本文選題：煤自燃 + 電性參數(shù)��； 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：我國(guó)煤層賦存地質(zhì)條件多變、易自燃煤層數(shù)量較多,加之高產(chǎn)高效集約化綜放開采不斷推廣以及煤炭自身氧化特性等原因,導(dǎo)致在煤炭的儲(chǔ)藏、開采、運(yùn)輸和堆放過程中自燃火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生,已嚴(yán)重地影響了我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展,同時(shí)給國(guó)家和人民的財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p害。此外,我國(guó)90%以上的煤礦使用井工開采,若井下一旦發(fā)生煤炭自燃,大量的有毒有害氣體及高溫?zé)熈鳂O有可能竄入井下正常的通風(fēng)系統(tǒng)并蔓延至各作業(yè)場(chǎng)所,導(dǎo)致相關(guān)作業(yè)人員發(fā)生中毒、甚至窒息死亡的群體性事故。而且隨著我國(guó)礦井開采深度不斷的下延,我國(guó)東部和東北部礦區(qū)的某些礦井已進(jìn)入了千米礦井的開采水平,呈現(xiàn)出“低瓦斯礦井向高瓦斯礦井、高瓦斯礦井向突出礦井”轉(zhuǎn)變的特征,使得由煤自燃引發(fā)煤礦瓦斯燃燒或爆炸等次生災(zāi)害的危險(xiǎn)程度逐年升高。但是,無論是煤田露頭自燃、地面儲(chǔ)煤堆自燃還是采空區(qū)自燃或煤柱自燃,其高溫火源都具有隱蔽性。因此,如果能夠快速、有效、準(zhǔn)確地對(duì)煤自燃高溫火源區(qū)域進(jìn)行精確定位,將會(huì)為我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)、資源環(huán)境保護(hù)帶來重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。我國(guó)現(xiàn)有的煤自燃高溫火區(qū)探測(cè)技術(shù)主要包括測(cè)溫法、物探法、氣體探測(cè)法和遙感法。測(cè)溫法是一種傳統(tǒng)方法,是基于煤體溫度與煤自燃發(fā)生發(fā)展程度、煤自燃位置及范圍的相互關(guān)系、利用接觸式和非接觸式探測(cè)儀器進(jìn)行隱蔽高溫火源定位的一種方法。此方法的不足之處在于:煤自燃高溫火源點(diǎn)位置往往出現(xiàn)在距離煤體表面一定距離的深部,但其具體位置很容易受周圍的空氣流動(dòng)、熱彌散和氣固之間的對(duì)流換熱作用而隨時(shí)間發(fā)生變化,定位高溫火源點(diǎn)的位置一般不太容易;加之煤體的導(dǎo)熱性能較差,當(dāng)熱量以熱傳導(dǎo)的方式由內(nèi)向外傳導(dǎo)到測(cè)溫儀器的探測(cè)區(qū)域時(shí),其內(nèi)部火勢(shì)實(shí)際已大規(guī)模形成,這種時(shí)間上的滯后性給隱蔽高溫火源點(diǎn)的探測(cè)及其識(shí)別帶來了極大的困難。氣體探測(cè)法簡(jiǎn)單易行、探測(cè)范圍廣,但受漏風(fēng)的影響較為嚴(yán)重。遙感法主要適用于煤田大面積的火災(zāi)探測(cè),而且存在成本高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。與上述方法相比,物探法在煤自燃高溫火區(qū)的探測(cè)方面尚屬于探索性研究階段,但物探法固有的效率高、成本低、探測(cè)面積大、分辨率高、探采對(duì)比實(shí)證性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),不僅引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注及研究,而且在國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局最新提出的《煤礦火災(zāi)防治科技發(fā)展對(duì)策(2015)征求意見稿》中,也明確指出下一步將進(jìn)行“基于磁法、電磁法的煤自燃隱蔽火區(qū)多元信息探測(cè)技術(shù)”方面的安全科技工作。目前,在煤自燃高溫火區(qū)探測(cè)方面有一定應(yīng)用案例的物探技術(shù)主要有:高密度電法探測(cè)技術(shù)、高精度磁法勘探技術(shù)、瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)、微震法探測(cè)技術(shù)。上述物探方法大多應(yīng)用于煤田火區(qū)的探測(cè),而煤礦井下環(huán)境由于干擾因素多、人員工作空間有限和法律法規(guī)對(duì)礦用儀器的本質(zhì)安全型要求,給煤礦井下自燃高溫火區(qū)的物探技術(shù)及探測(cè)方法提出了新的要求。此外,煤巖的電磁特性參數(shù)研究主要集中于上世紀(jì)90年代以前,而且對(duì)于不同自燃傾向性煤樣在自燃氧化與高溫?zé)峤飧麟A段過程中的電磁參數(shù)測(cè)定技術(shù)鮮有研究,經(jīng)高溫氧化與干餾后煤體的電磁變化特征也了解不深,這些無疑增大了物探資料后期處理與解釋難度。在分析了現(xiàn)有火源定位技術(shù)與眾多的物探方法比較后,本文作者所在的科研團(tuán)隊(duì)提出將瞬變電磁探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于礦井火災(zāi)高溫火源點(diǎn)的探測(cè),并對(duì)自燃氧化與高溫?zé)峤夂蟮拿簶娱_展了包含瞬變電磁探測(cè)頻率在內(nèi)的中低頻電磁參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究。