（應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)論文）煤炭自然研究中的現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù).pdf

南開大學(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 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容 對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集 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)過程中的重大災(zāi)害之一 定量研究其發(fā)生機理可以為 及時 準(zhǔn)確地預(yù)測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)測預(yù)報的研究現(xiàn)狀 進一步探討了煤炭自燃的定性描述機理和過程 其次 針對大同煤礦的實際情況 應(yīng)用支持向量機 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屬性是判定煤層自燃情況的主要因素 另一方面 通過對指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)的計算 分析之后發(fā)現(xiàn) c o 確實是煤炭自燃的 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)測分析并采取合 理的數(shù)據(jù)熔合會為解決煤炭自燃的預(yù)測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)測精度為9 5 左右的好效果 沒 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 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)煤炭自燃的常識以及可觀測指標(biāo) 2 第三節(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 第四節(jié)目前所采用的煤炭自燃預(yù)測預(yù)報方法簡介 7 第二章煤炭自燃的非線性特征 1 2 第一節(jié)煤的自燃過程及影響因素 1 2 2 1 1 煤的自燃過程 一 1 2 2 1 2 煤炭自燃的影響因素 1 3 2 1 3 煤的自燃機理 1 6 第二節(jié)煤炭自燃的非線性特征 1 7 第三章大同煤炭自燃機理及指標(biāo)氣體的理論研究 1 9 第一節(jié)煤炭氧化自燃機理的理論研究簡介 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)測預(yù)報的數(shù)學(xué)知識 2 7 第一節(jié)a n n 簡介 2 7 第二節(jié)支持向量機 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 3 7 4 3 2 粗糙集的基本概念 3 8 4 3 3 知識約簡 4 0 4 3 4 基于分辨矩陣的啟發(fā)式最小約簡算法 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)支持向量機的應(yīng)用 4 8 5 1 1 支持向量機兩分類算法 4 8 第一章引言 第一章引言 第一節(jié)選題的背景 我國目前已成為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國 2 0 0 5 年全國原煤產(chǎn)量達到創(chuàng)紀(jì) 錄的2 1 9 億噸 同時我國也是世界上最大的煤炭消費國 年煤炭消費量約占全 球的3 0 國內(nèi)主要耗煤產(chǎn)業(yè)的年煤炭消費量約占總消費量的7 0 隨著國民經(jīng) 濟的發(fā)展 以煤為主要能源的生產(chǎn)和消費特征在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)都不會改 變 這就給煤炭企業(yè)提供了巨大的發(fā)展機會 我國煤炭資源分布較廣 但北方煤炭資源遠遠超過南方 很久以來有 南 糧北調(diào) 北煤南運 之說 隨著國際原油價格的飆升 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)害的因素和變化機制到底是什么 這成了擺在研究人員 面前的挑戰(zhàn)性問題 山西大同是著名的煤炭基地之一 也飽受礦難之苦 為此 也引起了我們對引起重大災(zāi)害的因素和變化機制進行研究的興趣 希望能夠憑 借在大同工作的地理優(yōu)勢 深入了解煤炭生產(chǎn)過程之后給出合理的數(shù)學(xué)模型 在實際調(diào)查和查閱資料后發(fā)現(xiàn) 引起煤炭生產(chǎn)過程中的重大災(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) 全國煤炭自燃是 煤炭生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一 我國每年因為煤炭自燃而造成的毀煤量達到 數(shù)億噸 在現(xiàn)有煤礦中 國有重點煤礦5 4 9 的礦井有自然發(fā)火的危險 地方 國有煤礦年產(chǎn)3 萬噸以上的礦井中2 9 1 有自然發(fā)火的危險 由于自燃引起的 火災(zāi)約占總火災(zāi)數(shù)的9 