CN114496104A - 一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电数字数据处理技术领域，提供了一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法及系统，其中，采空区遗煤自燃程度评估方法包括：基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；基于化学动力学原理，结合煤的氧化反应级数、环境氧气浓度、采空区遗煤粒度和厚度分布情况，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；基于所述的采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。如此，提高了采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估的准确性和可靠性，为煤矿采煤条件下采空区防灭火技术措施的应用提供依据。

Description

一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法及系统

技术领域

本申请涉及电数字数据处理技术领域，特别涉及一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法及系统。

背景技术

采煤条件下采空区遗煤自然发火是制约矿井安全生产的重大灾害之一，我国许多矿井深受煤自然发火的影响。采煤条件下采空区自然发火实质上是采空区遗煤在漏风流中氧气的氧化作用下，温度不断上升最终达到煤的燃点而燃烧的过程，其内因是煤在有氧环境下不断氧化放热。因此，研究煤的自燃特性，掌握采煤条件下采空区遗煤的氧化反应程度，可进一步为实现采煤条件下采空区自燃火灾的预测预报提供支撑，具有重要的指导意义。

根据煤氧复合理论，氧气的消耗速度是煤氧复合反应快慢的重要指标，目前通常使用根据耗氧速率来估计低温阶段煤-氧反应的强度，但煤的氧化反应是一种多途径、多阶段的复杂化学反应，将这种复杂的煤-氧反应过程近似为基元反应来计算煤氧化程度的方法一直受到质疑；基于此，本领域对于将该方法作为评估煤自燃程度的参数指标的准确性和可靠性也存在疑问。

并且对于采煤条件下采空区这种实际大场景的遗煤自燃是受到遗煤厚度、遗煤粒径、环境氧浓度等多个因素影响的，只靠实验得到的煤的耗氧速率或者物理吸氧量来判别其自燃程度是远远不够的，亟需一种更高层次的、适合现场实际的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估模型和方法。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，包括：

步骤S101、基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；

步骤S102、基于化学动力学原理，结合所述煤的氧化反应级数、所述采空区遗煤的环境氧气浓度、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；

步骤S103、基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

优选地，步骤S101中，基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，联立以下公式：

所述预先构建的煤的氧化反应速率模型：

所述煤样罐内氧气沿轴向的流速：

所述氧化反应速率与环境氧浓度关系：

所述煤样罐的进气口、出气口的氧气变化：

理想气体状态方程：

计算得到煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数：

式中，K表示所述煤的氧化反应级数；

表示t温度时沿所述煤样罐的轴向任意点的所述氧化反应速率；v _x 表示氧气沿所述煤样罐的轴向的流速；表示所述煤样罐所处的环境中的氧气摩尔浓度；x表示所述煤样罐沿轴向的坐标；Q表示氧气在所述煤样罐的横截面的质量流量；n表示孔隙率；S表示所述煤样罐的横截面面积；ρ表示氧气气体密度；

表示气体流入所述煤样罐前的氧气浓度；

表示气体流经所述煤样罐后的氧气浓度；L表示所述煤样罐的长度；R表示摩尔气体常数；T表示所述煤样罐的热力学温度；M表示空气的摩尔质量；P表示所述煤样罐中的气体压力。

优选地，步骤S102中，所述采空区遗煤自燃程度评估模型为：

式中，

表示所述采空区遗煤的耗氧速率；K表示所述煤的氧化反应级数；

表示所述采空区遗煤的环境氧气浓度；A表示所述采空区遗煤的粒径影响因子；B表示所述采空区遗煤的厚度影响因子。

优选地，步骤S103中，基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估，具体为：

基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，根据预设温度下的所述采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率；

根据所述采空区遗煤的耗氧速率，对预设环境氧浓度下耗氧速率进行分类，以对采煤条件下所述采空区遗煤的自燃程度进行评估。

优选地，步骤S103中，所述根据预设温度下的所述采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率，具体为：

根据预设温度为70℃时所述采空区遗煤的氧化反应级数，计算得到采空区遗煤的耗氧速率。

优选地，所述根据所述采空区遗煤的耗氧速率，对预设环境氧浓度下耗氧速率进行分类，以对采煤条件下所述采空区遗煤的自燃程度进行评估，具体为：

以预设环境氧浓度为15%、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子为预设值，计算所述采空区遗煤的耗氧速率的取值；

根据所述采空区遗煤的耗氧速率的取值，将采空区遗煤自燃过程中的耗氧速率分为多个等级，以对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

