用于煤自然发火期预测的神经网络模型和实验技术

根据煤的硫分、灰分以及煤自燃过程中的耗氧速率、CO和CO2产生率等随温度变化的序列值与煤自然发火期之间存在的密切对应关系，建立了前向多层人工神经网络模型，用已有的煤自然发火实验数据对网络进行训练，得到了神经元间的联结强度，从而准确地表征这种对应关系．设计了一套油浴程序升温实验装置，确定了实验试管的尺寸和实验条件，从而能够准确测定煤自燃在不同温度下的耗氧速率及气体产生率．将煤样油浴程序升温实验数据及煤质分析数据代入人工神经网络，可算出煤的自然发火期．与煤自然发火实验相比，该方法测定煤样的自然发火期用煤量减少了99％以上，实验耗时缩短了90％以上，二者测试结果的偏差小于3d．     

煤样两次程序升温自燃特性对比实验研究

为了掌握煤经多次氧化的自燃特性指标参数,对气肥煤、1/3焦煤、贫煤和无烟煤4种不同变质程度煤的煤样进行预处理,即将原煤样经过升温氧化后利用氮气冷却至常温,得其氧化煤样。采用煤质分析实验、物理吸附实验和煤自燃程序升温实验,对两次氧化过程中的耗氧速率、放热强度、CO产生率和特征温度等自燃特性参数进行对比实验研究。结果表明,2次程序升温过程中,煤样的自燃特性参数都随煤温呈指数变化规律。氧化煤样的耗氧速率、放热强度和CO产生率均表现出在氧化反应前期大于原煤样,氧化反应后期小于原煤样;自然发火的特征温度低于原煤样,说明氧化煤样更容易发生自燃,危险性较大。     

东荣二矿煤自燃倾向性实验测试

采集东荣二矿17#煤层煤样,利用“XKⅢ型“煤低温自然发火实验台进行测试,模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度,依靠煤自身氧化放热升温,得出随煤温升高的耗氧速度、CO产生率、CO2产生率、放热强度、煤自燃极限参数等的变化规律,研究煤的低温氧化放热特性,预测煤的临界温度和干裂温度、实验最短自然发火期及自燃倾向性.实验表明:煤样起始温度为20℃时,最短自然发火期为46 d;临界温度为60～75℃、干裂温度为90～110℃、浮煤厚度小于0.7 m、下限氧浓度在60℃左右,浮煤不自燃.     

CO_2对煤低温氧化反应过程的影响实验研究

为了深入研究CO2对煤低温氧化反应的影响,利用程序升温油浴实验装置,研究在不同CO2浓度下煤样的自燃特性。采集南屯矿煤样,破碎并筛分出混合平均粒径为4.18 mm的煤样,向试验管煤样中通入不同配比的混合气体,实验控制升温速度为0.3℃/min,供气量为190 mL/min.测定在6种不同浓度CO2气氛下的煤样低温氧化特性,实验结果表明:CO2浓度越高,煤样耗氧速率越小,CO产生率降低。在起始阶耗氧速率相差不大,煤氧复合作用以物理吸附和化学吸附为主,后期阶段以化学反应为主,变化明显。相比于空气气氛下,CO2气氛下煤样活化能有所提高,在40~100℃的温度范围内煤氧作用的活化能值由17.85 kJ/mol升高至22.71 kJ/mol,氧化反应速率降低,表明CO2的加入降低了煤的氧化反应速率,抑制了煤的氧化反应。     

松散煤低温耗氧速率的多因素作用特征及模型

为给采空区煤自然发火的实际探测及数值分析提供理论支持,研究氧体积分数(φi)、粒度(D)和温度(T)复合作用条件下的松散煤低温氧化的耗氧速率(v0)模型。设计松散煤在氧体积分数相同、粒度不同和粒度相同、氧体积分数不同2种方式下煤的程序升温实验,应用气相色谱仪分析特定温度下的出口气体氧体积分数并对松散煤的耗氧速率进行计算,比较不同氧体积分数、粒度条件下煤样在不同温度点的耗氧速率,得出单一变量条件下的v0-φi,v0-D和v0-T曲线。研究结果表明:耗氧速率与煤样温度基本呈指数关系,与氧体积分数呈对数关系,与松散煤样粒径呈负指数关系;在低温条件下,温度、粒径和氧体积分数3个因素对松散煤耗氧速率的作用相对独立。最后,在实验分析的基础上建立以耗氧速率为因变量,温度、氧体积分数、粒度为自变量的松散煤低温耗氧速率复合作用模型。     