0 以上 給國家和礦井帶來了極大的危害及經(jīng)濟損失 同時 由礦井自燃火災(zāi)誘發(fā)的瓦斯 煤塵爆炸事故也時有發(fā)生 嚴(yán)重地威脅著 人民的生命財產(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 如果能及時并準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報 煤炭自燃可以為防治火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù) 達到防止或減少火災(zāi)損失的目的 這 將是不可估量的貢獻 這是一個具有誘惑力的課題 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)煤炭自燃的常識以及可觀測指標(biāo) 煤是一種由多種官能團 多種化學(xué)鍵組成的復(fù)雜的有機大分子 煤的自燃 是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程 是一種涉及物質(zhì) 動量 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 非線性 非 平衡態(tài)的動力學(xué)過程 該動力學(xué)過程與外部環(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 危險程度多屬 i 級 自然發(fā)火期6 1 2 個月 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 井下開采 時丟棄的殘煤較多 導(dǎo)致井下火災(zāi)增加 雖然采用了均壓滅火技術(shù) 加強通風(fēng) 管理等措施 但仍存在有安全隱患 生產(chǎn)費用高 管理困難等問題 其中有些 自燃火區(qū)長期無法撲滅 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 還浪費了大量的人力 物力和財力 甚至造 成人員的傷亡 煤炭自然發(fā)火能夠得到及時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 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) 由于火源位置無法接近 往往無法確定火源的實際位置 正是由于采空區(qū)火源點的無法接近性和隱蔽性 且又是經(jīng)常發(fā)生在難以進入的 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孕育的過程 所以 煤炭自燃的早期 預(yù)測預(yù)報技術(shù)對于礦井的安全生產(chǎn)是十分重要的 這就轉(zhuǎn)化成需要解決的三個 問題 煤體自燃隱患點或火源位置 煤體自燃隱患點或火源的溫度 自燃隱患發(fā)展到著火需要的時間 在煤礦的實際生產(chǎn)中 往往是當(dāng)自燃發(fā)展到一定程度時才有所發(fā)覺 國內(nèi) 外許多學(xué)者和煤炭生產(chǎn) 科研單位對此都十分重視 但由于這一問題的復(fù)雜性 至今沒有得到很好的解決 主要原因有 2 第一章引言 一探測技術(shù)手段和途徑不成熟 所采用的各種技術(shù)手段都無法準(zhǔn)確確定高溫 火源點區(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)確探測井下火源區(qū)域帶來困難 一 目前對這一問題的研究還不夠深入 對于生產(chǎn)礦井來說 煤炭自然發(fā)火的有效控制對礦井安全具有重要意義 而控制的成功與否 取決于對自燃火災(zāi)的超前發(fā)現(xiàn)程度 及時準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報 是超前發(fā)現(xiàn)并采取有效措施的前提 所以 在實際的生產(chǎn)過程中 如果能夠提 前預(yù)測出采空區(qū)煤炭的自然發(fā)火趨勢 例如溫度 指標(biāo)氣體濃度的變化等情況 對于礦井的防滅火工作會有積極的意義 關(guān)于煤炭自燃的起因及過程 是一個古老而又具有挑戰(zhàn)性的問題 人們在 1 7 世紀(jì)就開始了探索研究 但迄今仍然未能得到圓滿的解釋 各國學(xué)者發(fā)表了 各種學(xué)說以解釋煤炭自燃的起因 其中主要有黃鐵礦導(dǎo)因 細菌導(dǎo)因 酚基導(dǎo) 因 煤氧復(fù)合導(dǎo)因等學(xué)說口3 煤氧復(fù)合作用學(xué)說得到大多數(shù)學(xué)者的贊同 因為 煤自燃的主要參與物一個是煤 一個是氧 煤對氧的吸附是經(jīng)實驗考察得到證 實的 可以說 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)的可觀測指標(biāo) 吸氧量 煤氧復(fù)合作用這一學(xué)說是從1 8 7 0 年開始的 經(jīng)過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)實驗得出 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 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 氧化過程能自身加速的才能導(dǎo)致自燃 這種氧化反應(yīng)的 特點是分子的基鏈反應(yīng) 即每一個參加反應(yīng)的團粒或者 兌在鏈上的原子團 首先產(chǎn)生一個或多個新的活化團粒 活化鏈 然后 又引起相鄰團?