硫化礦自燃預測預報理論與技術

陽富強、吳超所著的《硫化礦自燃預測預報理論與技術》借助著名數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析了國內外有關礦山自燃火災研究的文獻共計300余篇。闡述了現(xiàn)有解釋硫化礦石自然發(fā)火的各種理論，包括物理吸附氧機理、化學熱力學機理、電化學機理以及微生物氧化機理。綜述了硫化礦石自燃傾向性測試技術的研究成果，著重評述了硫化礦石自燃傾向性測試的吸氧速度法、傳統(tǒng)的交叉點溫度法、動態(tài)自熱率測試法、絕熱氧化法、金屬網(wǎng)籃交叉點法、綜合指標測試法、程序升溫氧化法等，并將各種測試方法加以分類。

1 緒論

1.1 引言

1.2 研究意義

1.3 金屬礦山硫化礦自燃火災的研究現(xiàn)狀

1.3.1 國內外文獻檢索

1.3.2 硫化礦石自燃機理的研究現(xiàn)狀

1.3.3 硫化礦石自燃預測技術的研究現(xiàn)狀

1.3.4 硫化礦石自燃預報技術的研究現(xiàn)狀

1.3.5 硫化礦石自燃防治技術的研究現(xiàn)狀

1.4 研究現(xiàn)狀的評價

1.5 研究內容及技術路線

1.5.1 主要研究內容

1.5.2 研究的技術路線

2 硫化礦石的常溫氧化行為及影響因素分析

2.1 典型硫化礦物的結構特性

2.2 硫化礦石的常溫氧化實驗

2.2.1 礦樣采集

2.2.2 礦樣分析

2.2.3 實驗操作

2.3 硫化礦石常溫氧化中的微觀形貌及化學成分

2.4 硫化礦石常溫氧化的影響因素

2.4.1 晶體結構與化學組成

2.4.2 含水率與空氣濕度

2.4.3 氧氣濃度及鐵離子含量

2.4.4 環(huán)境溫度

2.4.5 環(huán)境的pH值及礦樣粒度

2.4.6 微生物作用

2.4.7 地質條件

2.4.8 其他影響因素

2.5 本章小結

3 硫化礦石自燃的機械活化理論

3.1 硫化礦石自然發(fā)火過程的表征

3.1.1 物理化學性質的改變

3.1.2 熱量的釋放

3.1.3 氣體的生成

3.2 硫化礦石自燃機理研究評述

3.2.1 物理吸附氧機理

3.2.2 電化學機理

3.2.3 微生物作用機理

3.2.4 化學熱力學機理

3.3 機械力化學的基礎理論

3.4 破碎引發(fā)的物理與化學現(xiàn)象

3.4.1 比表面積和新生表面

3.4.2 晶格缺陷

3.4.3 晶格畸變與顆粒非晶化

3.4.4 晶型轉變

3.4.5 熱量的生成

3.4.6 固相反應

3.4.7 其他物性變化

3.5 硫化礦石的機械活化

3.5.1 硫化礦石的機械活化效應

3.5.2 硫化礦石機械活化的研究現(xiàn)狀

3.5.3 硫化礦石的機械活化實驗

3.5.4 礦樣機械活化后的物理化學性質變化

3.6 本章小結

4 硫化礦石自燃傾向性測試的動力學方法研究

4.1 硫化礦石自燃傾向性測試的金屬網(wǎng)籃交叉點溫度法

4.1.1 實驗介紹

4.1.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

4.1.3 氧化動力學參數(shù)的計算

4.2 硫化礦石自燃的TG/Dsc聯(lián)合測試研究

4.2.1 實驗礦樣與儀器

4.2.2 實驗的主要影響因素分析

4.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

4.3 硫化礦石自燃的熱分析動力學研究

4.3.1 硫化礦石自燃的反應動力學機理

4.3.2 硫化礦石自燃的表觀活化能計算

4.4 硫化礦石預氧化前后的表觀活化能比較

4.4.1 礦樣的預氧化

4.4.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

4.4.3 礦樣預氧化后的表觀活化能

4.5 硫化礦石自燃傾向性的鑒定標準

4.6 本章小結

5 硫化礦石自燃預測的數(shù)學模型及綜合評價研究

5.1 硫化礦石自然發(fā)火過程的數(shù)學模型

5.1.1 硫化礦石自燃的特征

5.1.2 硫化礦石堆內部的風流場

5.1.3 硫化礦石堆內部的氧濃度場

5.1.4 硫化礦石堆內溫度場的數(shù)學模型

5.2 硫化礦石自然發(fā)火期數(shù)學模型的構建

5.2.1 基于電化學理論的礦石自然發(fā)火期

5.2.2 基于傳熱學理論的礦石自然發(fā)火期

5.3 硫化礦石爆堆自燃深度的測算模型

5.4 礦倉硫精礦的自燃臨界堆積厚度

5.4.1 相關理論

5.4.2 實驗及數(shù)據(jù)分析

5.5 采場環(huán)境中硫化礦石爆堆的自燃危險性評價研究

5.5.1 未確知測度理論概述

5.5.2 采場硫化礦石爆堆自燃危險性評價指標體系的建立

5.5.3 實例應用

5.6 本章小結

6 硫化礦石自然發(fā)火重要參數(shù)的確定及數(shù)值模擬

6.1 孔與孔隙率

6.1.1 孔隙率

6.1.2 比表面積M

6.1.3 硫化礦石的塊度

6.2 滲透系數(shù)

