南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下 進(jìn)行 研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的 已公開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的 作品的內(nèi)容 對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體 均己在文中以明確方式標(biāo)明 本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者 日 自f 巧葙臚 是p 7 名 如 齠 少 中文摘要 中文摘要 煤炭自燃是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的重大災(zāi)害之一 定量研究其發(fā)生機(jī)理可以為 及時(shí) 準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤炭自燃和防治火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù) 本文首先介紹了目前煤 炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀 進(jìn)一步探討了煤炭自燃的定性描述機(jī)理和過(guò)程 其次 針對(duì)大同煤礦的實(shí)際情況 應(yīng)用支持向量機(jī) 粗糙集等現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技 術(shù)一方面分析了用于判定煤層自燃情況的原有各項(xiàng)指標(biāo)的重要性 得出了指標(biāo) 中的供風(fēng)量 丟煤率和煤層厚度這三個(gè)屬性是判定煤層自燃情況的主要因素 另一方面 通過(guò)對(duì)指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)的計(jì)算 分析之后發(fā)現(xiàn) c o 確實(shí)是煤炭自燃的 最主要的指標(biāo)氣體 其次是甲烷 二氧化碳和乙烯 做好其監(jiān)測(cè)分析并采取合 理的數(shù)據(jù)熔合會(huì)為解決煤炭自燃的預(yù)測(cè)提供新的思路和方法 特別值得一提的 是 在使用支持向量機(jī)方法之下 不論是依據(jù)c o c h 4 與c o 三組數(shù)據(jù) 還是依 據(jù)c o c h c 0 和c h 4 四組數(shù)據(jù) 都得到了預(yù)測(cè)精度為9 5 左右的好效果 沒(méi) 有任何區(qū)別 因此 提示我們不一定要更換老設(shè)備 這將節(jié)約巨額的成本開(kāi)支 關(guān)鍵詞 煤炭自燃指標(biāo)氣體影響因素粗糙集支持向量機(jī) a b s t r a c t s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l o c c u ri n c o a lp r o d u c t i o n s t u d y i n g i so n eo ft h em o s ts e r i o u sd i s a s t e r st h a tc a r l i t sm e c h a n i s mb yq u a n t i t a t i v er e s e a r c hc a l l p r o v i d eat i m e l ya n da c c u r a t es c i e n t i f i cb a s i sf o rf o r e c a s t i n ga n dp r e v e n t i n gt h ef i r e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c ho nf o r e c a s t i n gs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nm c o a l t h e n f u r t h e r i td i s c u s s e st h eq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i v em e c h a n i s ma n dp r o c e s so f t h i sp h e n o m e n o n t h e n s p e c i f i c a l l yt a r g e t i n gt h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h ec o a li n d a t o n g u s i n gm o d e m d a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e si n c l u d i n gs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s a n dr o u g hs e t s f i r s t b ya n a l y z i n gt h ei m p o r t a n c eo ft h eo r i g i n a ln o r m s t od e t e r m i n e t l l es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc o n d i t i o n si nc o a ll a y e r s i td r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tt h e a i rf l o wr a t e l ec o a ll o s sr a t e a n dt h et h i c k n e s so ft h ec o a ll a y e ra r et h r e ep r o p e r t i e s t h a tc a nb eu s e dt ot e l lt h ec o m b u s t i o ns t a t eo f c o a ll a y e r s a n ds e c o n d b yc a l c u l a t i n g a n dp a r s i n gt h ed a t af r o mi n d e xg a s e s i td e t e r m i n e st h a tc oi s i n d e e dt h em o s t i m p o r t a n ti n d e xg a sf o rs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f c o a l f o l l o w e db ym e t h a n e c 0 2 a n da c e t y l e n e t h e r e f o r e p r o p e r l ym o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t a a n dc o m b i n i n g t h ed a t aw i t ho t h e rd a t aw i l lp r o v i d en e wi d e a sa n da p p r o a c h e sw i t hw h i c ht os o l v e t h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o np r o b l e m i ti sv e r yi n t e r e s t e dt h a tp r e d i c t i o na c c u r a c i e s b a s e do n 1 e s e tf o rc o c h 4 a n dc 0 2 o r d a t as e tf o rc o o h 4 c 0 2 a n dc 2 h 4d o n o tc h a n g ei fw eu s es u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea p p r o a c h a n db o t ha r e t h e9 5 a c c u r a c y t h u s w em a ys e r v et o om u c hm o n e yi fw ec o n t i n u et o u s et h eo l d e q u i p m e n t s k e yw o r d s s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n o fc o a l i n d e xg a s e si n f l u e n c ef a c t o r s r o u g hs e ts u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i 目錄 目錄 第一章引言 1 第一節(jié)選題的背景 l 第二節(jié)煤炭自燃的常識(shí)以及可觀(guān)測(cè)指標(biāo) 