度低于4%时，煤尘爆炸下限浓度见表2表2 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系瓦斯浓度（%）00.511.522.533.54煤尘爆炸下限浓度（g/m3)3022.51510.56.54.532.51.5利用表2及matlab插值，可得瓦斯浓度从0开始每增加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

11、 1.5;X1=0.13:0.01:1.18;Y1=interpl(X,Y,X1,spline)筛选数据表如下表3：表3 各工作面爆炸可能点工作面工作面1工作面2掘进工作面回风巷1回风巷2总回风巷爆炸可能点0500200筛选后各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4：表4 插值求出相应的瓦斯浓度和煤尘爆炸下限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

12、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起爆炸事故。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。六、模型评价与推广1、通过建立实际问题的数学模型，对问题进行求解，采用煤矿中所测得的真实值，对煤矿的现有状况进行分析七、参考文献1曾建军编，Matlab语言于数学建模，合肥安徽大学出版社，2006年。2张国枢主编，通风安全学，中国矿业大学出

13、版社，2000年。3张国枢编著，矿井实用通风技术，煤炭工业出版社，1992年。4俞启香编著，矿井瓦斯防治，中国矿业大学出版社，1990年。附录附录1掘进巷口、回风巷、绝对瓦斯涌出量与三者之和，总回风巷相对瓦斯涌出量日期班次掘进面绝对涌出量回风巷1绝对涌出量回风巷绝对涌出量掘进面，回风巷1，回风巷2三者绝对涌出量之和总回风巷绝对涌量总回风巷相对涌出量1早班1.385283.885124.9156810.1860810.351524.中班1.428963.595684.48569.510249.648晚班1.67043.661684.55769.8896810.03592早班1.219923.34

14、4644.55769.122169.25223.中班1.428963.639365.0803210.1486410.3488晚班1.209123.765844.731849.70689.89523早班1.483924.063684.810810.358410.587622.中班1.441443.848644.9120810.2021610.257晚班0.82563.442085.138889.406569.54454早班1.644243.595445.08810.3276810.546822.中班0.962163.958083.8168.736248.9436晚班1.054083.443524

15、.57929.07689.32645早班1.525443.294724.571049.39129.534322.中班1.359363.583524.250889.203769.3438晚班1.113843.5285.215929.857769.80856早班1.08963.566645.189769.84610.058424.中班1.15923.442085.163129.764410.2204晚班1.151043.65.4698410.2208810.34287早班1.219923.71844.250089.182649.34224.中班1.264083.587524.477449.3290

16、49.6348晚班1.128963.868084.918329.9153610.15688早班1.525443.606724.250889.383049.451822.中班1.385283.529684.23369.148569.3186晚班1.012323.544325.0169.572649.69579早班0.860163.271685.24169.373449.461123.中班0.934323.874.83369.637929.9792晚班1.044243.806883.8168.667129.030610早班1.743363.574084.60089.9182410.10122.中班

17、1.230963.680644.725129.636729.7278晚班0.860163.62884.62249.111369.37811早班1.129923.747364.464249.341529.48622.中班1.255683.492484.355049.10329.4611晚班1.354323.7984.456329.608649.753612早班1.012323.30964.658888.98089.10821.中班0.889443.62884.375688.893928.9262晚班1.360323.81363.612488.78649.028813早班1.2843.954725

18、.13610.3747210.526423.中班1.112643.8524.81089.775449.9696晚班1.432083.924244.510089.866410.09814早班1.078563.348484.163288.590328.772323.中班1.10883.711845.9188810.7395210.9054晚班1.438563.696724.55769.692889.907215早班0.82443.606724.262888.6948.77822.中班1.278723.6364.57929.493929.5046晚班1.545123.924964.223049.69

19、3129.783616早班1.524243.92164.416969.86289.98422.中班1.18683.64.83369.62049.867晚班1.255683.6964.242969.194649.278117早班1.23843.731765.342410.3125610.485624.中班1.367283.574085.3157610.2571210.5晚班1.365123.609125.08810.0622410.276518早班0.906243.676324.907529.490089.68424.中班1.2843.71284.6089.59769.828晚班1.330563

20、.610084.962729.90369.876619早班1.5663.7625.0332810.3612810.60822.中班1.154163.594244.01288.76128.892晚班1.08963.644164.121288.855049.04820早班1.445043.676325.0846410.20610.454422.中班1.68483.646083.793929.12489.2748晚班1.272963.476164.592649.341769.448821早班1.379043.661684.426569.467289.597623.中班1.181283.7445.0649.9892810.0584晚班1.10883.49444.884489.989289.690622早班1.4223.5524.981929.4876810.041622.中班1.359363.812164.375689.6624晚班0.698883.54485.060889.304569.51623早班0.962883.394564.912089.269529.469525.中班1.275123.91685.2876810.479610.6692晚班1.483924.055.3164810.850410.975224早班1.70283.54484.838410.08610.291222.