CN107621480A - 基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置及方法，该装置包括炉体、铜罐、输气机构、气体检测机构和温度检测机构，炉体的炉膛底部设置有加热器，输气机构包括通气管和空气泵，气体检测机构包括排气管和通过三通管连接在排气管上的气相色谱检测仪；该方法包括步骤：一、采集煤样；二、密封炉体；三、安装温度检测机构；四、通入空气；五、设定加热器的加热功率和铜罐内的极限温度；六、获取第二热电偶在含有煤样状态下的温度时间参数；七、获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数；八、确定煤样自燃发火期。本发明通过加热器恒功率等热流引领煤样升温，记录煤自燃过程中对应时间上的温度值，精确检测煤自燃发火周期。

Description

基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置及方法

技术领域

本发明属于煤自燃发火周期检测技术领域，具体涉及一种基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置及方法。

背景技术

矿井火灾的防治是煤炭安全生产一大难题，很大程度上制约着矿井的正常生产和经济效益，影响着工作人员的身体健康，甚至是生命安全。其中，内因火灾火源隐蔽性之强，破坏性之大，发生率之高，仍然是威胁矿井安全的一个重要事故类型。内因火灾机理为煤氧复合理论，当满足良好蓄热环境及通风环境时，经历一系列吸附放热、氧化放热、热解吸热等反应后出现煤自燃现象。目前，为解决煤自燃问题国内外对煤自燃的研究方法多种多样。通过X-射线荧光光谱(XRF)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光子能谱技术(XPS)、13C核磁共振技术(13C-NMR)、热重色谱质谱红外法(TG-FTIR-GC/MS)联用或单用手段、电子显微镜结合能谱扫描(SEM-EDX)、全硫分析、物理化学吸附等手段研究煤分子的物化结构和自燃微观属性；通过不同规模的自燃升温、绝热升温、程序升温测试系统研究煤的自燃危险性；采用统计法、实验测试、数学模型计算、数值模拟等手段确定煤自燃发火期。其中，微观测试技术数据较为精准，但是很难做到综合考虑多方因素的影响集成；自燃危险性测定技术众多，但是重复实验可行性性不高；数值模拟或数学模型计算的方法权重分配行业内至今没有定论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其设计新颖合理，通过将铜罐密封进在炉体内，为煤样自燃发火提供一个理想的实验环境，通过加热器恒功率等热流引领煤样升温，记录煤自燃过程中对应时间上的温度值，精确检测煤自燃发火周期，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：包括炉体、设置在炉体内用于放置煤样的铜罐、为铜罐通入空气的输气机构、用于检测铜罐内煤样反应后气体组分的气体检测机构以及检测炉体内炉膛温度与铜罐内温度的温度检测机构，炉体通过炉盖密封，炉体的炉膛底部设置有加热器，所述输气机构包括穿过炉盖伸入至铜罐内的通气管和连接在通气管位于炉盖外一端的空气泵，通气管与空气泵连接的管段上设置有流量计，通气管伸入至炉盖内的管段为螺旋结构，所述气体检测机构包括穿过炉盖伸入至铜罐内的排气管和通过三通管连接在排气管位于炉盖外一端的气相色谱检测仪，空气泵和加热器均由计算机控制，气相色谱检测仪的信号输出端和端流量计的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

上述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述炉体的外侧设置有保温棉。

上述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述三通管为T型三通管，排气管与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪通过取气管与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线。

上述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖伸入至炉体内的绝热管和设置在绝热管内用于测量炉体内炉膛温度的第一热电偶，以及依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入排气管内的第二热电偶，第一热电偶的信号输出端和第二热电偶的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

上述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述铜罐设置在炉体炉膛的中心位置处。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可准确检测煤自燃发火周期的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、采集煤样：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间且质量为m₃的煤样，将制作的煤样装入铜罐中；

步骤二、密封炉体：将装有煤样的铜罐缓慢放置在炉体内，对铜罐连接通气管和排气管，将炉盖安装在炉体上，对炉体进行密封；

步骤三、安装温度检测机构：在炉体上安装温度检测机构，所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖伸入至炉体内的绝热管、设置在绝热管内用于测量炉体内炉膛温度的第一热电偶和通过三通管伸入至排气管内用于测量铜罐内温度的第二热电偶；

