煤礦瓦斯與煤塵的監測與控制
摘要本文主要研究煤礦瓦斯與煤塵的監測與控制問題.根據對附表中提供的資料材料分析，我們對煤礦的不安全程度給出了兩個合理指標，從而建立了評價不安全程度模型.在附件提供的條件下，建立優化模型得出最佳總通風量.
問題一為鑑別該煤礦的瓦斯濃度等級.分別計算出該煤礦每一天的瓦斯相對湧出量和絕對瓦斯湧出量.瓦斯相對湧出量為煤礦中所有瓦斯湧出量與與該天的日產煤量之比,瓦斯絕對湧出量為煤礦中每個點瓦斯湧出量.
利用量綱分析法知識建立了瓦斯相對湧出量和絕對湧出量模型，.將得出的兩者平均值與附件中標準作比較，進而判斷該煤礦的瓦斯濃度等級.經計算分析得出煤礦的瓦斯相對湧出量為，煤礦瓦斯絕對湧出量為，根據標準判斷該煤礦屬於高瓦斯礦井.
問題二為評價該煤礦的不安全程度.根據附件中提供的瓦斯空氣體積比與瓦斯對煤塵影響力的係數關係，我們用最小二乘擬合的方法擬合出瓦斯空氣體積比與對煤塵的**下限的影響力係數的函式關係，考慮到該礦井的不安全程度有煤塵的濃度和瓦斯濃度兩方面的因素影響，利用加權係數對這兩個指標進行綜合評價.在礦井中，測得某時刻某監測點實際煤塵濃度為b，瓦斯濃度為a,定義與為煤塵與瓦斯的**概率，煤塵的**概率為實際所測的煤塵濃度與在實際所測瓦斯濃度對應下的煤塵**下限濃度的比值，瓦斯**的概率為實際所測的瓦斯濃度與瓦斯**下限濃度的比值，對這兩者與煤礦不安全程度的關係進行加權，綜合評價不安全程度指標為，從而利用matlab軟體可以求出該煤礦的不安全程度為.
問題三為求出煤礦的最佳總通統風量.對附表中的資料進行分析處理，利用excel可計算出各個工作面與回風巷及主巷道之間的風速衰減率，，在以上的約束條件下以上問的模型為目標函式進行非線性規劃，利用lingo軟體計算出最佳通風量為，採煤工作面i的風量為，採煤工作面ii的風量為,區域性通風機的風量為.
關鍵詞：量綱分析；最佳通風量；最小二乘擬合；非線性規劃
一、問題的提出
煤礦安全生產是我國目前亟待解決的問題之一，做好井下瓦斯和煤塵的監測與控制是實現安全生產的關鍵環節（見附件1）.
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湧出.瓦斯**需要三個條件：空氣中瓦斯達到一定的濃度；足夠的氧氣；一定溫度的引火源.
煤塵是在煤炭開採過程中產生的可燃性粉塵.煤塵**必須具備三個條件:煤塵本身具有**性；煤塵懸浮於空氣中並達到一定的濃度；存在引爆的高溫熱源.
試驗表明，一般情況下煤塵的**濃度是30～ 2000g/m3，而當礦井空氣中瓦斯濃度增加時，會使煤塵**下限降低，結果如附表1所示.
國家《煤礦安全規程》給出了煤礦預防瓦斯**的措施和操作規程，以及相應的專業標準 (見附件2).規程要求煤礦必須安裝完善的通風系統和瓦斯自動監控系統，所有的採煤工作面、掘進面和回風巷都要安裝甲烷感測器，每個感測器都與地面控制中心相連，當井下瓦斯濃度超標時，控制中心將自動切斷電源，停止採煤作業，人員撤離採煤現場.具體內容見附件2的第二章和第三章.
附圖1是有兩個採煤工作面和乙個掘進工作面的礦井通風系統示意圖，請你結合附表2的監測資料，按照煤礦開採的實際情況研究下列問題：
（1）根據《煤礦安全規程》第一百三十三條的分類標準 (見附件2)，鑑別該礦是屬於「低瓦斯礦井」還是「高瓦斯礦井」.
（2）根據《煤礦安全規程》第一百六十八條的規定，並參照附表1，判斷該煤礦不安全的程度（即發生**事故的可能性）有多大？
（3）為了保障安全生產，利用兩個可控風門調節各採煤工作面的風量，通過乙個區域性通風機和風筒實現掘進巷的通風（見下面的注）.根據附圖1所示各井巷風量的分流情況、對各井巷中風速的要求（見《煤礦安全規程》第一百零一條），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，以及兩個採煤工作面所需要的風量和區域性通風機的額定風量（實際中，井巷可能會出現漏風現象）.
