煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)與控制

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(guò)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(wèn)題一，通過(guò)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，絕對(duì)瓦斯涌出量為，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(wèn)題二，首先通過(guò)題中數(shù)據(jù)利用擬合的方法計(jì)算煤塵爆炸下限與瓦斯?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

2、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(wèn)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(guò)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軟件求解，得最佳總通風(fēng)量為，局部通風(fēng)機(jī)功率為，各工作面通風(fēng)量分別為，,且

3、在滿足煤礦生產(chǎn)安全的前提下總通風(fēng)量不得大于。關(guān)鍵詞：線性規(guī)劃 數(shù)據(jù)擬合 評(píng)價(jià)模型1、問(wèn)題重述問(wèn)題背景煤礦安全生產(chǎn)是我國(guó)目前亟待解決的問(wèn)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(wú)毒、無(wú)色、無(wú)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；一定溫度的引火源。 煤塵是在煤炭開(kāi)采過(guò)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，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

4、問(wèn)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(kāi)采的實(shí)際情況研究下列問(wèn)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(guò)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(wèn)題分析本題主要

5、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(wèn)題一，通過(guò)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(kāi)采問(wèn)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(wèn)題進(jìn)行探討。問(wèn)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：

6、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Ｒ话闱闆r下煤塵的爆炸濃度是30 2000g/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，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(lái)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

7、斷電的情況時(shí)就說(shuō)明此時(shí)的瓦斯?jié)舛瘸隽税踩姆秶?，存在安全隱患。問(wèn)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?，風(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，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、

8、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(shuō)明符號(hào)定義備注礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量的評(píng)價(jià)值為監(jiān)測(cè)日期編號(hào)，其值取1、2.30;分 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)，值取1、2.6，。礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤塵含量的評(píng)價(jià)值礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每分鐘的通風(fēng)量第個(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(kāi)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(kāi)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

9、：掘進(jìn)巷盡頭的開(kāi)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模型準(zhǔn)備1、確定判斷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，且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于。高瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于，或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于。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：每天的相對(duì)瓦斯涌出量可表示為：設(shè)第天的絕對(duì)瓦斯涌出量為，風(fēng)速為，總回瓦斯?jié)舛葹椤Ｒ虼嗣糠昼姷慕^對(duì)瓦斯涌出量表示為：設(shè)第天的相對(duì)瓦斯涌出量為，礦井日瓦斯涌出量為，

10、礦井日產(chǎn)量為，則每天的相對(duì)瓦斯涌出量可表示為：設(shè)表示工作面、工作面、掘進(jìn)工作面，的值為1、2、3，在第天，各個(gè)工作面的瓦斯?jié)舛葹槠渲械V井的日瓦斯涌出量為： 因此，礦井每天的相對(duì)瓦斯涌出量為：礦井每天的絕對(duì)瓦斯涌出量為：其中：大約為4 m2，結(jié)合題中所給的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照煤礦開(kāi)采的實(shí)際情況對(duì)兩者進(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)舛取L(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

11、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。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：若礦井為高瓦斯礦井，則：或 其中：【符號(hào)說(shuō)明】第天絕對(duì)瓦斯涌出量； 第天總回風(fēng)巷的風(fēng)速； ； 總回瓦斯?jié)舛?；各個(gè)工作面的瓦斯?jié)舛龋?礦井的日瓦斯涌出量；第天的相對(duì)瓦斯涌出量； 礦井日產(chǎn)量。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

12、123.28311622.0682222.41551723.9520321.95361823.3935421.64641921.6686522.20682022.0730624.32092123.0246723.34242222.0211822.13912324.3934922.22912421.62631021.77932522.97941121.44042621.28691220.68052722.33931322.95062821.81771422.60432923.19441522.15243021.8644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110.0118169.70

13、9729.83201710.4207310.1297189.796249.6056199.516059.5622209.7260610.2072219.782279.7112229.740089.48872310.371399.4903249.6006109.7356259.6635119.5669269.5940129.0210279.82921310.1980289.4504149.8283299.7536159.3554309.9101根據(jù)上表判斷出礦井每天的相對(duì)瓦斯涌出量都大于，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于。 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