所述三通管为T型三通管，排气管与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪通过取气管与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线，第二热电偶依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入至排气管内，第一热电偶与绝热管螺旋密封，第二热电偶与所述T型三通管的第三端口螺旋密封；

步骤四、通入空气：采用空气泵向连接铜罐的通气管内通入空气，采用安装在通气管上的流量计检测通入铜罐内空气的流量；

步骤五、设定加热器的加热功率和铜罐内的极限温度：设定炉体的炉膛底部加热器的加热功率P，加热器以加热功率P等热流引领升温，确定铜罐内的极限温度T_j，当第二热电偶测量到铜罐内温度达到极限温度T_j时，停止检测装置工作；

步骤六、获取第二热电偶在含有煤样状态下的温度时间参数：加热器以加热功率P等热流引领煤样升温，在常温至极限温度之间设置温度节点t_i，其中，i为节点数量且i为不小于3的正整数，分别记录第二热电偶探测到温度节点t_i时对应的时间T_i，采用计算机对第二热电偶在含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到含有煤样状态下的温度时间函数F₁(T)；另外，采用气相色谱检测仪依次通过取气管、所述T型三通管和排气管获取时间T_i下铜罐内混合气体成分；

步骤七、获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数：加热器以加热功率P等热流引领升温，分别记录实验时间达到时间T_i时，第二热电偶探测到的温度节点t_i'，采用计算机对第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到不含有煤样状态下的温度时间函数F₂(T)；

步骤八、确定煤样自燃发火期，过程如下：

步骤801、根据公式Q₃＝Q₁-Q₂，计算煤样累计放热量Q₃，其中，Q₁为含有煤样状态下的累计放热量且Q₁＝c₁m₁F₁(T)+c₂m₂F₁(T)+c₃m₃F₁(T)，c₁为空气比热容系数，m₁为炉体内空气质量，c₂为铜罐的比热容系数，m₂为铜罐的质量，c₃为煤样的比热容系数，Q₂为不含有煤样状态下的累计放热量且Q₂＝c₁m₁F₂(T)+c₂m₂F₂(T)；

步骤802、获取煤样累计放热强度：对煤样累计放热量Q₃在时间上求导，得到煤样累计放热强度q₃；

步骤803、根据公式计算时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i，其中，q_3,i为时间T_i下的煤样累计放热强度，为新鲜风流环境下氧气浓度，为时间T_i下的气相色谱检测仪获取的铜罐内实际氧气浓度；

步骤804、获取新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)：对时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i进行曲线拟合，得到新鲜风流环境下放热强度函数q_0,3，再对放热强度函数q_0,3在时间上积分，得到新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)；

步骤805、判断新鲜风流环境下煤样的放热量是否有效：根据公式计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时的放热强度下限值根据公式计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时的放热强度上限值其中，ΔH₁为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时煤样的热焓且ΔH₁＝58.8kJ/mol，ΔH₂为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时煤样的热焓且ΔH₂＝284.97kJ/mol，ΔH_CO为新鲜风流环境下氧气生成一氧化碳时煤样的热焓且ΔH_CO＝311.9kJ/mol，为新鲜风流环境下氧气生成二氧化碳时煤样的热焓且 为新鲜风流中的耗氧速率且 为新鲜风流中的一氧化碳产生率且 为新鲜风流中的二氧化碳产生率且Q_f为空气泵向铜罐内通入的空气量，V_m为煤样的体积，V_n为铜罐的容积，为新鲜风流环境下二氧化碳浓度，为空气泵向铜罐内通入空气中的氧气的浓度，为取气管实时获取铜罐内混合气体成分中的氧气的浓度，为空气泵向铜罐内通入空气中的一氧化碳的浓度，为取气管实时获取铜罐内混合气体成分中的一氧化碳的浓度，为空气泵向铜罐内通入空气中的二氧化碳的浓度，为取气管实时获取铜罐内混合气体成分中的二氧化碳的浓度；对放热强度下限值在时间上积分，得到放热量下限函数Q_min(T)，对放热强度上限值在时间上积分，得到放热量上限函数Q_max(T)，当在相同时间点T_ε上，存在Q_min(T_ε)<Q_0,3(T_ε)<Q_max(T_ε)，说明新鲜风流环境下煤样的放热量有效，否则新鲜风流环境下煤样的放热量无效，排查检测装置连接；

