基于STM32的DFB气体激光器驱动电路设计与实验

可调谐半导体激光吸收光谱技术气体痕量检测系统中,激光器驱动电路存在模块体积大、电流纹波大、温度漂移严重、响应速度慢等问题,容易导致激光器波长偏离谱线吸收峰,影响系统测量精度。为解决上述问题,首先设计集高精度恒流源、实时监测电路、电阻-电压变换电路、温度采集电路、MAX1978制冷器控制芯片、数字PID整定算法等于一体的激光驱动器;然后,实验测试激光驱动器对DFB激光器(1627 nm)电流调谐与温度控制的性能,分析确定DFB激光器波长的电流调谐系数、温度调谐系数以及内部温度误差来源;最后,通过改进B值计算及校正方法,对激光驱动器温度控制误差进行补偿,实现DFB激光器输出波长的精准锁定。实验表明:改善后的激光驱动器较传统激光驱动器的驱动电流绝对误差降低54.5%(±0.005 mA);控制温度绝对误差降低71.4%(±0.01℃);响应时间提高2.98倍(0.067 s/℃);C2H4气体检测系统精度提高17%。研究结果为TDLAS气体检测方法的应用提供了可靠的技术支撑。

注二氧化碳驱替煤中甲烷实验研究

利用注CO2的方法可以有效驱替煤中CH4,提高CH4采抽率。为了研究驱替过程特征以及不同驱替压力和流量对驱替过程的影响,利用自制的驱替实验系统,在2.4、1.8、1.2、0.6 MPa等不同注气压力下分别进行了流量为15、10、5 mL/min的驱替实验。实验结果表明,驱替过程是由气体置换、携带、稀释等共同作用的结果。驱替过程初期,CH4组分浓度下降到30%～40%,表现为气流携带起主导作用,中期CH4组分浓度下降到5%～10%,表现为置换解吸起主导作用,后期CH4组分浓度下降到5%后趋于稳定,表现为气流稀释起主导作用。驱替流量变大,气体置换作用变弱,携带、稀释作用变强。驱替压力能有效影响驱替效果,压力越大,驱替效果越好。

煤氧化特性的STA-FTIR实验研究

采用同步热分析-红外联用技术(STA-FTIR),以4种不同变质程度的新鲜煤样为研究对象,从特征温度点、热量变化、逸出气体、氧化反应动力学等多角度分析煤的氧化放热特性及其规律。研究结果表明,随着煤变质程度降低,煤中挥发分含量增高,煤氧化过程特征温度点逐渐减小;各个阶段反应活化能逐渐变小,最大热释放速率和放热量相应增加;同时,氧化过程中所释放的CO,CO2,H2O,CH4等气体的初始温度和峰值温度均呈现出逐渐减小趋势,生成CO量减少,CO2和水量增加;此外,不同煤样在水分蒸发及脱附阶段、吸氧增重阶段的反应机理接近。实验结果说明不同煤样的氧化反应过程具有相似性,变质程度越低的煤,发生氧化和燃烧反应越容易,自燃危险性越高。应根据煤样存储、开采、运输环境,针对初始放热温度较低的低变质煤样,及时采取冷却降温、封堵裂隙、阻化剂阻化等措施预防煤自燃发生和发展。

氧浓度与风量对煤热物性参数影响的实验研究

为了研究氧浓度与风量对煤自燃过程传热特性的影响,采用激光导热分析仪,研究了不同氧浓度与风量条件下煤的热扩散系数、比热容与导热系数变化特征,发现煤样的热扩散系数随温度的升高总体呈下降趋势,而比热容表现为线性增加,导热系数随着温度的升高呈缓慢的非线性增长特征;纯氧条件下煤的热扩散系数略高于空气气氛,比热容则低于空气气氛,综合效应表现为氧浓度对煤升温过程中导热系数无明显影响;而供风量的增加明显降低了煤样的热扩散系数与比热容,综合表现为导热系数的降低。结果表明:氧浓度对煤氧化升温过程传热特性影响较小,而风量对实验煤样导热系数的变化具有显著影响,是煤自燃传热过程研究应考虑的重要因素。