6.3 耗氧速率

6.4 傳熱系數(shù)

6.4.1 導熱系數(shù)

6.4.2 采場環(huán)境的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)

6.4.3 礦石的放熱強度

6.5 數(shù)值解算軟件

6.5.1 MATLAB軟件

6.5.2 ANSYS軟件

6.5.3 FLUENT軟件

6.6 硫化礦石動態(tài)自熱速率的測試裝置及模擬

6.6.1 新的實驗裝置

6.6.2 礦樣自熱過程的數(shù)值模擬

6.7 風流場與氣體濃度場的數(shù)值模擬

6.8 硫化礦堆溫度場的數(shù)值模擬

6.8.1 基于MATI.AB軟件的礦堆溫度場模擬

6.8.2 冬瓜山銅礦礦倉硫精礦自熱的溫度場

6.8.3 某硫鐵礦山自燃礦石爆堆的滅火效果預測

6.9 本章小結

7 硫化礦自燃火災的非接觸式檢測技術研究及應用

7.1 硫化礦石自然發(fā)火檢測技術的研究概況

7.2 非接觸式測溫技術概述

7.2.1 紅外輻射的基本理論

7.2.2 紅外測溫儀的工作原理

7.2.3 紅外熱成像儀的工作原理

7.3 硫化礦氧化自熱的非接觸式測定實驗

7.3.1 實驗準備與實驗步驟

7.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

7.3.3 紅外測溫誤差的產(chǎn)生機理

7.4 溫度檢測裝置的改進

7.5 硫化礦自燃非接觸式檢測裝置的選擇及應用

7.5.1 礦山紅外測溫裝置的選擇方法

7.5.2 礦堆自燃檢測裝置的應用

7.5.3 硫化礦堆自燃火源位置的反演

7.6 本章小結

8 主要研究結論與展望

8.1 主要研究結論

8.2 研究工作的展望

參考文獻2100433B

陽富強、吳超所著的《硫化礦自燃預測預報理論與技術》在闡述硫化礦自然發(fā)火本質特征的基礎上，以預測預報金屬礦山硫化礦自燃火災為出發(fā)點，詳細介紹了硫化礦常溫氧化的行為及影響因素、自然發(fā)火機理、自燃傾向性測試技術、自燃預測數(shù)學模型、數(shù)值模擬技術、自燃危險性評價方法、自燃火災的非接觸式檢測技術等方面的最新研究成果。

《硫化礦自燃預測預報理論與技術》可供有關礦山設計、研究、開發(fā)和管理的科研人員、工程技術人員和現(xiàn)場施工管理人員等參閱，也可供高校采礦工程和安全工程等專業(yè)的研究生參考學習。

1.后者是具體天氣狀況的預報，而前者則是某時段內氣候要素和天氣狀況平均統(tǒng)計量的預測。

2.天氣預報一般僅限于對大氣圈和水圈物理過程的分析，而氣候預測必須考慮包括大氣、海洋、大陸、冰雪、生物圈等在內的氣候系統(tǒng)內能量和物質交換以及天文因子的影響。

3.后者主要依賴于初值，而前者既依賴于初始條件，也依賴于邊界條件或者完全依賴于邊界條件。依賴于以上兩種條件的可預報性被洛侖茨稱為第一類可預報性。對于長期(幾十年或幾百年)的氣候變化預測，如由人類活動造成的溫室氣體增加引起的全球氣候變化，將不依賴于大氣的初始條件，這是由于模式在長期積分之后，將完全喪失對初始條件的記憶。這種完全依賴于詳細邊界條件變化的氣候預測被洛侖茨稱為第二類可預報性，其可預報性決定于外界強迫變化的時問尺度。由于氣候系統(tǒng)的慣性，即使施加于邊界的外強迫消失之后很久，氣候系統(tǒng)還將繼續(xù)變化相當長的時間，甚至長達十年以上，海平面上升的響應就是一個例子。由于第一類可預報性的時間一般不超過3周，因此，月時間尺度以上的短期氣候預測，基本上也是在第二類可預報性意義下進行的。