步骤806、根据公式计算煤样从常温达到自燃温度340℃时的放热量其中，Δt为温度从常温达到自燃温度340℃时的温度变化量；

步骤807、获得煤样自燃发火时间：将煤样达到自燃温度340℃时的放热量带入新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)，找出煤样达到自燃温度340℃时放热量所对应的时间，即为煤样自燃发火时间。

上述的方法，其特征在于：所述m₃为100g～200g；所述极限温度T_j为500℃。

上述的方法，其特征在于：步骤七中获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数之前先将铜罐中煤样清除干净，在循环步骤二至步骤五。

上述的方法，其特征在于：所述炉体的炉膛底部加热器的加热功率P为5W～45W。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的检测装置，通过炉体的炉膛底部的加热器恒功率等热流工作，通过在密闭炉体内设置导热性较好的铜罐，通过加热铜罐进而引领煤样升温，采用温度检测机构检测炉体内炉膛温度与铜罐内温度，由于铜罐导热性较好，可实现炉体内炉膛温度与铜罐内温度差极小，满足炉体内炉膛温度与铜罐内温度近似相等，便于推广使用。

2、本发明采用的检测装置，通过将通气管伸入至炉盖内的管段设计为螺旋结构，实现空气行程长，便于空气加热，实现通入铜罐内的空气与铜罐内温度近似相等，避免温度差给实验带来的影响，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明采用的检测装置采用空气泵为通气管中通入空气配合煤样反应，采用气相色谱检测仪检测各个时间节点上铜罐内煤样反应后生成混合气体的成分，便于后期计算煤样的放热量。

4、本发明采用的检测方法，步骤简单，通过将铜罐密封进在炉体内，为煤样自燃发火提供一个理想的实验环境，通过加热器恒功率等热流引领煤样升温，并设定铜罐内的极限温度满足煤样自燃温度，记录煤从常温至极限温度之间的煤自燃过程中对应时间上的温度值；通过清除煤样后记录不含有煤样状态下检测装置的温度时间参数，通过两次实验下放热量差值确定煤样累计放热量，精确检测煤自燃发火周期，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过将铜罐密封进在炉体内，为煤样自燃发火提供一个理想的实验环境，通过加热器恒功率等热流引领煤样升温，记录煤自燃过程中对应时间上的温度值，精确检测煤自燃发火周期，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的检测装置的结构连接示意图。

图2为本发明采用的检测方法的流程框图。

附图标记说明:

1—保温棉； 2—炉体； 3—加热器；

4—铜罐； 5—排气管； 6—通气管；

7—流量计； 8—空气泵； 9—三通管；

10—第二热电偶； 11—取气管； 12—气相色谱检测仪；

13—炉盖； 14—绝热管； 15—第一热电偶。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，包括炉体2、设置在炉体2内用于放置煤样的铜罐4、为铜罐4通入空气的输气机构、用于检测铜罐4内煤样反应后气体组分的气体检测机构以及检测炉体2内炉膛温度与铜罐4内温度的温度检测机构，炉体2通过炉盖13密封，炉体2的炉膛底部设置有加热器3，所述输气机构包括穿过炉盖13伸入至铜罐4内的通气管6和连接在通气管6位于炉盖13外一端的空气泵8，通气管6与空气泵8连接的管段上设置有流量计7，通气管6伸入至炉盖13内的管段为螺旋结构，所述气体检测机构包括穿过炉盖13伸入至铜罐4内的排气管5和通过三通管9连接在排气管5位于炉盖13外一端的气相色谱检测仪12，空气泵8和加热器3均由计算机控制，气相色谱检测仪12的信号输出端和端流量计7的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

