本文是一篇工程硕士论文，本文通过小型煤堆和L型多孔通道实验，得到热源在不同温度和埋深下温度场分布规律；最后构建搭建煤堆自燃预警系统，通过模拟煤堆自燃区域，指导监测设备安装位置，利用软件整合预警指标并分析监测设备的监测数据，从而预测火源区域和自燃的发展程度。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
煤炭作为重要的一次能源以及化工原料，在我国的能源消费占比中起到重要的作用。根据国家统计局统计（如图1-1所示），在近6年内，虽然煤炭消耗在我国能源消耗总量中占比有所下降，但是基于我国能源消耗总量的持续增长，煤炭的消耗量反而在逐渐增加[1]。
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根据国家能源局统计，煤炭消耗的主要行业为电力行业、钢铁行业、建筑行业和化工行业。2021年电力行业发电用煤达到了24.2亿吨，占总煤炭总消耗的56%（如图1-2）[2]。在如此这样巨大的耗煤需求前提下，重点电厂和化工企业为保证正常生产，都会建设煤场进行煤炭的临时储存。根据中国煤炭市场网的数据，我国全社会煤炭库存在近三年始终处于2~3.5亿吨之间波动[3]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 煤氧化及自燃机理研究
由于煤中各官能团的氧化反应活性的不同,煤中官能团的氧化反应按照反应活化能所需顺序依次进行，渐进活化而与氧发生反应的自加速升温，最终导致煤的自然发火[6]。
Kreulen[7]认为，在煤低温氧化阶段，氧主要以吸附或表面冷凝的形式被吸入煤的结构中。在这一阶段，它的存在是由质量的重量增加来表示的。在温度进一步提升后，吸附的氧气会变成实际的化学组合，并产生水和二氧化碳。Kam[8-9]通过对烟煤氧化过程进行建模分析，提出煤的双平行反应，既在考虑煤直接氧化反应之前，首先考虑煤孔隙表面对氧气的化学吸附作用。程远平、李增华等人[10-12]认为煤自燃是由煤氧复合作用并释放出热量并且发生了热量的积聚而引起的，其发展一般经过煤与氧之间的物理、化学吸附和化学反应三个阶段。在煤炭自燃升温过程中，首先与空气发生物理吸附反应，导致物理吸附热的释放，从而为后续反应积累蓄热。随后，煤对氧的化学吸附和化学反应发生，伴随着化学吸附热和反应热的释放，煤体温度逐渐升高，当温度达到煤的着火点温度时就会引发煤体的自燃现象。
煤氧物理吸附主要由范德华力提供。研究表明，煤对氧的物理吸附是从-80℃就开始的，并且物理吸附是一个可逆的动态过程[10,13-14]。此外，除了吸附甲烷外，煤还可以吸附氮气、二氧化碳、氢气等气体。这说明，煤对气体的物理吸附过程没有选择性[15-16]。并且这种吸附作用会随压力的升高而升高，随温度的升高而降低[17-18]。陆伟、王德明等人[19]对煤自燃过程中煤物理吸附氧进行了理论分析,发现：煤物理吸附氧量随着环境温度的升高而下降，这说明温度对煤的物理吸附氧过程具有负向的影响；随着煤样粒度的增大，物理吸附氧量先增加后下降，表明粒度对煤的物理吸附氧过程存在一个最佳范围；煤的变质程度与物理吸附氧量之间没有直接关系，说明煤的化学性质对物理吸附氧过程影响较小。
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2 变氧气氛下煤自燃指标气体与动力学参数研究
2.1 实验材料和准备
选用褐煤、长焰煤和焦煤作为实验煤样，从生产矿井中采出大块煤样进行取样，对煤芯使用破碎机进行破碎，筛分得到每种煤样20~50目煤粉500g，200目煤粉100g。筛分完成后取部分煤粉进行工业分析，并将剩余煤粉装入预先准备好的密封袋中，压出空气密封并标记，取即将检测的煤样置入真空干燥箱中，便于后续实验的取用。煤样如图2-1所示。
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工业分析依据GB/T 212.2008《煤的工业分析方法》中的标准。水分测定选用方法B（空气干燥法），使用鼓风干燥箱控温105~110℃对煤样干燥处理，使用电子分析天平称量煤样计算质量变化；灰分的测定选用缓慢灰化法，灰分和挥发分的测定均使用马弗炉进行。
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2.2 实验的装置和步骤
煤样的标志性气体通过程序升温装置和气相色谱联用装置进行检测，装置主要由升温区域（包括升温装置、煤样罐）、监测调节区域（包括和温度记录装置、各种气瓶、气体发生装置）、和分析区域（气相色谱）组成。
2.2.1 实验仪器
程序升温装置型号为SP-6801A，支持编程升温，最低升温速率为0.1℃/min。装置如图2-3所示，装置内包括加热丝、煤样罐、通风管路和鼓风散热扇，程序升温装置侧边带有流量转子，可以观测和控制煤样罐进气量。通过装置预留通道外接温度探头到煤样罐和箱体中，实时监测煤样温度。
