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论文题目：煤自燃性预测数学模型研究 专业：应用数学 硕士生：i 、荣珍 指导教师：赵高长 摘要 煤自燃预测技术对于煤自燃的防治有重要意义。煤自燃倾向性和自然发火期的实验 研究是自燃预测的基础。采用煤自然发火实验能准确测定自然发火期，但该实验一般需 要1 个月以上的实验时间和1 吨以上的实验煤样。本文采用改进的程序升温氧化实验， 准确测定煤自燃在不同温度下的耗氧速率及气体产生率，认为煤在不同温度下的耗氧速 率，c o 、c 0 2 产生率，与煤的自燃倾向性和自然发火期之间存在对应关系。针对这种对 应关系，本文分别建立了模糊聚类和模糊模式识别煤自然发火期预测法、最小二乘法预 测法、人工神经网络预测法三种模型，对煤自燃性进行预测。 运用模糊聚类和模糊模式识别法，首先根据已有的煤自然发火实验数据用模糊聚类 的方法确定类别，然后根据升温氧化实验数据采用模糊模式识别的方式对研究煤样的自 燃倾向性进行归类。由于这种方法是根据分类结果进行预测，所以预测的结果只能是大 的类别，而无法得到精确的自然发火期天数。 根据理论分析，建立了煤自然倾向性与煤在不同温度下耗氧速率、c o 产生率及c 0 2 产生率之间关系的理论模型，应用最小二乘法确定该模型的参数。从而可以根据实验结 果预测煤的自然发火期，分析煤的自然倾向性。该模型建立在一定的理论基础上，结果 的精确度也比较高，但计算过程相对繁琐。 建立了煤在不同温度下的耗氧速率，c o 、c 0 2 产生率，与煤的自然发火期之间对应 关系的人工神经网络模型。用已有的煤自然发火实验数据对该神经网络进行训练，得到 了神经元间的联结强度。将煤样程序升温氧化实验数据及煤质分析数据代入该人工神经 网络，可计算出煤样实验自然发火期。该方法计算方便，还可以估算预测的精度，但需 要大量样本对网络进行训练。 在实际的工作中，可以根据已知数据量和需要，选用不同的数学模型对煤自燃性进 行预测。 关键词：煤自燃；模糊聚类；模糊模式识别；最小二乘法；人工神经网络 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fp r e d i c t i n gc o a ls p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n s p e c i a l t y ：a p p l i c a t i o no fm a t h s n a m e：b ur o n g z h e n i n s t r u c t o r ：z h a og a o c h a n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t p r e d i c t i o no fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rp r e v e n t i n gc o a l s e l f - i g n i t i o n t e s t i n go fs e l f - i g n i t i o nn 。e 1 1 da n dt i m ei st h eb a s i so fp r e d i c t i o nt e c h n i q u eo f c o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n t h ew a yt ot e s ts e l f - i g n i t i o nt i m ea c c u r a t e l yi ss p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ns i m u l m i n ge x p e r i m e n t ，w h i c ht a k e sm o r et h a no n em o n t ha n do v e r1t o no fc o a l s a m p l e i nt h i st e x t ，a ni m p r o v e do i l b a t hp r o g r a m m e dt e m p e r a t u r eo x i d a t i o ne x p e r i m e n t a l d e v i c ei sa d o p t e d ，w h i c hc a l lt e s to x y g e nc o n s u m p t i o na n dg a sg e n e r a t i o nr a t eo fc o a ld u r i n g s e l f - h e a t i n gp r o c e s sp r e c i s e l y i ti s t h i n k e dt h a tt h e r ei s c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e