煤炭在開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中,均受到煤自燃的威脅。我國是世界上煤自燃火災(zāi)危害最嚴(yán)重的國家之一。煤自燃燒毀大量煤炭資源,污染生態(tài)環(huán)境,威脅礦井及周邊人員生命財(cái)產(chǎn)安全。煤田、采空區(qū)遺煤、破裂煤柱和儲(chǔ)煤堆(矸石山)等自燃隱蔽火災(zāi)形成初期很難被發(fā)現(xiàn),雖然煤自燃高溫火源探測技術(shù)已取得一定進(jìn)展,但是由于煤自燃隱蔽火災(zāi)形成、發(fā)展以及影響因素的復(fù)雜性,煤自燃高溫火源探測仍是一個(gè)世界性難題。高效快捷地非接觸式探測并定位煤自燃隱蔽火源存在重大需求。本文針對煤自燃隱蔽火源探測的難題,通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場測試等手段研究煤燃燒及升溫過程的電磁輻射信號(hào)變化特征,揭示煤升溫及燃燒過程電磁輻射產(chǎn)生機(jī)制,提出煤田火區(qū)電磁輻射探測方法并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。論文的主要成果和結(jié)論如下:研究揭示了煤升溫及燃燒過程的電磁輻射信號(hào)時(shí)-頻特征。分別建立了煤燃燒及升溫電磁輻射測試系統(tǒng),首先測試得到煤燃燒過程中能夠產(chǎn)生顯著的電磁輻射,且燃燒階段和升溫階段電磁信號(hào)有差異;進(jìn)一步精細(xì)化測試并分析了不同變質(zhì)程度煤在升溫過程中電磁輻射信號(hào)變化規(guī)律,電磁信號(hào)頻率涵蓋了低頻至高頻范圍;電磁輻射信號(hào)與溫度呈正相關(guān)變化,具有長程相關(guān)性,即隨著時(shí)間和溫度的增加,電磁輻射信號(hào)呈增大的變化趨勢。依據(jù)多重分形理論,采用電磁輻射分形譜的形態(tài)以及分形參數(shù)Δα和Δf的動(dòng)態(tài)變化表征了不同溫度階段煤的熱損傷狀態(tài),隨著溫度的升高,電磁輻射時(shí)間序列離散性降低,煤體損傷復(fù)雜性減弱,熱損傷程度增加。采用歸一化處理方法分析了不同頻率電磁輻射信號(hào)與CO的增長變化特性。分析了電磁輻射頻域變化特征,煤升溫過程中,電磁輻射頻譜具有主頻帶變寬、主頻降低及強(qiáng)度提高的變化特性;進(jìn)一步通過電磁輻射主頻和幅值的變化,分析了煤升溫時(shí)的內(nèi)部損傷破壞狀態(tài)。對比分析了煤巖受熱升溫與受載破裂電磁輻射信號(hào)的變化特征及差異。建立了煤巖復(fù)合損傷受載破裂電磁輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測試了無約束條件下煤巖受熱升溫、常溫條件下煤巖受載破裂、高溫處理后以及升溫加載條件下煤巖力學(xué)-變形-電磁輻射-聲發(fā)射信號(hào)變化。分析了煤巖在升溫加載條件下的變形及強(qiáng)度劣化特征,對比了上述4種條件下電磁輻射信號(hào)的特征差異;由于煤巖經(jīng)受復(fù)合損傷,電磁輻射信號(hào)的測值及變化趨勢明顯高于單一受載或者升溫條件下的信號(hào)變化,電磁輻射信號(hào)頻率發(fā)生遷移,以高頻信號(hào)為主,幅值呈逐漸增大變化。研究揭示了煤升溫及燃燒過程產(chǎn)生電磁輻射的機(jī)制,建立了煤升溫?zé)犭婑詈夏Ｐ�。采用掃描電鏡結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)精細(xì)化表征了煤巖熱損傷宏微觀裂隙的演化過程;煤受熱升溫?zé)嶂伦冃纹屏咽沟米杂呻姾煞e聚,加之煤體內(nèi)部對偶極子瞬變以及熱電子躍遷引發(fā)自由電子變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電磁輻射;煤燃燒火焰產(chǎn)生帶電離子以及帶電離子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠形成感應(yīng)電磁場,并產(chǎn)生電磁輻射。分析煤巖熱膨脹系數(shù)的變化特性,定量計(jì)算了煤巖體在溫度作用下的熱應(yīng)力大小;運(yùn)用彈性模量的變化表征了煤巖體的熱損傷程度,依據(jù)損傷力學(xué)等理論建立了煤氧化升溫?zé)犭婑詈夏Ｐ�。提出了煤田火區(qū)電磁輻射探測方法并進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證與應(yīng)用。根據(jù)煤氧化升溫及煤巖受載破裂電磁輻射頻譜及傳播特性,選擇定向低頻電磁輻射天線(范圍:0~100kHz)聯(lián)合寬頻天線(0~500kHz)的方式進(jìn)行現(xiàn)場探測,研究給出了電磁輻射定向定位煤田火區(qū)高溫異常區(qū)域的判劇;選取新疆烏魯木齊大泉湖典型火區(qū),分別在高溫區(qū)域和區(qū)域外測試了電磁輻射信號(hào);分析了煤田火區(qū)電磁輻射信號(hào)的空間變化特征,高溫區(qū)域內(nèi)的電磁輻射信號(hào)與溫度具有較好對應(yīng)性;利用電磁輻射定向定位高溫異常區(qū)域,結(jié)合鉆孔溫度進(jìn)行了驗(yàn)證。研究成果為應(yīng)用電磁輻射探測煤自燃隱蔽火源,在線監(jiān)測預(yù)警煤田火區(qū)、煤堆火災(zāi)以及采空區(qū)自燃危險(xiǎn)提供了依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD752.2
【部分圖文】：