；罨?并參加反應(yīng) 這個過程從開始要持續(xù)地進行一段時間 即通常所稱的 煤 的自燃潛伏期 他們通過實驗還發(fā)現(xiàn) 煙煤低溫氧化后 著火點降低 活 化度提高 易于點燃 低溫氧化過程的持續(xù)發(fā)展使得反應(yīng)過程的自身加速 3 第一章引言 作用增大 若最終生成的熱量不能及時散發(fā) 就會進入自熱階段 4 2 0 世紀(jì)6 0 年代 撫順煤研所通過大量煤樣分析測定 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 時屬于不自燃的煤 超過3 0 m l 時屬于易自 燃的煤 這也說明 在常溫時 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)說分析得到 溫度也是監(jiān)測自燃的一個重要可觀 測因素 因為在自燃之前必定有溫度的漸變過程 自燃與爆炸不同 不是瞬時 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氧化反應(yīng)最終導(dǎo)致自燃 煤巖體 煤巖體并非一個均質(zhì)體 它是含有多種成分的有機和無機物質(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 煤巖體中有機物和無機物含量 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測指標(biāo) 放熱效應(yīng) 煤自燃的過程非常復(fù)雜 表現(xiàn)為有些條件下煤會自燃 而另一些條件下煤 不會自燃 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瓦斯和氧的吸附產(chǎn)生的熱 煤的有機質(zhì)及某些無機礦物質(zhì)與氧產(chǎn)生的反應(yīng)熱 水對煤及含硫礦物質(zhì)的水解熱 潤濕熱以及汽化潛熱 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 會促進煤自燃過程 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 煤自燃過程的自動加速發(fā)展主要是煤氧 復(fù)合作用的結(jié)果 根據(jù)專家們多年來實驗研究得知 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 放熱強度與散熱強度 煤氧復(fù)合過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 煤溫上升就會引起自燃 也可以說 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)合過程中的放熱強度和環(huán)境散熱強度 第三節(jié)國內(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 近些年 國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度 采用不同的方法對煤炭自燃的機理及預(yù)測預(yù)報進行了研究 我們簡述如下 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煙煤的氧化自燃 動力學(xué)過程 認(rèn)為煤炭低溫氧化遵循阿侖尼烏斯定律 2 彭本信h 1 對我國長焰煤 氣煤 焦煤 貧煤及無煙煤等煤種的7 0 個煤樣進 行t g a d t a d s c 及熱分析紅外光譜試驗 測定煤的自燃傾向性 研究 煤的自燃機理 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 檢測脂類c 一h 吸收峰強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 時表觀活化能為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 時煤表面0 濃度變化 計算結(jié)果說明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 具有以吸附擴散 過程為主的低活化能特征 劉劍等通過對煤活化能的理論研究 推算出了 活化能的計算公式 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)火實驗基礎(chǔ)上 建立了松散煤體自然發(fā)火的動態(tài) 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值模擬煤的自燃過程 預(yù)測煤在不同條件下的自然發(fā)火期 以彌補實驗之不足 較好地滿足現(xiàn)場實際工作的需要 由于模型預(yù)測時需 要實驗室和現(xiàn)場的大量參數(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)對預(yù)測結(jié)果的影響較大 偶爾會出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定不當(dāng) 而使 5 第一章引言 預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實際有較大誤差的情況 對于煤自然發(fā)火期的認(rèn)定 煤體接觸空氣到開始發(fā)生自燃的時間稱為煤自然發(fā)火期 在實際條件下 煤自然發(fā)火期并非定值 對特定地點而言 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)火期可劃分為實驗自然發(fā)火期 