煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)與控制.doc

1、煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)與控制摘要本題主要以煤礦安全的檢測(cè)與控制為研究對(duì)象，在研究過程中，針對(duì)安全程度的判斷和最佳風(fēng)量的計(jì)算分別建立了評(píng)價(jià)模型和線性規(guī)劃模型，并利用 lingo 軟件求解。針對(duì)問題一，通過利用工作面和掘進(jìn)面的瓦斯?jié)舛扔?jì)算礦井的相對(duì)瓦斯涌出量，利用總回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛扔?jì)算絕對(duì)瓦斯涌出量，由此建立關(guān)于相對(duì)瓦斯和絕對(duì)瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，對(duì)模型求解得礦井的平均相對(duì)瓦斯涌出量為22.4282m 3 / t ，絕對(duì)瓦斯涌出量為 9.7536m 3 / min ，并將計(jì)算結(jié)果與煤礦安全規(guī)程第一百三十三條的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較得該礦為高瓦斯礦。針對(duì)問題二，首先通過題中數(shù)據(jù)利用擬合的方法計(jì)算煤塵爆炸

2、下限與瓦斯?jié)舛鹊暮瘮?shù)關(guān)系式并結(jié)合瓦斯爆炸下限判斷該煤礦發(fā)生爆炸的可能性為0，其次找出數(shù)據(jù)中達(dá)到報(bào)警點(diǎn)的個(gè)數(shù)從而計(jì)算其發(fā)生危險(xiǎn)的概率為4.63%，最后考慮瓦斯?jié)舛扰c煤塵含量對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的影響，建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)模型求解得煤礦各區(qū)域的安全評(píng)價(jià)值，分析結(jié)果可得該煤礦整體安全程度不高，其中回風(fēng)巷2 最危險(xiǎn)，掘進(jìn)工作面安全程度最高。針對(duì)問題三，首先利用擬合的方法找出該煤礦各區(qū)域中瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)速、煤塵含量與風(fēng)速以及工作面風(fēng)速與回風(fēng)巷風(fēng)速間的函數(shù)關(guān)系式，其次在滿足各區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛刃∮趫?bào)警濃度，煤塵含量不超過爆炸下限的情況下考慮漏風(fēng)對(duì)總通風(fēng)量的影響，以煤礦總通風(fēng)量最少為目標(biāo)，建立線性規(guī)劃模型，利用 lingo

3、 軟件求解，得最佳總通風(fēng)量為 1596.5700m3 / min ，局部通風(fēng)機(jī)功率為 400m 3 / min ，各工作面通風(fēng)量分別為 720.7m 3 / min ， 543.6m 3 / min , 且在滿足煤礦生產(chǎn)安全的前提下總通風(fēng)量不得大于 1974.2220m3 / min 。關(guān)鍵詞： 線性規(guī)劃數(shù)據(jù)擬合評(píng)價(jià)模型1、問題重述問題背景煤礦安全生產(chǎn)是我國(guó)目前亟待解決的問題之一，做好井下瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。瓦斯是一種無毒、無色、無味的可燃?xì)怏w，其主要成分是甲烷，在礦井中它通常從煤巖裂縫中涌出。瓦斯爆炸需要三個(gè)條件：空氣中瓦斯達(dá)到一定的濃度；足夠的氧氣；一定溫度的引

4、火源。煤塵是在煤炭開采過程中產(chǎn)生的可燃性粉塵。 煤塵爆炸必須具備三個(gè)條件 : 煤塵本身具有爆炸性； 煤塵懸浮于空氣中并達(dá)到一定的濃度； 存在引爆的高溫?zé)嵩?。試?yàn)表明，一般情況下煤塵的爆炸濃度是 30 2000 g / m3 ，而當(dāng)?shù)V井空氣中瓦斯?jié)舛仍黾訒r(shí)，會(huì)使煤塵爆炸下限降低。提出問題結(jié)合兩個(gè)采煤工作面和一個(gè)掘進(jìn)工作面的礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照煤礦開采的實(shí)際情況研究下列問題：1、根據(jù)煤礦安全規(guī)程第一百三十三條的分類標(biāo)準(zhǔn) ，鑒別該礦是屬于低瓦斯礦井還是高瓦斯礦井。2、根據(jù)煤礦安全規(guī)程第一百六十八條的規(guī)定，并參照附表 1，判斷該煤礦不安全的程度（即發(fā)生爆炸事故的可能性）有多大？3、為

