安靖宇，張 健,2,3，季德閣，蔡茂林，許 博，張鵬妍

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

礦井火災(zāi)作為一種煤礦重大災(zāi)害，其影響范圍廣、發(fā)展迅速，甚至?xí)l(fā)瓦斯爆炸和煤塵爆炸等更大規(guī)模的災(zāi)害，在瓦斯突出與煤自燃復(fù)合災(zāi)害礦井中更會(huì)衍生出其他問題[1]，比如瓦斯卸壓抽采過程中導(dǎo)致的漏風(fēng)強(qiáng)度增加促進(jìn)煤體氧化的問題等[2]。煤層自燃是礦井火災(zāi)最主要的誘因[3]，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦井煤層自燃是煤礦防滅火工作的重點(diǎn)。在煤自燃過程中，煤表面活性結(jié)構(gòu)會(huì)熱解生成多種氣體，這些氣體的產(chǎn)生與煤溫存在一定的關(guān)系[4]，根據(jù)氣體產(chǎn)物的濃度、比例及其產(chǎn)生速率等參數(shù)來預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火進(jìn)程的方法稱為指標(biāo)氣體法。該方法較為成熟，且已被廣泛用于煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。然而在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)不同含水率的煤最佳的指標(biāo)氣體及其預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不同[5]。地溫等煤層埋藏條件也會(huì)對(duì)自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響[6]。在開采侏羅紀(jì)煤的礦井中發(fā)現(xiàn)回風(fēng)隅角CO氣體濃度在采空區(qū)浮煤溫度并未明顯升高的情況下保持較高濃度的現(xiàn)象，如果仍按照經(jīng)驗(yàn)判斷煤層自燃狀態(tài)不但會(huì)浪費(fèi)人力物力資源，而且會(huì)干擾礦井的安全高效生產(chǎn)[7]。因此，煤層最佳的指標(biāo)氣體及其參數(shù)受煤的種類、煤層埋藏條件和礦井實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)條件的影響，僅僅憑借經(jīng)驗(yàn)確定煤層自燃特征溫度和標(biāo)志性氣體參數(shù)是不可取的，根據(jù)煤樣的升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析優(yōu)選指標(biāo)氣體是十分必要的。

本文對(duì)西北某礦2號(hào)煤和3號(hào)煤煤樣進(jìn)行程序升溫-氣相色譜實(shí)驗(yàn)，結(jié)合指標(biāo)氣體的選取原則，運(yùn)用分段擬合及灰色關(guān)聯(lián)度分析法，得出煤氧化階段的特征溫度并對(duì)各個(gè)指標(biāo)氣體進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取可靠性更高的指標(biāo)氣體，為更好地掌握自然發(fā)火的發(fā)展趨勢(shì)和更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤層自燃提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)煤樣取自西北某礦31209和31313工作面，工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。2號(hào)煤和3號(hào)煤煤層自燃傾向性等級(jí)均為Ⅰ類，屬于容易自燃煤層，自然發(fā)火期均為2～3個(gè)月。原煤經(jīng)封閉運(yùn)輸后，剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?，在空氣中破碎并篩分出40～80目(380～180 μm)的顆粒50 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣，每種煤樣做2次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析Table 1 Coal quality industry analysis table

將煤樣放入真空干燥箱中，以40 ℃真空干燥48 h，之后裝入橫截面積為7 698 mm2，裝煤高度220 mm的煤樣罐，將煤樣罐置于程序升溫箱內(nèi)，連入氣路并檢查其氣密性，如圖1所示。干空氣流量調(diào)為96 mL/min，預(yù)通空氣30 min排出吸附氣體，之后將程序升溫箱初始溫度設(shè)置為40 ℃，升溫速率0.8 ℃/min，終止溫度設(shè)定為240 ℃，開始實(shí)驗(yàn)，每12 min取1次氣通入氣相色譜進(jìn)行分析，通過氣相色譜分析可得出O2，CO，CH4，C2H4和C2H6等氣體體積分?jǐn)?shù)隨溫度的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 耗氧速率