煤層最短發(fā)火期和 煤自燃實際發(fā)火期 具體講 實驗自然發(fā)火期即為在實驗條件下 使松散煤體 從供風(fēng)開始到冒青煙所經(jīng)歷的時間 其意義在于確定各類煤體相對自然發(fā)火性 的強弱 煤最短自然發(fā)火期為礦井現(xiàn)場中上述參數(shù)得以最佳組合地點的松散煤 體從暴露于空氣中到冒青煙所經(jīng)歷的時間 煤最短自然發(fā)火期有可能小于實驗 自然發(fā)火期 煤自燃實際發(fā)火期為特定地點的特定條件下相對應(yīng)的自然發(fā)火期 井下防滅火工作最為關(guān)注的就是煤自燃實際發(fā)火期 最早自然發(fā)火期預(yù)測主要憑經(jīng)驗和現(xiàn)場統(tǒng)計進行粗略估計 通常以月為單 位 不能有效地指導(dǎo)現(xiàn)場工作 后來各國采用自然發(fā)火實驗臺模擬法預(yù)測煤自 然發(fā)火期 但該方法還存在如下不足口1 1 實驗周期較長 影響因素多 實驗 條件難以控制 2 模擬煤量有限 3 實驗費用較高 不可能多次重復(fù)實驗 4 實驗條件單一等 之后隨著計算機的發(fā)展 許多學(xué)者開始采用數(shù)值模擬的方 法預(yù)測煤的自然發(fā)火期 煤炭自燃的預(yù)測預(yù)報的研究內(nèi)容 近二十年來 世界各相關(guān)研究機構(gòu)對煤炭自燃產(chǎn)生的機理及其化學(xué)物理間 的相互作用進行了研究 以期開發(fā)出可靠的預(yù)測預(yù)報方法和火源探測技術(shù) 研 制出性能可靠的檢測儀器 最大限度的消除其危害 煤炭自燃的預(yù)測預(yù)報研究 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 熱特性和實際開采條件 超前判斷松散煤體自燃的危險程度 自然發(fā)火 期及最易自燃的區(qū)域 指煤層開采后 松散煤體放熱 引起升溫 進入自熱階段 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 對于火災(zāi)預(yù)報的要求是 及時 準(zhǔn)確和可靠 這就需要正確的選擇預(yù)報參 6 第一章引言 數(shù)和預(yù)報方法 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)盡量防止漏報和誤報 本文的技術(shù)線路 本文的目的在于基于對伴隨著自燃現(xiàn)象出現(xiàn)的這些特征指標(biāo)的觀測數(shù)據(jù) 應(yīng)用支持向量機 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測指標(biāo)數(shù)據(jù)以及空氣樣分析數(shù)據(jù) 對指 標(biāo)體系進行約簡 給出刪除某些指標(biāo)對于預(yù)報精度所付出的代價 給出最重要 的觀測指標(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 對于火災(zāi)的早期預(yù) 報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)測預(yù)報方法簡介 目前所應(yīng)用的預(yù)測預(yù)報技術(shù)方法主要有 自燃傾向性預(yù)測法 綜合評判預(yù) 測法 統(tǒng)計經(jīng)驗預(yù)測法 計算機模擬法 測溫法 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 以此區(qū)分 煤層的自燃危險程度 從而采取相應(yīng)防滅火措施 8 0 年代前 國外對煤自燃傾 向性的測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 測定煤炭最小自熱溫 度 評估煤炭自燃傾向性 我國從5 0 年代初期即開展對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和客觀原因 我國一直沿用著火點溫度 降低值法 進入9 0 年代 我國推廣使用色譜動態(tài)吸氧法 以上煤自燃傾向性 測試方法僅考察了煤與氧的作用速度和作用量 而沒有考察其作用的效果 即 熱效應(yīng) 也沒有考察它們隨煤溫變化的動態(tài)趨勢 因而無法真實全面地反映出 煤的內(nèi)在自燃性 與煤實際開采條件下自燃的實質(zhì)相差甚遠 因此 煤層自燃 傾向性預(yù)測法僅能粗略判斷出煤層的自然發(fā)火危險程度 不能確定實際條件下 松散煤體的自燃危險程度 因此 近2 0 年來世界各主要產(chǎn)煤國對煤層自燃的 7 第一章引言 預(yù)測 主要朝著準(zhǔn)確預(yù)測實際條件下松散煤體自然發(fā)火期和自燃危險程度的方 向努力 2 綜合評判預(yù)測法 綜合評判預(yù)測法是基于模糊數(shù)學(xué)建立起來的一種預(yù)測方法 為預(yù)測實際開 采條件下煤層的自燃危險性 根據(jù)影響煤層自燃危險程度的內(nèi) 外因素 煤的 自燃傾向性 地質(zhì)賦存條件 通風(fēng)條件 開采技術(shù)因素和預(yù)防措施等 進行主 觀判斷 分析評分 然后用模糊數(shù)學(xué)理論逐步聚類分析 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式計算聚 類中心 對開采煤層自燃危險程度進行綜合評判預(yù)測嘲 通常的也采用b p 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測煤層的自燃危險性 