5、了保障安全生產(chǎn)，利用兩個(gè)可控風(fēng)門調(diào)節(jié)各采煤工作面的風(fēng)量，通過一個(gè)局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷的通風(fēng)。根據(jù)各井巷風(fēng)量的分流情況、對(duì)各井巷中風(fēng)速的要求， 以及瓦斯和煤塵等因素的影響， 確定該煤礦所需要的最佳通風(fēng)量，以及兩個(gè)采煤工作面所需要的風(fēng)量和局部通風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量。2 、問題分析本題主要以煤礦安全的檢測(cè)與控制為研究對(duì)象，對(duì)煤礦瓦斯和煤塵的安全做出了研究和討論。問題一，通過利用工作面和掘進(jìn)面的瓦斯?jié)舛扔?jì)算礦井的相對(duì)瓦斯涌出量，利用總回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛扔?jì)算絕對(duì)瓦斯涌出量，由此建立關(guān)于相對(duì)瓦斯和絕對(duì)瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)煤礦安全規(guī)程第一百三十三條的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比礦井為高瓦斯礦還是低瓦斯。本題中已給

6、出了一個(gè)月內(nèi)的每天三個(gè)班次上各工作面、掘進(jìn)面及回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速、瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和日產(chǎn)量表，針對(duì)煤礦的生產(chǎn)開采問題的安全規(guī)程的數(shù)據(jù)指標(biāo)和安全標(biāo)準(zhǔn)本著科學(xué)發(fā)展觀以人文本的原則對(duì)以下各問題進(jìn)行探討。問題二，判斷該煤礦不安全的程度（即發(fā)生爆炸事故的可能性） 。分二種情況判定不安全性：第一種情況分別分析瓦斯與煤塵爆炸需要的條件，瓦斯爆炸需要的三個(gè)條件：空氣中瓦斯達(dá)到一定的濃度；足夠的氧氣；一定溫度的引火源。在新鮮空氣中瓦斯爆炸界限一般為5% 16，該礦井的瓦斯?jié)舛榷嫉陀诒ń缦?。煤塵爆炸必須具備三個(gè)條件 : 煤塵本身具有爆炸性； 煤塵懸浮于空氣中并達(dá)到一定的濃度； 存在引爆的高溫?zé)嵩础?一般情況

7、下煤塵的爆炸濃度是 30 2000g/m 3，而當(dāng)?shù)V井空氣中瓦斯?jié)舛仍黾訒r(shí)，會(huì)使煤塵爆炸下限降低，因此根據(jù)瓦斯不同班次的濃度，計(jì)算煤塵所對(duì)應(yīng)的爆炸下限，以此時(shí)該礦井中各班次的煤塵含量能否達(dá)到爆炸的下限值，來判斷是否會(huì)出現(xiàn)爆炸；第二種情況為檢測(cè)器報(bào)警及斷電的概率，如果當(dāng)瓦斯的濃度達(dá)到了使傳感器報(bào)警或者斷電的情況時(shí)就說明此時(shí)的瓦斯?jié)舛瘸隽税踩姆秶?，存在安全隱患。問題三，求最佳風(fēng)量的就相當(dāng)于求最佳的風(fēng)速，最佳的風(fēng)速就是滿足在礦井安全的情況下最小的風(fēng)俗，因此我們就要弄明白風(fēng)速與瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度之間的關(guān)系，以及瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限之間的關(guān)系，因此需要擬合出風(fēng)速與瓦斯?jié)舛龋L(fēng)速與煤塵濃度以及瓦斯?jié)?/p>

8、度與煤塵爆炸下限之間的函數(shù)關(guān)系，以通風(fēng)量最小時(shí)還應(yīng)保證瓦斯?jié)舛炔恢劣趯?dǎo)致報(bào)警、斷電的情況發(fā)生，煤塵含量小于爆炸下限，各工作面的風(fēng)速在煤礦安全規(guī)程范圍內(nèi)，還要考慮漏風(fēng)量的約束。3 、模型的基本假設(shè)1、假設(shè)同一巷道中的瓦斯和煤塵的濃度可近似看做均勻的；2、假設(shè)礦井中不會(huì)出現(xiàn)意外失火、管道爆裂等情況；3、不考慮高溫?zé)嵩春碗娀鸹ǖ纫蛩貙?duì)礦井安全性的影響；4、假設(shè)對(duì)單個(gè)礦井每天的漏風(fēng)率是一定的。4、符號(hào)定義及說明符號(hào)定義備注aij礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量的評(píng)價(jià)值bij礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤塵含量的評(píng)價(jià)值i 為監(jiān)測(cè)日期編號(hào)，其值取 1、2 .30;wij礦井在第 i 天第 j