2 第三節(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 第四節(jié)目前所采用的煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)介 7 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 1 2 第一節(jié)煤的自燃過(guò)程及影響因素 1 2 2 1 1 煤的自燃過(guò)程 一 1 2 2 1 2 煤炭自燃的影響因素 1 3 2 1 3 煤的自燃機(jī)理 1 6 第二節(jié)煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 1 7 第三章大同煤炭自燃機(jī)理及指標(biāo)氣體的理論研究 1 9 第一節(jié)煤炭氧化自燃機(jī)理的理論研究簡(jiǎn)介 1 9 第二節(jié)煤氧化自燃指標(biāo)氣體的研究 2 1 第四章煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)知識(shí) 2 7 第一節(jié)a n n 簡(jiǎn)介 2 7 第二節(jié)支持向量機(jī) 3 l 第三節(jié)粗糙集 r s 3 7 4 3 1 粗糙集理論的基本思想及特點(diǎn) 3 7 4 3 2 粗糙集的基本概念 3 8 4 3 3 知識(shí)約簡(jiǎn) 4 0 4 3 4 基于分辨矩陣的啟發(fā)式最小約簡(jiǎn)算法 4 5 第五章現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)在煤炭自燃分析中的應(yīng)用 4 8 目錄 第一節(jié)支持向量機(jī)的應(yīng)用 4 8 5 1 1 支持向量機(jī)兩分類(lèi)算法 4 8 第一章引言 第一章引言 第一節(jié)選題的背景 我國(guó)目前已成為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó) 2 0 0 5 年全國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)到創(chuàng)紀(jì) 錄的2 1 9 億噸 同時(shí)我國(guó)也是世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó) 年煤炭消費(fèi)量約占全 球的3 0 國(guó)內(nèi)主要耗煤產(chǎn)業(yè)的年煤炭消費(fèi)量約占總消費(fèi)量的7 0 隨著國(guó)民經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展 以煤為主要能源的生產(chǎn)和消費(fèi)特征在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改 變 這就給煤炭企業(yè)提供了巨大的發(fā)展機(jī)會(huì) 我國(guó)煤炭資源分布較廣 但北方煤炭資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)南方 很久以來(lái)有 南 糧北調(diào) 北煤南運(yùn) 之說(shuō) 隨著國(guó)際原油價(jià)格的飆升 作為原油主要替代品的 煤炭也隨之金貴 于是不分南北 到處都在大量地開(kāi)采煤炭 導(dǎo)致礦難也屢有 發(fā)生 引起煤礦重大災(zāi)害的因素和變化機(jī)制到底是什么 這成了擺在研究人員 面前的挑戰(zhàn)性問(wèn)題 山西大同是著名的煤炭基地之一 也飽受礦難之苦 為此 也引起了我們對(duì)引起重大災(zāi)害的因素和變化機(jī)制進(jìn)行研究的興趣 希望能夠憑 借在大同工作的地理優(yōu)勢(shì) 深入了解煤炭生產(chǎn)過(guò)程之后給出合理的數(shù)學(xué)模型 在實(shí)際調(diào)查和查閱資料后發(fā)現(xiàn) 引起煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的重大災(zāi)害很多 原 因也十分復(fù)雜 題目很大 但是 我們發(fā)現(xiàn) 包括大同在內(nèi) 全國(guó)煤炭自燃是 煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的重大災(zāi)害之一 我國(guó)每年因?yàn)槊禾孔匀级斐傻臍毫窟_(dá)到 數(shù)億噸 在現(xiàn)有煤礦中 國(guó)有重點(diǎn)煤礦5 4 9 的礦井有自然發(fā)火的危險(xiǎn) 地方 國(guó)有煤礦年產(chǎn)3 萬(wàn)噸以上的礦井中2 9 1 有自然發(fā)火的危險(xiǎn) 由于自燃引起的 火災(zāi)約占總火災(zāi)數(shù)的9 0 以上 給國(guó)家和礦井帶來(lái)了極大的危害及經(jīng)濟(jì)損失 同時(shí) 由礦井自燃火災(zāi)誘發(fā)的瓦斯 煤塵爆炸事故也時(shí)有發(fā)生 嚴(yán)重地威脅著 人民的生命財(cái)產(chǎn)安全 阻礙了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 煤炭自燃已成為煤炭行 業(yè)廣為關(guān)注并試圖治理的主要災(zāi)害之一 因此 如果能及時(shí)并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 煤炭自燃可以為防治火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù) 達(dá)到防止或減少火災(zāi)損失的目的 這 將是不可估量的貢獻(xiàn) 這是一個(gè)具有誘惑力的課題 為此我們將興趣鎖定在煤 炭自燃的預(yù)測(cè)課題上 這就是選題的背景 第一章引言 第二節(jié)煤炭自燃的常識(shí)以及可觀(guān)測(cè)指標(biāo) 煤是一種由多種官能團(tuán) 多種化學(xué)鍵組成的復(fù)雜的有機(jī)大分子 煤的自燃 是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程 是一種涉及物質(zhì) 動(dòng)量 能量和煤的化 學(xué)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下相互作用的三維 多相 非定常 非線(xiàn)性 非 平衡態(tài)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程 該動(dòng)力學(xué)過(guò)程與外部環(huán)境及其它干預(yù)因素等相互耦合 是具有復(fù)雜性本質(zhì)的科學(xué)研究對(duì)象 山西大同煤田是雙系煤田 上部侏羅系與下部石炭二疊系含煤地層 侏羅 系各煤層有自然發(fā)火傾向 危險(xiǎn)程度多屬 i 級(jí) 自然發(fā)火期6 1 2 個(gè)月 石炭二疊系各煤層屬自燃 易自燃煤層 由于煤層的自然發(fā)火期短 井下開(kāi)采 時(shí)丟棄的殘煤較多 導(dǎo)致井下火災(zāi)增加 雖然采用了均壓滅火技術(shù) 加強(qiáng)通風(fēng) 管理等措施 但仍存在有安全隱患 生產(chǎn)費(fèi)用高 管理困難等問(wèn)題 其中有些 自燃火區(qū)長(zhǎng)期無(wú)法撲滅 大量煤炭資源被凍結(jié) 昂貴的生產(chǎn)設(shè)備毀于火區(qū)之中 嚴(yán)重干擾了礦井的正常生產(chǎn)秩序 還浪費(fèi)了大量的人力 物力和財(cái)力 甚至造 成人員的傷亡 煤炭自然發(fā)火能夠得到及時(shí)控制是防止煤炭自燃火災(zāi)的基本措施之一 目 前所知 自然發(fā)火有以下特征 1 地點(diǎn) 煤礦井下絕大多數(shù)的自然發(fā)火都是發(fā)生在回采工作面的采空區(qū)內(nèi) 或相鄰的老空區(qū)內(nèi) 由于火源位置無(wú)法接近 往往無(wú)法確定火源的實(shí)際位置 正是由于采空區(qū)火源點(diǎn)的無(wú)法接近性和隱蔽性 且又是經(jīng)常發(fā)生在難以進(jìn)入的 采空區(qū)或煤柱中 要想準(zhǔn)確找到火源并非易事 給防滅火工作往往帶來(lái)了很大 的盲目性 一些有效的防滅火措旋不能充分發(fā)揮作用 2 孕育期 煤層的自燃往往伴有一個(gè)孕育的過(guò)程 所以 煤炭自燃的早期 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)是十分重要的 這就轉(zhuǎn)化成需要解決的三個(gè) 問(wèn)題 煤體自燃隱患點(diǎn)或火源位置 煤體自燃隱患點(diǎn)或火源的溫度 自燃隱患發(fā)展到著火需要的時(shí)間 在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中 往往是當(dāng)自燃發(fā)展到一定程度時(shí)才有所發(fā)覺(jué) 國(guó)內(nèi) 外許多學(xué)者和煤炭生產(chǎn) 科研單位對(duì)此都十分重視 但由于這一問(wèn)題的復(fù)雜性 