此時(shí)煤與氧氣發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生多種氣體產(chǎn)物。煤自燃火災(zāi)預(yù)報(bào)技術(shù)是基于上述發(fā)展現(xiàn)象，根據(jù)煤氧化放熱時(shí)引起的溫度、指標(biāo)氣體等參數(shù)的變化情況，較早發(fā)現(xiàn)自燃征兆，判斷自燃狀態(tài)的技術(shù)[44,45]。目前，預(yù)報(bào)方法主要有指標(biāo)氣體分析法、溫度檢測法、示蹤氣體法、氣味檢測法等[46]。除此之外，煤自燃發(fā)火的基礎(chǔ)參數(shù)測試對于煤自燃火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)具有重要指導(dǎo)作用。主要的參數(shù)測試有[47,48]：煤自燃傾向性的測定、煤最短自然發(fā)火期的測定、煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體及指標(biāo)的選擇、煤炭自然發(fā)火最佳阻化劑及其濃度選擇、煤炭自然發(fā)火臨界氧濃度測定煤炭自然發(fā)火火區(qū)熄滅程度指標(biāo)測定等實(shí)驗(yàn)。（2）煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件下采空區(qū)、巷道頂煤及巷道沿空側(cè)遺煤自燃的極限參數(shù)（下限氧濃度、最小浮煤厚度、上限當(dāng)量粒徑等），推導(dǎo)出不同區(qū)域煤自燃的必要條件；根據(jù)自燃的必要條件，劃分出為極易自燃區(qū)域、易自燃區(qū)域、可能自燃區(qū)域和不自燃區(qū)域。徐精彩等[49-51]提出了完整煤層自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定的理論體系，如圖 1-1 所示。

沖和煤火燃空區(qū)發(fā)電位法煤火區(qū)使電力線和電位線發(fā)色可靠性好，分辨率高；抗干擾能力強(qiáng)需要實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)體探測法煤在不同溫度產(chǎn)生的氣體種類和濃度不同方法簡單，經(jīng)濟(jì)，作定性研究受限于煤層深度；定煤層自燃位置和干擾因素多，可靠氣探測法 煤層自燃后產(chǎn)生氡氣 設(shè)備操作靈活 抗干擾性差元示蹤技術(shù)利用 SF6 和 CF2CIBr 作為示蹤劑進(jìn)行色譜分析結(jié)果可靠簡單對熱解溫度過高與高溫情況不適煤巖變形破裂電磁輻射研究現(xiàn)狀巖發(fā)生變形破裂時(shí)，煤巖體中的能量會(huì)以熱能、彈性能、聲能、電放出來，煤自燃過程中的紅外輻射法即是基于上述能量釋放得來的方法。煤巖電磁輻射是煤巖等材料在變形破裂過程中以電磁波的形一種現(xiàn)象[86]，電磁輻射的波譜比較寬，如圖 1-2 所示，其中紅外和于電磁輻射范疇，只是頻率和波長不同。

（2）煤自燃特征點(diǎn)溫度測試采用程序升溫裝置測試煤的交叉點(diǎn)溫度，升溫速率為 1.2°C/min。使用熱重析儀測試 3 種煤樣在 0~600°C 熱解過程中煤的重量變化，煤樣的初始重量為mg；氧氣體積分?jǐn)?shù)為 21%，煤的升溫速率分別為 5K/min，在此實(shí)驗(yàn)條件下，別測量煤的特征溫度值。（3）煤自燃指標(biāo)氣體測試將煤樣進(jìn)行粉碎和分級篩取，取 0.180~0.380mm 煤樣，將煤樣放入程序升溫內(nèi)煤樣罐中�？諝饬髁繛� 50ml/min，升溫速度為 1.2°C/min。在 30~180°C 之每 10°C 取一次氣體，把取得的氣體送入氣相色譜儀，記錄氣體產(chǎn)物和溫度值。1.3 煤氧化升溫物性參數(shù)測試結(jié)果（1）煤的導(dǎo)熱性系數(shù)根據(jù)瞬變平面熱源法測試原理，測試了 BL、SHJ，TT 煤在常溫常壓下的導(dǎo)系數(shù)，如圖 2-1（a）所示。測試得到三種煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)在 0.279~0.325W/(m·K)間。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2880138