9、個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量分 j 指工作面 1、工作面 2、mij礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量掘進(jìn)面、回風(fēng)巷 1、回風(fēng)巷 2、總回風(fēng)巷的編號(hào)，Vij礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每分鐘的通風(fēng)量值取 1、2 .6 ，。Sj第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斷面面積5 、模型的建立與求解5.0 名詞解釋采煤工作面：礦井中進(jìn)行開采的煤壁( 采煤現(xiàn)場(chǎng))。掘進(jìn)巷：用爆破或機(jī)械等方法開鑿出的地下巷道，用以準(zhǔn)備新的采煤區(qū)和采煤工作面。掘進(jìn)工作面：掘進(jìn)巷盡頭的開掘現(xiàn)場(chǎng)。新鮮風(fēng)：不含瓦斯和煤塵等有害物質(zhì)的風(fēng)流。乏風(fēng)：含有一定濃度的瓦斯和煤塵等有害物質(zhì)的風(fēng)流。5.1 構(gòu)建判斷礦井類型的模型5.1.1 模型準(zhǔn)備1、確定判斷

10、高瓦斯礦井和低瓦斯礦井的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)煤礦安全規(guī)程第一百三十三條的分類標(biāo)準(zhǔn)得知：低瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量小于或等于10 m3 / t ，且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于 40 m3 / min 。高瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10 m3 / t ，或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于40 m3 / min 。2、明確判斷標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法：根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，可將每分鐘的絕對(duì)瓦斯涌出量表示為：絕對(duì)瓦斯涌出量=風(fēng)速總回風(fēng)巷斷面積60秒總回瓦斯?jié)舛让刻斓南鄬?duì)瓦斯涌出量可表示為：相對(duì)瓦斯涌出量礦井日瓦斯涌出量=礦井日產(chǎn)量設(shè)第 i 天的絕對(duì)瓦斯涌出量為 L i ，風(fēng)速為 vi ，總回風(fēng)巷斷面積為Si ，總回瓦斯?jié)舛葹?r i

11、。因此每分鐘的絕對(duì)瓦斯涌出量表示為：L ivi Si60 ri設(shè)第 i 天的相對(duì)瓦斯涌出量為 Pi，礦井日瓦斯涌出量為 wi ，礦井日產(chǎn)量為 M i ，則每天的相對(duì)瓦斯涌出量可表示為：PiwiM i設(shè) k 表示工作面、工作面、掘進(jìn)工作面，k 的值為 1、 2、 3，在第 i 天，各個(gè)工作面的瓦斯?jié)舛葹?c ik 其中礦井的日瓦斯涌出量 wi 為：3wicik（i 的值為1、2.30 ）k 1因此，礦井每天的相對(duì)瓦斯涌出量為：3PicikM ik1礦井每天的絕對(duì)瓦斯涌出量為：L i1440viSiri2其中： 總回風(fēng)巷斷面積為Si 大約為4 m，結(jié)合題中所給的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照煤礦開采的實(shí)際情況對(duì)兩

12、者進(jìn)行求解。3、判斷高瓦斯礦井和低瓦斯礦井的基本思路結(jié)合兩個(gè)采煤工作面和一個(gè)掘進(jìn)工作面的礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將早中晚的各項(xiàng)指標(biāo)按一定標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到每天瓦斯的總涌出量，根據(jù)每天每個(gè)工作面和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、管道斷面面積等數(shù)據(jù)可得出本礦井每天的相對(duì)瓦斯涌出量和絕對(duì)瓦斯涌出量，將其與煤礦安全規(guī)程中的分類標(biāo)準(zhǔn)比較，得到每一天在每個(gè)區(qū)域的分類情況，最后，將每個(gè)月在每個(gè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛蕊L(fēng)速等指標(biāo)分別求和取平均，得到礦井總體的分類情況。5.1.2 模型的建立與求解綜上所述，根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的定義，結(jié)合題給檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立判斷礦井是高瓦斯井還是低瓦斯井的定量模型。若礦井為低瓦斯礦井，則：Pi10(單