煤炭發(fā)生自燃是一定量的煤體在一系列物理化學(xué)反應(yīng)的作用下放出熱量，并在一定條件下使產(chǎn)熱量大于散熱量，從而導(dǎo)致熱量積聚使煤體不斷升溫造成的結(jié)果。在煤自燃的過程中發(fā)生的熱效應(yīng)有很多，包括有礦物質(zhì)氧化和水解、煤的潤(rùn)濕、瓦斯脫附和吸附等，但是對(duì)煤的自然發(fā)熱起最主要作用的是煤氧復(fù)合熱效應(yīng)[8]。煤的耗氧速率變化趨勢(shì)與煤自燃產(chǎn)物的變化趨勢(shì)相似[9]。煤自燃在微觀層面上是由煤的連續(xù)氧化反應(yīng)引起的，這些反應(yīng)產(chǎn)生熱能使煤溫升高，并進(jìn)一步激活煤分子中的官能團(tuán)，引起官能團(tuán)類型和數(shù)量的變化[10]。煤氧復(fù)合能力及其放熱能力體現(xiàn)了煤的內(nèi)在自燃屬性，通過對(duì)這一內(nèi)在屬性的分析可以得出不同階段煤自燃的特征溫度。煤氧復(fù)合能力及其放熱能力在一定程度上可用耗氧速率來衡量[11]。

在本文程序升溫-氣相色譜實(shí)驗(yàn)中，干空氣在煤樣罐中沿罐體中心軸縱向流動(dòng)，假設(shè)氣體流速恒定，忽略其他因素的影響，實(shí)驗(yàn)中耗氧速率的計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：VO2為耗氧速率，mol/(cm3·s)；Q為實(shí)驗(yàn)中通入干空氣的流量，mL/min；S為煤樣罐的橫截面積，cm2；n為煤樣孔隙率，%；CO2為通入干空氣的氧濃度，為21%；H為煤樣罐的裝煤高度，mm；C為煤樣罐頂處的氧濃度，%。

實(shí)驗(yàn)得出的2種煤樣耗氧速率隨煤溫變化的關(guān)系如圖2和圖3所示，可知，隨著2種煤樣溫度的升高，耗氧速率均呈指數(shù)增長(zhǎng)，而且有一定的階段變化趨勢(shì)，2種煤樣在溫度低于70 ℃時(shí)，耗氧速率保持在較低的水平，推測(cè)此時(shí)煤體處于緩慢氧化階段；之后2個(gè)煤樣的耗氧速率均開始逐步提高，耗氧速率曲線明顯變陡；在110 ℃左右時(shí)，耗氧速率曲線急劇變陡，出現(xiàn)了第2次明顯的提高，推測(cè)此時(shí)煤體處于劇烈氧化階段。

圖2 2號(hào)煤耗氧速率與煤溫的關(guān)系Fig.2 The relationship between coal oxygen consumption rate and coal temperature

圖3 3號(hào)煤耗氧速率與煤溫的關(guān)系Fig.3 The relationship between coal oxygen consumption rate and coal temperature

2.2 特征溫度的確定

煤自燃的起因是煤分子中的某些活性基團(tuán)或活性結(jié)構(gòu)與空氣中的氧氣發(fā)生了吸附和化學(xué)作用，吸附過程中伴隨著以放熱為主要效應(yīng)的熱效應(yīng)，導(dǎo)致煤體溫度上升[12]。在煤自燃氧化的初期，對(duì)氧氣的吸附以物理吸附為主，當(dāng)煤和氧之間的物理吸附趨于平衡時(shí)，化學(xué)吸附會(huì)占主導(dǎo)作用，放熱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，吸附速度加快，CO2和CO等氣體產(chǎn)量開始增多，煤的耗氧速率增大，煤體升溫速度第1次出現(xiàn)加快，此時(shí)的溫度即為煤自燃的臨界溫度。當(dāng)煤到達(dá)臨界溫度以后，煤氧復(fù)合作用開始加速，放熱強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量增大，耗氧速率上升迅速。當(dāng)煤溫到達(dá)一定溫度以后，煤分子的側(cè)鏈斷裂，參與氧化反應(yīng)[13]，產(chǎn)生C2H2和C2H4等氣體，此時(shí)的溫度即煤的干裂臨界溫度，宏觀表現(xiàn)為煤升溫速度的第2次突然加快。