实验温度的监测采用64路温度记录仪如图2-4所示，同时引2路K型电热偶到程序升温装置中。一路探头实时记录箱内温度，一路纪录煤样罐温度。温度记录仪每隔十秒钟记录一次温度数据。
本实验系统中的气源根据使用用途分为氧化升温用气和气相色谱用气，氧化升温用气选择选择的是由徐州特气公司调配的6%、10%、14%和17%的8Mpa、12L氮中氧气瓶以及小型空压机进行供气；气相色谱用气包括空气发生器以及标气、氢气和氮气气瓶。气瓶出口安装黄铜减压阀，气路通道使用内径为4mm的软管以及铜管，气流流量由减压阀和程序升温装置内置的玻璃转子流量计协同控制。供气调节系统如图2-5所示。
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3 松散煤堆内温度场实验研究 ................................ 37
3.1 煤堆实验原料及准备 .............................. 37
3.2 实验的方法和过程 .................................. 39
4 煤堆中烟囱效应实验研究 ............................ 56
4.1 煤堆中的烟囱效应 ............................... 56
4.2 实验装置和步骤 ...................................... 57
5 自燃预警系统的研发和应用 ................................. 68
5.1 系统研发 ........................................ 68
5.2 现场情况分析与模拟研究 ............................ 72
5 自燃预警系统的研发和应用
5.1 系统研发
5.1.1 系统功能
为了进行煤自燃预警数据的整体性分析，并提高数据分析的可靠度，本研究团队开发了一款基于现场应用的煤自燃预警软件。软件功能架构如下所示（见图5-1），其中包括四大模块，分别为“系统管理”、“场景管理”、“预警管理”、“统计分析”。
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（1）系统管理：包括用户管理，角色管理和日志管理。提供软件的维护并保护使用者的信息安全。
（2）场景管理：包括煤场信息、设备管理和故障分析三个方面。煤场信息是将储煤环境的基本信息，如煤场、煤仓范围，储煤位置，煤场通风环境，煤自燃危险等级等参数接入系统；设备管理是对束管采样装置和光纤测温终端进行编号并确定其采样位置。
（3）预警管理：包括指标分类与预警规则的选择。预警指标由测温和标志性气体组成。测温由预埋的测温光纤进行温度数据的实时监测；标志性气体主要选择以CO浓度、初现温度和复合气体指标（φCO/φC2H4、φCH4/φC2H4、φC2H6/φC2H4、φCH4/φC2H6等）作为预警指标。两种方法互相印证，并由软件整合分析。
（4）统计分析：可以实现数据的记录以及实时分析。软件可以自动生成气体浓度变化的曲线，可以记录当前和历史时期收集到的预警信息，为当前煤场煤自燃指标优化提供数据支撑，并提供后期优化分析的手段。同时系统还可以导出日工作报表，作为防灭火工作台账。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文以褐煤、长焰煤和焦煤作为研究对象，首先根据程序升温-气相色谱实验，搭建变氧气氛下煤自燃预警模型并得到煤自燃耗氧速率和氧化动力学参数。然后，通过小型煤堆和L型多孔通道实验，得到热源在不同温度和埋深下温度场分布规律；最后构建搭建煤堆自燃预警系统，通过模拟煤堆自燃区域，指导监测设备安装位置，利用软件整合预警指标并分析监测设备的监测数据，从而预测火源区域和自燃的发展程度。研究所得结论如下：
（1）测定6%、10%、14%、17%和空气氛围下褐煤、长焰煤、焦煤的标志气体变化规律，实验发现在反应温度低于110℃时，标志气体的生成和氧气氛围相关性较小。温度超过110℃后，预警气体曲线逐渐按照供氧浓度大小从上到下排列。温度超过140℃，各种变质程度煤陆续达到自燃点。褐煤的自燃温度点为179℃，自燃临界氧浓度为10%；长焰煤的自燃温度点为172℃，自燃临界氧浓度为14%；焦煤的自燃临界温度为304℃，自燃临界氧浓度为17%。
（2）根据指标气体的初现温度和比值曲线，建立了褐煤、长焰煤和焦煤的预警临界指标。并通过Arrhenius公式，处理程序升温-气相色谱装置的检测数据，使用分段函数的形式推导出基于耗氧速率的煤体低温氧化过程煤体动力学参数和反应温度以及氧气氛围的关系。
参考文献（略）