基于红外热像技术的硫化矿石自燃预测研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U DC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 午韵大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯⋯⋯基王缜处热堡拔挂的硫熊⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯一堑丕一自．燃预塑堕研震⋯⋯⋯⋯～ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯羹全揍杰爨王猩⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯丕盔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯⋯奎熬军⋯乱熬撞⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号 U DC 硕士学位论文 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 帅洲吣洲m ㈣籼㈣咖 Y 2 19 5 4 0 8 基于红外热像技术的硫化矿石白燃预测研究 S t u d yo ft h ep r e d i c t i o no fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n o fs u l f i d eo r e sb a s e do nt h ei n f } a r e dt e c l u l o 军r y 国家自然科学基金资助 编号510 7 4 181 中南大学研究生学位论文创新资助 编号2O1O s s x t 2 41 作者姓名石东平 学科、专业安全技术及工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导老师李孜军副教授 论文答辩日期垒 三生 答辩委员会主席 中南大学 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名7 丕盟 日期盈止年堕月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 曰期丝年二三- 月￡日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 硫化矿石有发生自燃的可能性，自燃的发生会造成极大的财产损失和人员伤 亡。但现在对硫化矿石自燃预测研究多使用误差较大的气体预测法，因此对硫化 矿石自燃预测进行研究就具有重要意义。本文通过收集和查阅国内外相关文献， 在对硫化矿石自燃机理、红外热像技术基本原理进行系统综述的基础上，采用对 比实验及数值模拟相结合的方法，分析影响红外热像仪结果精度的主要因素，得 出了红外热像仪测温拟合公式。解决了红外热像仪直接应用于硫化矿石自燃预测 时精度过低、无法定位的问题。 论文的主要内容和结论如下 1 介绍自燃探测技术的研究现状、具体应用及不足。简述在自燃预测预 报领域常见的探测方法，总结红外热像技术在理论方面、实验方面的发展及国内 外各个领域的应用，综述红外热像仪应用于硫化矿石自燃预测的研究现状及不 足。 2 理论分析影响硫化矿石自燃的因素。在参考相关资料、收集国内外相 关文献的基础上，对几种常见硫化矿石的物理和化学特性做了分析，列举了几种 常见的硫化物在干燥和潮湿两种状态下的氧化反应公式，对硫化矿石自燃的影响 因素进行分析。 3 总结红外热像技术的理论基础及基本工作原理。阐述红外辐射的基本 理论及基本定律，分析红外辐射从目标物体发射出之后在传输过程中的衰减情 况。介绍红外热像仪的基本工作原理，研究红外热像仪各组成部分的基本性能及 如何针对目标物体选择合适的红外热像仪。 4 综合考虑矿样发射率、测量距离、测量角度、测量环境粉尘浓度、测 量环境噪声大小、被测矿样表面风速大小等这六个影响硫化矿石自燃红外热像仪 测温结果的因素，应用对比拟合法进行实验分析。设计实验装置并对A 、B 、C 、 D 四个矿样进行相关的单因素和多因素影响的红外测温对比实验。对实验数据进 行分析，得到在综合因素影响下的红外热像仪测温拟合公式。 5 实际应用所得拟合方程。分别在A 、B 、C 、D 四个矿样的采样区进行 实地测量，将相关参数代入拟合方程中，得到修正后红外温度值，同可记录式热 电阻所测值对比，相对误差较小，证明拟合公式具有良好的可用性。 6 应用插值法确定红外热像图几何位置。通过在A 、B 、C 、D 四个矿样 表面布设可视化网格，将所得测点数据应用插值公式进行计算后，得到各矿样表 面温度信息同几何信息相对应的拟合公式。用M A T L A B 分别模拟四个矿样在加 热2 h 、3 h 、4 h 、5 h 之后的矿堆表面温度场。 中南大学硕士学位论文 摘要 7 应用拟合对比法进行硫化矿石堆自燃点预测。通过对A 、B 、C 、D 四 ． 个矿样表面测点及测点下1 0 m m 、2 0 I I u l l 、3 0 删I l 、4 0 删n 、5 0 m m 、6 0 m m 处的温 度进行测定，得到与距离有关的硫化矿内部同表面温度间的回归方程。 关键词硫化矿石；自燃；红外热像仪；影响因素；拟合方程；几何定位；自燃 点预测 中南大学硕士学位论文ABSn渔CT A BS T R A C T T h ef i r eca _ 吣e db yi n t e m a lr e a S o n si I ls u l f i d eo r em i n e si sv e 巧c o m m o n ．T h e s p o 北I n e o l I sc o m b u S t i o no fs u l f i d eo r e s 诵U 嘶n gh u g ee c o n o 皿cl o s s e s 飙dc a u s ea s e r i e so fe r Ⅳi r o 珊n e m ma I l ds a f ．e t yp r o b l e m s ．I ti sn e c e s s a 巧t op r e d i C t Ⅱl e 跚n t 如e o u S c o m b u S t i o no f “f i i l eo r e s ．B a s e do nt l l ec o U e c t i o na n da c c e s st o1 ．e l e v 觚tl i t e n n u 陀a t h o m ea I l d 址 r o a d ，s y s t 锄a t i cr e V i e ww 嬲g i V e nt o 廿1 em e c h a m s m so fs l l l f i d eo r e s 跚n t a I l e o u Sc o m b u s t i o na I l dt l l eb a S i cp r i n C i p l e so fi 幽m e dt 1 1 e 咖。孕a p h y ．T h em a i n f 犯t o r sm a t 斫诧C t 也e t e r n p e r a t u r e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r ea I l a l y z e d ．T h e r e g r e s s i o ne q u a t i o n sa b o u t Ⅱl ei 1 1 d i V i d I l a l f ．a C t o r sa n dc o m p 础e n s i V ef ．a C t o r sa r e o b t a i r l e db y 删y s i n gb yt l l ec o m b i n a t i o no fe X l e r i 】n e n t a ln l e 吐l o da I l dm J l I l e r i c a l a n a l y s i s ．