注掘進巷需要安裝區域性通風機，其額定風量一般為150~400 m3/min.區域性通風機所在的巷道中至少需要有15%的餘裕風量（新鮮風）才能保證風在巷道中的正常流動，否則可能會出現負壓導致乏風逆流，即區域性通風機將乏風吸入並送至掘進工作面.
名詞解釋
（1）採煤工作面：礦井中進行開採的煤壁 (採煤現場).
（2）掘進巷：用爆破或機械等方法開鑿出的地下巷道，用以準備新的採煤區和採煤工作面.
（3）掘進工作面：掘進巷盡頭的開掘現場.
（4）新鮮風：不含瓦斯和煤塵等有害物質的風流.
（5）乏風：含有一定濃度的瓦斯和煤塵等有害物質的風流.
二、問題的分析
通過對本題的分析，問題的關鍵在於如何鑑別該煤礦是屬於「低瓦斯煤礦」還是屬於「高瓦斯煤礦」，以及構造該煤礦的不安全程度函式，用這樣乙個函式作為評價指標，確定所需要的最佳總通風量.
針對問題一，通過分析附件中的材料可知，乙個礦井中只要有乙個煤層發現瓦斯，即為瓦斯礦井.當礦井中相對瓦斯湧出量大於或者絕對瓦斯湧出量大於，則該礦井屬於高瓦斯礦井，若礦井中相對瓦斯的量小於或者等於並絕對瓦斯的量小於或者等於，則該礦井為低瓦斯礦井，根據量綱分析原則，礦井中的相對瓦斯量用表示， =風速*斷面面積*工作時間*瓦斯所佔空氣體積/日產煤量，其中每班工作時間為每班為8小時，各個檢測點，表示一天中的時間段，有早班，中班，晚班.礦井中的瓦斯絕對湧出量用表示，，表示一天中的三個班次，利用excel計算出採煤工作面i,採煤工作面ii，回風巷i，回風巷ii，掘進工作面及總回風巷的絕對瓦斯湧出量與相對瓦斯湧出量與所給的標準對比，從而判定為該礦井為高瓦斯礦井.
對於問題二，我們分析了附表1和附表2中的資料，在附表1中，煤塵**下限濃度與空氣中瓦斯體積比有關，當礦井空氣中的瓦斯濃度增加時，煤塵**下限濃度就會降低，在附件中有瓦斯濃度與瓦斯對煤塵的影響力係數關係，為此，我們先作出瓦斯濃度和影響力係數的散點圖，分析曲線的分布，該曲線滿足負指數關係，用最小二乘擬合的方法，擬合出瓦斯濃度與影響力係數之間的函式關係，，其中表示實際測量的瓦斯濃度，在煤礦中，發生**的情況有三種情況，可能是瓦斯達到一定條件下發生**，也可能是煤塵濃度達到一定條件下發生**，也可能是兩者同時發生**，由此我們可以構造煤礦不安全程度函式，定義用實際測量的煤塵濃度比上實際測量瓦斯濃度影響下的煤塵**限度的值，而，實際測量的瓦斯濃度比上瓦斯**限度的值，根據附表可知，當瓦斯濃度大於5%時產生**故用這兩個指標來衡量兩者的不安全程度，關係式為，但考慮到兩者**程度不同，我們考慮利用加權係數關係來進一步完善該模型，令為煤塵的**程度所佔的權重，而為瓦斯的**程度所佔的權重，代表實際測量的瓦斯濃度，代表實際測量的煤塵濃度，利用附表2中的資料計算出每天每時間段各個監測點的實際瓦斯與煤塵的量，可用matlab軟體計算出不安全程度.
針對問題三，對附表2進行分析，可知不同點不同班次不同的日產煤量下的絕對瓦斯湧出量，對所有點不同班次的絕對瓦斯湧出量取它們的平均值，從而求出不同點的最大瓦斯湧出量，根據資料分析，同乙個工作面與相對應的回風巷的速度進行比較，由於在這一過程中，無風速增加機構，從而可以求出該過程內風速的衰減率，根據假設可知，採煤工作面i和採煤工作面ii的風速衰減率是相同的，可以計算出其相對應風速衰減率，對於第二個待採煤層，分析發現其開採面風速小於回風巷二的風速，原因理解為回風巷對應下的主巷道風速較大，壓強較小，從而使得回風巷的風速增加.相對主巷道的衰減，可通過對於主巷道有掘進工作面的風鼓入與區域性通風機的巷道內的餘裕風量和回風巷i，ii之和，排出只有從總回風巷裡流出，根據此可以計算主巷道的風速衰減率.在保證不安全程度最小的情況下，求出最佳通風量，由此可設兩個目標函式，進行非線性規劃，根據附件知道各個採煤工作面，回風巷及掘進面的瓦斯濃度至少為1%，而區域性通風機的主巷道的餘裕風量（新鮮風）至少為15%，才能保證掘進工作面的風能在主巷道內正常流通，附件中對各個工作面及回風巷管道的風速都有一定的約束來作為限制條件，結合上述提出的各個工作面的風量衰減率，構成約束條件，用非線性規劃求出最佳通風量.