CF_(3)I和CO_(2)抑制甲烷-空气爆炸实验研究

为了探究三氟碘甲烷CF_(3)I和二氧化碳CO_(2)复合使用对甲烷爆炸的抑制效果,采用容积为20 L的球形爆炸实验装置,研究了单独和复合使用三氟碘甲烷和二氧化碳对甲烷爆炸压力特性的影响。研究结果表明:添加三氟碘甲烷和二氧化碳后,甲烷爆炸极限范围逐渐缩小,且三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响更显著,当三氟碘甲烷和二氧化碳的体积分数分别达到5.5%和32.0%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.50%。可见三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响机制与二氧化碳不同,并不是通过降氧为主而发挥抑制作用的。三氟碘甲烷对甲烷爆炸的抑制效果明显优于二氧化碳,对比体积分数为9.5%的甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率下降的比率,5.0%三氟碘甲烷的抑爆效果约是等量二氧化碳的6倍和5倍。二氧化碳掺混少量三氟碘甲烷后,抑爆效果大幅提升,掺混比例越,高效果越明显,且对抑制甲烷爆炸压力作用的提升更显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1.0%时,二氧化碳单位增量导致甲烷最大爆炸压力下降的幅度有所增加。这说明三氟碘甲烷的加入具有改善抑爆效果和增强抑爆效率的双重作用。

咪唑类离子液体对煤热物性参数影响的实验研究

离子液体对煤分子结构活性官能团具有显著的溶解破坏作用,从而可以抑制煤热量传递。为了考察咪唑类离子液体([EMIM][BF4]、[BMIM][BF4]、[BMIM][NO3]和[BMIM][I])对煤热物性参数的影响,使用离子液体对不粘煤进行预处理,通过激光闪射装置LFA 457测定在30~300℃范围内煤样的热物性参数,研究离子液体对煤热物性参数的影响,并分析离子液体预处理煤对温度的敏感性。结果表明:随着温度的升高,煤样的热扩散系数逐渐减小,比热容和导热系数逐渐增大,且温度越高,煤样的热物性参数的变化趋势越弱。在相同温度下,离子液体预处理煤的热扩散系数、比热容及导热系数均低于原煤样。在([BMIM]+)相同的情况下,[BF4]-对煤的热扩散系数抑制效果明显;在([BF4]-)相同情况下,[BMIM]+对热扩散系数的抑制效果明显。从敏感性分析可知,煤样的比热容对温度的敏感性最高,导热系数对温度的敏感性最低。此外,在相同温度下,[BMIM][I]处理煤的比热容和导热系数相对较低。实验结果为离子液体抑制煤自燃以及煤火的传热提供理论依据。

煤对CO_2的解吸实验及热力学参数研究

为研究煤对CO_2的解吸过程及其热力学特性,采用吸附常数测定仪在303~343 K,解吸平衡压力从5 MPa到0. 1 MPa情况下进行煤对CO_2的解吸实验,得到了4种煤样对CO_2的解吸等温曲线。研究4种煤样在不同温度时对CO_2解吸等温线变化规律以及对应的吸附模型,并计算得到煤对CO_2解吸过程中的等量吸附热。结果表明:随解吸体系温度升高,CO_2对煤表面不均匀程度的敏感性逐渐降低。因此,温度在303~323 K之间时,4种煤样对CO_2的解吸过程符合Freundlich模型;在333~343 K时,煤样对CO_2的解吸等温线符合Langmuir模型。煤对CO_2解吸的特征温度分别为:270 K(LHG)、277 K(WW)、278 K(LG)和298 K(WJL),解吸特征温度随煤变质程度的升高而升高。煤对CO_2的解吸过程中等量吸附热在吸附量为0. 1 mmol/g时在-60^-90 kJ/mol之间变化; CO_2气体在煤表面解吸过程中的等量吸附热随吸附量的增加呈Qst=cln(N)+d的对数降低规律,煤对CO_2的解吸能力随吸附量的增加而逐渐增强。研究结果对CO_2在煤表面的吸附解吸机理的研究以及利用CO_2在增产煤层气方面的应用提供一定的参考。

彩跑粉基料的爆炸特性实验研究

为研究彩跑粉基料的爆炸特性,实验采用20 L近球形的爆炸系统,从粉尘云浓度、点火延迟时间和初始点火能量3个方面对其进行了实验研究。结果表明:随着初始点火能的增大,彩跑粉基料的最大爆炸压力也会随之增大,初始点火能量的增加会导致彩跑粉基料爆炸威力显著增强;随着点火延迟时间的增加,彩跑粉基料的最大爆炸压力会先增大后减小,存在最佳点火延迟时间,可使彩跑粉基料最大爆炸压力达到峰值,70 g·m^(-3)彩跑粉基料的最佳点火延时是60ms,对应的最大爆炸压力为0. 128 MPa;随粉尘云浓度的增大,彩跑粉基料的最大爆炸压力先增加后减小,彩跑粉基料的爆炸下限浓度为55 g·m^(-3),存在某一浓度,使彩跑粉基料的最大爆炸压力达到峰值,在190 g·m^(-3)浓度时,彩跑粉基料爆炸威力最猛烈,最大爆炸压力达0. 368 MPa.