不同变质程度煤自燃特征参数实验研究

为确定煤自燃及由火灾引发的瓦斯爆炸数值模拟所需的基础参数,利用热重实验研究了4种不同变质程度煤样放热量、质量变化规律,确定了4种煤样低温氧化阶段温度范围.根据热重实验确定的低温氧化阶段,利用管式炉程序升温和色谱仪进行生成气体成分分析实验,得到不同温度下管式炉出口O2、CO、CO2气体体积分数,计算得出了耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度变化规律.研究结果表明:变质程度越高的煤,着火温度越高,低温氧化阶段温度范围越大;相同温度下,变质程度越低的煤,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度越大,越易自燃;CO生成速率大于CO2生成速率;耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度增加呈指数关系增加;随着耗氧速率增加放热强度呈线性关系增加.该研究可为煤自燃过程模拟计算与火区瓦斯爆炸危险性预测提供关键性基础参数.     

双鸭山集贤煤矿煤样自燃性程序升温实验研究

采用程序升温实验装置，研究双鸭山集贤矿不同粒度煤样在不同温度条件下与氧反应的特性。通过实验分析，得出双鸭山集贤矿煤自燃预测预报的主要指标气体为CO。通过计算得出不同粒度煤样的耗氧速度和CO，CO2，CH4等气体的产生速率，以及这些特性参数随煤温和粒度的变化规律。进而分析得出该矿煤样自燃的临界温度为65～75℃。为双鸭山集贤矿煤自然火灾的预测预报提供依据。     

程序升温条件下煤炭自燃特性

通过程序升温实验研究了煤炭的自燃特性，测定了不同粒度煤样在不同温度下产生CO，CO2等气体的浓度，讨论了指标气体的选择，分析了CO，CO2等气体浓度随温度的变化规律，得到了耗氧速度与煤温及煤温及煤体粒度的关系，结果表明，煤体粒度越小，温度越高，则煤氧复合的强度越大，本实验的研究结果对煤矿火灾的防治具有指导作用。     

不同氧气浓度煤样耗氧特性实验研究

在不同氧气浓度下煤的耗氧速度不同,从而使煤的自燃性产生差异.通过在不同氧气浓度条件下对煤样进行程序升温氧化实验,测定分析煤样在不同温度时的耗氧速度,研究氧气浓度对煤氧化自燃性的影响关系,提出了低氧气浓度条件下,煤样在不同温度时的耗氧可分为扩散耗氧和化学动力耗氧两个阶段.并根据实验数据分析,得出煤的耗氧速度与氧气浓度的1.149次方成正比.图4,表2,参7.     

川东地区煤自燃危险指标及极限参数

为研究川东地区煤氧化升温过程中的自燃特性,采用程序升温装置测试了川东地区7个矿井煤样在氧化升温过程中的放热强度和耗氧速率,分析了不同温度下各煤样气体产物以及自燃极限参数的变化规律。结果表明:放热强度与耗氧速率的变化趋势一致,同一温度升高,二者先略微增加,然后以指数形式快速增大。随着温度的逐渐升高,各个矿井煤样的CO和CO_2浓度都表现出逐渐增加的趋势。相同温度下,CO_2浓度明显大于CO浓度,CO和CO_2比值与煤温有着很好对应关系,能反映出煤样被氧化的程度。CH_4,C_2H_6和C_2H_4浓度随温度升高逐渐增大,不同矿井煤样的C_2H_6和C_2H_4产生的起始温度不同,CH_4产生量的差异性随温度升高逐渐增大。最小浮煤厚度与下限氧体积分数的变化趋势一致,随着温度的升高,二者先增大后逐渐降低,上限漏风强度随着温度的升高先降低后升高。     