綜合評判的特點是利用大量的統(tǒng)計資料 分析 煤炭自燃主要因素的影響程度 粗略預(yù)測煤層自然發(fā)火危險程度 而對發(fā)火期 以及可能發(fā)火的區(qū)域則無法進行預(yù)測 3 統(tǒng)計經(jīng)驗預(yù)測法 這種方法是建立在已發(fā)生自然發(fā)火事故統(tǒng)計資料基礎(chǔ)上 分析預(yù)測巷道松 散煤體開采條件下的自燃危險程度 該方法只能根據(jù)巷道實際情況和自然發(fā)火 統(tǒng)計資料 粗略判斷巷道可能的發(fā)火區(qū)域和高溫點位置 4 數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測法 2 0 世紀(jì)8 0 年代以后 世界各國針對采空區(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)火動態(tài)數(shù)學(xué)模型 模擬煤的自燃過程 預(yù)測采空區(qū)或煤堆的 自然發(fā)火危險性口陽 八 五 期間 西安礦業(yè)學(xué)院在煤低溫自然發(fā)火實驗?zāi)M 和綜放面采空區(qū)大量現(xiàn)場跟蹤觀測的基礎(chǔ)上 根據(jù)對采空區(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)火動態(tài)預(yù)測模 型 該預(yù)測模型技術(shù)經(jīng)過部分煤礦多個綜放面的預(yù)測驗證 其預(yù)測精度較高 能滿足現(xiàn)場需要 5 標(biāo)志氣體分析法 標(biāo)志氣體分析法預(yù)報技術(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)報煤自燃的發(fā)展過程 由檢測到的氣體濃度可以判斷煤炭自燃的危 險性 由于其分析技術(shù)和監(jiān)測系統(tǒng)都己配套 故該技術(shù)在煤礦中得到了廣泛的 應(yīng)用 但實際中 煤種不同則煤在氧化自燃過程中氣體產(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)自熱或自燃時才能檢測到 且氣體產(chǎn)量較少 會隨著風(fēng)流流 8 第一章引言 動 另外 人工取樣工作量較大 間隔時間長 不能進行連續(xù)實時檢測 可見 該預(yù)報技術(shù)還存在許多問題有待進一步研究 6 測溫法 測溫法就是測定井下煤與周圍介質(zhì)的溫度變化情況 因為巷道松散煤體及 周圍介質(zhì)溫度的升高直接反映著煤的氧化程度 測溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋 高溫點及火源的最直接 可靠的方法 但巷道松散煤體內(nèi)部溫度的測溫技術(shù)尚 未完全解決 目前 探測煤自然發(fā)火的測溫儀主要有紅外線測溫儀和溫度傳感 器兩種 上述方法對于開采煤層的自燃火災(zāi)發(fā)生情況的預(yù)測比較有效果 但是無法 完成對采空區(qū)或工作面煤炭自燃的實時監(jiān)控 測溫法比較直觀 而且受外界因 素影響小 但是對預(yù)測系統(tǒng)的要求很高 特別是傳感器的選擇 這樣就必然加 重經(jīng)濟上的負擔(dān) 且時常有誤報的可能 計算機模擬法是一種理想化的模擬 與實際存在一定的差異 但是采用計算機對煤炭自燃情況的預(yù)測預(yù)報研究費用 較低 可以綜合多種預(yù)測手段 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)測預(yù)報煤炭自燃 如上所述 各種方法都有優(yōu)缺點 由于煤炭自燃現(xiàn)象本質(zhì)上是一種非線性 系統(tǒng) 只有從非線性科學(xué)角度進行認(rèn)識 才能更深刻地認(rèn)識煤炭自燃的規(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 具有強大的非線性映射能 力 擅長處理模糊的 隨機的 低精度的信息 是動態(tài)預(yù)測煤炭自然發(fā)火的有 效方法 目前在國內(nèi)見于報道的最早應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于煤層自燃預(yù)測方面的研究 是1 9 9 6 年西安科技學(xué)院學(xué)報的黃夢濤等撰寫的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在煤低溫自燃實驗爐 建模中的應(yīng)用 該論文把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤低溫自燃實驗爐的模式識別上 1 9 9 7 年蔣軍成和王省身應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測開采煤層的自燃危險性 對南屯煤礦 某煤層進行了自燃危險性預(yù)測 1 9 9 9 年王德明和王俊應(yīng)用無導(dǎo)師神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對煤 炭自燃危險性進行了預(yù)測和分析 克服了有導(dǎo)師神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的不足 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 1 9 9 9 年 遼寧工程技術(shù)大學(xué)的宋志等人以采場自然發(fā)火為充要條件 依據(jù)時空一致的觀 點 分析自然發(fā)火因素空間 提出用人 r 0 