需要说明的是，将用于放置煤样的铜罐4设置在炉体2内，炉体2通过炉盖13密封，为煤样自燃发火提供一个理想的实验环境，由于铜罐4具体良好的导热性，炉体2的炉膛底部设置有加热器3，通过加热器3工作加热炉体2内气体，热气体通过热传导使铜罐4升温，进而实现铜罐4内煤样的升温，通过加热器3恒功率等热流引领煤样升温，温度检测机构的设置是为了实时检测炉体2内炉膛温度与铜罐4内温度，避免炉体2内炉膛温度与铜罐4内温度差过大，若炉体2内炉膛温度与铜罐4内温度差过大，说明炉体2密封不严实，需对炉体2的密封进行人工检查直至炉体2密封合格；检测装置设置为铜罐4通入空气的输气机构的目的是为煤样提供自燃的必不可少的一个因素，即氧气，采用空气泵8为通气管6中通入空气配合煤样反应，通气管6伸入至炉盖13内的管段为螺旋结构的目的是实现空气行程加长，便于空气稳定加热，实现通入铜罐4内的空气与铜罐4内温度近似相等，避免温度差给实验带来的影响；检测装置设置用于检测铜罐4内煤样反应后气体组分的气体检测机构的目的是便于后期计算煤样的放热量，采用气相色谱检测仪12检测各个时间节点上铜罐4内煤样反应后生成混合气体的成分，通过煤样反应后生成混合气体的成分的变化获知煤样反应的程度，精准确定煤样自燃发火周期。

本实施例中，所述炉体2的外侧设置有保温棉1。

需要说明的是，炉体2的外侧设置有保温棉1，一是为了加固支撑炉体2，二是为了避免炉体2散热带走热量，减少热量交换，保证加热器3恒功率稳定运行。

本实施例中，所述三通管9为T型三通管，排气管5与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪12通过取气管11与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线。

需要说明的是，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线，说明T型三通管的第一端口和T型三通管的第三端口连通并水平设置，T型三通管的第二端口垂直于T型三通管的第一端口或T型三通管的第三端口，其目的是实现第二热电偶10直插入排气管5内，所述T型三通管的第三端口封闭避免排气管5内气体流失带走热量。

本实施例中，所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖13伸入至炉体2内的绝热管14和设置在绝热管14内用于测量炉体2内炉膛温度的第一热电偶15，以及依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入排气管5内的第二热电偶10，第一热电偶15的信号输出端和第二热电偶10的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

需要说明的是，第一热电偶15设置在绝热管14内便于采集炉体2内气体温度，绝热管14可避免热传导，保证第一热电偶15采集炉体2内气体温度值准确，第二热电偶10依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入排气管5内便于采集铜罐4内温度，煤自燃发火实验需保持炉体2内与铜罐4内温度近似，第一热电偶15和第二热电偶10的配合实现测量炉体2内各个位置的温度值，确保实验环境可靠有效。

本实施例中，所述铜罐4设置在炉体2炉膛的中心位置处。

需要说明的是，铜罐4设置在炉体2炉膛的中心位置处是为了减少热传递带来的热量不均衡，减少由于设备安装引入的实验误差。

如图2所示的一种基于引领绝热的煤自燃发火周期检测的方法，包括以下步骤：

步骤一、采集煤样：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间且质量为m₃的煤样，将制作的煤样装入铜罐4中；

本实施例中，所述m₃为100g～200g；

需要说明的是，实验所需煤样的质量m₃可任意选取，后期经过单位质量换算可统一转换为具有对比性质量煤样的发火周期时间，所述m₃为100g～200g是根据实际实验设备情况以及考虑缩短实验时间而选取的煤样质量。

步骤二、密封炉体：将装有煤样的铜罐4缓慢放置在炉体2内，对铜罐4连接通气管6和排气管5，将炉盖13安装在炉体2上，对炉体2进行密封；

步骤三、安装温度检测机构：在炉体2上安装温度检测机构，所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖13伸入至炉体2内的绝热管14、设置在绝热管14内用于测量炉体2内炉膛温度的第一热电偶15和通过三通管9伸入至排气管5内用于测量铜罐4内温度的第二热电偶10；

所述三通管9为T型三通管，排气管5与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪12通过取气管11与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线，第二热电偶10依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入至排气管5内，第一热电偶15与绝热管14螺旋密封，第二热电偶10与所述T型三通管的第三端口螺旋密封；