n s e l f - i g n i t i o nd u r a t i o na n do x y g e nc o n s u m p t i o nr a t e ，c a r b o nm o n o x i d ea sw e l la sc a r b o n d i o x i d eg e n e r a t i o nr a t eo ft h ec o a la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r eo fs e l fh e a t i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t ot h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n ，t h r e ep r e d i c t i o nm o d e l sa r eb u i l ti nt h i st e x tw h i c ha r ef u z z y c l u s t e r i n ga n df u z z ym o d e li d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，m i n i m a lt w om u l t i p l i c a t i o nm e t h o da n d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sm e t h o d t h e s et h r e em o d e l sc a np r e d i c tt h ec o a l s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n f u z z yc l u s t e r i n ga n df u z z ym o d e li d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ：i nt h ef i r s t ，u s i n gf u z z y c l u s t e r i n gc l a s s f i e st h ek n o w nc o a ls e l g i g n i f i o nd u r a t i o nd a t a ，t h e na c c o r d i n gt ot h e p r o g r a m m e dt e m p e r a t u r e o x i d a t i o ne x p e r i m e n t a ld a t a , u s i n gf u z z ym o d e li d e n t i f i c a t i o n p r e d i c t s t h eu n k n o w nc o a l s e l f - i g n i t i o nd u r a t i o n b e c a u s eu s i n gt h i s m e t h o dp r e d i c t s a c c o r d i n gt ot h ec l a s s f i c a t i o nr e s u l t ，s ot h ec a l s s f i c a t i o nr e s u l ti st h ef u z z yr e s u l ta n dw ec a n n o tr e c e i v et h ep r e c i s es e l f - i g n i t i o nt i m e o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n b e t w e e ns e l f - i g n i t i o nd u r a t i o na n do x y g e nc o n s u m p t i o nr a t e ，c a r b o nm o n o x i d ea sw e l la s c a r b o nd i o x i d eg e n e r a t i o nr a t eo ft h ec o a la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei sb u i l t u s i n gm i n i m a lt w o m u l t i p l i c a t i o np r e d i c t i n gm e t h o dc a no b t a i nc o e f f i c i e n to ft h em o d e l s ow ec a np r e d i c tt h e c o a ls e l f - i g n i i t i o nt i m ea n da n a l y s et h ec o a ls e l f - i g n i t i o nt