至今沒(méi)有得到很好的解決 主要原因有 2 第一章引言 一探測(cè)技術(shù)手段和途徑不成熟 所采用的各種技術(shù)手段都無(wú)法準(zhǔn)確確定高溫 火源點(diǎn)區(qū)域及其內(nèi)部溫度 一井下條件復(fù)雜 影響因素較多 給準(zhǔn)確探測(cè)井下火源區(qū)域帶來(lái)困難 一 目前對(duì)這一問(wèn)題的研究還不夠深入 對(duì)于生產(chǎn)礦井來(lái)說(shuō) 煤炭自然發(fā)火的有效控制對(duì)礦井安全具有重要意義 而控制的成功與否 取決于對(duì)自燃火災(zāi)的超前發(fā)現(xiàn)程度 及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 是超前發(fā)現(xiàn)并采取有效措施的前提 所以 在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中 如果能夠提 前預(yù)測(cè)出采空區(qū)煤炭的自然發(fā)火趨勢(shì) 例如溫度 指標(biāo)氣體濃度的變化等情況 對(duì)于礦井的防滅火工作會(huì)有積極的意義 關(guān)于煤炭自燃的起因及過(guò)程 是一個(gè)古老而又具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題 人們?cè)?1 7 世紀(jì)就開(kāi)始了探索研究 但迄今仍然未能得到圓滿(mǎn)的解釋 各國(guó)學(xué)者發(fā)表了 各種學(xué)說(shuō)以解釋煤炭自燃的起因 其中主要有黃鐵礦導(dǎo)因 細(xì)菌導(dǎo)因 酚基導(dǎo) 因 煤氧復(fù)合導(dǎo)因等學(xué)說(shuō)口3 煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)得到大多數(shù)學(xué)者的贊同 因?yàn)?煤自燃的主要參與物一個(gè)是煤 一個(gè)是氧 煤對(duì)氧的吸附是經(jīng)實(shí)驗(yàn)考察得到證 實(shí)的 可以說(shuō) 煤氧復(fù)合是煤自燃的最普遍的規(guī)律 因而僅此就可以得到許多 可能與煤炭自燃相關(guān)的可觀(guān)測(cè)指標(biāo) 吸氧量 煤氧復(fù)合作用這一學(xué)說(shuō)是從1 8 7 0 年開(kāi)始的 經(jīng)過(guò)許多人的探索得如下一些 結(jié)果 1 1 8 7 0 年瑞克特 r a c h t a n h 經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出 一晝夜每克煤的吸氧量為0 1 0 5 m l 其中褐煤可達(dá)到0 1 2 m l 2 1 9 4 5 年姜內(nèi)斯 j o n e s e r 提出 常溫下煙煤在空氣中的吸氧量可達(dá) 0 4 m l g 3 1 9 5 1 年 前蘇聯(lián)學(xué)者維索沃夫斯基等提出 煤的自燃正是氧化過(guò)程自身加 速的最后階段 但并非任何一種煤的氧化都能導(dǎo)致自燃 只有在常溫條件 下 穩(wěn)定 絕熱 氧化過(guò)程能自身加速的才能導(dǎo)致自燃 這種氧化反應(yīng)的 特點(diǎn)是分子的基鏈反應(yīng) 即每一個(gè)參加反應(yīng)的團(tuán)?；蛘?兌在鏈上的原子團(tuán) 首先產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)新的活化團(tuán)粒 活化鏈 然后 又引起相鄰團(tuán)?；罨?并參加反應(yīng) 這個(gè)過(guò)程從開(kāi)始要持續(xù)地進(jìn)行一段時(shí)間 即通常所稱(chēng)的 煤 的自燃潛伏期 他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn) 煙煤低溫氧化后 著火點(diǎn)降低 活 化度提高 易于點(diǎn)燃 低溫氧化過(guò)程的持續(xù)發(fā)展使得反應(yīng)過(guò)程的自身加速 3 第一章引言 作用增大 若最終生成的熱量不能及時(shí)散發(fā) 就會(huì)進(jìn)入自熱階段 4 2 0 世紀(jì)6 0 年代 撫順煤研所通過(guò)大量煤樣分析測(cè)定 l o o g 煤樣在3 0 c 的 條件下經(jīng)9 6 h 吸氧量小于2 0 m l 時(shí)屬于不自燃的煤 超過(guò)3 0 m l 時(shí)屬于易自 燃的煤 這也說(shuō)明 在常溫時(shí) 煤的吸氧量愈大 愈易自燃 溫度 從上述的煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)分析得到 溫度也是監(jiān)測(cè)自燃的一個(gè)重要可觀(guān) 測(cè)因素 因?yàn)樵谧匀贾氨囟ㄓ袦囟鹊臐u變過(guò)程 自燃與爆炸不同 不是瞬時(shí) 完成的 引起煤自燃的根本原因是煤巖體與某些物質(zhì)的作用產(chǎn)生熱量 這些熱 量使煤體溫度升高而促進(jìn)氧化反應(yīng)最終導(dǎo)致自燃 煤巖體 煤巖體并非一個(gè)均質(zhì)體 它是含有多種成分的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì) 其化學(xué)結(jié) 構(gòu) 物理性質(zhì) 煤巖體組分等各產(chǎn)地都有很大差別 不同的煤巖其氧化性和放 熱性亦不同 煤巖體中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物含量 化學(xué)結(jié)構(gòu) 物理性質(zhì) 特別是煤 巖體組分也可以作為候選的可觀(guān)測(cè)指標(biāo) 放熱效應(yīng) 煤自燃的過(guò)程非常復(fù)雜 表現(xiàn)為有些條件下煤會(huì)自燃 而另一些條件下煤 不會(huì)自燃 放熱效應(yīng)是煤體升溫引起自燃的主要因素 能夠引起煤巖放熱的主 要因素有 破碎煤巖的外表面積和微孔隙對(duì)瓦斯和氧的吸附產(chǎn)生的熱 煤的有機(jī)質(zhì)及某些無(wú)機(jī)礦物質(zhì)與氧產(chǎn)生的反應(yīng)熱 水對(duì)煤及含硫礦物質(zhì)的水解熱 潤(rùn)濕熱以及汽化潛熱 物理吸附產(chǎn)生的熱 化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)放出的熱 這些熱量在一定條件下得以積聚 可使煤體溫度上升 會(huì)促進(jìn)煤自燃過(guò)程 煤氧復(fù)合放出的熱量 引起煤自燃的最初導(dǎo)因在不同條件下是不同的 但不管是哪種導(dǎo)因 都含 有煤與氧復(fù)合產(chǎn)生熱量的成份 并且 煤自燃過(guò)程的自動(dòng)加速發(fā)展主要是煤氧 復(fù)合作用的結(jié)果 根據(jù)專(zhuān)家們多年來(lái)實(shí)驗(yàn)研究得知 任何一種煤都存在煤氧復(fù) 合放出熱量的屬性 只是不同的煤的煤氧復(fù)合能力和產(chǎn)生熱量能力差別較大 放熱強(qiáng)度與散熱強(qiáng)度 煤氧復(fù)合過(guò)程中能否引起自燃取決于煤體的放熱與散熱 當(dāng)熱量產(chǎn)生速率 4 第一章引言 大于散發(fā)速率時(shí) 煤溫上升就會(huì)引起自燃 也可以說(shuō) 任何一種煤都存在煤氧 復(fù)合產(chǎn)生熱量的屬性 即都存在自然發(fā)火的屬性 但能否發(fā)生自燃則取決于煤 氧復(fù)合過(guò)程中的放熱強(qiáng)度和環(huán)境散熱強(qiáng)度 第三節(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 煤炭自燃是一種復(fù)雜的物理 化學(xué)反應(yīng) 煤炭自然發(fā)火機(jī)理的研究已有1 0 0 多年的歷史 先后提出了多種理論和假說(shuō) 近些年 國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度 采用不同的方法對(duì)煤炭自燃的機(jī)理及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究 我們簡(jiǎn)述如下 1 舒新前等口1 用熱重分析方法分別研究了神府煤和汝箕溝無(wú)煙煤的氧化自燃 動(dòng)力學(xué)過(guò)程 認(rèn)為煤炭低溫氧化遵循阿侖尼烏斯定律 2 彭本信h 1 對(duì)我國(guó)長(zhǎng)焰煤 氣煤 焦煤 貧煤及無(wú)煙煤等煤種的7 0 個(gè)煤樣進(jìn) 行t g a d t a d s c 及熱分析紅外光譜試驗(yàn) 測(cè)定煤的自燃傾向性 研究 煤的自燃機(jī)理 查清了變質(zhì)程度淺的煤容易自燃的主要原因是其氧化放熱 量大于變質(zhì)程度深的氧化放熱量 3 t e v r u c h t 晦1 采用f t i r 檢測(cè)脂類(lèi)c 一h 吸收峰強(qiáng)度的變化求取煤氧反應(yīng)的活化 能和速度常數(shù) k e l e m e n 采用x p s 考察了煤表面0 c 原子化的變化 并據(jù) 此求出在2 9 5 3 9 