本申请实施例还提供一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统，包括：

计算单元，配置为：基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；

模型构建单元，配置为：基于化学动力学原理，结合所述煤的氧化反应级数、所述采空区遗煤的环境氧气浓度、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；

评估单元，配置为：基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

有益效果：

本申请首先基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；然后，基于化学动力学原理，结合煤的氧化反应级数、环境氧气浓度、采空区遗煤粒度和厚度分布情况，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；最后，基于所述的采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。藉此，通过煤的氧化反应级数建立的采空区遗煤自燃程度评估模型，更好地掌握采煤条件下采空区遗煤的自燃反应规律，提高了采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估的准确性和可靠性，为煤矿采煤条件下采空区防灭火技术措施的应用提供依据。

本申请通过氧气在煤样的横截面的质量流量，计算得到氧气沿煤样的轴向流速，进而得到反映煤自燃过程中与温度有关的氧化反应级数，藉此，在计算煤的氧化反应级数时，减小在升温过程中因煤样温度升高对氧气体积流量的影响，进而使得以采空区遗煤耗氧速率作为评估采煤条件下采空区遗煤自燃程度的参数指标更符合煤矿的实际情况、且更具可靠性，进一步提高了采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估的准确性和可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法的流程示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的用于模型验证的实验装置结构示意图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的煤样罐中上下温度对比示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的不同氧气浓度下煤样罐出口氧气体积分数变化曲线示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的不同氧气浓度下氧化反应级数与温度关系的示意图；

图6为根据本申请的一些实施例提供的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

示例性方法

图1为根据本申请的一些实施例提供的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法的流程示意图；如图1所示，该采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法包括：

步骤S101、基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数。

本申请实施例中，通过程序升温实验（即低温氧化实验）对煤自燃过程中的煤氧反应进行模拟。实验过程所用煤样来自多个煤矿，将来自多个煤矿的初始煤体处理成每粒重约180g、平均粒径0.4mm的颗粒，经过预处理后，将其置入实验装置的煤样罐1中。

本申请实施例中，煤自燃过程符合基元反应过程，则可以基于气体的对流扩散原理，通过氧气浓度、气体的渗流速度与时间τ的关系，计算t温度时煤样的氧化反应速率，如公式（1）所示，公式（1）如下：

（1）

式中，

表示t温度时煤样的氧化反应速率；τ表示时间，表示煤样所处的环境中的氧气摩尔浓度（简称氧浓度）；n表示孔隙率；k表示氧气扩散系数；

表示氧气气体的渗流速度。

在实验过程中，煤样中的气体流量沿着煤样罐1的底部向上流动，每次测量前，温度和气体流速保持长时间不变，煤样罐1内的物理和化学反应过程可以认为是稳态的。在煤样罐1中的气体渗流速度足够大的情况下，气体的扩散作用可以近似地被忽略，因此，具体计算时，忽略公式（1）中的时变项

和浓度扩散项

，得到预先构建的煤的氧化反应速率模型，用公式（2）表示，公式（2）如下：

（2）

式中，v _x 表示氧气沿煤样罐1的轴向的流速，x表示煤样罐1沿轴向的坐标。

相关技术中，通常基于气体的体积流量计算氧气沿煤样罐1的轴向的流速，进而计算氧化反应速率；然而，在煤样温度上升过程中，气体体积流量随着煤样罐1温度的升高而产生变化，从而影响到氧化反应速率计算的准确性，不能准确评估煤氧的反应程度。

在本申请一些可选实施例中，根据氧气在煤样的横截面的质量流量，计算氧气沿所述煤样的轴向的流速。

具体地，按照公式：

（3）

计算氧气沿煤样的轴向的流速；

式中，Q表示氧气在煤样的横截面的质量流量，单位为千克每秒（kg/s）；S表示煤样的横截面面积，单位为平方米（m²）；ρ表示氧气气体密度，单位为千克每立方米（kg/m³）。

将公式（2）与公式（3）相结合，得到煤氧反应过程中沿煤样罐1的轴向任意点的氧化反应速率，用公式（4）表示，公式（4）如下：

（4）

基于煤氧反应过程中沿煤样的轴向任意点的氧化反应速率计算公式，通过氧气在煤样的横截面的质量流量，计算得到氧气沿煤样的轴向流速，从而减小了气体体积流量对氧化反应速率计算的影响。

基于化学动力学原理，根据氧化反应速率、根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；其中，煤的氧化反应级数与温度有关。