r e n d b e c a u s et h em o d e lb u i l do nt h e t h e o r yb a s i s ，u s i n gt h i sm e t h o dw ec a nr e c e i v ep r e c i s e rr e s u l t ，b u tt h ec a l c u l a t i o np r o c e s si s i n t r i c a c y a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km e t h o di sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e n o x y g e nc o n s u m p t i o nr a t e ，c a r b o nm o n o x i d ea sw e l la sc a r b o nd i o x i d eg e n e r a t i o nr a t eo ft h e c o a la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n ds e l f - i g n i t i o nd u r a t i o n t r a i nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k u s i n gk n o w n c o a ls e l f - i g n i t i o nd u r a t i o ne x p e r i m e n td a t a ，s ow ec a l lr e c e i v et h ej o i n ts t r e n g h t o fn e r v ec e l l s u b s t i t u t et h ep r o g r a m m e dt e m p e r a t u r eo x i d a t i o ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o a l q u a l i t ya n a l y s i sd a t ai nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，s ow ec a l lc a l c u l a t et h ec o a le x p e r i m e n t s e l f - i g n i f i o nt i m e t h i sm e t h o di sc o n v e n i e n c ea n dw e c a ne s t i m a t ep r e c i s i o no fp r e d i c t i o n b u t a b u n d a n ts a m p l ei sn e e d e dt ot r a i nt h en e t i np r a c t i c a lw o r k ，w ec a na p p l yd i f f e r e n tm a t h e m a t i c lp r e d i c t i n gm e t h o d st op r e d i c tt h e c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na c c o r d i n gt ot h ek n o w nd a t aa n dr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n f u z z yc l u s t e r i n gf u z z ym o d e li d e n t i f i c a t i o n m i n i m a lt w om u l t i p l i c a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 主要符号表 主要符号表 比热容，k j ( k g k ) 空气的比热容，k j ( k g k ) 碎煤的比热容，k j ( k g k ) 实体煤的比热容k j ( k g k 1 氧气体积百分比浓度， 新鲜空气中氧气体积百分比浓度， 氮气浓度，k g m 3 自燃的下限氧浓度， 煤粒直径，m 微元体的距离，m 氧气的扩散系数，m 2 s 氮气的扩散系数，m 2 s 活化能，k j j n o l 温度，或k 松散煤体内最高煤温，或k ； 煤自燃的临界温度，或k ； 围岩温度，或k ； 体积，m 3 煤在新鲜空气中的耗氧速率，m o l ( m 3 s ) 煤的耗氧速率，m o l ( m 3 s ) c o 产生速率，m o l ( m 3 s ) 新鲜空气中的c o 产生速率，m o l ( m 3 s ) c 0 2 产生率，m o l ( m 3 s ) c h 4 产生率，m o l ( m 3 s ) 坐标轴 坐标轴 乏羔乏戛：；乏器器咖黟 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 孽吟日期：矽罗竿6 j 9 妇 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师签名：乡寸杉二 7 年多胄日 1 绪论 i i 暑；i 置宣i 盲i i i 宣i 昌i 置宣皇宣i ；i 昌i i 暑置宣i i i i 暑置暑置宣；i ；i i 宣宣宣暑；i i i i ；i 昌i i i ；暑宣宣宣置宣宣宣i i i ； 1 绪论 1 1 研究背景 我国的煤层自燃十分严重，国有煤矿中6 0 以上的矿井存在煤层自然发火危险。