煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制模型【摘要】如何划分煤矿瓦斯等级、判断煤矿不安全程度和确定煤矿所需要的最佳通风量，对煤矿安全生产具有非常重要的意义。本文通过建立三种不同的模型并通过EXCLE和LINGO编程计算分别对矿井分类问题、矿井不安全程度问题和矿井所需最佳通风量问题进行了合理解决。在问题1中，利用EXCLE作数据分析，用矿井绝对瓦斯涌出量=风速港道积瓦斯浓度，相对瓦斯涌出量=日均绝对瓦斯涌出量日产量，通过已给的煤矿类型标准，基于两个量的数值来鉴别该矿是属于“高瓦斯矿井”；在问题2中，根据《煤矿安全规程》第一百六十八条的规定判定各个考察点在任意天任意工作时段报警、断电、复电等事故的发生与否，并进一步统计出各个考察点在30天内发生报警、断电、复电的总次数；同时，由附表1和2得到得到所有的煤尘下限浓度均大于实际测得的煤尘含量，据此我们认为煤尘爆炸的可能性为0。矿井爆炸的可能性仅需考虑相应的瓦斯浓度。由此我们进行了一个简单的统计，并作简单的概率运算可得到该矿井的不安全程度为4.63%。在问题3中，首先根据瓦斯浓度、煤尘浓度与风速的关系，找出安全生产前提下采煤工作面实际需要的最小风量。通过简单计算得到，采煤工作面一和采煤工作面二实际所需最小风量分别为365.54m3/min和469.48m3/min。根据各井巷风量的分流情况以及对各井巷中风速的具体要求，建立了煤矿实际所需最佳通风量的单目标最优化模型。采用LINGO软件求解，得出该矿井局部通风机的额定风量和煤矿所需要的最佳(总)风量分别为150m3/min和1161.49m3/min。最后，通过模型求解和分析知，本文对不同问题的建模方法合理，对煤矿公司等高风险的企业的管理具有较强的借鉴作用。问题重述1.1基本情况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。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。国家《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。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。1.2需要解决的问题现按照煤矿开采的实际情况考虑下列问题：问题一：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”。问题二：根据《煤矿安全规程》第一百六十八条的规定，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？问题三：如果为了保障安全生产，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。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150~400m3/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、问题的背景煤矿安全生产是目前社会重点关注的热点问题之一，尤其是在能源紧张，对煤碳的需求量不断增加的情况下，煤矿的安全生产问题更是值得我们关注，这也是建设平安和谐社会的重要组成部分。据不完全统计，2005年全国煤矿发生事故405起，死亡2157人。瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的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。这些事故所造成的经济损失是重大的，给社会和伤亡人员的家庭所造成影响与损失是无法估量的。我们注意到，大部分事故的罪魁祸首都是瓦斯或煤尘爆炸，瓦斯在煤矿的开采中是不可避免的。因此，矿井下的瓦斯和煤尘对煤矿的安全生产构成了重大威胁，做好煤矿井下瓦斯和煤尘的监测与控制是保证煤矿安全生产的关键所在。模型的假设1.采煤工作面1与采煤工作面2的每天的采煤量相同，早、中、晚班的采煤速率相同；2.假