13、位： m3/ t )Li40(單位： m3/ min)若礦井為高瓦斯礦井，則：Pi10 或 Li40其中：Pi3cikM ik 1L i1440 vi Siri【符號(hào)說明】L i 第 i 天絕對(duì)瓦斯涌出量；v i 第 i 天總回風(fēng)巷的風(fēng)速；Si 總回風(fēng)巷斷面積 ；ri總回瓦斯?jié)舛?；cik 各個(gè)工作面的瓦斯?jié)舛?；wi礦井的日瓦斯涌出量；Pi 第 i 天的相對(duì)瓦斯涌出量；M i 礦井日產(chǎn)量。5.1.3 模型求解及結(jié)果分析根據(jù)以上模型得到礦井在 30天中每一天的相對(duì)瓦斯涌出量和絕對(duì)瓦斯涌出量分別為：相對(duì)瓦斯涌出量天數(shù)相對(duì)瓦斯涌出量天數(shù)相對(duì)瓦斯涌出量123.28311622.0682222.41551

14、723.9520321.95361823.3935421.64641921.6686522.20682022.0730624.32092123.0246723.34242222.0211822.13912324.3934922.22912421.62631021.77932522.97941121.44042621.28691220.68052722.33931322.95062821.81771422.60432923.19441522.15243021.8644絕對(duì)瓦斯涌出量天數(shù)絕對(duì)瓦斯涌出量天數(shù)絕對(duì)瓦斯涌出量110.0118169.709729.83201710.4207310.1297

15、189.796249.6056199.516059.5622209.7260610.2072219.782279.7112229.740089.48872310.371399.4903249.6006109.7356259.6635119.5669269.5940129.0210279.82921310.1980289.4504149.8283299.7536159.3554309.9101根據(jù)上表判斷出礦井每天的相對(duì)瓦斯涌出量都大于10m3 / t ，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于 40m3 / min 。為了更綜合地判斷礦井的類型將30 天總的相對(duì)相對(duì)瓦斯涌出量和絕對(duì)瓦斯涌出量分別累加并取平均值得

16、到相對(duì)瓦斯相對(duì)瓦斯涌出量為 22.4282 ，絕對(duì)瓦斯涌出量為 9.7536 。5.2 對(duì)煤礦不安全程度的定量分析5.2.1 模型準(zhǔn)備1、 確定影響煤礦安全程度的因素為了判斷煤礦的不安全程度，應(yīng)確定影響瓦斯爆炸必須具備的三個(gè)條件是：一定濃度的甲烷、一定溫度的引火源和足夠的氧氣。煤塵爆炸必須同時(shí)具備三個(gè)條件，煤塵本身具有爆炸性；煤塵必須懸浮于空氣中，并達(dá)到一下的濃度；存在能引燃煤法爆炸的高溫?zé)嵩?。隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龈?，煤塵爆炸濃度下限急劇下降，這一點(diǎn)在有瓦斯煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井應(yīng)引起高度重視。一方面，煤塵爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的；另一方面，有煤塵參與時(shí)，小規(guī)模的瓦斯爆炸可能演變?yōu)榇笠?guī)模的爆塵瓦斯爆

17、炸事故，造成嚴(yán)重的后果。因此確定影響礦井安全性的因素如下：瓦斯?jié)舛韧咚贡ㄒ饻囟妊鯕鉂舛鹊V井的安全性煤塵濃度煤塵爆炸瓦斯?jié)舛戎車鷾囟?、明確煤塵濃度與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系瓦斯?jié)舛鹊脑龈邥?huì)使煤塵爆炸濃度下限急劇下降，兩者的相互影響將大大增加爆炸的強(qiáng)度。根據(jù)下表可得到部分瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限的關(guān)系?？諝?0.51.01.52.02.53.03.54中瓦斯?jié)舛让簤m3050152510.517.56.512.54.57.5352.53.51.52.5爆炸22.537.5下限濃度只要求在某種意義下任意給定瓦斯的濃度，煤塵爆炸下限的濃度在這些點(diǎn)上的總偏差最小。結(jié)合已有數(shù)據(jù)可先進(jìn)行插值得到其總的趨勢(shì)，如圖所示

18、：瓦斯?jié)舛扰c煤塵濃度下限的關(guān)系% 35限data 1下3 + 4.3*x2 - 19*x + 30cubic度30y = - 0.33*x濃data 2塵煤252015105000.511.522.533.54瓦 斯 濃 度 g/m3考慮將函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合， 設(shè) x 為瓦斯的濃度， y 為煤塵爆炸下限 a1 , a2 .am 1為待定系數(shù)，設(shè)定定擬合的函數(shù)為y a1 xmam x am 1即用 m 次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)，根據(jù) Matlab 得到 ya1 xmam xam 1 的系數(shù)矩陣 a= am , a1 ，最終得到的擬合表達(dá)式為：y0.33x34.2655 x218.9291x30.29