14、取平均值得到相對(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)嵩础?隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龈撸簤m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)模的爆塵瓦斯爆炸事故，

15、造成嚴(yán)重的后果。因此確定影響礦井安全性的因素如下： 2、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?？諝庵型咚?jié)舛?0.51.01.52.02.53.03.54煤塵爆炸下限濃度3050 22.537.5152510.517.56.512.54.57.5352.53.51.52.5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：考慮將函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，設(shè)為瓦斯的濃度，為煤塵爆炸下限為待定系數(shù)，設(shè)定定擬合

16、的函數(shù)為即用次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的系數(shù)矩陣a= , ,，最終得到的擬合表達(dá)式為：需要注意的是擬合中的準(zhǔn)則是使，與的距離的平方和最小，稱為最小二乘準(zhǔn)則。根據(jù)最小二乘指標(biāo)判斷擬合效果。其中的計(jì)算方法為：3、瓦斯?jié)舛葘?duì)礦井安全程度的影響在礦井的開(kāi)采過(guò)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?？紤]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，實(shí)際中瓦斯爆炸界限值并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵和其它可燃性氣體、惰性氣體的混入等因素

17、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(guò)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(guò)報(bào)警濃度時(shí)，說(shuō)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)舛龋簼舛任恢脠?bào)警濃度斷電濃度復(fù)電濃度采煤工作面回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面 可見(jiàn)，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛纫笞罡?，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(kāi)采過(guò)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^(guò)標(biāo)準(zhǔn)。示意圖如下： 由

18、上圖可看出，瓦斯主要產(chǎn)生于采煤的過(guò)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^(guò)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。 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：其中： 【符號(hào)說(shuō)明】監(jiān)測(cè)日期編號(hào)，其值取;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)。礦井在第天第

19、個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量的評(píng)價(jià)值；礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤塵含量的評(píng)價(jià)值；礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量；礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量；礦井在第天第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵爆炸下限。 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(méi)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。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0.46030.33610.7

20、4470.43820.31850.5108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 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(guò)一個(gè)局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷的通

21、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。2、 確定通風(fēng)量的不同位置通風(fēng)量的來(lái)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(lái)源于哪幾部分的風(fēng)量，為了直觀表示出總通風(fēng)量的來(lái)源。根據(jù)下圖可得到各個(gè)通風(fēng)口通風(fēng)量的來(lái)源：由圖示可知：總風(fēng)量主要來(lái)源于來(lái)自兩部分，一部分是工作面一和進(jìn)風(fēng)巷的，一部分來(lái)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^(guò)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(guò)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(guò)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^(guò)通風(fēng)系統(tǒng)

22、將瓦斯排出井外，風(fēng)速過(guò)小將使通風(fēng)量減少，從而不能很有效地降低瓦斯?jié)舛?。風(fēng)速過(guò)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(guò)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(guò)大引起煤塵濃度過(guò)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)為瓦斯的濃度，為煤塵爆炸下限為待定系數(shù)

23、，設(shè)定定擬合的函數(shù)為即用次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的系數(shù)矩陣a= , ,，最終選擇3次進(jìn)行擬合得到的表達(dá)式為：擬合曲線及其擬合效果可由下圖得出： 由圖示可看出選用3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)，自變量是影響因變量的主要因素，是人們能控制或能觀察的，而還受到隨機(jī)因素的干擾，根據(jù)已有數(shù)據(jù)畫(huà)出散點(diǎn)圖用次多項(xiàng)式擬合給定數(shù)據(jù)。如圖所示：可見(jiàn)當(dāng)選擇二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí)，擬合效果最好，設(shè)設(shè)值取1、2.6，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2、總回風(fēng)巷的編號(hào)。則風(fēng)速關(guān)于瓦斯?jié)舛鹊暮瘮?shù)為：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

