基于机器学习的多气体指标煤自燃温度预测

采空区煤自燃是诱发矿井火灾的主要因素之一,在矿井火灾中的占比高达90%。为实现采空区自燃的精准防治,需要准确获得采空区内部的高温点温度,以砚北煤矿为工程背景,分析其煤样氧化升温过程中产生的指标气体,建立煤自燃温度预测的指标体系,进而开展基于深度学习的多指标气体煤自燃温度预测研究。首先对砚北煤矿采集的煤样进行煤氧化升温实验,根据实验结果划分为单一气体指标与复合气体指标,分析各指标随温度上升的变化规律,进而确定合适的指标作为煤自燃温度预测指标;使用多源数据处理方法对煤自燃温度预测指标进行处理,应用库克距离法和多重插补法对数据进行清洗,并结合灰色关联度分析法建立煤自燃温度预测指标体系;使用Elman神经网络构建预测模型,确定模型结构与超参数后,进而建立煤自燃温度预测模型,获得煤氧化升温过程中温度的准确预测。

煤自然发火气体指标及其有机官能团响应特征研究

为了探究煤自然发火气体产物与有机官能团的内在关联,通过程序升温实验和原位红外光谱实验,分析了低温氧化阶段煤自燃气体产物释放规律,阐述了煤自燃过程的微观结构变化特征,预测了高温阶段气体产物变化。结果表明,煤自燃的临界温度及干裂温度分别为50℃和90℃,释放的碳氧气体及烃类气体随温度升高呈现抛物式增长。临界温度后,各类官能团呈现不同的变化规律,其中,含氧官能团、羟基和脂肪烃变化最明显。通过灰色关联度方法,计算出不同官能团和气体产物的关联度,发现羰基(C=O)是影响碳氧气体和烃类气体最主要的官能团。最后结合官能团在高温阶段的含量变化,推测出煤样在高温阶段释放的气体浓度呈现先增多后减少的趋势。

煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究

为分析煤自燃早期气体指标变化特征规律,更好地解决煤矿现场灭火救灾决策问题,通过煤自燃程序升温试验,首先得到煤样气氛中O2,CO,CO2,CH4,C2H4和C2H6气体的体积分数随温度的变化规律。根据煤体温度,将煤自燃前期划分为5个阶段(潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧)。分析3种不同变质程度的煤样的气体指标在各阶段的变化特征。建立煤自燃气体指标与特征温度阶段区间的对应关系。结果表明:在自燃潜伏阶段,煤的变质程度越低,早期越易产生CO,越难产生CH4;在储热阶段,煤的变质程度越低,早期越易且越快产生C2H6;在蒸发阶段,煤内外在水分脱附,低变质煤的C2H4也随之产生;在活跃阶段,各种气体体积分数均有剧烈增高的趋势,较高变质煤的C2H4也随之产生;在乏氧阶段,O2体积分数低于15%,与O2体积分数相关指标(CO/ΔO2,CO/CO2等)趋势有所改变。

预报煤自燃的气体指标优选试验研究

通过煤自燃程序升温试验对峁底煤矿预报煤自燃气体指标进行试验研究，利用试验得到煤氧化热解过程中各阶段的气体组分和浓度，通过格氏火灾系数和链烷比等方法对试验所得数据进行处理分析，依据指标气体优选原则，选取CO浓度、第二火灾系数R2、链烷比φ（C2H6）／φ（CH4）作为判断峁底煤矿煤自燃的主要气体指标；以CH4浓度、C2H4浓度、C2H6浓度、第一火灾系数尺。和第三火灾系数R，以及烯烷比作为辅助气体指标；峁底煤矿煤样的自燃临界温度为60—70℃，干裂温度为110～130℃。该方法对于快速有效判断煤炭自燃阶段和程度，预测预报煤层自燃有一定的指导作用。

各煤种自然发火标志气体指标研究

文章在分析试验数据的基础上,集中研究了我国不同煤种的煤在氧化自燃过程中气体产物的组成和变化规律,并提出了指标气体与煤温的定量关系和早期预测预报自然发火的指标。

典型气体指标在矿井火灾状态分析中的应用

在总结7种典型火灾气体指标的基础上,采用修正后的氧消耗浓度计算方法,分析了某矿因自然发火封闭的火区内火灾气体指标的特点和随封闭时间变化的曲线。研究发现:综合应用几种典型火灾气体指标能够较为准确的判断隐蔽火点或封闭火区的燃烧状况;火势较小时,特里克特比率对燃烧物种类的判断能力较弱;在对火区温度进行分析时,个别高温点容易被忽视;不同监测点指标值的大小次序能够为隐蔽火源点和燃烧重点区域位置的确定提供指导。

西山煤层自燃气体指标试验测试分析

对采集的新疆西山煤样进行了室内煤样自燃升温试验,测试了试验溢出的各种气体的成分,并对4种空气流量指标下的各种气体初始温度和不同煤样温度的气体浓度进行了测试。试验表明:西山煤样应选择CO和C2H4作为煤炭自燃氧化的指标气体,选CH4、C2H6、O2作为煤炭自燃辅助预警指标。试验分析结果可为西山煤层自燃程度的判断提供技术依据。

