硫化矿自燃预测预报理论与技术

阳富强、吴超所著的《硫化矿自燃预测预报理论与技术》借助著名数据库，统计分析了国内外有关矿山自燃火灾研究的文献共计300余篇。阐述了现有解释硫化矿石自然发火的各种理论，包括物理吸附氧机理、化学热力学机理、电化学机理以及微生物氧化机理。综述了硫化矿石自燃倾向性测试技术的研究成果，着重评述了硫化矿石自燃倾向性测试的吸氧速度法、传统的交叉点温度法、动态自热率测试法、绝热氧化法、金属网篮交叉点法、综合指标测试法、程序升温氧化法等，并将各种测试方法加以分类。

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究意义

1.3 金属矿山硫化矿自燃火灾的研究现状

1.3.1 国内外文献检索

1.3.2 硫化矿石自燃机理的研究现状

1.3.3 硫化矿石自燃预测技术的研究现状

1.3.4 硫化矿石自燃预报技术的研究现状

1.3.5 硫化矿石自燃防治技术的研究现状

1.4 研究现状的评价

1.5 研究内容及技术路线

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 研究的技术路线

2 硫化矿石的常温氧化行为及影响因素分析

2.1 典型硫化矿物的结构特性

2.2 硫化矿石的常温氧化实验

2.2.1 矿样采集

2.2.2 矿样分析

2.2.3 实验操作

2.3 硫化矿石常温氧化中的微观形貌及化学成分

2.4 硫化矿石常温氧化的影响因素

2.4.1 晶体结构与化学组成

2.4.2 含水率与空气湿度

2.4.3 氧气浓度及铁离子含量

2.4.4 环境温度

2.4.5 环境的pH值及矿样粒度

2.4.6 微生物作用

2.4.7 地质条件

2.4.8 其他影响因素

2.5 本章小结

3 硫化矿石自燃的机械活化理论

3.1 硫化矿石自然发火过程的表征

3.1.1 物理化学性质的改变

3.1.2 热量的释放

3.1.3 气体的生成

3.2 硫化矿石自燃机理研究评述

3.2.1 物理吸附氧机理

3.2.2 电化学机理

3.2.3 微生物作用机理

3.2.4 化学热力学机理

3.3 机械力化学的基础理论

3.4 破碎引发的物理与化学现象

3.4.1 比表面积和新生表面

3.4.2 晶格缺陷

3.4.3 晶格畸变与颗粒非晶化

3.4.4 晶型转变

3.4.5 热量的生成

3.4.6 固相反应

3.4.7 其他物性变化

3.5 硫化矿石的机械活化

3.5.1 硫化矿石的机械活化效应

3.5.2 硫化矿石机械活化的研究现状

3.5.3 硫化矿石的机械活化实验

3.5.4 矿样机械活化后的物理化学性质变化

3.6 本章小结

4 硫化矿石自燃倾向性测试的动力学方法研究

4.1 硫化矿石自燃倾向性测试的金属网篮交叉点温度法

4.1.1 实验介绍

4.1.2 实验数据及分析

4.1.3 氧化动力学参数的计算

4.2 硫化矿石自燃的TG/Dsc联合测试研究

4.2.1 实验矿样与仪器

4.2.2 实验的主要影响因素分析

4.2.3 数据处理与分析

4.3 硫化矿石自燃的热分析动力学研究

4.3.1 硫化矿石自燃的反应动力学机理

4.3.2 硫化矿石自燃的表观活化能计算

4.4 硫化矿石预氧化前后的表观活化能比较

4.4.1 矿样的预氧化

4.4.2 实验数据及分析

4.4.3 矿样预氧化后的表观活化能

4.5 硫化矿石自燃倾向性的鉴定标准

4.6 本章小结

5 硫化矿石自燃预测的数学模型及综合评价研究

5.1 硫化矿石自然发火过程的数学模型

5.1.1 硫化矿石自燃的特征

5.1.2 硫化矿石堆内部的风流场

5.1.3 硫化矿石堆内部的氧浓度场

5.1.4 硫化矿石堆内温度场的数学模型

5.2 硫化矿石自然发火期数学模型的构建

5.2.1 基于电化学理论的矿石自然发火期