3、模型的假設
1.所給的資料具有一定的合理性；
2.瓦斯和煤塵達到空氣體積比時都會發生**；
3.當礦井空氣中的瓦斯濃度增加時，煤塵**下限降低；
4.早班，中班，晚班的工作時間均為8小時；
5.該煤礦的各項標準都符合《煤礦安全規程》；
6.在煤礦系統中，對於採煤及掘井工作面與回風巷及進風巷各處的漏風率是一致相同的；
7.進入進風巷的風是新鮮風，不含有瓦斯與煤塵等雜質的風；
8.每個工作面所湧出瓦斯的量是均勻湧出的；
9.對於主巷道的斷面面積為5，採煤與掘井工作面及回風巷進風巷的斷面面積為4，在掘井工作面中的風筒面積為；
10.總進風巷至區域性通風機之間的風速衰減不能忽略；
11.巷道的建設都是相同的.
四、符號說明
：表示附表中所列天數；
：表示各個監測點；
：表示早班，中班，晚班班次；
：表示第天第個檢測點在第個時間段的絕對瓦斯量（其中可取1到30天，取1,2,3,4,5,6，可取1,2,3）；
：表示第天的相對瓦斯量（取值條件同上）；
：表示煤塵的**程度所佔的權重；
：表示瓦斯的**程度所佔的權重；
：表示第天第個檢測點在第個時間段實際測量的煤塵濃度；
：表示第天第個檢測點在第個時間段實際測量的瓦斯濃度；
：表示瓦斯濃度對煤塵**限度的影響係數；
:表示該煤礦不安全的程度指標；
：表示其他各採煤區的進風巷，回風巷和掘進巷的斷面面積；
：表示主巷道斷面面積；
：表示掘進巷道中的風筒直徑面積；
：表示風從總進風巷向左分流的風速；
：表示風從總進風巷向右分流的風速；
：表示由向進風巷i分流的風速；
：表示i天j個監測點k時間段實際測量的瓦斯的空氣體積比；
：表示i天j個監測點k時間段實際測量的煤塵濃度；
：表示由採煤工作面向回風巷i流的風速；
：表示由向可控風門流向的速度；
向進風巷ii流向的速度；
: 表示待採煤層內巷道的風速平均衰減率；
區域性通風機的巷道的餘裕風量；
：主巷道的風速平均衰減率；
：表示日產煤量（表示天數）.
5、模型的建立與求解
（一）問題一的模型建立與求解：
根據附件資料可知，瓦斯濃度劃分標準如下：
低瓦斯礦井：礦井相對瓦斯湧出量小於或等於，且礦井絕對瓦斯湧出量小於或等於.
低瓦斯礦井：礦井相對瓦斯湧出量小於或等於，且礦井絕對瓦斯湧出量小於或等於.
對附表2中的資料進行分析，根據量綱分析可知，瓦斯相對湧出量的單位為，那麼可以表示為瓦斯相對湧出量=風速*斷面面積*工作時間*瓦斯所佔的空氣體積比/日產煤量，而瓦斯絕對湧出量的單位，用量剛原則分析可知，瓦斯絕對湧出量可以表示為瓦斯絕對湧出量=風速*斷面面積*瓦斯所佔的空氣體積比,由此對應的方程為：..
利用excel計算出採煤工作面i,採煤工作面ii，回風巷i，回風巷ii，掘進工作面及總回風巷的絕對瓦斯湧出量與相對瓦斯湧出量最大值10.97和24.15.
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教師的真正本領，主要不在於講授知識，學習不是教師把知識簡單地傳遞給學生，而是學生自己建構知識的過程。在學習過程中，學生不是被動地接受資訊，而是以原有知識經驗為基礎，主動地建構知識的意義。因此教師的真正本領，主要不在於講授知識，而在於激發學生的學習動機，喚起學生的求知慾望，讓他們興趣盎然地參與到教學全...
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