由耗氧速率與煤溫的關(guān)系，采用分段線性擬合的方式，對(duì)耗氧速率曲線進(jìn)行3段線性擬合，在保證擬合效果較好的前提下，用擬合直線的斜率來代表這一溫度范圍內(nèi)的平均耗氧速率，通過這種方法可以運(yùn)用數(shù)學(xué)工具將耗氧速率突變點(diǎn)找出來，認(rèn)為3段擬合直線形成的2個(gè)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為耗氧速率突變溫度點(diǎn)。在耗氧速率突變溫度點(diǎn)之前，煤的耗氧速率較低，突變溫度點(diǎn)之后，煤耗氧速率快速加大，耗氧速率的突增在一定程度上反映了煤氧復(fù)合反應(yīng)的突增。耗氧速率突變溫度點(diǎn)可作為煤樣從緩慢氧化到快速氧化的分界點(diǎn)，即可作為煤自燃的特征溫度[14]。2號(hào)煤和3號(hào)煤的耗氧速率分段直線擬合如圖4和圖5所示。

圖4 2號(hào)煤耗氧速率曲線的分段擬合Fig.4 Piecewise fitting of No.2 coal oxygen consumption rate curve

圖5 3號(hào)煤耗氧速率曲線的分段擬合Fig.5 Piecewise fitting of No.3 coal oxygen consumption rate curve

由2號(hào)煤的耗氧速率分段直線擬合結(jié)果可以計(jì)算出，煤的自燃臨界溫度為73.0 ℃左右，其干裂溫度為112.6 ℃左右。由3號(hào)煤的耗氧速率分段直線擬合結(jié)果可以計(jì)算出，煤的自燃臨界溫度為72.1 ℃左右，其干裂溫度為109.8 ℃左右。

2.3 CO氣體

在煤的氧化過程中，氧分子先攻擊煤中的活性基團(tuán)產(chǎn)生活潑的中間體，然后中間體進(jìn)一步反應(yīng)生成CO2，CO和H2O，所以CO氣體在煤自燃的早期就會(huì)產(chǎn)生，常作為煤自燃的主要指標(biāo)氣體[15]。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2種煤樣CO氣體對(duì)煤溫的靈敏度很高，當(dāng)煤溫上升至40 ℃時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到15×10-6左右，而且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)CO氣體對(duì)煤溫都呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢(shì)，符合標(biāo)志氣體的選取原則。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)變化與耗氧速率變化曲線有著很相似的規(guī)律，因此，對(duì)2號(hào)煤的低溫CO體積分?jǐn)?shù)和整體CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線分別進(jìn)行分段直線擬合，并找出低溫階段和溫度較高時(shí)的CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)，如圖6和圖7所示。

圖6 2號(hào)煤低溫階段CO體積分?jǐn)?shù)曲線的分段擬合Fig.6 Piecewise fitting of CO volume fraction curve of No.2 coal at low temperature

圖7 2號(hào)煤CO體積分?jǐn)?shù)曲線的分段擬合Fig.7 Piecewise fitting of CO volume fraction curve of No.2 coal

由圖6～7可知，2號(hào)煤在低溫階段時(shí)的CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)溫度為66.2 ℃，在溫度較高時(shí)的CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)溫度為106.3 ℃，這2個(gè)體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)2號(hào)煤的臨界自燃溫度和臨界干裂溫度。并且2個(gè)體積分?jǐn)?shù)突變均出現(xiàn)在臨界溫度之前，符合指標(biāo)氣體的早期顯現(xiàn)性，便于及時(shí)預(yù)警。對(duì)3號(hào)煤的低溫CO體積分?jǐn)?shù)和整體CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線進(jìn)行分段直線擬合的結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 3號(hào)煤溫度較低時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)曲線的分段擬合Fig.8 Piecewise fitting of CO concentration curve at low temperature of No.3 coal