19、29需要注意的是擬合中的準(zhǔn)則是使yi ，i1,2, n ，與 f ( xi ) 的距離 i的平方和最小，稱為最小二乘準(zhǔn)則。根據(jù)最小二乘指標(biāo)J 判斷擬合效果。其中 J 的計(jì)算方法為：J( a1 , am )| RAY |25% 16%，實(shí)際中瓦斯爆炸界限值并不是3、瓦斯?jié)舛葘?duì)礦井安全程度的影響在礦井的開采過程中，將產(chǎn)生大量的瓦斯和煤塵，其中瓦斯?jié)舛仁怯绊懙V井安全的重要因素。考慮瓦斯引起的爆炸，并結(jié)合報(bào)警濃度分析瓦斯?jié)舛葘?duì)礦井安全的影響程度，同時(shí)，結(jié)合瓦斯?jié)舛扰c煤塵濃度下限的關(guān)系分析其不安全程度。 考慮瓦斯爆炸的可能性在新鮮空氣中瓦斯爆炸界限一般為固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵和其它可燃性氣

20、體、惰性氣體的混入等因素的影響。顯然題中所給監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不存在達(dá)到瓦斯爆炸濃度的情況，因此不需要將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與這一界限比較。 根據(jù)報(bào)警濃度判斷礦井存在的安全隱患安全規(guī)程規(guī)定了采煤過程中甲烷傳感器的報(bào)警濃度、斷電濃度和復(fù)電濃度，當(dāng)煤礦中任一位置的瓦斯含量超過報(bào)警濃度時(shí)，說明具有安全隱患。下表為安全規(guī)程中不同區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋簼舛葓?bào)警濃度斷電濃度位置采煤工作面1.0%CH 41.5%CH回風(fēng)巷1.0%CH 41.0%CH進(jìn)風(fēng)巷0.5%CH 40.5% CH掘進(jìn)工作面1.0%CH 41.5%CH復(fù)電濃度4 1.0%CH 44 1.0%CH 44 0.5%CH 44 1.0%CH 4可見，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛纫?/p>

21、求最高，因一般都是新鮮風(fēng)到進(jìn)風(fēng)巷，經(jīng)待采煤層帶入一部分瓦斯進(jìn)入回風(fēng)巷，礦井中的瓦斯和煤塵主要是采煤工作面在開采過程中產(chǎn)生的，因此，若進(jìn)風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)達(dá)到較高值時(shí)，其它位置瓦斯?jié)舛葘⒏映^標(biāo)準(zhǔn)。示意圖如下：由上圖可看出，瓦斯主要產(chǎn)生于采煤的過程中，而進(jìn)風(fēng)巷是為了給采煤工作面提供足夠的風(fēng)量以降低其瓦斯?jié)舛?。?duì)不同巷道規(guī)定的瓦斯報(bào)警濃度是不同的。 瓦斯?jié)舛葘?duì)發(fā)生煤塵爆炸的影響瓦斯?jié)舛鹊脑龈邥?huì)使煤塵爆炸濃度下限急劇下降，兩者的相互影響將大大增加爆炸的強(qiáng)度。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高時(shí)煤塵濃度下限的下降將使礦井的危險(xiǎn)程度大大增加。少量煤塵都將會(huì)引起其爆炸。5.2.2模型的建立與求解綜上所述，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中瓦斯

22、的濃度和煤塵的濃度對(duì)礦井安全性的影響，建立判斷礦井安全程度的綜合評(píng)價(jià)模型如下：p0.5ai0.5bi其中：0wij1a ijw ijw ij.(1)111bijmij.(2)1xij【符號(hào)說明】i 監(jiān)測(cè)日期編號(hào)，其值取1,2.30 ;j 其值取 1、2.6 ，分別指工作面1、工作面 2、掘進(jìn)面、回風(fēng)巷1、回風(fēng)巷 2、總回風(fēng)巷的編號(hào)。aij 礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量的評(píng)價(jià)值；bij 礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤塵含量的評(píng)價(jià)值；wij 礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量；mij 礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量；xij 礦井在第 i 天第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵

23、爆炸下限。5.2.3模型求解及結(jié)果分析首先，對(duì)礦井 30 天 6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 540 組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在爆炸可能性和報(bào)警可能性的檢測(cè)值進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)得，沒有一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能達(dá)到爆炸的可能性，但有個(gè) 25 組數(shù)據(jù)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了報(bào)警的下限， 因此可得煤礦爆炸的可能性為 0，不安全的概率為 4.63% 。其次，根據(jù)模型分別得到工作面 1、工作面 2、掘進(jìn)面、回風(fēng)巷 1 、回風(fēng)巷2、總回風(fēng)巷的安全評(píng)價(jià)值依次為：礦井安全性的評(píng)價(jià)值工作面 1工作面 2掘進(jìn)面回風(fēng)巷 1回風(fēng)巷 2總回風(fēng)巷0.46030.33610.74470.43820.31850.5108結(jié)果分析：由上文分析可知評(píng)價(jià)值越高，礦井的安全程度越高，反