8 k 時(shí)表觀(guān)活化能為1 1 4 5 1 k j m o l m a r t i n 3 用s i m s 研究 了2 3 7 0 和9 0 時(shí)煤表面0 濃度變化 計(jì)算結(jié)果說(shuō)明7 0 前后活化能 差別很大 因此在氧化反應(yīng)的第一周內(nèi) 溫度小于7 0 具有以吸附擴(kuò)散 過(guò)程為主的低活化能特征 劉劍等通過(guò)對(duì)煤活化能的理論研究 推算出了 活化能的計(jì)算公式 4 s h i n n 舊3 提出的煤結(jié)構(gòu)模型是由結(jié)構(gòu)表征和反應(yīng)性數(shù)據(jù)提出的 它的結(jié)構(gòu)可 以看作是由許多包含有雜原子的聚合環(huán)簇 由亞甲基鍵 醚鍵等連接在一 起 它代表高揮發(fā)性煙煤的一般結(jié)構(gòu) s h i n n 給出了其模型在相對(duì)溫度和條 件下反應(yīng)交鏈熱解所得到的可溶性產(chǎn)物 5 徐精彩等在煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上 建立了松散煤體自然發(fā)火的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值模擬煤的自燃過(guò)程 預(yù)測(cè)煤在不同條件下的自然發(fā)火期 以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)之不足 較好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的需要 由于模型預(yù)測(cè)時(shí)需 要實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的大量參數(shù) 因此工作量較大 且有很多參數(shù)不能準(zhǔn)確確 定 而這些參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響較大 偶爾會(huì)出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定不當(dāng) 而使 5 第一章引言 預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有較大誤差的情況 對(duì)于煤自然發(fā)火期的認(rèn)定 煤體接觸空氣到開(kāi)始發(fā)生自燃的時(shí)間稱(chēng)為煤自然發(fā)火期 在實(shí)際條件下 煤自然發(fā)火期并非定值 對(duì)特定地點(diǎn)而言 由于各種因素已定 煤自然發(fā)火期 基本為定值 通常煤自然發(fā)火期可劃分為實(shí)驗(yàn)自然發(fā)火期 煤層最短發(fā)火期和 煤自燃實(shí)際發(fā)火期 具體講 實(shí)驗(yàn)自然發(fā)火期即為在實(shí)驗(yàn)條件下 使松散煤體 從供風(fēng)開(kāi)始到冒青煙所經(jīng)歷的時(shí)間 其意義在于確定各類(lèi)煤體相對(duì)自然發(fā)火性 的強(qiáng)弱 煤最短自然發(fā)火期為礦井現(xiàn)場(chǎng)中上述參數(shù)得以最佳組合地點(diǎn)的松散煤 體從暴露于空氣中到冒青煙所經(jīng)歷的時(shí)間 煤最短自然發(fā)火期有可能小于實(shí)驗(yàn) 自然發(fā)火期 煤自燃實(shí)際發(fā)火期為特定地點(diǎn)的特定條件下相對(duì)應(yīng)的自然發(fā)火期 井下防滅火工作最為關(guān)注的就是煤自燃實(shí)際發(fā)火期 最早自然發(fā)火期預(yù)測(cè)主要憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行粗略估計(jì) 通常以月為單 位 不能有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作 后來(lái)各國(guó)采用自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬法預(yù)測(cè)煤自 然發(fā)火期 但該方法還存在如下不足口1 1 實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng) 影響因素多 實(shí)驗(yàn) 條件難以控制 2 模擬煤量有限 3 實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高 不可能多次重復(fù)實(shí)驗(yàn) 4 實(shí)驗(yàn)條件單一等 之后隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展 許多學(xué)者開(kāi)始采用數(shù)值模擬的方 法預(yù)測(cè)煤的自然發(fā)火期 煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究?jī)?nèi)容 近二十年來(lái) 世界各相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)煤炭自燃產(chǎn)生的機(jī)理及其化學(xué)物理間 的相互作用進(jìn)行了研究 以期開(kāi)發(fā)出可靠的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法和火源探測(cè)技術(shù) 研 制出性能可靠的檢測(cè)儀器 最大限度的消除其危害 煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究 分兩種情況 指處于低溫氧化階段 還未出現(xiàn)自然發(fā)火征兆之前 僅根據(jù)煤的氧化放 熱特性和實(shí)際開(kāi)采條件 超前判斷松散煤體自燃的危險(xiǎn)程度 自然發(fā)火 期及最易自燃的區(qū)域 指煤層開(kāi)采后 松散煤體放熱 引起升溫 進(jìn)入自熱階段 在煤體冒煙 和出現(xiàn)明火之前 根據(jù)煤氧化放熱時(shí)引起的標(biāo)志性氣體 溫度等參數(shù)的 變化情況較早發(fā)現(xiàn)自燃征兆 判斷自燃的狀態(tài) 火災(zāi)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容是 確定火源發(fā)生的空間位置 判斷煤炭自熱的程度 對(duì)于火災(zāi)預(yù)報(bào)的要求是 及時(shí) 準(zhǔn)確和可靠 這就需要正確的選擇預(yù)報(bào)參 6 第一章引言 數(shù)和預(yù)報(bào)方法 使用高靈敏的傳感器 且傳感器安裝的位置要合理 信息 傳輸系統(tǒng)要可靠 應(yīng)盡量防止漏報(bào)和誤報(bào) 本文的技術(shù)線(xiàn)路 本文的目的在于基于對(duì)伴隨著自燃現(xiàn)象出現(xiàn)的這些特征指標(biāo)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù) 應(yīng)用支持向量機(jī) s v m 粗糙集 r s 等現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技巧 基于可得到的 不完備的大同煤礦煤炭自燃情況的可觀(guān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)以及空氣樣分析數(shù)據(jù) 對(duì)指 標(biāo)體系進(jìn)行約簡(jiǎn) 給出刪除某些指標(biāo)對(duì)于預(yù)報(bào)精度所付出的代價(jià) 給出最重要 的觀(guān)測(cè)指標(biāo)的代表性 以及基于新老設(shè)備之下由于指標(biāo)不同而引起的預(yù)測(cè)精度 的差異 以期在煤炭自燃發(fā)生前 把握好自燃的發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)于火災(zāi)的早期預(yù) 報(bào)和治理起到積極的作用 第四節(jié)目前所采用的煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)介 目前所應(yīng)用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)方法主要有 自燃傾向性預(yù)測(cè)法 綜合評(píng)判預(yù) 測(cè)法 統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法 計(jì)算機(jī)模擬法 測(cè)溫法 標(biāo)志氣體分析法以及神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的應(yīng)用等等 1 自燃傾向性預(yù)測(cè)法哺1 該方法主要是根據(jù)煤自燃傾向性不同 劃分煤層自然發(fā)火等級(jí) 以此區(qū)分 煤層的自燃危險(xiǎn)程度 從而采取相應(yīng)防滅火措施 8 0 年代前 國(guó)外對(duì)煤自燃傾 向性的測(cè)試方法主要以煤的氧化性為基礎(chǔ) 