步骤四、通入空气：采用空气泵8向连接铜罐4的通气管6内通入空气，采用安装在通气管6上的流量计7检测通入铜罐4内空气的流量；

步骤五、设定加热器的加热功率和铜罐内的极限温度：设定炉体2的炉膛底部加热器3的加热功率P，加热器3以加热功率P等热流引领升温，确定铜罐4内的极限温度T_j，当第二热电偶10测量到铜罐4内温度达到极限温度T_j时，停止检测装置工作；

本实施例中，所述极限温度T_j为500℃。

需要说明的是，默认煤样自燃温度为340℃，保证实验正常进行设定实验温度为常温至极限温度T_j为500℃，尽可能的避免煤样温度未达到自燃发火温度，导致实验数据有误；设定炉体2的炉膛底部加热器3的一个加热功率P后，保持加热功率P恒定工作引领煤样升温自燃发火。

步骤六、获取第二热电偶在含有煤样状态下的温度时间参数：加热器3以加热功率P等热流引领煤样升温，在常温至极限温度之间设置温度节点t_i，其中，i为节点数量且i为不小于3的正整数，分别记录第二热电偶10探测到温度节点t_i时对应的时间T_i，采用计算机对第二热电偶10在含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到含有煤样状态下的温度时间函数F₁(T)；另外，采用气相色谱检测仪12依次通过取气管11、所述T型三通管和排气管5获取时间T_i下铜罐4内混合气体成分；

需要说明的是，在常温至极限温度之间设置温度节点t_i记录各个温度值所对应的时间点，温度节点t_i的数量越多，获取的数据越精确同时工作量也越大，因此优选的选取9个温度节点，9个温度节点分别为第一温度节点t₁、第二温度节点t₂、第三温度节点t₃、第四温度节点t₄、第五温度节点t₅、第六温度节点t₆、第七温度节点t₇、第八温度节点t₈、第九温度节点t₉，同时计算机记录第一温度节点t₁时对应的时间T₁、第二温度节点t₂时对应的时间T₂、第三温度节点t₃时对应的时间T₃、第四温度节点t₄时对应的时间T₄、第五温度节点t₅时对应的时间T₅、第六温度节点t₆时对应的时间T₆、第七温度节点t₇时对应的时间T₇、第八温度节点t₈时对应的时间T₈、第九温度节点t₉时对应的时间T₉，采用计算机对第二热电偶10在含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到含有煤样状态下温度节点t_i时对应的时间T_i的温度时间函数F₁(T)；并采用气相色谱检测仪12获取温度节点t_i时对应的时间T_i下铜罐4内混合气体成分。

步骤七、获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数：加热器3以加热功率P等热流引领升温，分别记录实验时间达到时间T_i时，第二热电偶10探测到的温度节点t_i'，采用计算机对第二热电偶10在不含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到不含有煤样状态下的温度时间函数F₂(T)；

本实施例中，步骤七中获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数之前先将铜罐4中煤样清除干净，在循环步骤二至步骤五。

需要说明的是，第二热电偶10测量在含有煤样状态下的温度时间参数后煤样自燃发火，煤样作废，此时需清除煤样，循环步骤二至步骤五对没有放置煤样的检测装置进行同条件测量，通过单一差值法确定煤样的放热情况，此时用与含有煤样状态下实验时相同时间节点测量对应的温度，查看温度变化情况，既在没有煤样的情况下通过计算机记录时间T₁时第二热电偶10探测到的第一温度节点t₁'、时间T₂时第二热电偶10探测到的第二温度节点t'₂、时间T₃时第二热电偶10探测到的第三温度节点t'₃、时间T₄时第二热电偶10探测到的第四温度节点t'₄、时间T₅时第二热电偶10探测到的第五温度节点t'₅、时间T₆时第二热电偶10探测到的第六温度节点t'₆、时间T₇时第二热电偶10探测到的第七温度节点t'₇、时间T₈时第二热电偶10探测到的第八温度节点t'₈、时间T₉时第二热电偶10探测到的第九温度节点t'₉，采用计算机对第二热电偶10在不含煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到不含煤样状态下时间T_i对应的温度节点t_i'的温度时间函数F₂(T)。