24、之亦成立，因此可得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全程度由大到小依次為：結(jié)論：掘進(jìn)面 總回風(fēng)巷 回風(fēng)巷 1 工作面 1 工作面 2 回風(fēng)巷 2，結(jié)合各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況及不安全的概率可判斷出礦井的總體的安全程度是比較高的。5.3 建立優(yōu)化模型對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行求解5.3.1模型準(zhǔn)備1、影響通風(fēng)量的因素根據(jù)題意可確定影響通風(fēng)量的因素主要有各井巷風(fēng)量的分流情況、對(duì)各井巷中風(fēng)速的要求，根據(jù)檢測(cè)值中瓦斯和煤塵的濃度及各個(gè)巷道、工作面的對(duì)應(yīng)的風(fēng)速得到通風(fēng)量， 為了保障安全生產(chǎn)， 利用兩個(gè)可控風(fēng)門調(diào)節(jié)各采煤工作面的風(fēng)量，通過一個(gè)局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷的通風(fēng)。因此，可得到影響通風(fēng)量的因素主要有：各井巷的分流情況、各個(gè)區(qū)域風(fēng)速

25、。2、 確定通風(fēng)量的不同位置通風(fēng)量的來源通風(fēng)量可根據(jù)題給通風(fēng)系統(tǒng)示意圖得到其主要來源于哪幾部分的風(fēng)量，為了直觀表示出總通風(fēng)量的來源。根據(jù)下圖可得到各個(gè)通風(fēng)口通風(fēng)量的來源：由圖示可知： 總風(fēng)量主要來源于來自兩部分，一部分是工作面一和進(jìn)風(fēng)巷的，一部分來自工作面二的風(fēng)量。3、對(duì)風(fēng)速的限制礦井中的瓦斯產(chǎn)生后如不經(jīng)排出將使其濃度累加，而降低井下瓦斯?jié)舛鹊奈ㄒ环椒ㄊ峭ㄟ^通風(fēng)系統(tǒng)將瓦斯排除在外。利用兩個(gè)可控風(fēng)門調(diào)節(jié)各采煤工作面的風(fēng)量，通過一個(gè)局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷的通風(fēng)。風(fēng)速過小對(duì)礦井安全性的影響降低井下瓦斯?jié)舛鹊奈ㄒ环椒ň屯ㄟ^通風(fēng)系統(tǒng)將瓦斯排出井外，風(fēng)速過小將使通風(fēng)量減少，從而不能很有效地降低瓦斯?jié)舛?/p>

26、。風(fēng)速過大對(duì)礦井安全性的影響從降低瓦斯?jié)舛鹊慕嵌龋L(fēng)速越大越好。但是井下風(fēng)速過大，將會(huì)增加巷道空氣中的煤塵濃度，一方面影響工人的正常工作和健康，另一方面主要是風(fēng)速過大引起煤塵濃度過高遇火引起爆炸。綜上所述，對(duì)風(fēng)速的限制如下：井巷名稱允許風(fēng)速 /(m / s)最低最高采煤工作面0.254回風(fēng)巷0.256總進(jìn)風(fēng)巷08掘進(jìn)工作面0.154總回風(fēng)巷084、明確幾個(gè)變量間的關(guān)系擬合出風(fēng)速與瓦斯?jié)舛龋L(fēng)速與煤塵濃度以及瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限之間的函數(shù)關(guān)系。 擬合瓦斯?jié)舛扰c煤塵爆炸下限間的關(guān)系考慮將函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合， 設(shè) x 為瓦斯的濃度， y 為煤塵爆炸下限 a1 , a2 .am 1 為待定系數(shù)，設(shè)定

27、定擬合的函數(shù)為y a1 xmam x am 1即用 m 次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)，根據(jù)Matlab 得到 ya1 xmam x am 1 的系數(shù)矩陣 a=am , a1 ，最終選擇 3次進(jìn)行擬合得到的表達(dá)式為：y0.33x34.2655 x218.9291x30.2929擬合曲線及其擬合效果可由下圖得出：40data 130y = - 0.85*x3 + 4.3*x 2 - 8*x + 6.9cubic201000.511.522.533.540residuals0.5Cubic: norm of residuals = 0.950430-0.500.511.522.533.54由圖示可看出選用3

