一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，绘制实验室环境下煤自燃温度与气体浓度比值之间的关系曲线，计算任意相邻两点之间曲线的平均斜率，并依次求解前后两组平均斜率的绝对值之差，差值最大值处的点即为曲线特征点，该特征点对应的温度值即为煤自燃拐点温度。以井下环境中煤在常温与着火时实测气体浓度比值为端点，利用相似三角形原理，确定井下环境中煤自燃温度与气体浓度比值关系曲线的特征点，进而拟合井下环境中煤自燃温度与气体浓度值的关系曲线，最终实现井下煤氧化温升的推算。本发明专利技术提出的推算煤氧化温升的方法逻辑性强、科学可靠，提高了井下环境中煤自燃预测的精准性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法
本专利技术涉及一种推算煤氧化温升的方法，具体是一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法。
技术介绍
矿井火灾是煤矿主要灾害之一，其中由于煤岩裂隙漏风导致的煤自燃火灾事故占矿井火灾总数的90％以上。矿井火灾会烧毁大量的煤炭资源和设备；产生大量的高温烟流和有害气体，严重危及井下人员的生命安全。同时煤炭自燃常常引发瓦斯爆炸和煤尘爆炸，进一步扩大矿井火灾的灾难性。煤炭自燃所引发的矿井火灾导致大量采煤工作面被封闭，因封闭工作面造成千万吨的煤量被冻结，同时采煤工作面中价值高昂的综采设备被密闭在火区中，这些给矿井带来了巨大的经济损失和重大的事故隐患。因此亟需对煤自燃进行针对性的防控。目前一般都是基于实验室环境下程序升温对应煤氧化产生的气体种类及浓度的变化规律，利用实验室得到的煤温与气体种类及浓度之间的关系曲线来预测实际煤温。煤自燃所表现的重要特征是温度情况，而且在现场煤自燃防控过程中对所需采取的措施和选择过程中考虑到的关键参数(灭火剂的冷量大小和种类的选择)依赖煤自燃温度，因此有必要得到现场实际的煤温度值。为了能够更加准确的推算现场实际煤温。国内学者得出指标气体浓度增长率的拐点与出现指标气体的温度具有一致性的结论。但是此结论并未指出煤氧化速率加快与气体浓度增长率之间的关系。另外还有研究通过得出优选指标气体与煤自燃加速阶段关联程度最佳的结论。上述研究只是在指标气体与煤自燃温度相关性上进行，没有对现场煤炭自燃情况进行预测，也没有涉及到可以反映现场实际情况推算方法。由于矿井下煤岩体裂隙存在漏风等因素对煤氧化气体浓度的变化有影响，因此在实验室得出的煤自燃的数据与矿井实际情况相差较大，从而无法精确推算煤发生自燃的情况。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，通过建立实测气体浓度比值与煤氧化温升的公式，然后根据实际测量的气体浓度比值即可得出实际煤温升的情况，从而有效提高推算煤发生自燃的精确性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，具体步骤为：(1)在常温实验室进行煤自燃氧化升温试验，并测量得出升温试验中不同煤温下CO2气体浓度与CO气体浓度的气体浓度比值最后根据测得的数据采用三次多项式在气体浓度比值-煤温T坐标系下拟合出实验室测量参数曲线AB；(2)在曲线AB上以纵坐标等间距(即煤温等间距)取C1～Ci点，其中：i＝1、2…n，然后计算所取各个点中相邻点之间的平均斜率K，具体计算公式为：Ki＝(Ci+1-Ci)/(Ti+1-Ti)其中Ki为i点处气体浓度比值随温度变化的平均斜率；Ci、Ci+1分别是i和i+1点的气体浓度比值；Ti、Ti+1分别是i和i+1点所对应的煤体温度；由于曲线AB是呈下降趋势，从而计算得出的平均斜率是负数，因此将得出的各个点的平均斜率K均取绝对值；上述所取点数越多得到的各个点中相邻点之间的平均斜率的准确度越高。由于曲线AB表示的是随着煤体温度T的升高，煤的氧化程度加快。所以在曲线AB上存在一点能够划分煤的氧化快慢的程度，而煤氧化的快慢是由单位时间内氧化气体产物(如CO和CO2)气体的浓度来反映，因此在曲线AB上体现煤氧化快慢是曲线的斜率变化快慢。(3)确定曲线AB上的煤自燃温度拐点C：温度拐点C表示的是煤自燃过程中，温度达到某临界温度时，煤的氧化速率发生明显加速，此时自燃过程进入快速氧化阶段；计算所取各个点中相邻点之间的斜率变化率Li，具体计算公式为：其中Ki、Ki+1分别是i和i+1点的平均斜率；Ti、Ti+1分别是i和i+1点所对应的煤体温度；在得出的各个斜率变化率L中选择斜率变化率最大的LK，并将LK所对应的曲线AB上选取点确定为煤自燃温度拐点C；(4)确定实际测量参数温度拐点E点的位置：气体浓度比值与煤温T坐标系下，在曲线AB上取A点和B点，并分别确定A点的煤温及气体浓度比值坐标、B点的煤温及气体浓度比值坐标，设P点和Q点均处在实际测量参数曲线上，且P点与曲线AB的A点在同一温度线上，并在井下实际测量煤温处于该温度线时的气体浓度比值，进而得出P点的煤温及气体浓度比值坐标；Q点与曲线AB的B点在同一温度线上，并在井下