步骤八、确定煤样自燃发火期，过程如下：

步骤801、根据公式Q₃＝Q₁-Q₂，计算煤样累计放热量Q₃，其中，Q₁为含有煤样状态下的累计放热量且Q₁＝c₁m₁F₁(T)+c₂m₂F₁(T)+c₃m₃F₁(T)，c₁为空气比热容系数，m₁为炉体内空气质量，c₂为铜罐4的比热容系数，m₂为铜罐4的质量，c₃为煤样的比热容系数，Q₂为不含有煤样状态下的累计放热量且Q₂＝c₁m₁F₂(T)+c₂m₂F₂(T)；

步骤802、获取煤样累计放热强度：对煤样累计放热量Q₃在时间上求导，得到煤样累计放热强度q₃；

步骤803、根据公式计算时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i，其中，q_3,i为时间T_i下的煤样累计放热强度，为新鲜风流环境下氧气浓度，为时间T_i下的气相色谱检测仪12获取的铜罐4内实际氧气浓度；

步骤804、获取新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)：对时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i进行曲线拟合，得到新鲜风流环境下放热强度函数q_0,3，再对放热强度函数q_0,3在时间上积分，得到新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)；

步骤805、判断新鲜风流环境下煤样的放热量是否有效：根据公式计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时的放热强度下限值根据公式计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时的放热强度上限值其中，ΔH₁为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时煤样的热焓且ΔH₁＝58.8kJ/mol，ΔH₂为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时煤样的热焓且ΔH₂＝284.97kJ/mol，ΔH_CO为新鲜风流环境下氧气生成一氧化碳时煤样的热焓且ΔH_CO＝311.9kJ/mol，为新鲜风流环境下氧气生成二氧化碳时煤样的热焓且 为新鲜风流中的耗氧速率且 为新鲜风流中的一氧化碳产生率且 为新鲜风流中的二氧化碳产生率且Q_f为空气泵8向铜罐4内通入的空气量，V_m为煤样的体积，V_n为铜罐4的容积，为新鲜风流环境下二氧化碳浓度，为空气泵8向铜罐4内通入空气中的氧气的浓度，为取气管11实时获取铜罐4内混合气体成分中的氧气的浓度，为空气泵8向铜罐4内通入空气中的一氧化碳的浓度，为取气管11实时获取铜罐4内混合气体成分中的一氧化碳的浓度，为空气泵8向铜罐4内通入空气中的二氧化碳的浓度，为取气管11实时获取铜罐4内混合气体成分中的二氧化碳的浓度；对放热强度下限值在时间上积分，得到放热量下限函数Q_min(T)，对放热强度上限值在时间上积分，得到放热量上限函数Q_max(T)，当在相同时间点T_ε上，存在Q_min(T_ε)<Q_0,3(T_ε)<Q_max(T_ε)，说明新鲜风流环境下煤样的放热量有效，否则新鲜风流环境下煤样的放热量无效，排查检测装置连接；

步骤806、根据公式计算煤样从常温达到自燃温度340℃时的放热量其中，Δt为温度从常温达到自燃温度340℃时的温度变化量；

需要说明的是，通常情况下常温均为25℃。

步骤807、获得煤样自燃发火时间：将煤样达到自燃温度340℃时的放热量带入新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)，找出煤样达到自燃温度340℃时放热量所对应的时间，即为煤样自燃发火时间。

本实施例中，所述炉体2的炉膛底部加热器3的加热功率P为5W～45W。

需要说明的是，可根据不同加热功率P分别对煤样进行实验，获取不同热流引领煤样自燃发火时对应的发火周期，炉体2的炉膛底部加热器3的加热功率P才选取9种不同功率，加热器3的9种不同功率分别为5W、10W、15W、20W、25W、30W、35W、40W、45W，可通过9次不同恒热流引领升温实验，得出绝热环境下实验煤样自燃发火期，绝热环境下测量得到理想条件下煤样自燃发火期，而实际矿井环境多样化，各种外界因素或保护手段均会尽量的避免煤炭的自燃发火，因此理想条件下煤样自燃发火期比实际煤炭自燃发火短，因此理想条件下煤样自燃发火期可作为实际煤炭自燃的参考阈值，具有指导意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：包括炉体(2)、设置在炉体(2)内用于放置煤样的铜罐(4)、为铜罐(4)通入空气的输气机构、用于检测铜罐(4)内煤样反应后气体组分的气体检测机构以及检测炉体(2)内炉膛温度与铜罐(4)内温度的温度检测机构，炉体(2)通过炉盖(13)密封，炉体(2)的炉膛底部设置有加热器(3)，所述输气机构包括穿过炉盖(13)伸入至铜罐(4)内的通气管(6)和连接在通气管(6)位于炉盖(13)外一端的空气泵(8)，通气管(6)与空气泵(8)连接的管段上设置有流量计(7)，通气管(6)伸入至炉盖(13)内的管段为螺旋结构，所述气体检测机构包括穿过炉盖(13)伸入至铜罐(4)内的排气管(5)和通过三通管(9)连接在排气管(5)位于炉盖(13)外一端的气相色谱检测仪(12)，空气泵(8)和加热器(3)均由计算机控制，气相色谱检测仪(12)的信号输出端和端流量计(7)的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