矿 井自燃火灾产生大量有毒有害气体，还可能引发矿井瓦斯爆炸，给矿工生命安全以及生 产设备的安全造成严重威胁。煤层自燃每年都导致大量煤炭资源的浪费，引起严重的环 境污染问题，并造成大量材料损失和人员伤亡，引起国内外广泛关注。 进入2 0 世纪9 0 年代，综采放顶煤开采技术在我国开始大范围推广，煤炭开采效率 得到极大提高，生产高度集约化，一个综采放顶煤工作面日产原煤可达2 万吨以上，效 益非常可观。但是，综放面采空区浮煤厚度更大，尤其是进风、回风两侧( “两道”) 顶 煤放出率低，因而采空区“两道”处遗煤厚度很大，自燃危险性很大。综放面一旦发生煤 层自燃，工作面将被迫封闭，并可能导致长期停止生产。综放面每停产一天将造成上百 万甚至上千万元的经济损失。我国每年由于矿井煤层白燃造成直接和间接经济损失近百 亿元。因此，综放采空区煤自燃的预防技术研究对保障煤矿安全生产非常重要。 煤炭自燃现象比较普遍，往往造成十分严重的灾害问题。煤自燃参数的测试是自燃 预测的基础，这方面的研究对防治自燃意义重大。煤自燃倾向性和自然发火期是煤自燃 预测的最重要参数之一，本论文主要针对这方面问题进行研究。 1 2 研究现状 煤的自燃是一个极为复杂的自动加速的物理化学变化过程。关于煤自燃的起因，普 遍被接受的理论是煤氧复合学说，该理论认为自燃是煤与氧长期氧化放出热量，热量聚 集的结果。根据煤自燃过程及机理的理论分析，煤的自燃性是由煤本身结构决定的，煤 氧复合过程对自燃有重要影响。自燃过程是煤氧复合的结果，该过程包括煤对氧气的物 理吸附、化学吸附和一系列氧化反应，如果氧化条件适合，就可能引起煤自燃，反之煤 温不会升高而着火。因此，通过研究煤氧复合过程，即通过研究煤在较低温度下与氧作 用来分析煤的自燃倾向性。目前，主要有研究煤在低温下对氧气的吸附试验，试剂氧化 和空气氧化来研究煤的自燃倾向性三类。其中，通过煤在空气中的氧化研究煤自燃倾向 性的典型实验方法有：( 1 ) 采用t g a 和d s c 实验研究煤氧化过程中的重量变化和能量 变化对比煤的自燃性；( 2 ) 采用绝热实验或程序升温实验研究煤的耗氧物性、温度变化 规律等，进而分析煤的自燃性；( 3 ) 采用红外光谱等手段研究煤氧化过程中结构的变化， 判断其自燃性；( 4 ) 采用煤自燃模拟实验( 自然发火实验) 研究煤的自燃倾向性等。 目前，技术成熟的并被列为标准使用的煤自燃倾向性测试方法主要有氧吸附法、交 西安科技大学硕士学位论文 叉点温度法( c p t ) 、绝热量热法等。模拟实验测定煤的自燃倾向性结构准确可靠，但 其实验周期较长( 一般需要1 个月以上) ，实验需要煤样量大( 1 吨以上) ，实验费用较 高。需要一种更加科学合理的煤自燃倾向性鉴定方法。 以下为目前几种常用的煤自燃倾向性鉴定方法： 1 2 1 化学试剂法 该类方法主要以双氧水、亚硝酸钠、联苯胺等化学试剂取代氧，把缓慢的难以测定 的煤氧复合过程加速，考察煤在试剂作用下的氧化速度和快速反应的临界点着火 点，以此衡量煤自燃倾向性的强弱。该类方法各国采用的有奥尔宾斯基法( c w ，o l p i n s k i ) ( 波) 、奥尔莲斯卡娅一维谢洛夫斯基( r n o p j ie a h c k a 丑一b c b e c ej io b ckm 玖) 着火点温度降低值法( 苏) 、马切雅什法( z m a c i e j a s ) ( 即双氧水法) 等。由于化学试 剂对煤的氧化与煤自燃过程差别很大，化学试剂法不能完全反映煤的自燃性。 测量煤中过氧基的浓度也被发展为评定煤自加热倾向等级的方法。过氧基或过氧化 物是在煤低温氧化中形成的中间产物，其浓度反映了煤与氧相互作用的活性。c h a n d r a 和他的同事提出了一个操作程序，用化学滴定技术量化过氧基数量并由此评判煤走向自 燃的危险等级。 1 2 2 吸氧法 吸氧法也被称之为“氧吸附”法，通过色谱分析测定煤样对氧气的物理吸附能力分 析煤的自燃性，这类方法主要分静态吸氧法和动态吸氧法。静态吸氧法是把一定量的煤 样置于一个恒温的密闭容器中，在该容器内充满氧气，然后考察在一定时间内该煤样对 氧的吸收量。动态吸氧法是让氧以一定的流量在一定的时间内通过恒温的煤样( 通常为 几克煤样) ，然后考察该煤样在某一设定温度下单位质量煤样吸附氧的数量。一般将数 十克重的样品放置在密封的反应器中，在恒温下( 通常为3 0 ) 让样品对容器中的氧气 的吸附达到平衡，监测反应器中的氧气和气相氧化产物的分压力，研究煤吸收氧气并产 生气体氧化产物的速率【4 卅，据此来推断煤的自燃倾向性。 