煤矿井下封闭采空区内细菌影响CO消失的实验研究

为了揭示煤矿井下封闭采空区内细菌对CO消失的影响机理,自主研发了细菌对CO消失影响规律的实验装置,通过对比实验,分析了空气灭菌前后、煤样灭菌前后以及灭菌水分等条件下密闭空间内煤样中CO、CO_2气体变化规律。实验结果表明细菌的存在会对CO的消失起到一定的作用,研究结果及思路可对封闭采空区进行精准预判提供参考依据。

半封闭煤火演化过程的动力学特征

为研究松散煤体自然发火过程中氧气及温度阶段性的演化规律,搭建了半封闭煤火演化实验系统,探究煤体从常温到燃点过程中氧气浓度及温度变化情况,建立松散煤体自燃蔓延过程自然吸氧强度模型,分析自燃过程中氧气分布特征和温度场水平与纵向阶段性移动特征.结果表明:半封闭煤火演化实验系统能够较好地再现煤自燃“自然吸氧”过程,验证了自然吸氧效应为煤体自燃蔓延提供动力;煤体自然发火过程中,温度变化时间滞后于氧气浓度变化时间,其滞后时间差随煤层纵深变化的增加而增加;在水平方向上高温区域迁移趋势主要受煤体内部裂隙与孔隙分布的影响;自然吸氧强度与测点峰值温度随煤体纵深增加而降低,未发生自燃区域的下方氧气浓度大于其上层氧气浓度.研究成果对开采、运输、储存状态下的松散煤体自然发火的防治提供理论基础.

矿井火灾智能监测预警技术近20年研究进展及展望

为加强矿井火灾智能监测预警系统建设,提出了矿井火灾智能监测预警技术研究思路,从矿井火灾智能感知技术及装备、预测技术及模型、智能预警系统及平台3方面综述了矿井火灾智能监测预警技术研究进展。首先,总结了内外因火灾信息监测技术及装备,归纳了基于图像视频识别的识别流程,阐述了多源信息融合在火灾监测过程中的应用情况。其次,介绍了矿井火灾的预测技术及模型,包括支持向量机、人工神经网络、随机森林算法等机器学习算法。然后,阐述了矿井火灾预警系统及平台:在总结矿井煤自燃和外因火灾分级预警技术的基础上,介绍了矿井火灾预警系统平台的感知层、网络层、服务融合层以及应用层方面的进展内容;归纳了预警系统各层的内涵及应用框架;搭建了矿井火灾智能监测预警系统。最后,展望了我国矿井火灾智能监测预警技术的未来发展趋势,具体包括:在矿井火灾信息智能感知技术方面,提出加强传感技术及装备研发;在矿井火灾智能预测技术方面,提出加强隐蔽火源的位置探寻方法研究,构建火灾灾害透明化模型;在矿井火灾智能预警系统建设方面,提出将大数据融入智能判识,查明矿井火灾风险源及隐蔽火源位置的预报,实现特殊条件下煤自燃的预警。在矿井火灾智能判识与防控技术联动方面,提出利用大型语言模型在智能判识的基础上实现对矿井火灾的自适应防控。

代谢矿井CH_(4)和CO气体的微生物提取及生长代谢特性

为了降低采空区CH_(4)和CO等可燃性气体的产生和蓄积,抑制可燃性气体爆炸,保障煤矿安全开采,采用生物治理方法,对矿井不同环境样品中的微生物进行了定向富集和驯化,利用高通量测序方法,分析了富集后的菌液生长特性以及菌群结构关系,通过分离和提纯,确定了代谢CH_(4)和CO气体微生物的形态特征及其生长代谢特性。结果表明:唯一碳源方法可以显著提高目标微生物的富集程度,且不同样品中的优势菌群表现不一,富集后菌群的CH_(4)代谢率达到80%,CO代谢率超过95%;纯化后提取到2株甲烷氧化菌(S2、T7)和3株CO氧化菌(M1、M7、M13),并确定了微生物的生长周期,其中CO氧化菌在对数期内完成了CO气体代谢,CO代谢率超过95%,而CH_(4)气体代谢伴随甲烷氧化菌的生长全过程,代谢相对缓慢,CH_(4)代谢率分别为76.1%、74.5%;此外,甲烷氧化菌利用了更多的CH_(4)气体进行生长繁殖,表现出比CO氧化菌更高的菌液浓度、更高的O_(2)消耗量以及更低的CO_(2)产生量,但CO氧化菌具有比甲烷氧化菌更强的气体代谢能力。研究结果可为采空区CH_(4)和CO等可燃性气体的综合防治提供基础,对防止采空区因自燃而引发热动力灾害事故,确保煤矿安全绿色开采具有重要意义。