基于化学动力学原理推导可得，相同温度下，煤样反应过程中氧化反应速率与环境中氧浓度成正比，用公式（5）表示，公式（5）如下：

（5）

式中，K表示煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数。

则煤的氧化反应级数的计算公式为：

（6）

将煤样的轴向任意点的氧化反应速率，即公式（4）代入公式（6），可得到用气体的质量流量表达的煤的氧化反应级数公式，用公式（7）表示，公式（7）如下：

（7）

在实验加热过程中，可以认为煤样罐1各个部分的煤的温度是均匀分布的，因此，在一定温度下沿煤样罐1的轴线对公式（7）的等号两侧进行积分，得到公式（8），公式（8）如下：

（8）

式中，

表示煤样罐1进气口处的氧气浓度；

表示煤样罐1出气口处的氧气浓度，其中，进气口为进气管17与煤样罐1的接口，出气口为煤样罐1与出气管18的接口；L表示煤样罐1的高度，即煤样罐1的轴线长度。

对上式进行简化可得：

（9）

利用实验过程中煤样罐1的进气口与出气口的氧气浓度变化，根据氧气气体密度与气体温度之间的关系，基于理想气体状态方程，可以得到煤的氧化反应级数，用公式（10）表示，公式（10）如下：

（10）

式中，R表示摩尔气体常数；M表示空气的摩尔质量；P表示煤样罐1中气体的压力；T表示煤样罐1的热力学温度。

在程序升温实验过程中，气体的质量流量Q可以为常数，则上述公式（10）表征了煤自燃过程中煤的氧化反应级数与温度的关系。由公式（10）可知，对于给定的煤样，煤的氧化反应级数取决于煤样的温度。

在一些可选的实施例中，所述采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法进一步包括：基于程序升温实验得到的煤的氧化反应级数与温度函数关系，验证上述煤的氧化反应级数计算公式（即公式（10））的可靠性。

图2为根据本申请的一些实施例提供的用于模型验证的实验装置结构示意图；如图2所示，该实验装置包括：气体供给系统、加热控温系统、数据检测系统以及数据收集分析系统。其中，气体供给系统包括气瓶25、减压阀24、恒压阀23、稳定流量阀22、流量传感器21和空气混合室2，可以理解地，气瓶25中可以装入氧气、氮气、二氧化碳等实验所用气体；加热控温系统包括加热炉11、预热铜管12、硅油13、煤样罐1、风扇16、进气管17、出气管18和温度传感器14，其中，温度传感器14至少具有上下两个温度探头，上温度探头设置于靠近煤样罐1出气口处，下温度探头设置于靠近煤样罐1底部，以实时监测煤气罐1不同位置的温度；数据检测系统包括气相色谱仪3和控制台42；数据收集分析系统包括温度显示面板41和电脑5。

该实验装置既可以用于煤的升温氧化实验、绝热氧化实验，也可以进行色谱柱老化分析，通过该实验装置，能够将升温氧化与绝热实验进行整合，实现煤的升温氧化实验和绝热氧化实验的耦合应用。本实验装置具有使用煤样量少，重复实验可靠性高，实验周期短及测量误差小等特点。

在一具体的场景中，程序升温实验可以按照如下步骤进行：

1）打开气相色谱仪3，待气相色谱仪3准备就绪，准备实验。

2）煤样称量：利用量筒和电子天平，称取煤样180±1g放入煤样罐1中，连接好实验装置的相关设备，关闭恒温箱门（图中未示出）。

3）进行气密性检测，包括：封堵煤样罐1外部出口处，观察煤样罐1进气口压力是否上升且达到稳定；查看气瓶25连接处是否有漏气现象；检测气体压力是否满足实验要求；检测气体流量是否达到实验所需流量；干燥管（图中未示出）内干燥剂是否需要更换。

4）检验实验所用气体是否达到所需浓度，并以氮气或者二氧化碳为惰性气体，分别配制体积分数为10%、20%、30%的氧气，以在实验中测试不同氧浓度条件下煤氧反应的过程。在进行程序升温实验之前，需对所配气体通入色谱仪3进行分析，待配制气体连续三次测量稳定后，即达到实验所需浓度，方可实验。升温程序的参数设置如下：升温速率1℃/min，升温时间10min，恒温时间40min；由电脑5上的升温程序控制温度由初始温度35℃经由17个温度点上升至205℃，每个测温点温度上升10℃；需要说明的是，在每个温度点测量实验数据时应保证温度达到稳定状态。