煤炭自然发火预测预报的气体指标法

通过中国八大典型煤种煤样的自然发火模拟试验,对煤样氧化自燃气体产物进行了定性和定量分析,得出了各煤种从缓慢氧化阶段发展为加速氧化阶段的灵敏气体指标为:褐煤、长焰煤、气煤、肥煤以烯烃或烯烷比为首选,以一氧化碳及其派生指标为辅;而焦煤、贫煤和瘦煤则以一氧化碳其派生指标为首选,乙烯或烯烷比为辅;无烟煤和高硫煤唯一依据是一氧化碳及其派生指标。乙炔是煤进入激烈燃烧阶段的指标。研究提出了煤自然发火标志气体指标体系应至少包括自热加速和激烈燃烧2个阶段的主要指标,前一个指标是火灾危险预警指标,后一个指标是明火报警指标,同时也可以作为自然发火熄灭程度指标。

各煤种自然发火标志气体指标研究

本文在分析试验数据的基础上集中研究了我国不同煤种的煤在氧化自然过程中气体产物的组成和变化规律,并提出了指标气体与煤温的定量关系和早期预测预报自然发火的指标。

预测煤自燃的复合气体指标优选实验研究

通过煤程序升温氧化实验对比分析了不同干空气流量、氧气浓度下复合气体指标的变化规律,实验结果表明:在不能确定干空气流量的情况下,应选取φ(O_2)/(φ(CO)+φ(CO_2))作为预测煤自燃的气体指标;煤温在100℃以下时,φ(O_2)/(φ(CO)+φ(CO_2))可作为预测煤自燃的气体指标;煤温超过100℃时,φ(C_2H_4)/φ(CH4)和φ(CO)/φ(CO_2)可作为预测煤自燃的气体指标;煤温超过160℃且氧气体积分数为5%左右时,φ(C_2H_4)/φ(CO)也可作为预测煤自燃的气体指标。

星村矿煤自燃预报气体指标优选

通过对星村矿煤样的"油浴"程序升温实验,模拟煤氧化热解过程,得到煤氧化热解气样各组分指标随热解温度变化情况。分析各个煤自燃预报气体指标在应用中的准确性后,选取以CO温升率、火灾系数R3为主要气体指标,以CO、C2H6、C2H4的浓度及火灾系数R2为辅助气体指标。并依据气体指标的临界值确定煤自燃阶段,对煤自燃防灭火工作及安全生产有一定的指导作用。

煤层自然发火期及自然发火标志性气体指标研究

为了明确煤层自然发火标志性气体的种类及在煤层自燃整个进程中所起的标志性作用，更好的把握煤层自然发火的进程，进而采取相应的措施防灭火，对唐口煤业的煤样进行了氧化试验。结果表明CO可以作为预测预报自然发火的指标气体，其预测的温度范围应该在72℃～188℃之间。但是CO的出现临界温度很低，仅为66℃左右，并在整个自然发火过程中都有CO产生，仅靠CO浓度来确定煤自然发火戗进程有一定难度，应在实际生产过程中不断发现并总结CO派生指标的规律。并借助这些指标综合判断自然发火初期（2RE～1880C）的火灾牲态。烯烃气体C2H4可以作为预测预报煤自然发火加速阶段的标志气体，其预测的温度范围应在180℃～230℃之间。其代表C2H4可以视为煤荤化已确实进入自热加速阶段的标志气体。C2H4／C2H6可作为判别煤自然发火进程的标志气体指标，其第一峰值是煤的氧化已进入激烈氧化盼段的标志。

五虎山煤矿煤自燃发火标志性气体指标研究

为了研究乌达地区高瓦斯矿井煤层自燃发火情况,选取乌达矿区五虎山煤矿9#、10#、12#煤层煤样,应用程序升温实验,针对煤温升高过程中的伴生气体生成量进行分析,对自燃发火指标气体进行优选,并计算煤自燃临界点温度。研究结果表明,五虎山煤矿9#、10#、12#煤层煤样温度达到30~40℃之间时,开始涌现CO,而C2H4出现时煤样温度处在80~120℃之间,且两种气体均随煤样温度升高呈近似指数增长,可以选用CO和C2H4作为煤层自燃发火主要参考指标;9#、10#、12#煤层自燃临界温度分别为133.3℃、104.5℃、86.45℃。

曙光煤矿2号煤自燃氧化气体指标实验研究

采用程序升温方法分析不同粒径实验煤样在自燃氧化过程中的气体发生发展规律,从而确定自然堆积松散煤体(由不同粒径组成)的自燃气体指标及其临界值,为建立曙光煤矿2号煤层采空区遗煤自然发火的预测预报气体指标体系提供实验依据。实验结果表明:CO气体的出现显示煤体进入自燃氧化状态,当温度超过80℃后,CO浓度呈现指数型增长,且粒径越小CO浓度越大;C_(2)H_(4)、C_(3)H_(8)气体的出现可以作为煤体进入到快速氧化阶段的重要判定指标,CO/CO_(2)、C_(2)H_(4)/CH_(4)值可以作为煤自燃高温阶段的辅助判定指标,研究结果为曙光煤矿2号煤层采空区遗煤自燃氧化状态的预测预报及主动防控提供了理论依据。