鞣花酸对下石节长焰煤氧化自燃的阻化影响研究

为考察鞣花酸(EA)对煤氧化自燃过程的影响,首先将EA与陕西铜川下石节煤矿的长焰煤以2%、4%、6%、8%和10%的质量比均匀混合进行试验;然后采用显微红外光谱试验和激光导热试验研究各个样品的活性官能团含量情况和热输运特性,通过评价煤氧化自燃抑制效果,确定最优质量比为8%;最后利用煤自燃程序升温试验对比4种阻化剂对煤氧化自燃气体释放的影响情况,进一步确定EA对煤氧化自燃的阻化程度。结果表明:EA处理煤(EA-tc)中-CH_(3)、-CH_(2)、-OH和-C=O-的峰面积相较于原煤(RC)均减少,但C-O的峰面积增加;在相同煤温下,RC的热扩散系数和导热系数高于EA-tc,其比热容低于EA-tc,且8%EA对RC低温氧化过程的热扩散系数、比热容和导热系数的平均抑制率分别为20.8%、9.8%和13.1%;相比于RC,8%EA-tc的CO释放量在170℃时降低52.3%,且EA对煤氧化自燃的阻化率在30~170℃内保持在50.5%~72.5%,说明EA对煤氧化自燃的阻化效果比其他3种阻化剂更好。

基于PSO-SVM的矿井输送带火灾危险程度预测模型研究

矿井带式输送机输送带火灾严重威胁煤矿安全生产。矿井输送带火灾风险监测预警方面存在指标内在关联性差、火灾不同发展阶段的标志性气体和特征温度不明确、火灾风险预警指标缺失等难题。因此,采用热重红外联用仪和锥型量热仪装置,研究了矿井输送带火灾热解燃烧的特性,热解初始温度段,首先生成较多的CO_(2)、H2O以及少量CO、HCl,温度升至252℃时,HCl生成量开始迅速增加,298℃时HCl的生成量达到峰值1.26%;CO在416℃时生成量开始迅速增加,485℃时CO的生成量达到峰值0.29%;CO_(2)在整个热解过程中产生量最大,总结出CO、CO_(2)、HCl作为输送带火灾监测预警指标。建立了基于粒子群算法优化支持向量机的模型,并对模型进行了最优参数与效果的研究分析。为了验证模型的准确性和可靠性,采用最小二乘误差指标将PSOSVM与SVM预测结果进行对比。

封闭储煤场煤自燃高温点运移规律及反演预测研究

为探究封闭储煤场煤自燃高温点运移规律及反演预测方法,通过搭建煤自燃模拟实验台研究封闭储煤场煤高温点运移规律,分析煤自燃表层与内部温度数据之间的相关性,采用遗传算法优化前后的随机森林(RF)、BP神经网络(BPNN),建立封闭储煤场煤自燃高温点预测模型。研究结果表明:松散煤自燃过程中,高温点运移方向呈非线性移动规律,其主要受煤燃烧过程中裂隙作用影响;表层位点与下部各层之间的温度数据呈现较强相关性;预测结果中RF和BPNN均具有较强鲁棒性和容错率,BPNN优秀的非线性映射能力,使得其处理结果优于RF;对RF和BPNN进行优化后,遗传算法的优化对RF和BPNN预测准确率均有提升,对RF影响最大,模型优化后精度达到98%以上。研究结果可为封闭储煤场煤自然发火防治提供参考。

锆金属粉尘云的爆炸特性

采用20L近球形爆炸实验系统对锆粉尘云的爆炸特性开展了实验研究,分别分析了初始点火能量、点火延迟时间、粉尘云浓度3种因素对锆粉尘云爆炸强度的影响,揭示了锆粉尘云在密闭容器中的爆炸特性。在本实验条件下,结果表明:初始点火能量对锆粉尘云最大爆炸压力有显著影响,锆粉尘云最大爆炸压力随初始点火能量的增大而增大;随点火延迟时间的增加,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳点火延迟时间;随粉尘云浓度的增大,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳锆粉尘云浓度,得到锆粉尘云的爆炸下限为18~20g/m^3。