5）进行程序升温实验，实验装置中的温度上升到205℃之后，点击气相色谱仪3软件停止按键，待气相色谱仪3监测到的色谱温度降至100℃以下时，依次关闭气相色谱仪3、空气源、气瓶25，结束实验。

在根据上述步骤进行的程序升温实验过程中，由升温程序按照预设的参数进行升温，每一个温度点达到恒温时，输出一组实验数据，为了保持煤样罐的上下温度状态稳定，在两个升温阶段之间设置40min的恒温时间，并将升温过程设置比较缓慢，以此保证温度数据的可靠性。

根据输出的实验数据，分别绘制温度随时间的变化趋势以及恒温箱温度与上下温度的趋势，如图3所示。从图3可以看出，连接在煤样罐1的温度传感器14具有上下温度探头，上下温度探头所测得的温度在上升到各个温度节点时无明显偏差，说明煤样罐1内各处温度均匀、稳定。

图4为根据本申请的一些实施例提供的不同氧气浓度下煤样罐1出口氧气体积分数变化曲线示意图，如图4所示，横坐标为温度，纵坐标为煤样罐出口处的氧气体积分数，三条曲线分别表示体积分数为10%、20%、30%的三种氧气浓度下进行实验。从曲线变化趋势可以看出，随着温度升高，氧气体积分数逐渐减少，曲线下降的快慢表征了煤样内部对氧气吸收的剧烈程度，同时，该变化曲线也进一步说明了实验装置的可靠性和稳定性。

图5为根据本申请的一些实施例提供的不同氧气浓度下氧化反应级数与温度关系的示意图，如图5所示，将实验数据中的煤样罐1进口处的氧气浓度、煤样罐1出口处的氧气浓度、以及煤样罐1内的气体压力代入到煤的氧化反应级数计算式中，即公式（10）中，计算得出不同氧气浓度、不同煤质条件（煤样）下煤的氧化反应级数随温度变化的规律。从实验数据可以看出，随着煤样罐1温度升高，流经煤样的氧气含量逐渐减少，而煤的氧反应常数逐渐增加。各实验过程中虽然煤样罐1的入口处氧气浓度不同，但是，不同煤质条件下的煤的氧化反应级数曲线大致重合在一起，从上述实验结果可以得到结论：相同煤样、不同氧浓度下，相同温度时煤的氧化反应级数也相同。

需要说明的是，由于实验过程中每一阶段煤样罐1温度并不能完全相同，不同煤样间放热量不同，导致实验得到的数据重合度并不能达到百分之百，其整体趋于重合。

现有相关技术中，通常采用标准耗氧速率反映煤自燃过程中煤氧化反应程，并在此基础上演化出氧化放热强度、氧气消耗量等参数指标。为了进一步分析同一煤样氧化反应级数与标准耗氧速率随温度变化的规律，根据前述程序升温实验得到的数据分别处理得到A煤矿不同粒径氧化反应级数和标准耗氧速率随温度变化的趋势。对A煤矿不同粒径氧化反应级数和标准耗氧速率随温度变化的趋势进行分析的结果表明，煤的氧化反应级数和标准耗氧速率随温度上升的趋势相似。采用指数函数对实验数据进行拟合，得到表1所示的拟合结果，表1如下：

从表1可以看出，对于A煤矿的煤样来说，氧化反应级数的相关系数高于标准耗氧速率的相关系数，说明基于煤氧反应评估模型计算氧化反应级数的公式推导过程可靠。

煤在低温状态下氧化反应过程可以看成不同基元之间相互夺氧的过程，因此假设：氧化反应过程为基元反应过程，在此过程中氧气消耗的多少能够反映出煤氧化反应的快慢。根据化学反应动力学原理，外界氧浓度与氧气消耗速度间呈现正相关关系，用公式表示即，由该公式可知，相同温度下，同一煤样不同氧浓度下，煤样消耗氧气的速率与环境中氧气浓度比值应相同，唯有如此才符合质量作用定律。具体到本实施例的场景中，在程序升温实验中的某一个恒定温度点下，不同氧浓度从煤样罐1的进气口流经煤样，与煤样进行煤氧反应，在煤样罐1的出口处再次检测氧气含量，即可得到煤氧反应过程中消耗的氧气。根据上述质量作用定律，当消耗的氧气速率与氧气浓度的比值一定时，表明计算得出的氧化反应级数能够反映煤氧反应程度，煤的氧化反应级数的表达式成立；否则，煤的氧化反应级数的表达式不成立。