圖9 3號(hào)煤CO體積分?jǐn)?shù)曲線的分段擬合Fig.9 Piecewise fitting of CO volume fraction curve of No.3 coal

由圖8～9可知，3號(hào)煤的2個(gè)體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)與3號(hào)煤的臨界自燃溫度和臨界干裂溫度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，2個(gè)CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)溫度分別為61.5 ℃和103.1 ℃，同樣符合指標(biāo)氣體的早期顯現(xiàn)性。由于2種煤樣的CO氣體符合指標(biāo)氣體的靈敏性、規(guī)律性、單調(diào)變化性和早期顯現(xiàn)性的選取原則，且在臨界自燃溫度和臨界干裂溫度處都出現(xiàn)了相對(duì)較大的體積分?jǐn)?shù)激增現(xiàn)象，對(duì)煤自熱升溫進(jìn)程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有很大的意義，因此，選取CO氣體作為2種煤全溫度下的主要指標(biāo)氣體。

2.4 C2H4氣體

C2H4氣體是煤自燃發(fā)生到一定階段的產(chǎn)物，由于其在煤氧化自燃的初期產(chǎn)生量很低，在煤達(dá)到或超過干裂溫度后產(chǎn)生量明顯增高的特性，常用來預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤的加速氧化情況[16]。2號(hào)煤與3號(hào)煤的干裂溫度均在100 ℃以上，且當(dāng)煤溫達(dá)到220 ℃時(shí)煤已經(jīng)進(jìn)入燃燒階段，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)已無意義，因此，選擇C2H4氣體作為100～220 ℃階段的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體，如圖10所示。

圖10 干裂溫度階段2，3號(hào)煤C2H4體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.10 C2H4volume fraction curve of No.2 and 3 coal at about dry cracking temperature

在實(shí)驗(yàn)條件下，2，3號(hào)煤的C2H4體積分?jǐn)?shù)在100 ℃之前均保持在1×10-6以下，在100 ℃之后C2H4體積分?jǐn)?shù)曲線呈指數(shù)上升趨勢(shì)，當(dāng)煤溫超過120 ℃才有了明顯的提高，其生成量隨溫度的提高是單調(diào)遞增的，且在160 ℃時(shí)有了明顯的提升，隨后其體積分?jǐn)?shù)迅速增加至50×10-6以上，完全能夠滿足檢測(cè)要求，具備指標(biāo)氣體的基本特征。C2H4體積分?jǐn)?shù)的激增表明煤溫已經(jīng)超過了煤的臨界干裂溫度，是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤即將進(jìn)入燃燒狀態(tài)的良好輔助指標(biāo)氣體。

2.5 C2H6氣體

C2H6是煤自燃初期就會(huì)產(chǎn)生的指標(biāo)氣體[17]，在實(shí)驗(yàn)條件下，2種煤樣C2H6體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線如圖11所示，這2種煤樣表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，在100 ℃之前保持在較低的水平，在100 ℃處C2H6體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)激增，之后保持指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)直到180 ℃左右，超過180 ℃后其產(chǎn)生速率放緩。在指數(shù)增長(zhǎng)階段，3號(hào)煤的增長(zhǎng)速率更高，當(dāng)煤溫達(dá)到180 ℃時(shí)其C2H6體積分?jǐn)?shù)達(dá)到29×10-6，同樣情況下2號(hào)煤C2H6體積分?jǐn)?shù)為17 ×10-6。

圖11 2，3號(hào)煤C2H6體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.11 C2H6volume fraction curves of No.2 and 3 coal

由于2，3號(hào)煤在100～180 ℃時(shí)均處于指數(shù)增長(zhǎng)狀態(tài)，且在100 ℃處有相對(duì)較大的C2H6體積分?jǐn)?shù)突增現(xiàn)象，可以用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤在干裂溫度附近的溫升情況，但是2種煤在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中其產(chǎn)生C2H6體積分?jǐn)?shù)均未超過35 ×10-6，產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)較低不易檢測(cè)且誤差較大，因此，選取C2H6氣體作為煤干裂溫度及之后氧化進(jìn)程的參考指標(biāo)氣體。