研究?jī)?nèi)容涉及數(shù)字與信號(hào)理論、電磁場(chǎng)與電磁波理論、電介質(zhì)物理學(xué)理論、煤自燃理論以及與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方案和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方法,并從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面研究了這一探測(cè)方法所涉及的關(guān)鍵問題與關(guān)鍵技術(shù)。論文包括以下諸方面的內(nèi)容:(1)全空間效應(yīng)下的瞬變電磁法理論分析。在閱讀國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,研究了瞬變電磁法(人工可控源)的探測(cè)原理;針對(duì)礦井瞬變電磁法這種新興的電磁勘探方法,研究了瞬變電磁法收發(fā)線圈裝置的多種布置方式、多匝小回線裝置對(duì)觀測(cè)信號(hào)的影響和“全空間響應(yīng)”下的瞬變電磁探測(cè)理論;研究了瞬變電磁激發(fā)場(chǎng)源的矩形電流波、梯形電流波、半正弦形電流波和三角形電流波的波形特點(diǎn);研究了雙極性波的噪聲抑制原理,從數(shù)字與信號(hào)理論理論角度分析了瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)采用雙極性波信號(hào)電路的必要性,并分析了開展瞬變電磁探測(cè)時(shí)所選擇的頻率值范圍;利用傅里葉頻譜分析理論分析了各電流波形在頻率域的頻譜特征;根據(jù)畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律(Biot-Savart-Laplace Law)推導(dǎo)了單匝矩形線圈的磁場(chǎng)分布公式,通過電磁學(xué)中的互易定理變換亦可計(jì)算圓形線圈的磁場(chǎng)分布;數(shù)值分析了瞬變電磁場(chǎng)的一次場(chǎng)傳播和衰減特性,并對(duì)多匝小矩形回線的一次場(chǎng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析,得出通過增加線圈的匝數(shù)可以有效提高小尺寸線圈的電磁響應(yīng)范圍。(2)煤自燃低溫條件下的臨界溫度實(shí)驗(yàn)研究。通過自建的煤自燃低溫程序升溫系統(tǒng),對(duì)3類不同自燃傾向性、5種不同變質(zhì)程度煤樣進(jìn)行了30~250℃溫度范圍內(nèi)的氧化實(shí)驗(yàn),借助氣相色譜儀研究了各煤樣在氧化升溫過程中的氣體產(chǎn)物的釋放速率與受熱溫度間的關(guān)系,并以此作為煤低溫氧化階段特征溫度劃分依據(jù)之一,之后根據(jù)燃燒動(dòng)力學(xué)分析理論得到了氧化反應(yīng)速率與煤體溫度之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系式,并用線性擬合手段對(duì)不同溫度段下的耗氧速率進(jìn)行分段擬合,獲得了不同溫度段表觀活化能突變點(diǎn),確定了各煤樣在自燃低溫條件下的臨界溫度。(3)煤高溫階段特征溫度實(shí)驗(yàn)分析。利用熱重法分析了高溫自燃階段內(nèi)的燃燒特性和變化規(guī)律,確定了各煤樣失水溫度TO1、吸氧增速溫度TO2、著火點(diǎn)溫度之前的質(zhì)量極大值溫度TO3、著火點(diǎn)溫度TO4、煤樣的最大失重溫度TO5、燃盡溫度TO6;利用熱重法分析了高溫?zé)峤怆A段內(nèi)的熱解特性以及溫度階段特征,得到了脫水脫氣最大失重速率點(diǎn)溫度TP0、熱解初始溫度TP1、熱解開始溫度TP2、熱解失重最大速率點(diǎn)溫度TP3和半焦完成溫度TP4;利用均勻差值法對(duì)上述特征溫度進(jìn)行插值,得到了9組通氧和10組通氮條件下的煤樣加工溫度點(diǎn)。(4)特征溫度下的直流電性實(shí)驗(yàn)研究。在分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外缺乏針對(duì)煤巖電磁學(xué)參數(shù)(電阻率、介電常數(shù))測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器無法在高溫條件下進(jìn)行測(cè)量以及樣品在高溫氧化及熱解狀態(tài)下易發(fā)生變形等諸多不利于實(shí)驗(yàn)開展的現(xiàn)狀下,通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)查閱及測(cè)試技術(shù)比較,確定了分別在氧化與熱解條件下制得相關(guān)特征點(diǎn)溫度煤樣、并在室溫條件下對(duì)各樣品的電磁學(xué)參數(shù)進(jìn)行直流電與交流電測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案。