大體可分為 化學(xué)試劑法和吸氧法 8 0 年代后 美國(guó)研究出利用絕熱爐 a d i a b a t i ch e a t i n go v e n 測(cè)定煤炭最小自熱溫 度 評(píng)估煤炭自燃傾向性 我國(guó)從5 0 年代初期即開(kāi)展對(duì)煤炭自燃傾向性鑒定 方法的研究 先后研究了克氏法 著火點(diǎn)溫度降低值法 雙氧水法及靜態(tài)容量 吸氧法 但由于各種方法所存在的缺點(diǎn)和客觀(guān)原因 我國(guó)一直沿用著火點(diǎn)溫度 降低值法 進(jìn)入9 0 年代 我國(guó)推廣使用色譜動(dòng)態(tài)吸氧法 以上煤自燃傾向性 測(cè)試方法僅考察了煤與氧的作用速度和作用量 而沒(méi)有考察其作用的效果 即 熱效應(yīng) 也沒(méi)有考察它們隨煤溫變化的動(dòng)態(tài)趨勢(shì) 因而無(wú)法真實(shí)全面地反映出 煤的內(nèi)在自燃性 與煤實(shí)際開(kāi)采條件下自燃的實(shí)質(zhì)相差甚遠(yuǎn) 因此 煤層自燃 傾向性預(yù)測(cè)法僅能粗略判斷出煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)程度 不能確定實(shí)際條件下 松散煤體的自燃危險(xiǎn)程度 因此 近2 0 年來(lái)世界各主要產(chǎn)煤國(guó)對(duì)煤層自燃的 7 第一章引言 預(yù)測(cè) 主要朝著準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際條件下松散煤體自然發(fā)火期和自燃危險(xiǎn)程度的方 向努力 2 綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法 綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法是基于模糊數(shù)學(xué)建立起來(lái)的一種預(yù)測(cè)方法 為預(yù)測(cè)實(shí)際開(kāi) 采條件下煤層的自燃危險(xiǎn)性 根據(jù)影響煤層自燃危險(xiǎn)程度的內(nèi) 外因素 煤的 自燃傾向性 地質(zhì)賦存條件 通風(fēng)條件 開(kāi)采技術(shù)因素和預(yù)防措施等 進(jìn)行主 觀(guān)判斷 分析評(píng)分 然后用模糊數(shù)學(xué)理論逐步聚類(lèi)分析 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式計(jì)算聚 類(lèi)中心 對(duì)開(kāi)采煤層自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評(píng)判預(yù)測(cè)嘲 通常的也采用b p 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)煤層的自燃危險(xiǎn)性 綜合評(píng)判的特點(diǎn)是利用大量的統(tǒng)計(jì)資料 分析 煤炭自燃主要因素的影響程度 粗略預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度 而對(duì)發(fā)火期 以及可能發(fā)火的區(qū)域則無(wú)法進(jìn)行預(yù)測(cè) 3 統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法 這種方法是建立在已發(fā)生自然發(fā)火事故統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上 分析預(yù)測(cè)巷道松 散煤體開(kāi)采條件下的自燃危險(xiǎn)程度 該方法只能根據(jù)巷道實(shí)際情況和自然發(fā)火 統(tǒng)計(jì)資料 粗略判斷巷道可能的發(fā)火區(qū)域和高溫點(diǎn)位置 4 數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)法 2 0 世紀(jì)8 0 年代以后 世界各國(guó)針對(duì)采空區(qū)或地面煤堆的自燃條件 根據(jù) 傳熱 傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)等理論 分析煤體溫度和各種影響因素之間的關(guān)系 建立了多種自然發(fā)火動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 模擬煤的自燃過(guò)程 預(yù)測(cè)采空區(qū)或煤堆的 自然發(fā)火危險(xiǎn)性口陽(yáng) 八 五 期間 西安礦業(yè)學(xué)院在煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)?zāi)M 和綜放面采空區(qū)大量現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上 根據(jù)對(duì)采空區(qū)三帶劃分和綜放面 采空區(qū)自燃主要影響因素等理論分析結(jié)果 建立了綜放面自然發(fā)火動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模 型 該預(yù)測(cè)模型技術(shù)經(jīng)過(guò)部分煤礦多個(gè)綜放面的預(yù)測(cè)驗(yàn)證 其預(yù)測(cè)精度較高 能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要 5 標(biāo)志氣體分析法 標(biāo)志氣體分析法預(yù)報(bào)技術(shù)主要利用一氧化碳 乙烯 乙炔 烯烷比等做為 指標(biāo)氣體預(yù)報(bào)煤自燃的發(fā)展過(guò)程 由檢測(cè)到的氣體濃度可以判斷煤炭自燃的危 險(xiǎn)性 由于其分析技術(shù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都己配套 故該技術(shù)在煤礦中得到了廣泛的 應(yīng)用 但實(shí)際中 煤種不同則煤在氧化自燃過(guò)程中氣體產(chǎn)物的組成和變化規(guī)律 也有所不同 其次 有些指標(biāo)氣體是煤自燃發(fā)展過(guò)程中煤溫升高產(chǎn)生的氧化氣 體 只能在煤已經(jīng)自熱或自燃時(shí)才能檢測(cè)到 且氣體產(chǎn)量較少 會(huì)隨著風(fēng)流流 8 第一章引言 動(dòng) 另外 人工取樣工作量較大 間隔時(shí)間長(zhǎng) 不能進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè) 可見(jiàn) 該預(yù)報(bào)技術(shù)還存在許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究 6 測(cè)溫法 測(cè)溫法就是測(cè)定井下煤與周?chē)橘|(zhì)的溫度變化情況 因?yàn)橄锏浪缮⒚后w及 周?chē)橘|(zhì)溫度的升高直接反映著煤的氧化程度 測(cè)溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋 高溫點(diǎn)及火源的最直接 可靠的方法 但巷道松散煤體內(nèi)部溫度的測(cè)溫技術(shù)尚 未完全解決 目前 探測(cè)煤自然發(fā)火的測(cè)溫儀主要有紅外線(xiàn)測(cè)溫儀和溫度傳感 器兩種 上述方法對(duì)于開(kāi)采煤層的自燃火災(zāi)發(fā)生情況的預(yù)測(cè)比較有效果 但是無(wú)法 完成對(duì)采空區(qū)或工作面煤炭自燃的實(shí)時(shí)監(jiān)控 測(cè)溫法比較直觀(guān) 而且受外界因 素影響小 但是對(duì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的要求很高 特別是傳感器的選擇 這樣就必然加 重經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān) 且時(shí)常有誤報(bào)的可能 計(jì)算機(jī)模擬法是一種理想化的模擬 與實(shí)際存在一定的差異 但是采用計(jì)算機(jī)對(duì)煤炭自燃情況的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究費(fèi)用 較低 可以綜合多種預(yù)測(cè)手段 所以也一直頗受人們的關(guān)注 7 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃 如上所述 各種方法都有優(yōu)缺點(diǎn) 由于煤炭自燃現(xiàn)象本質(zhì)上是一種非線(xiàn)性 系統(tǒng) 只有從非線(xiàn)性科學(xué)角度進(jìn)行認(rèn)識(shí) 才能更深刻地認(rèn)識(shí)煤炭自燃的規(guī)律 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 筒州 具有強(qiáng)大的非線(xiàn)性映射能 