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測煤自然發(fā)火期 自燃 地點和自燃時期的模型 把采場自燃預(yù)測模式識別問題看成是n 個影響采場自 燃因素所形成的n 維空間到m 維空間的映射 但是在文獻中只提供了預(yù)測模型 并未對具體采場t l 然發(fā)火做預(yù)測 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)火的非線性預(yù)測的研究 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 通過對2 3 1 3 工作面所布置采樣點取樣分析檢測到的乙烷 乙烯氣 體 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)測 目前所做的自燃預(yù)測一般都是對待開采煤層 所做的一次性推斷 不能很好的滿足工作面實時監(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)是由期望輸出與實際輸出之間的差別驅(qū)動 的 需要積累足夠的樣本后統(tǒng)一進行訓(xùn)練 不能根據(jù)新樣本漸進的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參 數(shù) 其次 經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于隨時問而不斷變化的時間序列多步預(yù)測問題具 有很大的局限性 而s u t t o n 于1 9 8 8 年提出的時差方法 t dm e t h o d 是由實際輸 出之間的差別驅(qū)動的 解決了監(jiān)督學(xué)習(xí)中得不到期望輸出這個難以回避的問題 在煤礦中 如果能用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對采空區(qū)的易燃區(qū)域進行實時預(yù)測 對于 礦井的防滅火工作會有很大的幫助 目前 應(yīng)用這種方法的有2 0 0 3 年中國礦大 的曾勇和吳財芳對平頂山六礦的瓦斯突出進行的預(yù)測 安徽理工大學(xué)何啟林老 師對孔莊做的采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測 但是 這些都是對一個生產(chǎn)礦井所做的 整體性的預(yù)測n 1 h 1 6 1 如果能夠開發(fā)出針對具體工作面的煤炭自燃預(yù)報系統(tǒng) 將 對礦井的安全生產(chǎn)有很大的幫助 本課題的研究內(nèi)容 1 2 3 4 5 6 7 8 綜上所述 本課題的研究計劃按照如下技術(shù)線路展開 收集本文提到的文獻中的觀測數(shù)據(jù)和可觀測指標(biāo) 從煤自燃的機理出發(fā) 將現(xiàn)有使用過的可觀測指標(biāo)體系復(fù)原出來 利用粗糙集理論將收集到的指標(biāo)進行約簡 在指定某些指標(biāo)不可實現(xiàn)的條件下的條件約簡 將約簡的指標(biāo)集看作自變量 將其后固定時間內(nèi)煤炭自燃或不自燃看作因 變量 對于這樣的高維非線性函數(shù) 使用支靜廊查祝來模擬 或者將約簡 的指標(biāo)集看作自變量 將距離煤炭自燃日的時間長度看作因變量 對于這 樣的高維非線性函數(shù) 使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬 檢驗現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表的國內(nèi)文獻分別使用的方法中涉及到的可觀測指標(biāo)的不 完備性 檢驗現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表的文獻分別使用的方法對于其它地區(qū)的不適應(yīng)程度 針對約簡后的可觀測指標(biāo)集 或者條件約簡的指標(biāo)集 重新評估各地區(qū)現(xiàn) 在使用的關(guān)于煤自燃監(jiān)測的設(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的指標(biāo)集和各地可以接受的獨特的條件最小 約簡的指標(biāo)集 指出各地區(qū)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點注意的指標(biāo)氣體觀測指標(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)測出相關(guān)地點的指 標(biāo)氣體濃度 溫度等 進而推斷出可能發(fā)生煤炭自燃的區(qū)域以及自燃發(fā)展的趨 勢 對于井下煤炭自然發(fā)火的防治提供有益的幫助 第二章煤炭自燃的非線性特征 第二章煤炭自燃的非線性特征 煤炭自燃 煤炭自然發(fā)火 是指在沒有外來熱源的情況下 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 說是基一鏈反應(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)定的初級氧化物 使煤的化學(xué)活性增強 進而煤炭氧化速 度加快 氧化放熱量加大 當(dāng)熱量不能及時散發(fā)時 煤溫就會逐漸升高 當(dāng)達 到煤的著火點 便開始自燃n 第一節(jié)煤的自燃過程及影響因素 2 1 1 煤的自燃過程 煤的自燃過程一般可分為三個階段 如圖2 1 準(zhǔn)備期 又稱潛伏期 