通過對(duì)加工得到的共計(jì)95組樣品進(jìn)行相關(guān)電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)及分析,得到了各特征溫度點(diǎn)下的高壓直流電阻率的變化規(guī)律;根據(jù)目前工程中常見的交流電法工作頻率范圍,實(shí)驗(yàn)得到了煤氧化升溫過程中的電阻率-溫度模型、熱解升溫過程的電阻率-溫度模型,之后通過引入阿倫尼烏斯公式,對(duì)上述兩個(gè)擬合公式增加了物理環(huán)境溫度修正因子,可半經(jīng)驗(yàn)地表示實(shí)際升溫過程中的電阻率變化情況;對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)隨變化變化規(guī)律進(jìn)行了擬合,得到了相關(guān)數(shù)學(xué)模型;通過上述的電性變化特征規(guī)律,為使用交流電法(如瞬變電磁法)在探測(cè)煤自燃高溫火區(qū)的有效性上提供了物性條件。(5)相似物理模擬實(shí)驗(yàn)。推導(dǎo)了瞬變電磁法探測(cè)條件下的相似模擬準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了相似模擬實(shí)驗(yàn)用的模型支架、制備了相似材料以及制作了瞬變電磁信號(hào)采集發(fā)射的小型天線。根據(jù)高溫火區(qū)異常體的不同設(shè)置參數(shù)進(jìn)行了瞬變電磁響應(yīng)特征模擬。實(shí)驗(yàn)得出高溫火區(qū)異常體的埋深、范圍以及異常體電阻率的差異均會(huì)產(chǎn)生不同的電磁響應(yīng)效果。(6)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過對(duì)北祖煤礦4+9#煤層現(xiàn)場(chǎng)瞬變電磁法實(shí)際探測(cè),提出了使用超前探測(cè)和剖面探測(cè)相結(jié)合的探測(cè)方式,以消除探測(cè)結(jié)果的不唯一性。通過地質(zhì)資料和紅外探測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了使用瞬變電磁法探測(cè)煤自燃高溫火源方法的有效性,為今后使用瞬變電磁法探測(cè)煤自燃高溫火區(qū)時(shí)提供了技術(shù)參考及理論依據(jù)。
[Abstract]:The coal spontaneous combustion high - temperature fire zone detection technology is characterized by the fact that coal spontaneous combustion , coal spontaneous combustion or spontaneous combustion of coal pillar and the spontaneous combustion of coal itself can lead to the occurrence of coal spontaneous combustion , coal spontaneous combustion or spontaneous combustion of coal pillar . In this paper , the author puts forward a new method for detecting the electromagnetic parameters in coal spontaneous combustion and high temperature pyrogenation . ( 2 ) The experimental study on the critical temperature in the low temperature condition of coal spontaneous combustion is carried out by means of a self - built coal spontaneous combustion low temperature program temperature increasing system . The relationship between the release rate of the gas product and the temperature of the coal body at different temperature stages is studied by means of a gas chromatograph . In this paper , the characteristics of high voltage direct current ( DC ) in the process of high temperature oxidation and thermal decomposition have been studied by using the method of transient electromagnetic method . The results show that the method of transient electromagnetic method can be used to detect the resistivity of coal spontaneous combustion high temperature fire zone . The results of the experiment show that the method of transient electromagnetic method is used to detect the resistivity of coal spontaneous combustion .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD752.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2054171