4.時間較長的氣候預測，還要考慮到人類活動對氣候變化的影響。最早的氣候預測是根據(jù)過去某一段時間氣候平均值的外推。但在編制時效為數(shù)年的氣候預測時，大都沿用長期天氣預報中的某些方法。例如，用時間序列的分析技術，分析氣候要素的歷史變化，尋找序列本身的演變規(guī)律，建立氣候預測方程，或者尋找氣候要素同一種或數(shù)種環(huán)境因子之間的統(tǒng)計聯(lián)系，然后根據(jù)相關因子的變化來預測未來的氣候。有的國家已用數(shù)值模擬方法推斷未來氣候。

在煤礦生產(chǎn)中，煤的自燃一直是重大災害，它極易引發(fā)瓦斯爆炸、水煤氣爆炸等重大事故，嚴重危害礦井安全。但煤自燃監(jiān)測預報基本只是人工在危險的井下各個分散點采集相關數(shù)據(jù)，用的是多臺不同類型的儀器儀表，不僅價格高昂，而且費時費力，此外對數(shù)據(jù)的分析處理，也基本處于人工經(jīng)驗判斷的水平上，更不具備實時性。采用虛擬儀器技術構造監(jiān)測平臺，可以節(jié)省大量硬件方面的投資，用軟件實現(xiàn)硬件的功能，把多臺不同的儀器統(tǒng)一組態(tài)，并根據(jù)井下的具體情況，實現(xiàn)遠程的分布式測量網(wǎng)絡。

自燃系統(tǒng)煤層自燃的實質及預測預報技術

煤層自燃是由于煤體逐漸發(fā)生低溫氧化，熱量逐漸蓄積，最終發(fā)生自燃。按照煤層自燃的階段是否出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆，預測預報技術可分為預報和預測兩種。煤在氧化自熱到自燃這一復雜的物理化學變化過程中，隨著煤溫的上升，要序列性地釋放出CO、CH4、C2H4等氣體，稱之為指標氣體。因此，掌握煤炭在自熱到自燃過程各階段中所釋放的氣體成份以及自燃發(fā)火指標氣體的變化規(guī)律，是分析煤炭氧化程度的重要依據(jù)。經(jīng)研究表明，CO及C₂H₄作為預測指標氣體較好。但由于C₂H₄出現(xiàn)的溫度較高，產(chǎn)生量小，因此，用它來校正預報出現(xiàn)的溫度偏

差，而主要把CO作為早期預報的指標。以CO指標氣體為中心，建立自燃早期預報系統(tǒng)。此外，井下綜采面的氧濃度、漏風強度、煤巖體溫度、煤厚度等因素也決定了煤層自燃的傾向性和危險性。同時也將對以上因素實時采集、分析，以建立實時監(jiān)測，從而達到對煤層自燃的預測。

自燃系統(tǒng)虛擬儀器

通過測得實時的CO含量，與歷史數(shù)據(jù)結合，建立灰色模型，得到時間預報序列。結合設定的警報值，預報出煤自燃發(fā)火的日期?？紤]到井下的實際情況及未來網(wǎng)絡化發(fā)展的需要，本軟件具有初步的局域網(wǎng)通信功能，基于TCP/IP協(xié)議，下位機(客戶機)采集的實時數(shù)據(jù)送到上位機(服務器)顯示，發(fā)送時雙機均要打開TCP連接，并指定相同的端口。

該模塊有寫盤和讀盤兩個功能，采集的信號波形文件可以存儲，采集的最終數(shù)值送入歷時數(shù)組中，形成新的序列，以供預測，日后查詢時也可以打開。

軟件系統(tǒng)試運行后，和煤礦實際采集數(shù)據(jù)和歷史實際自燃發(fā)火日期對比，證明該系統(tǒng)不僅具有系統(tǒng)采集精度高、使用方便、節(jié)省人力和設備投資的優(yōu)點，而且預測的發(fā)火日期準確，證明預測模型結構合理有效。本軟件系統(tǒng)為今后煤礦井下監(jiān)控網(wǎng)絡一體化作出了有益的探索。 2100433B

《煤層自然發(fā)火預測預報及防治技術》在分析煤層自然發(fā)火基本概念和理論的基礎上，研究了煤層自燃傾向性的鑒定方法、煤層自然發(fā)火危險程度的綜合評價、煤層自然發(fā)火預測預報指標氣體分析方法；建立了煤層自然發(fā)火預測預報系統(tǒng)、開發(fā)了煤自然發(fā)火預測預報模糊系統(tǒng)；最后介紹了煤層自然發(fā)火的防治技術?！睹簩幼匀话l(fā)火預測預報及防治技術》主要供礦山企業(yè)的工程技術人員及管理干部使用，也可作為科研院所科研人員、礦業(yè)類專業(yè)大學本科生及研究生參考用書。

《煤層自然發(fā)火預測預報及防治技術》由冶金工業(yè)出版社出版。