煤礦和瓦斯的監(jiān)測與控制.ppt

1、信息工程大學- 信息工程學院,煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測與控制,數(shù)學建模培訓講座-,韓 中 庚,Institute of Information Engineering, Information Engineering University,煤礦瓦斯和煤塵的監(jiān)測與控制,基本內(nèi)容： 1、問題的提出與背景； 2、判斷高瓦斯礦還是低瓦斯礦; 3、判斷煤礦不安全的程度; 4、確定最佳通風量和風量控制; 5、問題的評價與存在問題.,數(shù)學建模培訓講座_,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,3,一、問題的提出與背景,煤礦安全生產(chǎn)是社會重點關(guān)注的熱點問題之一。 2005年全國煤礦共發(fā)生死亡事故3341起

2、，共死亡5986人，其中瓦斯爆炸事故405起，死亡2157人，占總死亡人數(shù)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。 大部分事故的罪魁禍首都是瓦斯或煤塵爆炸，瓦斯在煤礦的開采中是不可避免的。 礦井下的瓦斯和煤塵對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成了重大威脅，做好煤礦井下瓦斯和煤塵的監(jiān)測與控制是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,4,一、問題的提出與背景,瓦斯是一種無毒、無色、無味的可燃氣體，其主要成分是甲烷，在礦井中它通常從煤巖裂縫中涌出。瓦斯爆炸需要三個條件：空氣中瓦斯達到一定的濃度；足夠的氧氣；一

3、定溫度的引火源。 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條件:煤塵本身具有爆炸性；煤塵懸浮于空氣中并達到一定的濃度；存在引爆的高溫熱源。 試驗表明，一般情況下煤塵的爆炸濃度是302000g/m3，而當?shù)V井空氣中瓦斯?jié)舛仍黾訒r，會使煤塵爆炸下限降低，結(jié)果如附表1所示。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,5,國家煤礦安全規(guī)程給出了煤礦預(yù)防瓦斯爆炸的措施和操作規(guī)程，以及相應(yīng)的專業(yè)標準。規(guī)程要求煤礦必須安裝完善的通風系統(tǒng)和瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)，所有的采煤工作面、掘進面和回風巷都要安裝甲烷傳感器，每個傳感器都與地面控制中心相連，當井下瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r，控制中心將自動切斷電源

4、，停止采煤作業(yè)，人員撤離采煤現(xiàn)場。,一、問題的提出與背景,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,6,（1）根據(jù)煤礦安全規(guī)程第一百三十三條的分類標準 ，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？,一、問題的提出與背景,附圖1是有兩個采煤工作面和一個掘進工作面的礦井通風系統(tǒng)示意圖，請你結(jié)合附表2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照煤礦開采的實際情況研究下列問題：,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,7,（3）為了保障安全生產(chǎn)，利用兩個可控風門調(diào)節(jié)各采煤工作面的風量，通過一個局

5、部通風機和風筒實現(xiàn)掘進巷的通風。根據(jù)附圖1所示各井巷風量的分流情況、對各井巷中風速的要求，以及瓦斯和煤塵等因素的影響，確定該煤礦所需要的最佳（總）通風量，以及兩個采煤工作面所需要的風量和局部通風機的額定風量（實際中，井巷可能會出現(xiàn)漏風現(xiàn)象）。 注：掘進巷需要安裝局部通風機，其額定風量一般為150400 m3/min。局部通風機所在的巷道中至少需要有15%的余裕風量（新鮮風）才能保證風在巷道中的正常流動，否則可能會出現(xiàn)負壓導致乏風逆流，即局部通風機將乏風吸入并送至掘進工作面。,一、問題的提出與背景,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,8,返回,2020/8/20,信息工程大學 信息工

6、程學院,9,按照規(guī)程要求，當井下瓦斯的相對涌出量不超過10m3/t，且絕對涌出量不超過40m3/min時為低瓦斯礦。當相對涌出時大于10m3/t，或絕對涌出量大于40m3/min時為高瓦斯礦。更嚴重的稱為瓦斯突出礦。 瓦斯絕對涌出量是單位時間涌出的瓦斯的體積，在此用G表示，單位為m3/d，或m3/min。 瓦斯相對涌出量是平均日產(chǎn)1噸煤所涌出的瓦斯量，在此用g表示，單位為m3/t。,二、判別低瓦斯礦還是高瓦斯礦,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,10,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,11,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,12,由題目所給的實際數(shù)據(jù)，