28、 次進(jìn)行擬合是比較合適的。 擬合風(fēng)速與瓦斯?jié)舛乳g的關(guān)系在擬合自變量和因變量間的函數(shù)關(guān)系時(shí)，自變量 x 是影響因變量 y 的主要因素，是人們能控制或能觀察的，而 y 還受到隨機(jī)因素的干擾，根據(jù)已有數(shù)據(jù)畫出散點(diǎn)圖用 m 次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)。如圖所示：風(fēng)速與瓦斯?jié)舛乳g的關(guān)系速 2.6風(fēng)data 1的1quadratic面 2.55y = 3.1*x 2- 5.4*x + 4.6作工2.52.452.42.352.32.252.20.550.60.650.70.750.8瓦斯?jié)舛瓤梢姰?dāng)選擇二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí)，擬合效果最好，設(shè)分別指工作面 1、工作面 2、掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷1 、回風(fēng)巷則風(fēng)速 vk

29、關(guān)于瓦斯?jié)舛?wk 的函數(shù)為：k 設(shè)值取 1、 2.6 ，2、總回風(fēng)巷的編號(hào)。wkak vk2bkvkck根據(jù)瓦斯?jié)舛燃吧鲜龊瘮?shù)擬合得到6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葘⑵錁?gòu)成系數(shù)矩陣：a1b1c1MOMa6b6c6其中 a1 a6 ， b1 b6 ， c1 c6 的值為：a1234560.11013.6264-0.23670.02946.11840.2616b-0.7854-15.68630.9838-0.3559-26.5622.8424c1.910117.8211-0.78491.342729.73298.3301將系數(shù)代入風(fēng)速 vk 關(guān)于瓦斯?jié)舛?wk 的函數(shù)即可得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)速的關(guān)

30、系。例如當(dāng) k 的值為 1 時(shí)， a1、 b1、 c1 的值分別為： 0.1101 ， -0.7854 ， 1.9101 ，工作面 1 中風(fēng)速關(guān)于瓦斯的函數(shù)為：w0.1101v 20.7854 v 1.9101111 擬合風(fēng)速與煤塵濃度間的關(guān)系根據(jù)已有數(shù)據(jù)畫出散點(diǎn)圖用m 次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)。最終得到當(dāng)選擇一次擬合時(shí)效果最好。其示意圖如下：2.6風(fēng)速與煤塵濃度的關(guān)系data 12.5linear2.42.32.27.67.77.87.988.18.28.38.48.57.5residuals0.10.050-0.05-0.17.67.77.87.988.18.28.38.4設(shè) k 設(shè)值取 1、

31、2 .6 ，分別指工作面 1、工作面 2、掘進(jìn)面、回風(fēng)巷 1 、回風(fēng)巷2、總回風(fēng)巷的編號(hào)。風(fēng)速 vk 關(guān)于煤塵濃度 mk 的函數(shù)為：mkk vkk根據(jù)瓦斯?jié)舛燃吧鲜龊瘮?shù)擬合得到6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葘⑵錁?gòu)成系數(shù)矩陣，最終得到 16 ，1 6的值為：系數(shù)1234561.98071.24851.94321.25460.81650.22973.21665.01252.99334.83595.50915.8648將系數(shù)代入風(fēng)速 vk 關(guān)于煤塵濃度 mk 的函數(shù)即可得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤塵濃度與風(fēng)速的關(guān)系。例如當(dāng) k 的值為 1 時(shí) 1 和 1 的值分別為： 1.9807 、3.2166 ，工作面1 中風(fēng)速關(guān)

32、于瓦斯的函數(shù)為：m1 1.9807 v13.2166 對(duì)擬合函數(shù)的檢驗(yàn)需要注意的是擬合中的最小二乘準(zhǔn)則是使yi ，i 1,2, , n ，與 f ( xi ) 的距離 i的平方和最小。根據(jù)最小二乘指標(biāo) J 判斷擬合效果。其中 J 的計(jì)算方法為：J( a , , a) |RA Y |21m檢驗(yàn)得出結(jié)論：擬合的函數(shù)合理有效，能較準(zhǔn)確的反映出自變量與因變量間的關(guān)系，擬合效果較好。3、 以通風(fēng)需求滿足最佳總通風(fēng)量為目標(biāo)1，進(jìn)風(fēng)巷 2，和掘進(jìn)工作面所在的總的通風(fēng)量主要來源于三個(gè)地方，進(jìn)風(fēng)巷巷道。根據(jù)各巷道的斷面積，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速可得到各個(gè)巷道的通風(fēng)量，設(shè)vij 表示第 i 天在第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，