根据煤的氧化反应级数的表达式，当气体流量、煤样罐体积、煤样粒径大小以及温度相同时，氧化反应级数的取值大小与煤样罐1进口处氧气浓度的对数有关，此时，将实验得到的相关数据代入到煤的氧化反应级数的表达式（即公式（10））后，经过数据处理发现，不同氧浓度的氧化反应级数在相同温度下相等，因此验证前述假设成立，说明煤的氧化反应级数的表达式正确可靠，能够准确反映出煤的氧化反应程度，有利于有效掌握煤自燃的状态。

步骤S102、基于化学动力学原理，结合煤的氧化反应级数、采空区遗煤的环境氧气浓度、采空区遗煤的粒度影响因子和采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型。

其中，根据得到的煤的氧化反应级数，得到采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估模型为：

（11）

式中，

表示采空区遗煤的耗氧速率；K表示煤的氧化反应级数；

表示采空区遗煤的环境氧气浓度；A表示采空区遗煤的粒径影响因子；B表示采空区遗煤的厚度影响因子。

步骤S103、基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

在一些可选实施例中，基于采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估，具体为：基于采空区遗煤自燃程度评估模型，根据预设温度下的采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率；根据采空区遗煤的耗氧速率，对预设环境氧浓度下耗氧速率进行分类，以对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

在另一些实施例中，根据预设温度下的采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率，可以进一步为：按公式（11），以预设温度为70℃（343K）时的氧化反应级数，计算得到采空区遗煤的耗氧速率。以预设环境氧浓度为15%、采空区遗煤的粒度影响因子和采空区遗煤的厚度影响因子为预设值，计算采空区遗煤的耗氧速率的取值；根据采空区遗煤的耗氧速率的取值，将采空区遗煤自燃过程中的耗氧速率分为多个等级，以对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

实际应用时，选择70℃(343K)下的氧化反应级数作为计算采空区遗煤耗氧速率的基础值，其中，当煤的氧化反应级数K＜0.4×10^-4/s时，煤的氧化反应程度较低；当煤的氧化反应级数K为0.4×10^-4/s≤K＜0.8×10^-4/s时，煤的氧化反应程度一般，煤的氧化反应级数K≥0.8×10^-4/s时，煤的氧化反应程度较高。

选择采空区环境氧浓度为15%，采空区遗煤的粒度影响因子为0.9，采空区遗煤的厚度影响因子为0.8，对采空区遗煤的耗氧速率进行计算，得到采空区遗煤的耗氧速率的取值，用U表示；根据采空区遗煤的耗氧速率的取值，将采煤条件下采空区遗煤的自燃程度分为：困难、可能、容易三个等级。其中，困难等级对应的采空区遗煤耗氧速率范围为：U＜4.32×10^-2mol/(m³.s)，表示该等级的煤相对难以发生自燃；可能等级对应的采空区遗煤耗氧速率范围为：4.32×10^-2mol/(m³.s)≤U＜8.64×10^-2mol/(m³.s)，表示该等级的煤有可能发生自燃；容易等级对应的采空区遗煤耗氧速率范围为：8.64×10^-2mol/(m³.s)≤U，表示该等级的煤容易发生自燃。

本申请实施例中，基于煤氧化反应程度得到的70℃时氧化反应级数指标，计算得到的采空区遗煤耗氧速率，并根据该耗氧速率将采煤条件下采空区遗煤自燃程度分为三个等级；与现场实际采空区自燃情况进行比对，其分类结果符合实际情况。

在此，通过程序升温实验对上述分类进行验证，在实验中，分别计算A、B、C、D煤矿中煤样的氧化反应级数，并据此对A、B、C、D煤矿的采空区遗煤耗氧速率进行分类，给出各个煤矿的采煤条件下采空区遗煤自燃程度分类等级，如表2所示，表2如下：

从表2可以看出，经与现场实际采空区自燃情况比对，采用70℃时不同煤氧反应程度氧化反应级数得到的采空区遗煤耗氧速率，对采煤条件下采空区遗煤自燃程度进行分类，符合煤矿现场观察的实际情况。

综上所述，本申请首先基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；然后，基于化学动力学原理，结合煤的氧化反应级数、环境氧气浓度、采空区遗煤粒度和厚度分布情况，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；最后，基于所述的采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。藉此，通过氧化反应级数建立的采空区遗煤自燃程度评估模型，更好地掌握采煤条件下采空区遗煤的自燃反应规律，提高了采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估的准确性和可靠性，为煤矿采煤条件下采空区防灭火技术措施的应用提供依据。