w i n m i l l 提出，在3 0 条件下，1 0 0 9 煤样在9 6h 的吸氧量如果超过3 0 0c m 3 ，则对 应煤样有自燃倾向性，如果低于2 0 0c m 3 ，则无自燃倾向。有研究用c o 浓度( p p m ) 和吸收的0 2 百分数( ) 的比值【6 】( g r a h a m 比率或称为一氧化碳指标值) 作为煤自燃 倾向性的判断依据，k u c h m 提出g r a h a m 比率超过1 8 0 的煤样具有高自热倾向性。在中 国，戚颖敏，钱国胤采用双回路流动色谱法研究煤低温吸附流态氧的特性。该方法以每 克干煤在3 0 和1 个标准大气压力下的物理吸附氧量，以及煤的工业分析数据为依据， 将煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃和不易自燃，该方法已成为中国煤炭行业煤自燃 倾向性鉴定标准方法。 2 1 绪论 但是，吸氧过程是煤氧复合的开始，没有吸氧就没有煤氧复合，吸氧量大的煤样通 常比表面积大，与氧气接触的面积大，但煤表面的氧化活性结构不一定多，因而进一步 发生氧化反应的速率不一定大。由于吸氧法不能反映煤自燃的本质，并且煤炭自燃是由 煤在不同温度下与氧的反应共同决定的，因此吸氧法测试结果不能全面反映煤的自燃倾 向生，与实际有一定误差。 1 2 3 交叉点温度法 交叉点温度技术这种方法最先被引入用以测量所谓煤的相对着火温度。将煤样置 于程序升温环境中，监测样品和环境温度。二者达到平衡的温度称之为交叉点温度 ( c p t ) 或者相对着火温度。c p t 的值对实验条件有依赖性，而且经常随着实验参数的 变化而变化，包括样品的形状和尺寸、粒径和含水率、热物性、环境中的氧分压以及温 升速率等。因此，c p t 指标仅从一个侧面反映样品的自燃倾向性。 一些研究对c p t 指标进行改进，f e n g 等人用c p t 测定实验过程中，样品在1 1 0 和2 3 0 温度间的平均升温速率( a h r ) 来量化样品热释放速率，用a h 刚c p t ) 1 0 0 0 来表征样品的白燃倾向性，该指标通常被称为f c c 指标。另一种指标是用交点处的升 温速率表征煤的自燃倾向性，称为h r 。为研究煤样氧化放热性，在c p t 测定实验中， 分别在空气和氮气气氛中实验，测定样品中心温度。将两对比实验的温度一时间曲线的 面积增量记为i a 指标。o g u n s o l a 和m i k u l a 应用上述几种方法检测了四种尼日利亚煤的 自燃倾向性，表明除c p t 指标的结果外，通过h r 、f c c 和i a 指标评估这四种煤的危 险等级基本上相同，表明用这三种指标表征煤自燃倾向性比交叉点温度法更可靠。 1 2 4 绝热试验法 用绝热试验装置进行实验，将煤样装入绝热装置，实时调整环境温度与样品温度一 致，使样品与环境基本不发生热量交换。由于煤与氧相互作用并释放出热量，引起煤温 升高。记录样品的温度变化过程，确定临界自燃温度以及自燃着火延迟时间，在实验中 还可以对反应器内的气体成分进行分析。 r e n at x 等t 4 l 通过绝热实验研究粉煤样的自燃倾向性。h u m p h r e y se ta 1 研究发现， 除不具备自热倾向的样品外，绝热炉中煤的温度随着环境温度线性增加到7 0 。因此， 以煤温从4 0 - 一7 0 的平均升温速率( 马。值) 作为衡量煤自燃倾向性强弱的指标，这就 是煤自燃倾向性鉴定方法指标法。马。 o 8 。c h 易自燃煤。值鉴定煤自燃倾向性在澳大利亚已经应用于商 业阶段。 基于改进的绝热量热技术，s m i t h 和l a z z a r a 提出了据煤的最低自加热温度( s h t ) 评价煤自燃倾向性的方法。煤样的自燃倾向性随s h t 值降低而增加，并据s h t 被分为 3 西安科技大学硕士学位论文 低、中和高三类。 1 2 5 金属网篮法 金属网篮法由b o w e s 和c a m e r o n 提出。将煤样装入一定形状的金属网篮，将金属 网篮置于可维持一定环境温度的加热炉中，实时监测样品内部温度。通过多次测试，确 定具有特定尺寸的样品自燃所需的最低环境温度。用同一形状但尺寸不同的篮子对煤样 进行一系列测试，可确定样品自燃的临界尺寸。并且根据f r a n k k a m e n e t s k i i 模型，还可 以确定固体自燃过程中放热反应表观化学动力学参数的基础。 c h e nx de ta 1 将实验样品放在金属网篮中，置于可提供恒温环境的加热炉中进行 实验，采用两个温度传感器检测样品温度，一个置于样品中心，另一个放在离中心几毫 米处。改变条件，当样品中心附近温度梯度为0 时，样品放热量全部用于温度升高。建 立该过程的热平衡方程，可以据实验数据测算实验样品氧化放热反应的动力学参数。该 方法比金属网篮法测试工作量减少，已被广泛应用。 j o n e sjce ta j 采用金属网篮交叉点温度法研究煤的自燃倾向性，将装煤样的金属 网篮置于一定温度的加热炉中，测量样品中心温度，并确定样品与炉温相等时样品的升 温速率。