大南湖一矿采空区煤自燃预警气体指标研究

为解决大南湖一矿面临的较为严重的煤自燃风险问题,通过煤自燃标志性气体测试设备对大南湖一矿1307工作面煤样煤自燃过程中的标志性气体进行了分析研究,确定了煤自燃不同阶段的标志性气体及其生成规律,并确定了不同标志性气体的预警温度,相关研究为1307工作面煤自燃的科学预警奠定了基础。

淮南矿区焦煤自燃指标气体及极限参数的研究

为分析淮南矿区焦煤的自燃预测气体指标,探究其自燃极限参数的变化规律,选择淮南矿区五种焦煤作为实验样本,采用程序升温实验装置对煤样低温氧化过程中的气体产生量及气体比值变化趋势进行研究,分析煤自燃的极限参数。实验结果表明:在低温氧化的过程中,CO、C_(2)H_(6)和C_(2)H_(4)产生量均随着温度的增加而逐渐增加,并且CO产生量随温度表现出指数增加的趋势;当CO/CO_(2)比值大于0.1时,各煤样的温度均超过了约100℃,煤自燃已经发展到了快速氧化阶段。C_(2)H_(4)/C_(2)H_(6)比值在100~130℃范围内为不稳定阶段,超过130℃后开始稳定增长;煤低温氧化过程中的极限氧浓度和最小浮煤厚度均随着温度的增加表现出先增加后降低的趋势且在50℃处达到最大值;在相同的温度条件下,极限氧浓度与煤厚度呈反比关系,最大漏风强度与煤厚度则表现出正比的关系;随着漏风强度的增加,最小浮煤厚度也呈现出逐渐增加的趋势。

油浸煤氧化指标气体与官能团关联特性研究

为探究煤油共生条件下油浸煤自燃指标气体及其微观反应特性,采用程序升温氧化试验和原位红外光谱测试分析了原煤和油浸煤低温氧化过程中指标气体及关键活性官能团的变化规律,并利用灰色关联分析法明确了二者之间的内在联系。结果显示:在30~110℃,少量原油会增加指标气体CO和C_(2) H_(4)产出量,而10%油浸煤的指标气体始终小于其他煤样。随氧化温度升高,油浸煤样指标气体增加速率减缓,且原油与煤质量比值越大,与原煤样指标气体差值越大,气体产生的滞后效应越明显,原油量增加和温度升高都会进一步抑制油浸煤氧化过程中指标气体的产生。原油中丰富的脂环结构使油浸煤中—CH_(2)—的峰值强度增加最为明显。在100℃附近,官能团与指标气体的关联性较大,其中—C C—对油浸煤指标气体生成的贡献度最高,—CH_(2)—的贡献度最小。

基于灰色关联法的指标气体优选与自燃临界值研究

针对唐山某煤矿自燃问题,对主采煤层(5#、7#、8#、9#、12#)取样,进行煤的程序升温实验,采集实验气样进行气相色谱分析,研究煤自燃过程中气体产生物变化规律;运用灰色关联法分析指标气体浓度与煤温变化的关联性,计算指标气体灰色关联度并进行优选。结果表明:该煤矿5#、8#、12#煤层临界温度为70~80℃,干裂温度为160~180℃;7#、9#煤层临界温度为80~90℃,干裂温度为160~180℃;通过温度梯度将煤自燃划分为潜伏期(30~90℃)、自热期(90~180℃)与燃烧期(高于180℃);通过灰色关联法计算与优选,得到以CO为主,C2H4为辅的指标气体预测方法。

煤自燃预测指标气体确定及工作面一氧化碳来源分析

采用实验分析和现场观测相结合的方法,研究了新疆乌苏四棵树七号井综放工作面煤层自燃倾向性、最短发火期,确定了自然发火指标气体,分析了工作面一氧化碳来源。研究认为,该矿A_5煤层应以一氧化碳作为自然发火初期的预测指标气体,以烯烃为辅助指标气体来判断煤的自燃程度。将一氧化碳作为30℃~130℃区间预测自燃的指标气体,一氧化碳出现时说明煤已经发生氧化反应;将烯烃作为130℃~200℃区间判断煤自燃程度的指标气体,乙烯、乙烷出现时说明煤温已达到130℃,丙烷出现时说明煤温已达到150℃。该矿A_(5)04工作面一氧化碳主要来源于本工作面采空区遗煤氧化(占88%),还有一部分来源于工作面两道超强深孔预裂爆破(占12%)。研究成果为矿井自然发火防治工作提供可靠的依据。