煤岩燃烧及受热过程的电磁辐射效应研究

发布时间：2020-11-12 02:55

　　 煤炭在开采、运输和储存过程中,均受到煤自燃的威胁。我国是世界上煤自燃火灾危害最严重的国家之一。煤自燃烧毁大量煤炭资源,污染生态环境,威胁矿井及周边人员生命财产安全。煤田、采空区遗煤、破裂煤柱和储煤堆(矸石山)等自燃隐蔽火灾形成初期很难被发现,虽然煤自燃高温火源探测技术已取得一定进展,但是由于煤自燃隐蔽火灾形成、发展以及影响因素的复杂性,煤自燃高温火源探测仍是一个世界性难题。高效快捷地非接触式探测并定位煤自燃隐蔽火源存在重大需求。本文针对煤自燃隐蔽火源探测的难题,通过实验室实验、理论分析和现场测试等手段研究煤燃烧及升温过程的电磁辐射信号变化特征,揭示煤升温及燃烧过程电磁辐射产生机制,提出煤田火区电磁辐射探测方法并进行现场应用。论文的主要成果和结论如下:研究揭示了煤升温及燃烧过程的电磁辐射信号时-频特征。分别建立了煤燃烧及升温电磁辐射测试系统,首先测试得到煤燃烧过程中能够产生显著的电磁辐射,且燃烧阶段和升温阶段电磁信号有差异;进一步精细化测试并分析了不同变质程度煤在升温过程中电磁辐射信号变化规律,电磁信号频率涵盖了低频至高频范围;电磁辐射信号与温度呈正相关变化,具有长程相关性,即随着时间和温度的增加,电磁辐射信号呈增大的变化趋势。依据多重分形理论,采用电磁辐射分形谱的形态以及分形参数Δα和Δf的动态变化表征了不同温度阶段煤的热损伤状态,随着温度的升高,电磁辐射时间序列离散性降低,煤体损伤复杂性减弱,热损伤程度增加。采用归一化处理方法分析了不同频率电磁辐射信号与CO的增长变化特性。分析了电磁辐射频域变化特征,煤升温过程中,电磁辐射频谱具有主频带变宽、主频降低及强度提高的变化特性;进一步通过电磁辐射主频和幅值的变化,分析了煤升温时的内部损伤破坏状态。对比分析了煤岩受热升温与受载破裂电磁辐射信号的变化特征及差异。建立了煤岩复合损伤受载破裂电磁辐射实验系统,测试了无约束条件下煤岩受热升温、常温条件下煤岩受载破裂、高温处理后以及升温加载条件下煤岩力学-变形-电磁辐射-声发射信号变化。分析了煤岩在升温加载条件下的变形及强度劣化特征,对比了上述4种条件下电磁辐射信号的特征差异;由于煤岩经受复合损伤,电磁辐射信号的测值及变化趋势明显高于单一受载或者升温条件下的信号变化,电磁辐射信号频率发生迁移,以高频信号为主,幅值呈逐渐增大变化。研究揭示了煤升温及燃烧过程产生电磁辐射的机制,建立了煤升温热电耦合模型。采用扫描电镜结合声发射技术精细化表征了煤岩热损伤宏微观裂隙的演化过程;煤受热升温热致变形破裂使得自由电荷积聚,加之煤体内部对偶极子瞬变以及热电子跃迁引发自由电子变速运动产生了电磁辐射;煤燃烧火焰产生带电离子以及带电离子链式反应能够形成感应电磁场,并产生电磁辐射。分析煤岩热膨胀系数的变化特性,定量计算了煤岩体在温度作用下的热应力大小;运用弹性模量的变化表征了煤岩体的热损伤程度,依据损伤力学等理论建立了煤氧化升温热电耦合模型。提出了煤田火区电磁辐射探测方法并进行了现场验证与应用。根据煤氧化升温及煤岩受载破裂电磁辐射频谱及传播特性,选择定向低频电磁辐射天线(范围:0~100kHz)联合宽频天线(0~500kHz)的方式进行现场探测,研究给出了电磁辐射定向定位煤田火区高温异常区域的判剧;选取新疆乌鲁木齐大泉湖典型火区,分别在高温区域和区域外测试了电磁辐射信号;分析了煤田火区电磁辐射信号的空间变化特征,高温区域内的电磁辐射信号与温度具有较好对应性;利用电磁辐射定向定位高温异常区域,结合钻孔温度进行了验证。研究成果为应用电磁辐射探测煤自燃隐蔽火源,在线监测预警煤田火区、煤堆火灾以及采空区自燃危险提供了依据。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD752.2
【部分图文】：