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 煤的自燃過程 闖 準(zhǔn)備期 具有自燃傾向性的煤與空氣接觸時 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 此時氧化熱量很少 觀測不到煤體溫 度的變化 也看不到其周圍環(huán)境溫度上升 煤的氧化進程平穩(wěn)而緩慢 但是煤 的重量略有增加 化學(xué)活性增強 這個階段通常稱之為煤的自燃準(zhǔn)備期 又稱 蘑燃潛伏期長短取決于煤的變質(zhì)程度和外部條件 因此具有高度的隨機性 自熱期 經(jīng)過潛伏期之后 被活化的煤的氧化速度增加 產(chǎn)生的熱量較大 若來不及散發(fā) 煤溫繼續(xù)升高 超過臨界溫度 一般為7 0 一9 0 時 煤溫上升 1 2 第二章煤炭自燃的非線性特征 急劇加速 氧化進程加快 這時空氣中的0 減少 c o c 0 含量顯著增加 出現(xiàn) 烴類氣體 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 可生成芳香族的碳氫化合物 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 進入自熱期后 如果煤溫繼續(xù)上升達到著火溫度 3 0 0 3 5 0 c 就會導(dǎo)致煤的自燃 進入燃燒期 此時就可看到煙霧 明火的產(chǎn)生 并有大量 的c o 如上隅角檢測通?？蛇_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)志性可觀測氣體 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 煤溫會很快地降下來 這樣便進入了風(fēng)化狀態(tài) 一般來說已經(jīng)風(fēng)化了的 煤 不會再次發(fā)生自燃 如圖2 1 中虛線所示 從煤的自燃發(fā)展可見 煤的自燃實質(zhì)上就是自身氧化加速的過程 其氧化 速度之快 以致產(chǎn)生的熱量來不及向外界放散 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)測預(yù)報 及時采取措施 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 往往難以直接觀察到著火現(xiàn)象 特別是對于早期的自燃 不能及早的查出 往往只有等到有了較明顯的特征時 才有所察覺 而這時煤 炭已經(jīng)燃燒到一定程度了 因此 提前預(yù)測自燃非常重要也很有挑戰(zhàn)性 在實際工作中 礦井某一個區(qū)域或采掘工作面出現(xiàn)下列情況之一時 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 濃度超過礦井實際統(tǒng)計的自燃發(fā)火的臨界指標(biāo) 并有上升趨勢 在開采過程中發(fā)生過煤炭自燃的煤層 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性特征 的因素包括煤的自燃性能 開采技術(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 長焰煤 煙煤 焦煤至無煙煤逐漸減少 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 自燃點高 但絲煤組分中的細胞空腔能增大煤的裂隙和反應(yīng) 面 為氧向深部擴散提供通路 促進煙煤氧化自燃 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 煤在自燃的過程中 只有其水分降低到一定值后 氧化速度才會加快 煤溫才會急劇升高 煤濕水 后再干燥與未濕水的干煤相比 化學(xué)活性增加 在低溫時煤對水蒸汽的親和性 比對氧大 水蒸汽凝結(jié)成水時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 則會加速煤的氧化 過程 一般來說 硫在煤中有三種存在形式 其中對煤的自燃起主要作用的是 第二章煤炭自燃的非線性特征 相同煤層的不同礦井 甚至同一礦井不同的開采時期 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 開采技術(shù)對自然發(fā)火的影響主要表現(xiàn)在三個方面 礦井開拓方式和采區(qū)巷道布置既決定保護煤柱的數(shù)量 機器大小 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速度 其中 回 采率如果丟煤過大 則容易引起自燃 所以在實際生產(chǎn)過程中 應(yīng)該盡量減少 丟煤 而工作面推進速度則對于煤的自燃有重要影響 一般來說 如果推進速 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 就不容易引起自燃 所以 我們一般盡可能快的提高推進速度 漏風(fēng)在煤炭氧化過程的熱平衡關(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 氧化過程發(fā)展 易燃風(fēng)速的劃分目前還沒有一定的標(biāo)準(zhǔn) 對于采空區(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 都不會自 燃 最危險的漏風(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)火的危險性越大 厚煤層容易自燃的 主要原因有幾點 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 