力 擅長(zhǎng)處理模糊的 隨機(jī)的 低精度的信息 是動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)煤炭自然發(fā)火的有 效方法 目前在國(guó)內(nèi)見(jiàn)于報(bào)道的最早應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于煤層自燃預(yù)測(cè)方面的研究 是1 9 9 6 年西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)的黃夢(mèng)濤等撰寫(xiě)的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在煤低溫自燃實(shí)驗(yàn)爐 建模中的應(yīng)用 該論文把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤低溫自燃實(shí)驗(yàn)爐的模式識(shí)別上 1 9 9 7 年蔣軍成和王省身應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)開(kāi)采煤層的自燃危險(xiǎn)性 對(duì)南屯煤礦 某煤層進(jìn)行了自燃危險(xiǎn)性預(yù)測(cè) 1 9 9 9 年王德明和王俊應(yīng)用無(wú)導(dǎo)師神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤 炭自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析 克服了有導(dǎo)師神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的不足 目 前 西安科技學(xué)院的徐精彩教授應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做煤氧化性的預(yù)測(cè) 1 9 9 9 年 遼寧工程技術(shù)大學(xué)的宋志等人以采場(chǎng)自然發(fā)火為充要條件 依據(jù)時(shí)空一致的觀(guān) 點(diǎn) 分析自然發(fā)火因素空間 提出用人 r 0 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火期 自燃 地點(diǎn)和自燃時(shí)期的模型 把采場(chǎng)自燃預(yù)測(cè)模式識(shí)別問(wèn)題看成是n 個(gè)影響采場(chǎng)自 燃因素所形成的n 維空間到m 維空間的映射 但是在文獻(xiàn)中只提供了預(yù)測(cè)模型 并未對(duì)具體采場(chǎng)t l 然發(fā)火做預(yù)測(cè) 2 0 0 4 年 鄔劍明和王俊峰做了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 9 第一章引言 的煤層自然發(fā)火的非線(xiàn)性預(yù)測(cè)的研究 當(dāng)山東棗莊柴里煤礦2 3 1 3 工作面風(fēng)流出 現(xiàn)c o 氣體 通過(guò)對(duì)2 3 1 3 工作面所布置采樣點(diǎn)取樣分析檢測(cè)到的乙烷 乙烯氣 體 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè) 目前所做的自燃預(yù)測(cè)一般都是對(duì)待開(kāi)采煤層 所做的一次性推斷 不能很好的滿(mǎn)足工作面實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求 而傳統(tǒng)的b p 算法 是一種典型的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法 其學(xué)習(xí)是由期望輸出與實(shí)際輸出之間的差別驅(qū)動(dòng) 的 需要積累足夠的樣本后統(tǒng)一進(jìn)行訓(xùn)練 不能根據(jù)新樣本漸進(jìn)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參 數(shù) 其次 經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于隨時(shí)問(wèn)而不斷變化的時(shí)間序列多步預(yù)測(cè)問(wèn)題具 有很大的局限性 而s u t t o n 于1 9 8 8 年提出的時(shí)差方法 t dm e t h o d 是由實(shí)際輸 出之間的差別驅(qū)動(dòng)的 解決了監(jiān)督學(xué)習(xí)中得不到期望輸出這個(gè)難以回避的問(wèn)題 在煤礦中 如果能用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)采空區(qū)的易燃區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè) 對(duì)于 礦井的防滅火工作會(huì)有很大的幫助 目前 應(yīng)用這種方法的有2 0 0 3 年中國(guó)礦大 的曾勇和吳財(cái)芳對(duì)平頂山六礦的瓦斯突出進(jìn)行的預(yù)測(cè) 安徽理工大學(xué)何啟林老 師對(duì)孔莊做的采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè) 但是 這些都是對(duì)一個(gè)生產(chǎn)礦井所做的 整體性的預(yù)測(cè)n 1 h 1 6 1 如果能夠開(kāi)發(fā)出針對(duì)具體工作面的煤炭自燃預(yù)報(bào)系統(tǒng) 將 對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有很大的幫助 本課題的研究?jī)?nèi)容 1 2 3 4 5 6 7 8 綜上所述 本課題的研究計(jì)劃按照如下技術(shù)線(xiàn)路展開(kāi) 收集本文提到的文獻(xiàn)中的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和可觀(guān)測(cè)指標(biāo) 從煤自燃的機(jī)理出發(fā) 將現(xiàn)有使用過(guò)的可觀(guān)測(cè)指標(biāo)體系復(fù)原出來(lái) 利用粗糙集理論將收集到的指標(biāo)進(jìn)行約簡(jiǎn) 在指定某些指標(biāo)不可實(shí)現(xiàn)的條件下的條件約簡(jiǎn) 將約簡(jiǎn)的指標(biāo)集看作自變量 將其后固定時(shí)間內(nèi)煤炭自燃或不自燃看作因 變量 對(duì)于這樣的高維非線(xiàn)性函數(shù) 使用支靜廊查祝來(lái)模擬 或者將約簡(jiǎn) 的指標(biāo)集看作自變量 將距離煤炭自燃日的時(shí)間長(zhǎng)度看作因變量 對(duì)于這 樣的高維非線(xiàn)性函數(shù) 使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬 檢驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)分別使用的方法中涉及到的可觀(guān)測(cè)指標(biāo)的不 完備性 檢驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)分別使用的方法對(duì)于其它地區(qū)的不適應(yīng)程度 針對(duì)約簡(jiǎn)后的可觀(guān)測(cè)指標(biāo)集 或者條件約簡(jiǎn)的指標(biāo)集 重新評(píng)估各地區(qū)現(xiàn) 在使用的關(guān)于煤自燃監(jiān)測(cè)的設(shè)備的正確率 1 0 第一章引言 9 篩選出具有普適性的最小約簡(jiǎn)的指標(biāo)集和各地可以接受的獨(dú)特的條件最小 約簡(jiǎn)的指標(biāo)集 指出各地區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)注意的指標(biāo)氣體觀(guān)測(cè)指標(biāo)的 精度 本文的目的就是期望能應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù) 提前預(yù)測(cè)出相關(guān)地點(diǎn)的指 標(biāo)氣體濃度 溫度等 進(jìn)而推斷出可能發(fā)生煤炭自燃的區(qū)域以及自燃發(fā)展的趨 勢(shì) 對(duì)于井下煤炭自然發(fā)火的防治提供有益的幫助 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 煤炭自燃 煤炭自然發(fā)火 是指在沒(méi)有外來(lái)熱源的情況下 由于煤炭自身 氧化積熱 使煤的溫度升高 而發(fā)生的燃燒現(xiàn)象 煤的氧化和自燃從本質(zhì)上來(lái) 說(shuō)是基一鏈反應(yīng) 即具有自燃傾向性的煤與空氣接觸 能吸附空氣中的氧氣從而 在煤的表面生成不穩(wěn)定的初級(jí)氧化物 使煤的化學(xué)活性增強(qiáng) 進(jìn)而煤炭氧化速 度加快 氧化放熱量加大 