此时煤与氧气发生一系列物理化学反应，产生多种气体产物。煤自燃火灾预报技术是基于上述发展现象，根据煤氧化放热时引起的温度、指标气体等参数的变化情况，较早发现自燃征兆，判断自燃状态的技术[44,45]。目前，预报方法主要有指标气体分析法、温度检测法、示踪气体法、气味检测法等[46]。除此之外，煤自燃发火的基础参数测试对于煤自燃火灾的预测预报具有重要指导作用。主要的参数测试有[47,48]：煤自燃倾向性的测定、煤最短自然发火期的测定、煤自然发火预测预报标志气体及指标的选择、煤炭自然发火最佳阻化剂及其浓度选择、煤炭自然发火临界氧浓度测定煤炭自然发火火区熄灭程度指标测定等实验。（2）煤自燃危险区域判定煤自燃危险区域判定是根据现场实际条件下采空区、巷道顶煤及巷道沿空侧遗煤自燃的极限参数（下限氧浓度、最小浮煤厚度、上限当量粒径等），推导出不同区域煤自燃的必要条件；根据自燃的必要条件，划分出为极易自燃区域、易自燃区域、可能自燃区域和不自燃区域。徐精彩等[49-51]提出了完整煤层自燃危险区域判定的理论体系，如图 1-1 所示。

冲和煤火燃空区发电位法煤火区使电力线和电位线发色可靠性好，分辨率高；抗干扰能力强需要实验和数学体探测法煤在不同温度产生的气体种类和浓度不同方法简单，经济，作定性研究受限于煤层深度；定煤层自燃位置和干扰因素多，可靠气探测法 煤层自燃后产生氡气 设备操作灵活 抗干扰性差元示踪技术利用 SF6 和 CF2CIBr 作为示踪剂进行色谱分析结果可靠简单对热解温度过高与高温情况不适煤岩变形破裂电磁辐射研究现状岩发生变形破裂时，煤岩体中的能量会以热能、弹性能、声能、电放出来，煤自燃过程中的红外辐射法即是基于上述能量释放得来的方法。煤岩电磁辐射是煤岩等材料在变形破裂过程中以电磁波的形一种现象[86]，电磁辐射的波谱比较宽，如图 1-2 所示，其中红外和于电磁辐射范畴，只是频率和波长不同。

（2）煤自燃特征点温度测试采用程序升温装置测试煤的交叉点温度，升温速率为 1.2°C/min。使用热重析仪测试 3 种煤样在 0~600°C 热解过程中煤的重量变化，煤样的初始重量为mg；氧气体积分数为 21%，煤的升温速率分别为 5K/min，在此实验条件下，别测量煤的特征温度值。（3）煤自燃指标气体测试将煤样进行粉碎和分级筛取，取 0.180~0.380mm 煤样，将煤样放入程序升温内煤样罐中。空气流量为 50ml/min，升温速度为 1.2°C/min。在 30~180°C 之每 10°C 取一次气体，把取得的气体送入气相色谱仪，记录气体产物和温度值。1.3 煤氧化升温物性参数测试结果（1）煤的导热性系数根据瞬变平面热源法测试原理，测试了 BL、SHJ，TT 煤在常温常压下的导系数，如图 2-1（a）所示。测试得到三种煤样的导热系数在 0.279~0.325W/(m·K)间。
【参考文献】

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本文编号：2880138