2.按照权利要求1所述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述炉体(2)的外侧设置有保温棉(1)。

3.按照权利要求1所述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述三通管(9)为T型三通管，排气管(5)与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪(12)通过取气管(11)与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线。

4.按照权利要求3所述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖(13)伸入至炉体(2)内的绝热管(14)和设置在绝热管(14)内用于测量炉体(2)内炉膛温度的第一热电偶(15)，以及依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入排气管(5)内的第二热电偶(10)，第一热电偶(15)的信号输出端和第二热电偶(10)的信号输出端均与计算机的信号输入端相接。

5.按照权利要求1所述的基于引领绝热的煤自燃发火周期检测装置，其特征在于：所述铜罐(4)设置在炉体(2)炉膛的中心位置处。

6.一种利用如权利要求1所述装置进行煤自燃发火周期检测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、采集煤样：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间且质量为m₃的煤样，将制作的煤样装入铜罐(4)中；

步骤二、密封炉体：将装有煤样的铜罐(4)缓慢放置在炉体(2)内，对铜罐(4)连接通气管(6)和排气管(5)，将炉盖(13)安装在炉体(2)上，对炉体(2)进行密封；

步骤三、安装温度检测机构：在炉体(2)上安装温度检测机构，所述温度检测机构包括中空结构且穿过炉盖(13)伸入至炉体(2)内的绝热管(14)、设置在绝热管(14)内用于测量炉体(2)内炉膛温度的第一热电偶(15)和通过三通管(9)伸入至排气管(5)内用于测量铜罐(4)内温度的第二热电偶(10)；

所述三通管(9)为T型三通管，排气管(5)与所述T型三通管的第一端口连接，气相色谱检测仪(12)通过取气管(11)与所述T型三通管的第二端口连接，所述T型三通管的第三端口封闭，所述T型三通管的第一端口的中心轴线和所述T型三通管的第三端口的中心轴线为同一直线，第二热电偶(10)依次穿过所述T型三通管的第三端口和所述T型三通管的第一端口伸入至排气管(5)内，第一热电偶(15)与绝热管(14)螺旋密封，第二热电偶(10)与所述T型三通管的第三端口螺旋密封；

步骤四、通入空气：采用空气泵(8)向连接铜罐(4)的通气管(6)内通入空气，采用安装在通气管(6)上的流量计(7)检测通入铜罐(4)内空气的流量；

步骤五、设定加热器的加热功率和铜罐内的极限温度：设定炉体(2)的炉膛底部加热器(3)的加热功率P，加热器(3)以加热功率P等热流引领升温，确定铜罐(4)内的极限温度T_j，当第二热电偶(10)测量到铜罐(4)内温度达到极限温度T_j时，停止检测装置工作；

步骤六、获取第二热电偶在含有煤样状态下的温度时间参数：加热器(3)以加热功率P等热流引领煤样升温，在常温至极限温度之间设置温度节点t_i，其中，i为节点数量且i为不小于3的正整数，分别记录第二热电偶(10)探测到温度节点t_i时对应的时间T_i，采用计算机对第二热电偶(10)在含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到含有煤样状态下的温度时间函数F₁(T)；另外，采用气相色谱检测仪(12)依次通过取气管(11)、所述T型三通管和排气管(5)获取时间T_i下铜罐(4)内混合气体成分；