當(dāng)熱量不能及時(shí)散發(fā)時(shí) 煤溫就會(huì)逐漸升高 當(dāng)達(dá) 到煤的著火點(diǎn) 便開(kāi)始自燃n 第一節(jié)煤的自燃過(guò)程及影響因素 2 1 1 煤的自燃過(guò)程 煤的自燃過(guò)程一般可分為三個(gè)階段 如圖2 1 準(zhǔn)備期 又稱(chēng)潛伏期 自 熱期 燃燒期 各階段的特征分別如下 o 溫度 f 燃燒 午 冷卻 h 億 鷥伏明 l 自熱期 r l 圖2 1 煤的自燃過(guò)程 闖 準(zhǔn)備期 具有自燃傾向性的煤與空氣接觸時(shí) 吸附空氣中的氧 0 而生成 不穩(wěn)定的氧化物羥基 0 h 與羧基 c o o h 此時(shí)氧化熱量很少 觀(guān)測(cè)不到煤體溫 度的變化 也看不到其周?chē)h(huán)境溫度上升 煤的氧化進(jìn)程平穩(wěn)而緩慢 但是煤 的重量略有增加 化學(xué)活性增強(qiáng) 這個(gè)階段通常稱(chēng)之為煤的自燃準(zhǔn)備期 又稱(chēng) 蘑燃潛伏期長(zhǎng)短取決于煤的變質(zhì)程度和外部條件 因此具有高度的隨機(jī)性 自熱期 經(jīng)過(guò)潛伏期之后 被活化的煤的氧化速度增加 產(chǎn)生的熱量較大 若來(lái)不及散發(fā) 煤溫繼續(xù)升高 超過(guò)臨界溫度 一般為7 0 一9 0 時(shí) 煤溫上升 1 2 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 急劇加速 氧化進(jìn)程加快 這時(shí)空氣中的0 減少 c o c 0 含量顯著增加 出現(xiàn) 烴類(lèi)氣體 烷烴或烯烴 煤中水分蒸發(fā) 空氣濕度加大 并出現(xiàn)霧氣 巷壁或 支架上有水珠凝結(jié) 后期則可出現(xiàn)煤的干餾 可生成芳香族的碳?xì)浠衔?c x h y 一氧化碳 c o 等可燃性氣體 在工作面可嗅到煤油或煤焦油氣味 這 就是煤的自熱期 燃燒期 進(jìn)入自熱期后 如果煤溫繼續(xù)上升達(dá)到著火溫度 3 0 0 3 5 0 c 就會(huì)導(dǎo)致煤的自燃 進(jìn)入燃燒期 此時(shí)就可看到煙霧 明火的產(chǎn)生 并有大量 的c o 如上隅角檢測(cè)通?？蛇_(dá)到1 0 0 0 3 0 0 0 p p m c 0 2 等氣體產(chǎn)生 目前被認(rèn) 為是自燃的標(biāo)志性可觀(guān)測(cè)氣體 風(fēng)化期 如果在煤溫上升到臨界溫度以前 采取措施 改變其供氧和散熱 條件 煤溫會(huì)很快地降下來(lái) 這樣便進(jìn)入了風(fēng)化狀態(tài) 一般來(lái)說(shuō)已經(jīng)風(fēng)化了的 煤 不會(huì)再次發(fā)生自燃 如圖2 1 中虛線(xiàn)所示 從煤的自燃發(fā)展可見(jiàn) 煤的自燃實(shí)質(zhì)上就是自身氧化加速的過(guò)程 其氧化 速度之快 以致產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向外界放散 從而導(dǎo)致了自燃 所以 在煤 的氧化急劇加速之前 做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 及時(shí)采取措施 就能避免煤的自 燃 如前所述 煤礦井下火災(zāi) 9 0 以上都是由于煤炭自燃引發(fā)的 煤炭自燃 嚴(yán)重影響著礦井的正常生產(chǎn) 威脅井下人員的生命安全 燒毀煤炭資源 但由 于井下環(huán)境惡劣復(fù)雜 往往難以直接觀(guān)察到著火現(xiàn)象 特別是對(duì)于早期的自燃 不能及早的查出 往往只有等到有了較明顯的特征時(shí) 才有所察覺(jué) 而這時(shí)煤 炭已經(jīng)燃燒到一定程度了 因此 提前預(yù)測(cè)自燃非常重要也很有挑戰(zhàn)性 在實(shí)際工作中 礦井某一個(gè)區(qū)域或采掘工作面出現(xiàn)下列情況之一時(shí) 便定 義為自然發(fā)火 1 由于煤炭自燃出現(xiàn)明火 火災(zāi)煙霧 煤油味等現(xiàn)象 2 由于煤炭自燃使環(huán)境空氣 煤炭 圍巖及其他介質(zhì)溫度升高 并超過(guò)7 0 c 3 由于煤炭自燃在采空區(qū)或回風(fēng)中出現(xiàn)一氧化碳或者其他重碳指標(biāo)氣體 其 濃度超過(guò)礦井實(shí)際統(tǒng)計(jì)的自燃發(fā)火的臨界指標(biāo) 并有上升趨勢(shì) 在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生過(guò)煤炭自燃的煤層 則定為自然發(fā)火煤層 2 1 2 煤炭自燃的影響因素 礦井自燃火災(zāi)形成的過(guò)程是許多因素綜合作用的結(jié)果 影響煤層自然發(fā)火 1 3 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 的因素包括煤的自燃性能 開(kāi)采技術(shù) 地質(zhì)因素等n 引 1 自燃性能 煤的自燃性能主要受下列因素影響 煤化程度 煤化程度是影響煤炭自燃傾向性的決定性因素 就整體而言 煤的自燃傾向性隨煤化程度增高而降低 即自燃傾向性從褐煤 長(zhǎng)焰煤 煙煤 焦煤至無(wú)煙煤逐漸減少 局部而言 煤層的自燃傾向性與煤化程度之間表現(xiàn)出 復(fù)雜的關(guān)系 即同一煤化程度的煤在不同的地區(qū)和不同的礦井 其自燃傾向性 可能有較大的差異 煤巖成分 煤巖成分對(duì)煤的自燃傾向性表現(xiàn)出一定的影響 各種單一的 煤巖成分具有不同的氧化活性 其氧化能力按鏡煤 亮煤 暗煤 絲煤的順序遞 減 鏡煤受力后易形成碎屑 含氫 氧和揮發(fā)成分高 易氧化自燃 絲煤雖然 本身氧化活性弱 自燃點(diǎn)高 但絲煤組分中的細(xì)胞空腔能增大煤的裂隙和反應(yīng) 面 為氧向深部擴(kuò)散提供通路 促進(jìn)煙煤氧化自燃 水分 煤的外在和內(nèi)在水分以及空氣中的水蒸汽對(duì)煤在低溫氧化階段起 一定的影響 既有加速氧化的一面 也有阻滯氧化的因素 煤在自燃的過(guò)程中 只有其水分降低到一定值后 氧化速度才會(huì)加快 煤溫才會(huì)急劇升高 煤濕水 后再干燥與未濕水的干煤相比 化學(xué)活性增加 在低溫時(shí)煤對(duì)水蒸汽的親和性 比對(duì)氧大 水蒸汽凝結(jié)成水時(shí)生熱比氧化生熱量大 因此穩(wěn)定地保持采空區(qū)內(nèi) 空氣具有較高的濕度 增加并保持煤本身的濕度 也可以抑制煤的低溫氧化 煤的空隙率 煤的自燃傾向性隨煤的空隙率大小的不同而有很大的差異 煤的空隙率越大 其吸附氧氣的能力越大 所以 空隙率越大的煤炭越容易自 燃 煤的脆性越大 就越容易破碎 產(chǎn)生大量的碎煤 使其接觸氧的表面積大 大的增加 且著火點(diǎn)溫度顯著降低 所以就越容易自燃 煤中硫和其他礦物質(zhì) 煤中含有的硫和其他催化劑 則會(huì)加速煤的氧化 過(guò)程 一般來(lái)說(shuō) 硫在煤中有三種存在形式 其中對(duì)煤的自燃起主要作用的是 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 相同煤層的不同礦井 甚至同一礦井不同的開(kāi)采時(shí)期 在煤的性質(zhì) 煤層賦存 條件基本相同的礦井 由于上述因素的差異 造成自然發(fā)火的次數(shù)明顯不同 開(kāi)采技術(shù)對(duì)自然發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面 礦井開(kāi)拓方式和采區(qū)巷道布置既決定保護(hù)煤柱的數(shù)量 機(jī)器大小 又決 定所留煤柱受壓與破碎程度 既決定可燃物的分布和集中情況 又決定向這些 可燃物供風(fēng)的時(shí)間 回采方法和回采工藝決定的因素是回采率和工作面推進(jìn)速度 其中 回 采率如果丟煤過(guò)大 則容易引起自燃 所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 應(yīng)該盡量減少 丟煤 而工作面推進(jìn)速度則對(duì)于煤的自燃有重要影響 一般來(lái)說(shuō) 如果推進(jìn)速 度大于工作面散熱帶到采空區(qū)窒息帶的最大距離和浮煤最短自然發(fā)火期之商 時(shí) 就不容易引起自燃 所以 我們一般盡可能快的提高推進(jìn)速度 漏風(fēng)在煤炭氧化過(guò)程的熱平衡關(guān)系中起兩方面的作用 一是向煤提供氧 化所必須的氧氣 促進(jìn)氧化發(fā)展 二是帶走氧化生成的熱量 降低煤溫 抑制 氧化過(guò)程發(fā)展 易燃風(fēng)速的劃分目前還沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于采空區(qū) 有人認(rèn) 為當(dāng)其單位面積上漏風(fēng)量大于1 2m 3 m i n m 2 或小于o 0 6m 3 m i n m 2 都不會(huì)自 燃 最危險(xiǎn)的漏風(fēng)量是0 4 o 8m 3 m i n m 2 3 地質(zhì)因素 地質(zhì)因素也是影響自燃的重要成因 其中包括 