2.6 烯烷比和鏈烷比

烯烷比和鏈烷比受風(fēng)流及自燃氧化范圍的影響較小，根據(jù)鏈烷比和烯烷比的變化，預(yù)報(bào)煤炭自燃的發(fā)展階段，比依據(jù)單獨(dú)氣體進(jìn)行預(yù)報(bào)更合理[18]。2，3號(hào)煤的烯烷比在溫度較低時(shí)隨煤溫的升高呈線性上升的趨勢(shì)，當(dāng)煤溫超過100 ℃以后2種煤樣的烯烷比呈指數(shù)上升的趨勢(shì)，且2號(hào)煤的烯烷比較同溫度下3號(hào)煤的烯烷比平均高0.3，如圖12所示。

圖12 2，3號(hào)煤烯烷比隨溫度變化曲線Fig.12 Curve of No.2 and 3 coal-enane ratio changing with temperature

雖然2種煤樣的烯烷比在全溫度下均保持較好的規(guī)律上升性，但是2種煤樣的C2H4和C2H6氣體在100 ℃以下時(shí)均保持在較低的水平，靈敏度較低，而且2種煤樣在160 ℃左右出現(xiàn)了驟增現(xiàn)象，對(duì)煤自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有較大的意義，故選擇烯烷比作為煤體干裂溫度及之后煤自燃氧化進(jìn)程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

2，3號(hào)煤的鏈烷比隨溫度的變化趨勢(shì)類似，在100 ℃之前呈線性上升的趨勢(shì)，2號(hào)煤在120 ℃左右而3號(hào)煤在130 ℃左右出現(xiàn)了鏈烷比驟降的趨勢(shì)，而驟降現(xiàn)象出現(xiàn)后鏈烷比又緩慢上升。分析數(shù)據(jù)得出是由于C2H6和CH4的生成趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)為110 ℃之前產(chǎn)生量很低之后體積分?jǐn)?shù)突增，不同的是CH4增加幅度遠(yuǎn)大于C2H6，實(shí)驗(yàn)條件下在130 ℃時(shí)CH4體積分?jǐn)?shù)為41×10-6，遠(yuǎn)大于同等條件下C2H6的3.5×10-6，這就導(dǎo)致了2種氣體同時(shí)激增時(shí)鏈烷比卻突然下降的現(xiàn)象，如圖13所示。

圖13 2，3號(hào)煤鏈烷比隨溫度變化曲線Fig.13 Change curve of No.2 and 3 coal chain alkane ratio with temperature

由于2種煤的鏈烷比總體上呈先升后降的趨勢(shì)，導(dǎo)致出現(xiàn)同一鏈烷比值對(duì)應(yīng)2個(gè)煤溫的情況，不利于判斷煤的自燃進(jìn)程，加上煤層中吸附的大量CH4氣體的影響，鏈烷比在本煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中受到了一定限制。

3 各標(biāo)志氣體的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析作為1種系統(tǒng)分析技術(shù)，是根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)因素序列與系統(tǒng)特征序列之間的幾何形狀相似程度來分析和判斷其關(guān)聯(lián)程度的，是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢(shì)的量化比較分析，以關(guān)聯(lián)程度大小作為評(píng)價(jià)各因素主次關(guān)系的量化依據(jù)，從而對(duì)各因素進(jìn)行優(yōu)選，為系統(tǒng)預(yù)測(cè)、決策、控制提供有用信息和可靠的依據(jù)[19]。

實(shí)驗(yàn)條件下，在煤升溫氧化過程中，由于CO氣體在整個(gè)溫度周期內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且CO氣體在煤自燃臨界溫度和干裂溫度處都有較為明顯的激增現(xiàn)象，因此，作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)氣體來預(yù)測(cè)整個(gè)自燃周期的氧化進(jìn)程。由于在低溫階段烴類氣體的產(chǎn)生量較小，所以選擇烴類氣體及烯烷比作為煤自燃干裂溫度及之后氧化進(jìn)程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為了采用量化指標(biāo)準(zhǔn)確地選取這一階段最佳的指標(biāo)氣體，對(duì)90～160 ℃的各類氣體指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