7、計算可以得到各工作面的瓦斯絕對涌出量和總回風巷的絕對瓦斯涌出量與相對涌出量的具體結(jié)果。 瓦斯的絕對涌出量平均值為9.7482 m3/min； 相對涌出量的月平均值為23.1705（10）m3/t。 該煤礦為高瓦斯礦。,低瓦斯礦：相對涌出量10m3/t，且絕對涌出量40m3/min。 高瓦斯礦：相對涌出量10m3/t，或絕對涌出量40m3/min時為。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,13,該煤礦包含有兩個開采工作面、一個掘進工作面、兩條回風巷和一條總回風巷，即5個監(jiān)測點. 每一個地方的出現(xiàn)不安全的情況都會對整個煤礦構(gòu)成威脅，為此對每個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)都應(yīng)考慮。 根據(jù)所給出的540組

8、監(jiān)測數(shù)據(jù)，既要考慮瓦斯和煤塵濃度單項指標超標的情況，同時還要考慮瓦斯和煤塵的相互作用使得出現(xiàn)不安全的情況。 即隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龈?，煤塵爆炸濃度下限急劇下降，使得煤礦不安全的因素增加。,三、統(tǒng)計分析的不安全的程度,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,14,研究該煤礦出現(xiàn)不安全情況的統(tǒng)計概率如下:,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,15,四、確定最佳通風量和風量的調(diào)節(jié)控制,1. 對問題的分析,采煤工作面和巷道所需通風量的原則： （1）采煤工作面的瓦斯?jié)舛炔怀^1%， （2）采煤工人平均每人所需風量不小于m3/min，即保證充分的吸氧量； （3）采煤工作面溫度不超過26oC

9、，要保持良好的通風條件； （4）保證爆破作業(yè)所需要的風量； （5）能夠有效的排出瓦斯和礦塵，但又不能造成煤塵飛揚。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,16,對于井下的瓦斯而言，降低濃度的基本辦法就是通風，而且瓦斯的濃度隨著風速的增大而單調(diào)減小。,煤塵是不可避免的，風速太小不能將煤塵帶走，風速太大雖可能帶走一些浮塵，但又可揚起一些積塵，即當風速大于1.5m/s時，風速越大煤塵濃度就越嚴高。所以對于礦井下的煤塵而言風速不宜過小，也不宜過大，適宜最佳。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,17,四、確定最佳通風量和風量的調(diào)節(jié)控制,2. 確定瓦斯?jié)舛扰c風速的關(guān)系,各工作面和回

10、風巷的瓦斯?jié)舛瘸伺c風速有關(guān)以外，還與瓦斯的涌出量有關(guān)，而且涌出量是一個不可控的因素，也是不確定的。 事實上瓦斯的濃度與風速成反比，與斷面面積成反比。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,18,根據(jù)問題的監(jiān)測數(shù)據(jù)作最小二乘擬合可得擬合系數(shù)：,即可得到各工作面與回風巷的瓦斯?jié)舛入S風速變化的近似關(guān)系：,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,19,3. 確定煤塵濃度與風速的關(guān)系,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,20,最佳通風量是指在保證各工作面和回風巷瓦斯?jié)舛扰c煤塵濃度都不超標的情況下，尋求煤礦的最小的通風量，即保證全煤礦的安全生產(chǎn)。,4.確定煤礦的最佳通風量,

11、2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,21,說明： 目標函數(shù)：總的通風量最小，為局部通風機的額定風量； 條件1：總通風量與總回風量的守恒，不等號是實際都會有漏風的現(xiàn)象，會差別； 條件2：規(guī)程要求工作面的瓦斯?jié)舛炔荒艹^1.0%； 條件3和4：在不同瓦斯?jié)舛认聦γ簤m濃度的要求范圍； 條件5，6和7：規(guī)程要求工作面、巷道和總回風巷的風速標準； 條件8：實際中局部通風機的額定風量范圍； 條件9：是對巷道分流的要求，以保證巷道風流的壓力。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,22,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,23,5. 風量的調(diào)節(jié)與控制,2020/8/20,信