炉温与样品中心温度基本相同时，样品与环境的热交换与样品放热量相比可以 忽略。建立交叉点温度处的热平衡方程，可确定煤样氧化放热反应的表观活化能等动力 学参数。仲晓星，王德明等采用金属网篮交叉点法预测煤自燃监界厚度，将煤样置于 1 2 0 。c 的恒温箱中，给煤样通入空气，使煤样温度上升到恒温箱温度以上。据煤样温度 变化可以计算出煤的氧化动力学参数，预测煤自燃监界厚度，判定其自燃倾向性，预测 结果与实际吻合良好。 1 2 6 近代分析技术研究煤自燃倾向性 自燃是煤氧化引起温度升高的结果，因此许多研究都采用可控制的条件下开展煤的 氧化实验，研究煤在不同温度下氧化过程中的质量变化、能量变化、产生的小分子气体 的变化以及煤结构的变化等，分析煤的自燃性。最近几十年，许多精密的分析仪器，如 热分析仪器( t g ，d s c 等) 红外光谱仪( i r ) 、傅立叶变换红外光谱仪( f t i r ) ，x 射 线光电光谱仪( x p s ) 、二次离子质谱仪( s i m s ) 和碳1 3 核磁共振( 1 3 c n m r ) 、电子 自旋共振( e s r ) 和电子顺磁共振光谱仪( e p r ) ，都被用来分析煤氧化过程中发生的物 理化学变化【3 4 】，研究煤的自燃特性。 将热分析技术运用到检测固体自燃潜力始于2 0 世纪6 0 年代。b a n e r j e e 和 c h a k r a v o r t y 对多种类型煤样热分析实验中，发现煤自燃存在三个明显的阶段。舒新前用 热分析技术研究了煤的低温氧化特性，据热分析曲线特点把煤自燃过程分为潜伏期、蓄 热阶段和燃烧阶段，研究了煤自燃过程中的几个特征温度，认为差热和热重分析是研究 4 1 绪论 煤自燃的有效手段。陈勤妹等采用热分析联同技术，在t g d a t - t - d t g 及 d a t - t - e g d g c 两套热分析装置上，测定了5 种粉煤在程序升温整个燃烧过程中的热特 性曲线，分析氧化增重、表观活化能、着火温度、燃烧最大失重速率、可燃性指数及燃 烧逸气浓度组分等的变化规律。p i l a rg a r c i a 3 】等提出了一个新的基于d s c 实验曲线中， 煤的氧化焓变开始明显增加的温度判断煤自燃倾向性指标，该指标值与煤样的煤阶变化 规律相符合，并且能反映出风化时间对自燃倾向性的影响。刘剑，陈文胜等【3 3 1 ，对煤样 在空气中进行热重分析( t g ) 研究，根据热分析动力学原理，计算出煤氧化的活化能 等动力学参数，据此预测煤的自燃倾向性。 何启林，王德明【2 2 j 采用热重、差热及红外光谱分析技术联用，研究煤低温氧化过程， 认为该技术是研究煤白燃过程的有效手段。张辛亥【l l 】通过红外光谱研究低温氧化引起煤 结构的变化，分析煤的自燃倾向性。通过多个煤样实验研究，表明该方法分析结果与实 际比较吻合。 现代分析技术研究煤自燃倾向性具有一定的理论依据，也取得了一些成果。但是， 这些方法目前还处于理论研究阶段，投入煤自燃性测试的生产实践还需要大量的研究。 1 2 7 煤自然发火实验模拟 近年来，国际上诸多学者根据煤氧复合学说建立大型煤自然发火实验台( 如法国煤 研中心的实验台有装煤样5 0 0 0 k g 和3 0 0 0 k g 、美国1 3 0 0 0 k g 、日本3 0 0 k g ) 。g - r o s s m a n 等 开展低温实验模拟煤堆在户外会自催化氧化( 5 0 1 5 0 ) 过程，检测到万分之几的分子 氢，采用热重分析研究了美国北a p p l a l a c h i a 和德国r u h r 盆地褐煤的低温氧化，研究认 为h 2 的产生在5 0 。c 以前与氧化过程有关，加热煤样几分钟就开始释放h 2 ，其释放速 度快于c o 和低分子烃类，据此详细论了反应机理和参数。煤氧化放热速度快于散热速 度时导致热量聚积，引起温度升高，并使氧化速度更快。如果这一过程持续下去就导致 自燃发生。热产生和发散能力受一系列因素影响，这些因素相互作用的决定自燃与否。 在我国，西安科技大学徐精彩教授于八十年代末设计建造的大型煤自然发火实验台，模 拟煤的自然发火过程，可准确测试煤自燃的各种参数。 但是，煤自然发火实验周期长，一般极易自燃煤的实验需要1 个月以上，难燃煤样 的实验周期达数月甚至一年以上，每次实验需要煤1 吨以上，实验费用也很高。我国每 年有许多易自燃的采煤工作面投入生产，而现有实验台每年只能开展几个煤样的自然发 火实验，不能满足需要。 1 2 8 据升温氧化数据测算煤自燃倾向性 一些研究采用程序升温实验研究煤的自燃特性参数。徐精彩等，张辛亥等应用程序 升温实验分析不同温度下煤的耗氧速率、c o 和c 0 2 产生速率等参数，通过理论推导出 5 西安科技大学硕士学位论文 i 暑i i i i i i i i i 昌i 暑i i 暑i i i 1 i 宣i i i i i i i i 宣；i i i i i i 宣i 宣i 宣i i 宣i i i i i i i i i i i i i 置i 置 煤氧化到生成气体产物可能发生的化学变化，估算煤在不同温度下氧化释放的能量，从 而可分析煤的自燃特征参数。 