基于改进消失矩复小波的输电线路故障测距

针对输电线路故障测距时所使用实小波变换结果是实数、缺乏相位信息以及频带混叠等缺陷,提出利用改进消失矩的高斯复小波处理故障信号。首先,分析消失矩对小波时频域的影响;然后,从故障信号的奇异性出发,分析辨识奇异性的Lipschitz指数与消失矩的关系,提出消失矩的改进判据;最后,利用高斯复小波对输电线路故障信号进行处理,根据变换结果中的邻幅比和相位畸变率而选取最优消失矩。仿真和实验表明,笔者提出的改进消失矩高斯复小波增强了信号奇异性检测能力,有效地抑制了干扰,使其减少17.84%,并稳定了相位信息,使相位畸变率减小4.12%。同时,改进消失矩复小波测距结果的误差比普通消失矩的高斯复小波的测距结果误差减少6.06%,比实小波测距结果误差减少5.82%。

基于FDTD的电磁波在煤中传播特性

针对矿山灾害事故发生时,逃生通道被堵,被困人员位置难以确定这一难题,以钻孔生命雷达为手段,开展了电磁波在煤矿井下传播规律的研究。采用时域有限差分法(FDTD)建立井下二维空间磁场(TM)模型,利用Gpr Max和Matlab数值软件对模型进行正演模拟计算。通过理论分析与正演模拟,研究了天线中心频率、激励源、煤质与煤温等条件改变时,反射波的幅值强度与反射系数变化规律,目标的探测时间与分辨率,揭示了电磁波在煤体中的传播规律。研究结果表明:天线中心频率为600 MHz的Ricker激励源是最佳探测方式;电磁波在烟煤中的传播速度最快,褐煤居中,无烟煤最次;电磁波在煤中的传播速度随温度的增加而增大,人体反射波幅值强度则随之减弱;人体反射波幅值强度与探测距离呈对数函数关系,据此提出建立相应数据库;确定了生命雷达与被困人员之间煤体厚度的计算方法。研究结果可为生命雷达系统的研发和现场救援探测数据的解释提供参考与支撑。

原煤和氧化煤的低温氧化特性

为研究原煤和氧化煤的低温氧化特性,以潘集矿煤样为研究对象,将原煤在90℃空气环境中恒温氧化150 min制备氧化煤样。采用程序升温实验装置测定了170℃以下原煤和氧化煤低温氧化阶段不同温度下的CO浓度,并基于CO浓度分阶段计算了原煤和氧化煤的表观活化能。此外,通过电子自旋共振设备测定了180℃以下原煤和氧化煤低温氧化过程中的自由基浓度。结果表明:原煤和氧化煤的CO浓度和表观活化能均随着温度的升高而增大,且表现出明显的阶段性特征;原煤和氧化煤的CO浓度和表观活化能在50~60℃范围内产生交叉;50℃以下,氧化煤的CO浓度大于原煤,表观活化能小于原煤;超过60℃,氧化煤的CO浓度小于原煤,表观活化能大于原煤。原煤的自由基浓度随着温度的升高而增大,氧化煤的自由基浓度随着温度的升高先降低后升高;相同温度下,氧化煤的自由基浓度大于原煤,但其自由基浓度的变化速率小于原煤。

影响煤自燃气体产物释放的主要活性官能团

为了研究煤自燃发火气体产物与煤分子官能团之间的内在联系,进一步揭示煤自燃发火过程的微观变化特性,利用程序升温实验装置和原位红外光谱分析实验系统,得出了气体产物生成量和活性官能团含量之间的关联性.结果表明:CO、C2H4等指标气体浓度伴随温度升高显示为抛物线模式增长;活性官能团中,随着温度的不断升高,脂肪烃含量先持续增大,之后开始逐渐下降,C=C双键含量不断下降,含氧官能团含量先趋于稳定后逐渐增加.根据指标气体浓度变化,获得了高温反应过程中的5个特征温度点,进一步将其分为临界温度阶段、干裂–活性–增速温度阶段、增速–燃点温度阶段和燃烧阶段4个阶段,并对三个高温氧化阶段进行关联性分析发现:在临界温度阶段,影响CO、CO2、CH4和C2H6气体释放的主要活性官能团是羰基;在干裂–活性–增速温度阶段烷基链和桥键发生大量断裂,影响气体产物的主要活性官能团是脂肪烃和羰基;在增速–燃点温度阶段气体浓度与羰基和羧基等官能团呈负相关.得出干裂–活性–增速温度阶段是高温氧化过程中的危险阶段,需在该阶段前对氧化反应进行控制,以减少人员和物质损失.