5.2.2 基于传热学理论的矿石自然发火期

5.3 硫化矿石爆堆自燃深度的测算模型

5.4 矿仓硫精矿的自燃临界堆积厚度

5.4.1 相关理论

5.4.2 实验及数据分析

5.5 采场环境中硫化矿石爆堆的自燃危险性评价研究

5.5.1 未确知测度理论概述

5.5.2 采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价指标体系的建立

5.5.3 实例应用

5.6 本章小结

6 硫化矿石自然发火重要参数的确定及数值模拟

6.1 孔与孔隙率

6.1.1 孔隙率

6.1.2 比表面积M

6.1.3 硫化矿石的块度

6.2 渗透系数

6.3 耗氧速率

6.4 传热系数

6.4.1 导热系数

6.4.2 采场环境的不稳定传热系数

6.4.3 矿石的放热强度

6.5 数值解算软件

6.5.1 MATLAB软件

6.5.2 ANSYS软件

6.5.3 FLUENT软件

6.6 硫化矿石动态自热速率的测试装置及模拟

6.6.1 新的实验装置

6.6.2 矿样自热过程的数值模拟

6.7 风流场与气体浓度场的数值模拟

6.8 硫化矿堆温度场的数值模拟

6.8.1 基于MATI.AB软件的矿堆温度场模拟

6.8.2 冬瓜山铜矿矿仓硫精矿自热的温度场

6.8.3 某硫铁矿山自燃矿石爆堆的灭火效果预测

6.9 本章小结

7 硫化矿自燃火灾的非接触式检测技术研究及应用

7.1 硫化矿石自然发火检测技术的研究概况

7.2 非接触式测温技术概述

7.2.1 红外辐射的基本理论

7.2.2 红外测温仪的工作原理

7.2.3 红外热成像仪的工作原理

7.3 硫化矿氧化自热的非接触式测定实验

7.3.1 实验准备与实验步骤

7.3.2 实验数据分析

7.3.3 红外测温误差的产生机理

7.4 温度检测装置的改进

7.5 硫化矿自燃非接触式检测装置的选择及应用

7.5.1 矿山红外测温装置的选择方法

7.5.2 矿堆自燃检测装置的应用

7.5.3 硫化矿堆自燃火源位置的反演

7.6 本章小结

8 主要研究结论与展望

8.1 主要研究结论

8.2 研究工作的展望

参考文献2100433B

阳富强、吴超所著的《硫化矿自燃预测预报理论与技术》在阐述硫化矿自然发火本质特征的基础上，以预测预报金属矿山硫化矿自燃火灾为出发点，详细介绍了硫化矿常温氧化的行为及影响因素、自然发火机理、自燃倾向性测试技术、自燃预测数学模型、数值模拟技术、自燃危险性评价方法、自燃火灾的非接触式检测技术等方面的最新研究成果。

《硫化矿自燃预测预报理论与技术》可供有关矿山设计、研究、开发和管理的科研人员、工程技术人员和现场施工管理人员等参阅，也可供高校采矿工程和安全工程等专业的研究生参考学习。

1.后者是具体天气状况的预报，而前者则是某时段内气候要素和天气状况平均统计量的预测。

2.天气预报一般仅限于对大气圈和水圈物理过程的分析，而气候预测必须考虑包括大气、海洋、大陆、冰雪、生物圈等在内的气候系统内能量和物质交换以及天文因子的影响。

3.后者主要依赖于初值，而前者既依赖于初始条件，也依赖于边界条件或者完全依赖于边界条件。依赖于以上两种条件的可预报性被洛仑茨称为第一类可预报性。对于长期(几十年或几百年)的气候变化预测，如由人类活动造成的温室气体增加引起的全球气候变化，将不依赖于大气的初始条件，这是由于模式在长期积分之后，将完全丧失对初始条件的记忆。这种完全依赖于详细边界条件变化的气候预测被洛仑茨称为第二类可预报性，其可预报性决定于外界强迫变化的时问尺度。由于气候系统的惯性，即使施加于边界的外强迫消失之后很久，气候系统还将继续变化相当长的时间，甚至长达十年以上，海平面上升的响应就是一个例子。由于第一类可预报性的时间一般不超过3周，因此，月时间尺度以上的短期气候预测，基本上也是在第二类可预报性意义下进行的。