为了研究煤的氧化过程，破碎的煤样颗粒放入反应器中并通入空气，样品与空气发 生反应，氧气被消耗并产生c o 、c 0 2 等气体。通过在反应器出口阶段性检测气体组成 及浓度，确定煤的耗氧速率和氧化产物的生成率。程序升温实验、恒温实验等都属这一 类实验，该方法对研究氧化过程中反应机理和化学动力学参数非常有效，并且也适合检 测煤的氧化反应的活性，只是到目前为止还没有将操作步骤建立起来并标准化。 张辛亥【3 l j 研究认为，煤在不同温度下的耗氧及气体产生率与其氧化放热强度关系密 切，并定性分析了它们之间的关系。煤中硫含量及灰分等对自燃都有重要影响。我们认 为煤中水分、灰分以及煤在不同温度下的耗氧、各种气生成速率与其自然发火期之间存 在对应关系，并利用人工神经网络反映这一对应关系。运用西安科技大学测定的全国数 十个煤矿煤样的自然发火实验数据及收积的各煤样的硫分、灰分等数据对网络训练，确 定了神经元之间的连接强度；设计了新型程序升温实验装置，采用少量煤样在该装置中 缓慢升温氧化实验，可测定不同自燃温度下煤的耗氧速率及c o 、c 0 2 产生率，将这些 数据及煤质分析数据代入该人工神经网络即可得到煤样的实验自然发火期。该方法实验 时间短，样品用量少，预测结果精度较高。但是，神经网络技术是黑箱操作过程，即只 知道输入和输出，不知道其过程。该方法难以作为公认的标准实验。 1 2 9 对各研究方法的评述 综上可见，煤自燃倾向性测试方法非常重要。我国现在采用的吸氧法简便易行，但 只能反映煤自燃的一个方面，不能反映煤自燃的本质。并且，煤炭自燃是由煤在不同温 度下与氧的反应共同决定的，因而用吸氧化法确定煤自燃倾向性会产生一定误差。交叉 点温度法可一个侧面反映样品的自燃倾向性，该方法进行实验，可得到c p t 指标，以 及改进的h r 、f c c 和i a 指标，用来评估煤自燃倾向性。但是，交叉点温度法实验结果 对实验条件依赖性较强，而且经常随着实验参数的变化而变化。绝热实验法测定的r 7 0 指标受实验条件的控制精度影响很大，由于样品量较少，向实验样品中通入的空气温度 比样品高或低0 1 ( 一般温度控制的最大精度) 得到的结果将有非常大的差别。一些 研究人员提出了活化能指标理论上能反映煤氧化的难易程度，但由于煤自燃是一个复杂 的过程，不同温度可能会得到不同的表观活化能。模拟实验测定煤的自燃倾向性结构准 确可靠，但其实验周期较长( 一般需要1 个月以上) ，实验需要煤样量大( 1 吨以上) ， 实验费用较高。 根据实验数据判定煤自燃倾向性的数学模型比较简单，一般认为煤低温自燃符合阿 累尼乌斯定律，用温的变化或气体变化表示煤氧化的反应速度，采用数值拟合的方法或 回归方法确定反应的活化能等动力学参数，从而分析煤的自燃倾向性。k r a u s ea n d 6 1 绪论 s c h m i d t 提出了一个依赖时间的模型用来预测不同可燃物的自燃温度( s i t ) ，预测结果 与实验误差在5 以内。活化能是计算s i t 的输入参数，其计算精度和活化能的关系很 大，准确计算活化能十分重要。 程序升温氧化实验目前主要用于测定煤自燃指标气体，还没有用来判别煤自燃倾向 性。理论分析认为，该方法测得的气体变化率序列值与煤的自然倾向性之关有对应关系。 该实验方法测得的数据精度较高，但目前还没有建立起这方面关系的可靠数学模型。采 用人工神经网络模型可以确定这种对应关系，但人工神经网络法需要大量可靠的已知样 本对神经网络进行训练，并且人工神经网络是暗箱操作，即只知道输入和输出，而不知 道其过程，难以被作为标准的方法接受。 因而，急需一种更加科学合理的煤自燃倾向性鉴定方法。 本论文根据现有煤自燃倾向性测试方法的优缺点，采用改进的升温氧化实验装置， 测试煤在不同温度下氧化的耗氧速率、c o 产生率和c 0 2 产生率，建立这些参数与煤自 燃倾向性之间关系的新型数学模型，以及据此对煤自燃倾向性进行分类的数学方法，实 现用升温氧化实验测定煤的自然倾向性。 1 3 研究内容及方法 1 ) 更加准确测定煤在不同温度下耗氧及产生各种气体的实验方法 通过对煤自燃机理及自燃过程分析，认为煤自燃过程中的耗氧速率、气体产生率等 因素决定了煤的最短实验自然发火期。通过设计、建设新型实验装置，快速测定煤自燃 过程的耗氧速率和气体产生率。 程序升温实验可以研究煤在不同温度下的氧化过程，但现有的程序升温箱实验装置 将煤样试管在空气介质中加热，空气比热容及与试管壁间的表面传热系数都较小，因而 煤样温度控制精度较差，并且煤样温度在高温下不均匀，不能满足需要。本研究计划改 进油浴程序控温实验装置模拟研究煤在2 0 0 以下的自燃阶段的升温氧化过程。根据煤 温的控制要求和测试精度分析设计实验试管，参照相关实验条件，设计油浴程序升温实 验条件。采用设计建造的升温氧化实验装置，测定煤样不同温度下的耗氧速率及c o 、 c 0 2 产生率等参数，并与该煤样的自然发火实验数据相比较，验证实验结果，提出修正 方案。最终实现用少量煤样实验测定煤自燃在不同温度下的耗氧和生成气体特征。 2 ) 根据程序升温实验结果，确定煤自燃倾向性类别的数学模型研究 煤实验自然发火期直接指示了煤的自燃倾向性。