12、息工程大學 信息工程學院,24,五、問題的評價與存在問題,問題（）:基本上都是依據(jù)絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量兩項指標判斷確定該煤礦為高瓦斯礦，主要是相對涌出量指標超過10 m3/t。,問題（）:要求根據(jù)所給出的30天(每天3次)6個觀測點的風速、瓦斯和煤塵的監(jiān)測數(shù)據(jù)來統(tǒng)計判斷該煤礦不安全的程度。解決方法主要有三類： 一類是由已知的監(jiān)測數(shù)據(jù)做統(tǒng)計計算得到統(tǒng)計概率，即出現(xiàn)指標超標的次數(shù)與總監(jiān)測次數(shù)之比，但很多答卷中的總監(jiān)測次數(shù)為540. 35401620,即“30天每天3次6個監(jiān)測點3項指標”。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,25,第二類: 對所監(jiān)測數(shù)據(jù)作統(tǒng)計分析，假設(shè)服從正

13、態(tài)分布規(guī)律，并估計其均值和方差，自定義安全性指標和相應(yīng)標準，進行檢驗和判斷得出結(jié)論。 這類方法總體可行，但缺少客觀性和可信度，將問題考慮的過于復雜化，同時對假設(shè)和安全性指標定義的合理性缺少依據(jù)。 第三類: 僅依據(jù)煤塵爆炸下限隨瓦斯?jié)舛茸兓年P(guān)系作簡單的數(shù)據(jù)擬合（指數(shù)擬合，或二次擬合、三次擬合等），并自定義所謂的安全性指標和相應(yīng)標準，對問題進行檢驗和判斷得出結(jié)論，這類方法有明顯的不合理性。,五、問題的評價與存在問題,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,26,問題（）:是這個題目的核心問題，主要是根據(jù)煤礦的實際情況以及規(guī)程的實際要求，確定采煤工作面和巷道所需通風量的主要原則： “采煤工

14、作面的瓦斯?jié)舛炔怀^1%，其他有害氣體都不超過規(guī)程規(guī)定（瓦斯和煤塵）； 能夠有效的排出瓦斯和礦塵，但又不能造成煤塵飛揚”。 解決問題的主要思路是三個步驟： （1）確定瓦斯?jié)舛扰c風速的關(guān)系; （2）確定煤塵濃度與風速的關(guān)系; （3）確定最佳通風量與風量分配.,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,27,最佳通風量: 在保證各工作面和回風巷瓦斯?jié)舛扰c煤塵濃度都不超標的情況下，尋求礦井的最小通風量，形成一個優(yōu)化問題：,目標函數(shù):總的通風量最小; 約束條件： 按照各井巷風量的分流情況及總通風量與總回風量基本守恒得到的關(guān)系； 各工作面的瓦斯?jié)舛炔怀^1%； 在不同瓦斯?jié)舛认旅簤m濃度的允許范圍；

15、 各工作面、巷道和總回風巷的風速標準； 局部通風機的額定風量范圍； 巷道可能出現(xiàn)漏風的情況等。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,28,一般應(yīng)該是一個線性（或非線性）規(guī)劃模型，求解可以得到總通風量、各工作面通風量和局部通風機的額定風量。 結(jié)果原則上應(yīng)比現(xiàn)在的總通風量(1560m3/min)要大，安全性提高，并且按基本守恒原則分配到各工作面。 答卷中存在的主要問題大體上有五個方面： (1)只考慮三個工作面的安全問題做了局部優(yōu)化，沒有考慮回風巷瓦斯?jié)舛鹊某瑯艘矔l(fā)生爆炸事故的可能性。,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,29,(2)基于問題（）中自定義的安全性指標最大為目標和相應(yīng)的標準為約束建立優(yōu)化模型. 所得結(jié)果都有明顯的不合理性，對實際問題難已解釋，也就是基于一個不合理的目標和約束，得到不合理的結(jié)論，通常所得到的通風量都偏大。 (3)約束條件考慮的不全面，即對實際中可能造成不安全的因素沒有全部考慮進去，所得到的通風量結(jié)果一般都偏小，實際中還存在著不安全的因素。 (4)完全依據(jù)文獻中的經(jīng)驗公式，主觀地給出一些相應(yīng)的參數(shù)假設(shè)和取值，缺少一定的說服力.,2020/8/20,信息工程大學 信息工程學院,30,(5)有的隊把這個問題理解為一個綜合評價問題，利用層次分析、綜合加權(quán)、模糊綜合評判等方法得到一些無關(guān)的結(jié)果，這也反應(yīng)出部分學生對實際