煤層厚度 煤的厚度越大 自然發(fā)火的危險(xiǎn)性越大 厚煤層容易自燃的 主要原因有幾點(diǎn) 厚煤層回采率低 遺留大量浮煤和煤柱 礦山壓力較大 煤柱 煤壁被壓裂而漏風(fēng) 煤層越厚 其回采時(shí)間越長(zhǎng) 容易超過(guò)煤層的自然發(fā)火期 分層開(kāi)采時(shí) 上部煤層采空區(qū)的浮煤氧化產(chǎn)生的熱量難于通過(guò)下部煤 層散發(fā) 相對(duì)容易自燃 煤層越厚 開(kāi)采巷道越容易冒頂 形成冒頂空洞 容易引起自燃 煤層越厚 遺煤分布越大 越容易自燃 煤層傾角 煤層傾角較大時(shí) 尤其對(duì)急傾斜煤層容易造成丟煤多 而且 對(duì)采空區(qū)的封閉也很困難 在同等的礦山壓力作用下 傾角越大的煤受壓后破 碎程度越大 所以煤的自燃傾向性越大 煤層埋藏深度 煤層埋藏越深 煤的原始溫度越高 煤中含有的水分較 1 5 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 少 其危險(xiǎn)程度越高 相反地 而對(duì)于埋藏很淺的煤層 開(kāi)采過(guò)程中容易與地 表溝通 產(chǎn)生漏風(fēng)通道 也容易引起自燃 也就說(shuō) 太深或太淺都容易自燃 地質(zhì)構(gòu)造 在有斷層和巖漿入侵等地質(zhì)構(gòu)造被破壞的區(qū)域 煤體較破碎 存在大量裂隙 而且在巖漿巖侵入時(shí)使煤層受到干餾 空隙率增加 強(qiáng)度降低 因此 自燃危險(xiǎn)程度增大 從上面的分析可以看出 煤炭的自燃影響因素眾多 但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 際可知 煤的自燃傾向性 推進(jìn)度 煤層傾角 漏風(fēng)量 煤厚 空隙率等對(duì)煤 自燃發(fā)展影響較大 是主要影響因素 我們也將通過(guò)數(shù)學(xué)的手段 證明它們是 主要影響因素 且給出各自的貢獻(xiàn)率 2 1 3 煤的自燃機(jī)理 在研究的過(guò)程中 如果能弄清煤炭自然發(fā)火的機(jī)理 對(duì)于煤炭自燃的預(yù)測(cè) 預(yù)報(bào)有著重要的意義 關(guān)于煤炭自燃的機(jī)理問(wèn)題是當(dāng)前各國(guó)都沒(méi)有解決的大難 題 各國(guó)的學(xué)者發(fā)表了各種學(xué)說(shuō)以解釋煤炭自燃的原因 本文在第一章中已做 了闡述 概括起來(lái)講主要有下面七個(gè)方面的學(xué)說(shuō) 自然發(fā)火黃鐵礦學(xué)說(shuō) 細(xì)菌 導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 磺化導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 酚基導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 活性煤質(zhì)粘土巖導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 過(guò)氧化 物催化導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 煤一氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 目前得到大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的是煤一氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō) 也是目前最為流行的 煤炭自燃機(jī)理學(xué)說(shuō) 但煤一氧復(fù)合反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理至今仍未真正了解 進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代 國(guó)內(nèi)外學(xué)者又提出了一些更具體的學(xué)說(shuō)n 9 李增華于1 9 9 8 年提出煤自燃的自由基作用學(xué)說(shuō)船們 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為煤是一種 有機(jī)大分子物質(zhì) 在外力 如地應(yīng)力 采煤機(jī)的切割等 作用下煤體破碎 產(chǎn)生 大量裂隙 必然造成煤分子的斷裂 分子鏈斷裂本質(zhì)就是鏈中共價(jià)鍵的斷裂 從而產(chǎn)生大量自由基 為煤自然氧化創(chuàng)造了條件 引發(fā)煤的自燃 u n a l 用 e s r 順磁共振 技術(shù)測(cè)量了煤的氧化過(guò)程中自由基濃度變化后指出 煤的低溫 氧化至少部分是通過(guò)自由基反應(yīng)機(jī)理 支持了自由基鏈反應(yīng)機(jī)理 i p x n m 等人于1 9 9 0 年提出了電化學(xué)作用學(xué)說(shuō) 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為 煤中含有 鐵的變價(jià)離子 組成氧化還原系f e 2 f e 3 其在煤的氧化反應(yīng)中起催化作用 在 煤中引起電化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生具有化學(xué)活性的鏈根 從而極大地加快煤的自動(dòng)氧 化過(guò)程 引發(fā)自燃 l o p e z 等人于1 9 9 8 年提出氫原作用學(xué)說(shuō) 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為 煤低溫氧化過(guò)程 1 6 第二章煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 中 由于氫原子在煤中各大分子基團(tuán)間的運(yùn)動(dòng) 增加了煤中各基團(tuán)的氧化活性 從而促進(jìn)煤的自燃 w a n gh h 等人于1 9 9 9 年提出了基團(tuán)作用理論 該理論利用孔模型模擬 了煤中孔隙的樹(shù)狀結(jié)構(gòu) 提出所有有效孔所構(gòu)成的樹(shù)狀能夠到達(dá)煤粒表面 使 煤中各基間以及與氧氣能充分作用 從而導(dǎo)致煤的自燃 從上面的不同學(xué)說(shuō)可知 在煤炭自燃的形成過(guò)程中 須具備的條件為 具有低溫氧化特性即自燃傾向性的煤成破碎狀態(tài)堆積存在 通風(fēng)供氧維持煤的氧化過(guò)程不斷發(fā)展 在煤的氧化過(guò)程中生成的熱量大量蓄積 難以及時(shí)放散 只有同時(shí)具備了這三個(gè)條件 煤炭才可能在一定時(shí)間內(nèi)引起自燃 從煤的自燃發(fā)展可見(jiàn) 煤的自燃實(shí)質(zhì)上就是自身氧化加速的過(guò)程 其氧化 速度之快 導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向外放散 引起自燃 所以 在煤的氧化急 劇加速之前 做出準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 及時(shí)采取措施 就能避免煤的自燃 本文 采用的就是這種 氧化機(jī)理 第二節(jié)煤炭自燃的非線(xiàn)性特征 從本質(zhì)上說(shuō) 非線(xiàn)性系統(tǒng)動(dòng)力軌道的拓?fù)浜脱莼匦?是深刻認(rèn)識(shí)系統(tǒng)災(zāi) 害的科學(xué)基礎(chǔ) 煤炭自燃是礦井災(zāi)害的一個(gè)典型的非線(xiàn)性現(xiàn)象 災(zāi)害現(xiàn)象的孕 育 發(fā)生和發(fā)展 與構(gòu)成災(zāi)害系統(tǒng)的各要素及其環(huán)境之間的非線(xiàn)性相互作用所 產(chǎn)生的分叉 突變 孤立子 分形 自組織和失穩(wěn)等非線(xiàn)性現(xiàn)象有著密切關(guān)系 礦井災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)各要素之間與其環(huán)境系統(tǒng)的相互作用也具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特 征 只有從非線(xiàn)性科學(xué)的角度提高認(rèn)識(shí) 才能對(duì)火災(zāi)過(guò)程規(guī)律的認(rèn)識(shí)更完整 更深刻 從前面內(nèi)容的分析可以看出 煤炭自燃過(guò)程中受到了各種因素的影響 既 有煤炭本身性質(zhì)的影響 也有外部環(huán)境和開(kāi)采技術(shù)的原因 煤體低溫氧化產(chǎn)生 的熱量在系統(tǒng)中形成初始隨機(jī)漲落 并通過(guò)煤體裂隙向周?chē)后w及環(huán)境釋放 這是由煤炭本身的特性所決定的 其自燃傾向性等級(jí)高 則形成的熱量就大 反之則相反 自燃帶中的煤體氧化放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量 除了加熱周?chē)拿?