因而，同温度下煤的耗氧速率及 c o 、c 0 2 等气体产生率等序列值与煤自燃倾向性之间存在复杂的非线性对应关系。建立 反映这种对应关系的数学模型，直接可根据实验结果计算出煤的自燃倾向性等级。 煤自燃倾向性等级的判别是没有标准答案的。根据相关理论，依据实验数据与自燃 7 西安科技大学硕士学位论文 倾向性的相关关系，对待测样品进行聚类分析和回归分析。模糊聚类和最小二乘法等各 种数学方法可用于这方面的研究。 3 ) 建立新型反应不同温度下氧化的耗氧速率、c o 产生率和二氧化碳产生率与煤 自然发火期之间对应关系的改进的人工神经网络模型 建立描述自燃过程中煤耗氧及气体产物变化序列值与煤样实验自然发火期之间对 应关系的改进的人工神经网络模型。该模型具有利用少量训练样本快速训练就可比较准 确的反映对应关系的能力，训练时计算量少、收敛快。 目前已积累了5 0 个矿井煤样的自然发火实验数据，这些煤样来自全国十余个省份， 涉及各种变质程度，最短实验自然发火期从十几天到超过6 个月。用这些数据作为训练 样本对网络进行训练，可以得到神经元间的联结强度。将油浴程序升温实验数据代入神 经网络即可预测其自然发火期。自然发火期快速测试技术研究技术路线见图1 1 。 自燃倾向性分ll 煤自然发火实ll 神经网络 类模型的建立ll 验数据收集li 模型建立 模型参数 的确定 网络训练 亟巫叵匦困匝巫亟夏巫夏圃 图1 1 自然发火期快速测试技术路线 8 2 煤样自燃参数实验测试 2 煤样自燃参数实验测试 对煤自燃预测、预报有重要意义的自燃参数主要有实验自然发火期、自燃过程中不 同温度下耗氧速率、气体产生率及氧化放热强度等。这些参数的研究对自燃预测和防治 意义重大。自燃参数的实验方法主要有：通过测定煤样对氧气的物理吸附量，来划分 自燃倾向性( 罗海珠【1 9 j ) ；采用t g a 和d s c 实验研究煤氧化过程中的重量变化和能 量变化，分析煤的自燃倾向性；采用专门设计的反应器研究煤低温氧化并进一步分析 煤自燃性等。以上三类方法测定了煤的耗氧速率和气体产生速率，却没有考察其热效应， 不能测试煤的最短自然发火期。采用煤自然发火实验模拟煤的自然发火过程可以准确测 定前述各种煤自燃参数，但煤自然发火实验周期长，一般极易自燃煤样的实验需要1 个 月以上，难燃煤样的实验周期达数月甚至一年以上，每次实验需要煤样1 吨以上，实验 费用也较高。 本文研究运用程序升温实验快速测定煤样的自然发火期等参数。现有程序升温氧化 实验装置将装煤样的试管放在程序升温箱的空气介质中，通入空气加热，研究煤的耗氧 及气体产物特性，由于空气比热容及与试管壁间的表面传热系数都比较小，因而程序升 温箱内温度控制精度较差，并且煤样温度在高温下极不均匀，严重影响了实验精度。为 此，设计、建造了新型油浴程序控温氧化实验装置，采用少量煤样快速测定煤自燃过程 的耗氧速率和气体产生率。 2 1 煤自然发火实验 2 1 1 实验台结构及原理 煤自然发火是由于煤与氧接触时发生化学吸附和化学反应放出热量，当放出热量大 于散发的热量时，煤温上升而导致自然发火。煤低温自然发火实验模拟煤自燃过程，即 在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察其煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量 以及其它气体的变化规律，分析煤自燃的各种参数，为煤自然发火预测、预报奠定基础。 实验设备为x k i i i 型煤低温自然发火实验台，由炉体、气路及控制检测三部分组成 ( 见图2 1 ) 。炉体呈圆形，最大装煤高度1 7 5 c m ，内径1 2 0 c m ，总装煤量约1 5 0 0 公斤； 实验炉的顶、底部分别留有1 0 2 0 c m 自由空间，以保证进、出气均匀，顶盖上留有排气 口；炉壁由绝热层和可控温夹水层组成，水层中装电热管及进气管，在炉中心轴处同时 设有取气管。炉内布置了4 5 个测温探头和2 4 个气体采样点，各测点布置( 如表2 1 ) 。 9 皇耋! 丝垄! 塑圭茎竺丝圣 图21 煤低温自然发火实验台结构 实验台炉体气体检测系统 圈2 2 煤低温自然发火实验台炉体及检i j 系统 2 煤样自燃参数实验测试 表2 1 实验台各测点布置 cm)0 1 53 04 5 z ( c m ) 测点号测点号测点号测点号 备注 气体由w m 6 型无油空气压缩机提供，通过三通流量控制阀、浮子流量计进入湿度 控制箱，流经水层中紫铜管预热，由炉体底部进入破碎煤体，产生的尾气从顶盖出口排 出。在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。 实验炉内温度巡检、环境温度控制和湿度控制均由工业控制机自动完成。 2 1 2 实验条件及步骤 温度高于1 5 0 以后，几乎所有的煤在适当的条件下1 天之内温度可以自然升高到 着火点温度，因此本实验仅研究自常温至1 7 0 左右的煤自燃参数。实验过程为，现场 采集粒度大于5 c m 的块状煤样约1 5 吨，用带塑料内衬的编织袋密封包装，输送到西安 科技大学进行实验。实验