步骤七、获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数：加热器(3)以加热功率P等热流引领升温，分别记录实验时间达到时间T_i时，第二热电偶(10)探测到的温度节点t_i'，采用计算机对第二热电偶(10)在不含有煤样状态下的温度时间参数进行曲线拟合，得到不含有煤样状态下的温度时间函数F₂(T)；

步骤八、确定煤样自燃发火期，过程如下：

步骤801、根据公式Q₃＝Q₁-Q₂，计算煤样累计放热量Q₃，其中，Q₁为含有煤样状态下的累计放热量且Q₁＝c₁m₁F₁(T)+c₂m₂F₁(T)+c₃m₃F₁(T)，c₁为空气比热容系数，m₁为炉体内空气质量，c₂为铜罐(4)的比热容系数，m₂为铜罐(4)的质量，c₃为煤样的比热容系数，Q₂为不含有煤样状态下的累计放热量且Q₂＝c₁m₁F₂(T)+c₂m₂F₂(T)；

步骤802、获取煤样累计放热强度：对煤样累计放热量Q₃在时间上求导，得到煤样累计放热强度q₃；

步骤803、根据公式计算时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i，其中，q_3,i为时间T_i下的煤样累计放热强度，为新鲜风流环境下氧气浓度，为时间T_i下的气相色谱检测仪(12)获取的铜罐(4)内实际氧气浓度；

步骤804、获取新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)：对时间T_i下新鲜风流环境下煤样的放热强度q_0,3,i进行曲线拟合，得到新鲜风流环境下放热强度函数q_0,3，再对放热强度函数q_0,3在时间上积分，得到新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)；

步骤805、判断新鲜风流环境下煤样的放热量是否有效：根据公式 计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时的放热强度下限值根据公式计算新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时的放热强度上限值其中，ΔH₁为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于化学吸附时煤样的热焓且ΔH₁＝58.8kJ/mol，ΔH₂为新鲜风流环境下氧气除生成一氧化碳和二氧化碳气体外全部用于自燃发火时煤样的热焓且ΔH₂＝284.97kJ/mol，ΔH_CO为新鲜风流环境下氧气生成一氧化碳时煤样的热焓且ΔH_CO＝311.9kJ/mol，为新鲜风流环境下氧气生成二氧化碳时煤样的热焓且 为新鲜风流中的耗氧速率且 为新鲜风流中的一氧化碳产生率且 为新鲜风流中的二氧化碳产生率且Q_f为空气泵(8)向铜罐(4)内通入的空气量，V_m为煤样的体积，V_n为铜罐(4)的容积，为新鲜风流环境下二氧化碳浓度，为空气泵(8)向铜罐(4)内通入空气中的氧气的浓度，为取气管(11)实时获取铜罐(4)内混合气体成分中的氧气的浓度，为空气泵(8)向铜罐(4)内通入空气中的一氧化碳的浓度，为取气管(11)实时获取铜罐(4)内混合气体成分中的一氧化碳的浓度，为空气泵(8)向铜罐(4)内通入空气中的二氧化碳的浓度，为取气管(11)实时获取铜罐(4)内混合气体成分中的二氧化碳的浓度；对放热强度下限值在时间上积分，得到放热量下限函数Q_min(T)，对放热强度上限值在时间上积分，得到放热量上限函数Q_max(T)，当在相同时间点T_ε上，存在Q_min(T_ε)<Q_0,3(T_ε)<Q_max(T_ε)，说明新鲜风流环境下煤样的放热量有效，否则新鲜风流环境下煤样的放热量无效，排查检测装置连接；

步骤806、根据公式计算煤样从常温达到自燃温度340℃时的放热量其中，Δt为温度从常温达到自燃温度340℃时的温度变化量；

步骤807、获得煤样自燃发火时间：将煤样达到自燃温度340℃时的放热量带入新鲜风流环境下煤样的放热量函数Q_0,3(T)，找出煤样达到自燃温度340℃时放热量所对应的时间，即为煤样自燃发火时间。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述m₃为100g～200g；所述极限温度T_j为500℃。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤七中获取第二热电偶在不含有煤样状态下的温度时间参数之前先将铜罐(4)中煤样清除干净，在循环步骤二至步骤五。

9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述炉体(2)的炉膛底部加热器(3)的加热功率P为5W～45W。