不同自燃性煤氧化阶段的表征差异

对3种不同自燃倾向性煤样进行低温氧化实验,利用CO体积分数与煤体温度间变化的计算模型,求解出活化能和煤氧化过程发生转变的特征温度,同时结合热重-差示扫描量热(TGDSC,theremogravimetric analysis-differential scanning calorimetry)实验结果,分析了不同自燃性煤氧化特性和活化能的低温表征规律。结果表明:1)低温氧化阶段,CO生成量、耗氧量和耗氧速率随着煤自燃倾向性增强而增大;不同煤样在实验过程中出现同样的CO生成量和耗氧速率急剧上升的温度拐点,且煤的自燃性越强,该拐点温度越低,同时CO体积分数的变化具有明显的阶段性。2)不同自燃性煤氧化阶段活化能变化规律存在显著差异,当各煤样的温度到达活性温度时,活化能快速减少,且活化能变化点对应于煤氧化过程发生转变的特征温度点。3)根据煤特征温度和活化能的变化规律,把煤低温氧化进程分为4个阶段,分别为表面氧化、氧化自热、加速氧化和深度氧化。     

煤低温氧化动力学参数与粒度关系实验研究

探讨煤样粒度与表征煤氧化速度的活化能、指前因子的关系,了解粒度对煤的氧化反应速率等自然参数的影响,通过不同粒度东滩煤样的程序升温实验,测定了其不同温度下在空气中的耗氧速度。利用回归分析计算出反应的指前因子及活化能,并进行了分析。研究发现,随粒度降低,煤样氧化的活化能和指前因子均增加,并且在3mm处出现了突跃现象。说明煤的自燃性取决于粒度小于3mm颗粒的比例,而不是其平均粒度。     

煤自然发火过程中的放热特性实验研究

根据煤氧复合理论,煤自燃是由于煤和氧接触发生氧化反应放出热量引起煤温度升高达到煤的自燃点而发生的。故煤的氧化放热特性反应了煤自燃能力的强弱。为测定煤的放热能力大小本文设计了煤的氧化升温实验,并采集薛村煤矿2#煤层、4#煤层、6#煤层三组煤样进行了实验研究。实验中对低温条件下不同温度时煤样对氧气的消耗速率、CO的生成速率及CO2的生成速率进行了测定,并根据其测量值对煤样的放热强度进行了计算,绘制放热强度与温度关系的散点图。然后运用回归分析方法,分析了煤氧化升温过程中放热强度与温度的关系。在低温阶段临界温度前后煤的放热强度与温度都呈线性关系。在临界温度之前煤的放热强度较低,而达到临界温度后煤的放热强度会急剧增加。研究结果对煤自然发火的防治具有重要意义。     

煤的耗氧速度及其影响因素恒温实验研究

耗氧速度是评价煤自燃性的重要指标。一般认为相同温度下煤的耗氧速度和氧浓度成正比 ,但据此计算的耗氧速度与实际偏差可能很大。在不同温度和氧浓度水平下对煤进行等温氧化实验 ,推导出据等温实验测算煤氧化反应的级数和反应速度常数的公式 ,从而能确定相同温度下氧浓度与耗氧速度间的函数关系 ,该关系式能更准确地反映煤氧复合过程的耗氧规律。等温实验研究表明 ,煤氧化反应的平均级数通常不为 1 ,反应级数和速度常数都是温度的函数     

综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法

根据大型煤自然发火实验测定的松散煤体放热强度，耗氧速率，粒度影响函数，研究了对流换热系数与巷道供风量的关系，结合现场实测的煤体温度，空气温度，巷道几何尺寸，供风量和松散煤体内氧浓度等参数，应用能量守恒原理，提出了巷道顶煤和松散煤柱自燃的极限参数计算方法，建立了巷道煤层自燃危险区域的判定条件及划分方法，给出了不自燃区域，可能自然区域，易燃区域和极易自燃区域的量化指标。     

褐煤自然发火特性实验及数值模拟

 为研究褐煤的自然发火特性,采用恒温加热法,对不同尺寸的立方体网状容器内的煤样进行实验,得到煤样的升温曲线和临界自燃点温度。根据实验条件,应用Fluent软件建立煤样升温过程的温度场、空气渗流场和氧气浓度场三场耦合模型。实验与模拟结果表明：煤体体积越大,临界自燃温度越低;当环境温度高于临界自燃温度值,煤体能够自燃,反之煤体不能自燃;煤体升温过程中的温度场、空气渗流场和氧气浓度场是随着时间变化并且相互影响的。