本申请通过氧气在煤样的横截面的质量流量，计算得到氧气沿煤样的轴向流速，进而得到反映煤自燃过程中与温度有关的氧化反应级数，藉此，在计算氧化反应级数时，减小在升温过程中因煤样温度升高对氧气体积流量的影响，进而使得以采空区遗煤耗氧速率作为评估采煤条件下采空区遗煤自燃程度的参数指标更符合煤矿的实际情况、且更具可靠性，进一步提高了采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估的准确性和可靠性。

示例性系统

图6为根据本申请的一些实施例提供的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统的结构示意图；如图6所示，该采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统包括：计算单元601、模型构建单元602、评估单元603。其中：

计算单元601，配置为：基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；模型构建单元602，配置为：基于化学动力学原理，结合所述煤的氧化反应级数、所述采空区遗煤的环境氧气浓度、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；评估单元603，配置为：基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

本申请实施例提供的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统能够实现上述任一采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法实施例的步骤、流程，并达到相同的有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，包括：

步骤S101、基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；

步骤S102、基于化学动力学原理，结合所述煤的氧化反应级数、所述采空区遗煤的环境氧气浓度、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；

步骤S103、基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

2.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，步骤S101中，基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，联立以下公式：

所述预先构建的煤的氧化反应速率模型：

所述煤样罐内氧气沿轴向的流速：

所述氧化反应速率与环境氧浓度关系：

所述煤样罐的进气口、出气口的氧气变化：

理想气体状态方程：

计算得到煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数：

式中，K表示所述煤的氧化反应级数；

表示t温度时沿所述煤样罐的轴向任意点的所述氧化反应速率；v _x 表示氧气沿所述煤样罐的轴向的流速；表示所述煤样罐所处的环境中的氧气摩尔浓度；x表示所述煤样罐沿轴向的坐标；Q表示氧气在所述煤样罐的横截面的质量流量；n表示孔隙率；S表示所述煤样罐的横截面面积；ρ表示氧气气体密度；

表示气体流入所述煤样罐前的氧气浓度；

表示气体流经所述煤样罐后的氧气浓度；L表示所述煤样罐的长度；R表示摩尔气体常数；T表示所述煤样罐的热力学温度；M表示空气的摩尔质量；P表示所述煤样罐中的气体压力。

3.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，步骤S102中，所述采空区遗煤自燃程度评估模型为：

式中，

表示所述采空区遗煤的耗氧速率；K表示所述煤的氧化反应级数；

表示所述采空区遗煤的环境氧气浓度；A表示所述采空区遗煤的粒径影响因子；B表示所述采空区遗煤的厚度影响因子。

4.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，步骤S103中，基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估，具体为：

基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，根据预设温度下的所述采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率；

根据所述采空区遗煤的耗氧速率，对预设环境氧浓度下耗氧速率进行分类，以对采煤条件下所述采空区遗煤的自燃程度进行评估。

5.根据权利要求4所述的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，步骤S103中，所述根据预设温度下的所述采空区遗煤的氧化反应级数，得到采空区遗煤的耗氧速率，具体为：

根据预设温度为70℃时所述采空区遗煤的氧化反应级数，计算得到采空区遗煤的耗氧速率。

6.根据权利要求4所述的采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估方法，其特征在于，所述根据所述采空区遗煤的耗氧速率，对预设环境氧浓度下耗氧速率进行分类，以对采煤条件下所述采空区遗煤的自燃程度进行评估，具体为：

以预设环境氧浓度为15%、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子为预设值，计算所述采空区遗煤的耗氧速率的取值；

根据所述采空区遗煤的耗氧速率的取值，将采空区遗煤自燃过程中的耗氧速率分为多个等级，以对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

7.一种采煤条件下采空区遗煤自燃程度评估系统，其特征在于，包括：

计算单元，配置为：基于预先构建的煤的氧化反应速率模型，根据低温氧化实验中煤样罐内氧气沿轴向的流速，计算煤氧反应过程中沿煤样罐轴向任意点的煤的氧化反应级数；

模型构建单元，配置为：基于化学动力学原理，结合所述煤的氧化反应级数、所述采空区遗煤的环境氧气浓度、所述采空区遗煤的粒度影响因子和所述采空区遗煤的厚度影响因子，得到采空区遗煤自燃程度评估模型；

评估单元，配置为：基于所述采空区遗煤自燃程度评估模型，对采煤条件下采空区遗煤的自燃程度进行评估。

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