其回采時間越長 容易超過煤層的自然發(fā)火期 分層開采時 上部煤層采空區(qū)的浮煤氧化產(chǎn)生的熱量難于通過下部煤 層散發(fā) 相對容易自燃 煤層越厚 開采巷道越容易冒頂 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 尤其對急傾斜煤層容易造成丟煤多 而且 對采空區(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性特征 少 其危險程度越高 相反地 而對于埋藏很淺的煤層 開采過程中容易與地 表溝通 產(chǎn)生漏風(fēng)通道 也容易引起自燃 也就說 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使煤層受到干餾 空隙率增加 強度降低 因此 自燃危險程度增大 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)驗及現(xiàn)場實 際可知 煤的自燃傾向性 推進度 煤層傾角 漏風(fēng)量 煤厚 空隙率等對煤 自燃發(fā)展影響較大 是主要影響因素 我們也將通過數(shù)學(xué)的手段 證明它們是 主要影響因素 且給出各自的貢獻率 2 1 3 煤的自燃機理 在研究的過程中 如果能弄清煤炭自然發(fā)火的機理 對于煤炭自燃的預(yù)測 預(yù)報有著重要的意義 關(guān)于煤炭自燃的機理問題是當(dāng)前各國都沒有解決的大難 題 各國的學(xué)者發(fā)表了各種學(xué)說以解釋煤炭自燃的原因 本文在第一章中已做 了闡述 概括起來講主要有下面七個方面的學(xué)說 自然發(fā)火黃鐵礦學(xué)說 細菌 導(dǎo)因?qū)W說 磺化導(dǎo)因?qū)W說 酚基導(dǎo)因?qū)W說 活性煤質(zhì)粘土巖導(dǎo)因?qū)W說 過氧化 物催化導(dǎo)因?qū)W說 煤一氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說 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 也是目前最為流行的 煤炭自燃機理學(xué)說 但煤一氧復(fù)合反應(yīng)發(fā)生的機理至今仍未真正了解 進入2 0 世紀(jì)9 0 年代 國內(nèi)外學(xué)者又提出了一些更具體的學(xué)說n 9 李增華于1 9 9 8 年提出煤自燃的自由基作用學(xué)說船們 該學(xué)說認(rèn)為煤是一種 有機大分子物質(zhì) 在外力 如地應(yīng)力 采煤機的切割等 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)測量了煤的氧化過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自由基反應(yīng)機理 支持了自由基鏈反應(yīng)機理 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 該學(xué)說認(rèn)為 煤中含有 鐵的變價離子 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氧 化過程 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 該學(xué)說認(rèn)為 煤低溫氧化過程 1 6 第二章煤炭自燃的非線性特征 中 由于氫原子在煤中各大分子基團間的運動 增加了煤中各基團的氧化活性 從而促進煤的自燃 w a n gh h 等人于1 9 9 9 年提出了基團作用理論 該理論利用孔模型模擬 了煤中孔隙的樹狀結(jié)構(gòu) 提出所有有效孔所構(gòu)成的樹狀能夠到達煤粒表面 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)說可知 在煤炭自燃的形成過程中 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程不斷發(fā)展 在煤的氧化過程中生成的熱量大量蓄積 難以及時放散 只有同時具備了這三個條件 煤炭才可能在一定時間內(nèi)引起自燃 從煤的自燃發(fā)展可見 煤的自燃實質(zhì)上就是自身氧化加速的過程 其氧化 速度之快 導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量來不及向外放散 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)測預(yù)報 及時采取措施 就能避免煤的自燃 本文 采用的就是這種 氧化機理 第二節(jié)煤炭自燃的非線性特征 從本質(zhì)上說 非線性系統(tǒng)動力軌道的拓撲和演化特性 是深刻認(rèn)識系統(tǒng)災(zāi) 害的科學(xué)基礎(chǔ) 煤炭自燃是礦井災(zāi)害的一個典型的非線性現(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烈的非線性特 征 只有從非線性科學(xué)的角度提高認(rèn)識 才能對火災(zāi)過程規(guī)律的認(rèn)識更完整 更深刻 從前面內(nèi)容的分析可以看出 煤炭自燃過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)中形成初始隨機漲落 并通過煤體裂隙向周圍煤體及環(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 除了加熱周圍的煤