4.时间较长的气候预测，还要考虑到人类活动对气候变化的影响。最早的气候预测是根据过去某一段时间气候平均值的外推。但在编制时效为数年的气候预测时，大都沿用长期天气预报中的某些方法。例如，用时间序列的分析技术，分析气候要素的历史变化，寻找序列本身的演变规律，建立气候预测方程，或者寻找气候要素同一种或数种环境因子之间的统计联系，然后根据相关因子的变化来预测未来的气候。有的国家已用数值模拟方法推断未来气候。

在煤矿生产中，煤的自燃一直是重大灾害，它极易引发瓦斯爆炸、水煤气爆炸等重大事故，严重危害矿井安全。但煤自燃监测预报基本只是人工在危险的井下各个分散点采集相关数据，用的是多台不同类型的仪器仪表，不仅价格高昂，而且费时费力，此外对数据的分析处理，也基本处于人工经验判断的水平上，更不具备实时性。采用虚拟仪器技术构造监测平台，可以节省大量硬件方面的投资，用软件实现硬件的功能，把多台不同的仪器统一组态，并根据井下的具体情况，实现远程的分布式测量网络。

自燃系统煤层自燃的实质及预测预报技术

煤层自燃是由于煤体逐渐发生低温氧化，热量逐渐蓄积，最终发生自燃。按照煤层自燃的阶段是否出现自燃发火征兆，预测预报技术可分为预报和预测两种。煤在氧化自热到自燃这一复杂的物理化学变化过程中，随着煤温的上升，要序列性地释放出CO、CH4、C2H4等气体，称之为指标气体。因此，掌握煤炭在自热到自燃过程各阶段中所释放的气体成份以及自燃发火指标气体的变化规律，是分析煤炭氧化程度的重要依据。经研究表明，CO及C₂H₄作为预测指标气体较好。但由于C₂H₄出现的温度较高，产生量小，因此，用它来校正预报出现的温度偏

差，而主要把CO作为早期预报的指标。以CO指标气体为中心，建立自燃早期预报系统。此外，井下综采面的氧浓度、漏风强度、煤岩体温度、煤厚度等因素也决定了煤层自燃的倾向性和危险性。同时也将对以上因素实时采集、分析，以建立实时监测，从而达到对煤层自燃的预测。

自燃系统虚拟仪器

通过测得实时的CO含量，与历史数据结合，建立灰色模型，得到时间预报序列。结合设定的警报值，预报出煤自燃发火的日期。考虑到井下的实际情况及未来网络化发展的需要，本软件具有初步的局域网通信功能，基于TCP/IP协议，下位机(客户机)采集的实时数据送到上位机(服务器)显示，发送时双机均要打开TCP连接，并指定相同的端口。

该模块有写盘和读盘两个功能，采集的信号波形文件可以存储，采集的最终数值送入历时数组中，形成新的序列，以供预测，日后查询时也可以打开。

软件系统试运行后，和煤矿实际采集数据和历史实际自燃发火日期对比，证明该系统不仅具有系统采集精度高、使用方便、节省人力和设备投资的优点，而且预测的发火日期准确，证明预测模型结构合理有效。本软件系统为今后煤矿井下监控网络一体化作出了有益的探索。 2100433B

《煤层自然发火预测预报及防治技术》在分析煤层自然发火基本概念和理论的基础上，研究了煤层自燃倾向性的鉴定方法、煤层自然发火危险程度的综合评价、煤层自然发火预测预报指标气体分析方法；建立了煤层自然发火预测预报系统、开发了煤自然发火预测预报模糊系统；最后介绍了煤层自然发火的防治技术。《煤层自然发火预测预报及防治技术》主要供矿山企业的工程技术人员及管理干部使用，也可作为科研院所科研人员、矿业类专业大学本科生及研究生参考用书。

《煤层自然发火预测预报及防治技术》由冶金工业出版社出版。