33、 Sj 為第 j 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斷面面積，則每分鐘的通風(fēng)量 Vij 可表示為：VijvijSj60鑒于局部通風(fēng)機(jī)所在的巷道中至少需要有 15%的余裕風(fēng)量才能保證風(fēng)在巷道中的正常流動(dòng)，否則可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓導(dǎo)致乏風(fēng)逆流，即局部通風(fēng)機(jī)將乏風(fēng)吸入并送至掘進(jìn)工作面。 因此，局部通風(fēng)機(jī)所在的巷道的通風(fēng)量( 即為掘進(jìn)工作面的通風(fēng)量 ) 為 v3 / 0.85 。設(shè) v1、 v2、 v3 分別為進(jìn)風(fēng)巷 1，進(jìn)風(fēng)巷 2，和掘進(jìn)工作面所在的巷道的通風(fēng)量。各采煤區(qū)的進(jìn)風(fēng)巷、 回風(fēng)巷和掘進(jìn)巷的斷面大約為24 m則總的通風(fēng)量 W 可表示為：Min W （ v1 +v 2 +v 3/0.85）4 604、 明確約束條件設(shè)工作面

34、 1、工作面 2、掘進(jìn)面、回風(fēng)巷 1 、回風(fēng)巷 2、總回風(fēng)巷的風(fēng)速為 v1 v6 。約束條件如下：1、約束進(jìn)入工作面的風(fēng)量不小于兩回風(fēng)巷及掘進(jìn)工作面的風(fēng)量總和：240(v1v2v3 / 0.85)240(v4v5v3 / 0.85)2、保證工作面和掘進(jìn)面的通風(fēng)量不少于總回風(fēng)巷的風(fēng)量， 即進(jìn)入的不少于排出的。求解總回風(fēng)巷風(fēng)量的時(shí)候考慮漏風(fēng)對(duì)風(fēng)量的影響， 令 L0 為總進(jìn)風(fēng)巷的通風(fēng)量， L1 為總回風(fēng)巷的通風(fēng)量，則漏風(fēng)系數(shù) F 可表示為：FL0L1L0根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)求得礦井的漏風(fēng)系數(shù)為0.071 ，因此，總回風(fēng)巷的通風(fēng)量可表示300 v6 1.071 。將保證工作面和掘進(jìn)面的通風(fēng)量不少于總回風(fēng)巷的風(fēng)

35、量這一條件表示為：240(v1 v2v3 / 0.85)300 v6 1.0713、限定總回風(fēng)巷的通風(fēng)量不超過掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷 1、回風(fēng)巷 2 的通風(fēng)量之和：300 v6240 ( v4 v5 )240 v3 / 0.854、設(shè)礦井在第 k 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量為wk ；礦井在第 k 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量為 mk ；則礦井中瓦斯?jié)舛取⒚簤m濃度分別與風(fēng)速的關(guān)系：w10.110120.7854 vk 1.9101vkmkk vkk5、煤塵濃度不超過其爆炸下限：0 mk0.33wk34.2655 wk218.9291wk 30.29296、瓦斯?jié)舛炔怀^其報(bào)警下限：0wk15.3.2 模型的建立根據(jù)以

36、上分析構(gòu)建以總同分量最小為目標(biāo)，進(jìn)風(fēng)量不少于出風(fēng)量、總回風(fēng)巷中的通風(fēng)量不少于原有的通風(fēng)量等為約束構(gòu)建線性規(guī)劃模型如下：Min W（ v1 +v 2 +v3/0.85）4 60240(v1v2v3 / 0.85)240(v4v5v3 / 0.85)(1)240(v1v2v3 / 0.85)300v61.071(2)300v6240(v4v5 )240v3 / 0.85(3)st. wk0.1101vk20.7854vk1.9101(4)mkk vkk(5)0mk0.33wk34.2655wk218.9291wk30.2929(6)0wk 1(7)符號(hào)說明：wk 礦井第 k 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量；mk 礦井第 k 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量；v1 v6 工作面 1、工作面 2、掘進(jìn)面、回風(fēng)巷1、回風(fēng)巷 2、總回風(fēng)巷的風(fēng)速。5.3.3 模型的求解根據(jù)模型，利用 lingo軟件求解，最佳總通風(fēng)量為1596.5700 m3 /