24、瓦斯?jié)舛葘⑵錁?gòu)成系數(shù)矩陣： 其中，的值為：1234560.11013.6264-0.23670.02946.11840.2616-0.7854-15.68630.9838-0.3559-26.5622.84241.910117.8211-0.78491.342729.73298.3301將系數(shù)代入風(fēng)速關(guān)于瓦斯?jié)舛鹊暮瘮?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)系。例如當(dāng)?shù)闹禐?時(shí)，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： 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(huà)出散點(diǎn)圖用次多項(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：設(shè)設(shè)值取1、

25、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)速關(guān)于煤塵濃度的函數(shù)為：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，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)速關(guān)于煤塵濃度的函數(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)?shù)闹禐?時(shí)和的值分別為：1.9807、3.2166，工作面1中風(fēng)速關(guān)于瓦斯的函數(shù)為： 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，與的距離的平方和最小。根據(jù)最小二

26、乘指標(biāo)判斷擬合效果。其中的計(jì)算方法為：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)總的通風(fēng)量主要來(lái)源于三個(gè)地方，進(jìn)風(fēng)巷1，進(jìn)風(fēng)巷2，和掘進(jìn)工作面所在的巷道。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)表示第天在第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，為第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斷面面積，則每分鐘的通風(fēng)量可表示為：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。設(shè)分

27、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4 m2則總的通風(fēng)量可表示為：4、 明確約束條件設(shè)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)速為。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：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，令為總進(jìn)風(fēng)巷的通風(fēng)量，為總回風(fēng)巷的通風(fēng)量，則漏風(fēng)系數(shù)可表示為：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。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)量這一條

28、件表示為：3、限定總回風(fēng)巷的通風(fēng)量不超過(guò)掘進(jìn)工作面、回風(fēng)巷1、回風(fēng)巷2的通風(fēng)量之和：4、設(shè)礦井在第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量為；礦井在第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量為；則礦井中瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度分別與風(fēng)速的關(guān)系：5、煤塵濃度不超過(guò)其爆炸下限：6、瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)其報(bào)警下限：模型的建立根據(jù)以上分析構(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：符號(hào)說(shuō)明：礦井第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量；礦井第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤塵含量；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。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，局部通風(fēng)機(jī)功率為，各工作面

29、通風(fēng)量分別為，,且在滿足煤礦生產(chǎn)安全的前提下總通風(fēng)量不得大于。 6、模型的評(píng)價(jià)與推廣1、模型評(píng)價(jià)本題建立的模型分別對(duì)煤礦各區(qū)域安全程度進(jìn)行判斷以及對(duì)煤礦最佳總通風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算，所建模型對(duì)通常情況下的煤礦都可進(jìn)行計(jì)算，在評(píng)價(jià)煤礦安全程度時(shí)，由于數(shù)據(jù)及資料原因?qū)γ旱V各區(qū)域內(nèi)的火源情況、氧氣含量及工作人員數(shù)目無(wú)法確定，導(dǎo)致可考慮的因素減少，由于煤礦發(fā)生爆炸事故都是由監(jiān)測(cè)設(shè)備或者開(kāi)采人員不遵守規(guī)章制度導(dǎo)致的，因?yàn)檫@些因素都為不確定因素，在模型中無(wú)法給予合理的考慮以及假設(shè)，綜上所述上述因素都影響煤礦安全程度的判斷以及該模型在實(shí)際情況中的使用。2、模型的改進(jìn) 可以通過(guò)調(diào)查得到煤礦各區(qū)域內(nèi)火源情況及其溫度，各區(qū)域氧氣含量，各工作面各班次工作人員數(shù)量，將這些因素量化后加入倒模型中，并通過(guò)概率方面的知識(shí)假設(shè)開(kāi)采人員失職以及煤礦意外事故發(fā)生的可能性，并考慮其對(duì)煤礦安全的影響，建立新的全面的優(yōu)化模型，對(duì)該模型進(jìn)行求解，所得結(jié)果會(huì)更貼近實(shí)際，該模型也會(huì)在實(shí)際生活中得到更多的應(yīng)用。7附錄問(wèn)題三的程序min=240*(v1+v2+v3/0.85);240*(v1+v2+v3/0.85)>=240*(v4+v5+v3/0.85);240*(v1+v2+v3/0.85)>=300*v6*1.071;300*v6<240*(v4+v5)+(240*v3/0.85);240