实际测量煤温处于该温度线时的气体浓度比值，进而得出Q点的煤温及气体浓度比值坐标；由于同一种煤岩的实际测量参数曲线与实验室测量参数曲线之间相似，因此曲线PQ与曲线AB之间相似，同时AB之间的连线为直线AB，PQ之间的连线为直线PQ，且直线AB与直线PQ平行，根据步骤(3)确定的C点，过C点作垂直于气体浓度比值轴的直线，交直线AB、曲线PQ和直线PQ于点D、点E和点F，则C点对应的横坐标TC为煤氧化升温的拐点温度；利用相似三角形可以得出：由此得到线段EF的长度，则确定实际测量参数温度拐点E点的位置；(5)采用如下三次多项式得出P、E、Q拟合所在的曲线，从而得到实际测量参数的曲线公式，具体为：式中：T为煤体的预测温度，为对应温度下气体浓度的比值；该拟合曲线可以在30～200℃的范围内建立煤自燃的推算表达式；参数K1、K2、K3、K4的具体计算过程为：采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：最小；上述已知实验数据点Ci(xi，yi)(i＝1,…,n)，用三次函数做近似拟合曲线，并使均方误差为最小；由此得出参数K1、K2、K3、K4的值；(6)根据得出的实际测量参数曲线公式并结合C点的坐标，得出E点的位置坐标；(7)对井下的气体浓度比值进行监测，根据实际测量的实时气体浓度比值代入步骤(5)得出的实际测量参数曲线公式，进而得出该时刻的实际煤体温度，最终实现井下煤氧化温升的推算过程。与现有技术相比，本专利技术采用先在实验室中进行煤自燃氧化升温试验，从而建立该种煤岩的气体浓度比值与煤温T之间的关系，得出实验室测量参数曲线AB；然后由于同一种煤岩的实验室测量参数曲线和实际测量参数曲线具有相似性，且无论在什么条件下同一种煤岩的自燃温度拐点是相同的，因此通过得出实际测量参数曲线上几个点值，然后根据相似性得出实际测量参数曲线的公式，最后根据实际测量的气体浓度比值得出井下煤氧化温升的推算过程；本专利技术考虑实际的气体浓度比值受到矿井下煤岩体裂隙存在漏风等因素影响变化的情况，从而能有效提高推算煤发生自燃的精确性。附图说明图1是本专利技术的煤自燃温度计算示意图；图2是实施例1采用本专利技术得出的该处煤自燃温度预测计算图；图3是实施例2采用本专利技术得出的该处煤自燃温度预测计算图；图4是实施例3采用本专利技术得出的该处煤自燃温度预测计算图。具体实施方式下面将对本专利技术做进一步说明。如图所示，一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，具体步骤为：(1)在常温实验室进行煤自燃氧化升温试验，并测量得出升温试验中不同煤温下CO2气体浓度与CO气体浓度的气体浓度比值最后根据测得的数据采用三次多项式在气体浓度比值-煤温T坐标系下拟合出实验室测量参数曲线AB；(2)在曲线AB上以纵坐标等间距(即煤温等间距)取C1～Ci点，其中：i＝1、2…n，然后计算所取各个点中相邻点之间的平均斜率K，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，其特征在于，具体步骤为：(1)在常温实验室进行煤自燃氧化升温试验，并测量得出升温试验中不同煤温下CO2气体浓度与CO气体浓度的气体浓度比值

【技术特征摘要】
1.一种基于井下实测气体浓度值推算煤氧化温升的方法，其特征在于，具体步骤为：(1)在常温实验室进行煤自燃氧化升温试验，并测量得出升温试验中不同煤温下CO2气体浓度与CO气体浓度的气体浓度比值最后根据测得的数据采用三次多项式在气体浓度比值-煤温T坐标系下拟合出实验室测量参数曲线AB；(2)在曲线AB上以纵坐标等间距取C1～Ci点，其中：i＝1、2…n，然后计算所取各个点中相邻点之间的平均斜率K，具体计算公式为：Ki＝(Ci+1-Ci)/(Ti+1-Ti)其中Ki为i点处气体浓度比值随温度变化的平均斜率；Ci、Ci+1分别是i和i+1点的气体浓度比值；Ti、Ti+1分别是i和i+1点所对应的煤体温度；将得出的各个点的平均斜率K均取绝对值；(3)确定曲线AB上的煤自燃温度拐点C：计算所取各个点中相邻点之间的斜率变化率Li，具体计算公式为：其中Ki、Ki+1分别是i和i+1点的平均斜率；Ti、Ti+1分别是i和i+1点所对应的煤体温度；在得出的各个斜率变化率L中选择斜率变化率最大的LK，并将LK所对应的曲线AB上选取点确定为煤自燃温度拐点C；(4)确定实际测量参数温度拐点E点的位置：气体浓度比值与煤温T坐标系下，在曲线AB上取A点和B点，并分别确定A点的煤温及气体浓度比值坐标、B点的煤温及气体浓度比值坐标，设P点和Q点均处在实际测量参数曲线上，且P点与曲线AB的A点在同一温度线上，并在井下实际测量煤温处于该温度线时的气体浓度比值，进而得出P点的煤温及气体浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁义，张天宇，施式亮，陈世强，杨帆，吴宽，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43