記X1為CO濃度，X2為C2H4濃度，X3為C2H6濃度，X4為烯烷比，Y表示煤體溫度，成立5個(gè)數(shù)組：Y={y(1)，y(2)，y(3)，y(4)，y(5)，y(6)}；Xi={xi(1)，xi(2)，xi(3)，xi(4)，xi(5)，xi(6)}，i=(1,2,3,4)。對(duì)數(shù)組進(jìn)行初始化后計(jì)算每個(gè)數(shù)組的序列差，得出數(shù)組極大差并計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：Y為參考序列；X為被比較序列；i取1,2,3,4分別對(duì)應(yīng)4個(gè)被比較數(shù)組序號(hào)；K取1,2,3,4,5,6分別對(duì)應(yīng)90～160 ℃區(qū)間實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)；ρ為分辨率，取0.5；η為被比較序列對(duì)參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)，即指標(biāo)氣體對(duì)煤溫的關(guān)聯(lián)系數(shù)；M為數(shù)組極大差。

分別得出2種煤在每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上各個(gè)指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)系數(shù)，取平均值后可得對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表2。

表2 2，3號(hào)煤干裂溫度后指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of index gas after 2,3 coal cracking temperature

當(dāng)分辨率ρ取0.5時(shí)，關(guān)聯(lián)度大于0.6便認(rèn)為結(jié)果滿意，由灰色關(guān)聯(lián)度分析可知，2號(hào)煤在干裂溫度及之后的自燃進(jìn)程中，烯烷比和C2H4氣體的變化趨勢(shì)較為符合煤體升溫的趨勢(shì)，是該階段較優(yōu)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體，CO和C2H6次之；3號(hào)煤在干裂溫度及之后的自燃進(jìn)程中，烯烷比、C2H4氣體和C2H6氣體的變化趨勢(shì)較為符合煤體升溫的趨勢(shì)，是該階段較優(yōu)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體，CO次之。

4 結(jié)論

1)采用分段線性擬合的方式，對(duì)耗氧速率曲線進(jìn)行3段線性擬合，用擬合直線的斜率來代表這一溫度范圍內(nèi)的平均耗氧速率，3段擬合直線形成的2個(gè)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為耗氧速率突變溫度點(diǎn)，由此得出2號(hào)煤的自燃臨界溫度為73.0 ℃左右，干裂溫度為112.6 ℃左右；3號(hào)煤的自燃臨界溫度為72.1 ℃左右，其干裂溫度為109.8 ℃左右。

2)通過分段直線擬合找出2種煤樣的CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)溫度，2號(hào)煤為66.2 ℃和106.3 ℃，3號(hào)煤為61.5 ℃和103.1 ℃，2號(hào)煤和3號(hào)煤在溫度較低和溫度較高時(shí)的CO體積分?jǐn)?shù)突變點(diǎn)分別與各自的臨界自燃溫度和臨界干裂溫度基本保持一致，根據(jù)這一優(yōu)良性質(zhì)選取CO作為2種煤全溫度下的主要指標(biāo)氣體。

3)C2H4在160 ℃時(shí)出現(xiàn)激增現(xiàn)象且其體積分?jǐn)?shù)較高，適于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤在干裂溫度后的自燃進(jìn)程。C2H6產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)較低但在煤干裂溫度附近出現(xiàn)激增現(xiàn)象，適于作為煤干裂溫度及之后氧化進(jìn)程的指標(biāo)氣體。2種煤樣的烯烷比在全溫度下均保持較好的規(guī)律上升性，且在160 ℃左右出現(xiàn)了驟增現(xiàn)象，考慮低溫時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)較低，認(rèn)為其適于煤體干裂溫度及之后煤自燃氧化進(jìn)程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

4)由灰色關(guān)聯(lián)度分析得出，在90～160 ℃范圍內(nèi)，2號(hào)煤的烯烷比和C2H4氣體是較優(yōu)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體，3號(hào)煤的烯烷比、C2H4氣體和C2H6氣體是較優(yōu)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體。