T h ea p p l i c a t i o no fm er e g r e s s i o ne q u a t i o n si 1 1 1 p m V e s 廿l ep r e c i s i o no ft 1 1 e t l l e m a li I l ‰di 1 1 1 a g e r ，Ⅱl e r e l a t i o I l s l l i po f 吐1 ei 1 1 觚di I I l a g e ra n dg e o m e t 叮 i I l f ．o n n a t i o ni sa l s oe s t 乏t b l i s h e d ． T h em 血r e ∞a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt l l i sp 印e ra r ea sf o l l o w s 1 T h ec u n 僦s i t I l a t i o no fs p o n t 乏I I 】屺o u sc o m b u s t i o np r e d i c t i o n 、Ⅳa si I l n I o I u c e d T h e m e 吐l o d So fs u l f i d eo r e sS p o n t 锄e o u sc o m b u S t i o n 、Ⅳe r ed e s 嘶b e d ，t 1 1 ed e v e l o p n l e n t i nt 1 1 e o 巧强de x p e r i m e n ta I l di t sa p p l i c a t i o I l si I lV a r i o u s f i e l d sa th o m ea n d 百b f o a dw 豁i l l u s 侄a t e d ，也es t a _ t u sq u oo fn l ea p p l i c a t i o no f i I l 曲r e d Ⅱl e m a lt l l e n n o 孕a p h yi np r e d i C t i l l ga n df o r e c a S t i n g ． 2 ‘T l l ef a C t o r st l l a ta 肫c t Ⅱ1 es p o n t a l l e o l l sc o m b u s t i o no ft S u l f i d eo r e sw e r ea I l a J y i e d i nt l l e o r y ．O nm eb a S i so fr e l 舢e dr e f e r e n c e s ，t 1 1 ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e n i e s o fs l l l f i d eo r e s 、Ⅳa sa I l a l y z e d ，Ⅱ1 ef ．o m a l so fs m f i d e so r e s ’o x i d a t i o nr e a C t i o ni I l Ⅱl e d i 丘I e r e n ts i t I l a t i o n sw e r ee I m m e r a t e d ，M o r e o v e r ，t 1 1 ef ．a c t o r St 1 1 ea f f e c tt l l e s p o n t a 】n e o l l sc o Ⅱl b u s t i o nw e r es e tf ．0 m li nd e t a i l s ． 3 1 kb a s i cm e o r ya I l dl a wo fi 心a r e dr a d i a t i o nw a Se l a b o r a t e d ，t h ea №n u a t i o no f i I 心a r e dd u r i n gt 1 1 et r 呻s m i s s i o nw a Si n t r o d u c e d ．T h eb a S i cw o 戚n gp 血c i p l eo f i 心a r e dt l l e m a lm e m o 伊a h yw a si n t r o d u c e d ，t l l e m d 锄e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f e a c hp a no fi n f } a r e d 廿1 e 肌a lt h e 肌o g r a p h yw a Ss t u d i e d ，t l l ea I l a l y s i sw a sc a 盯i e d o u tc o n t r a r yt oh o wt oc h o i c et h ei n l j r a r e dt h e r m a lt h e n n o g r 印h y ． 4 T h em a i nf a c t o r Si n c l u d i n ge m i s s i V i 吼m e s u u r e dd i s t a l l c e ，m e a s u r e da 1 1 9 l e ，d u s t c o n c e n t r a t i o n ，n o i s es i z e s ，w i n dV e l o c i t yt h a ta f r e c tt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t p r e c i s i o na r ea J l a l y z e d ．A f t e rd e s i g nt h ee x p e r i m e n t a Ia p p a r a t u s ，t h es i n g I ef a c t o r e x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a lt e s tw e r ec o m b i n e dt oa n a l y z et h es a m p l eA ，B ，Ca n d 皇童奎堂堡主兰垡论文 A B s T R A c T 一 二二二 D ．触e fa n a l y z i n gm et e S td a t a ，t h er e g r e s s i o ne q u a t i o n sa b o u t 廿1 ei Ⅲh r e d Ⅱ1 e 姗出t 1 1 e 珊。掣曲ya 妇’e c t e db yc o m p r e h e n s i v ef ．a c t o r s 、v e r ea t t a i n e d 一 5 A p p l yt I l er e 伊e s s i o ne q u a t i o n so fm ef o u rs u l f i d eo r e si I lt h ea ∞u a l 、Ⅳo r k ．T h er e a l a p p l l c a t l o nw a sp r o c e e di nt h es a n l p l 砸gs i t e ．7 1 1 l em e a s u r i n gp o i mw a Sn e a rw i t l l t l l es a I l l p l 吨s i t eo fs 锄p l eA ，B ，Ca 1 1 dD ．T l l em e a s u r i n g p o i n t sw e r em e a S u r e d b yt h e n I l 2 L li I l 血鹏di I n a g e ra sw e l la St 1 1 ec o r r e c t e dv a l u et h a tc a l c u l a t e db v r e g r e s s i o ne q u a t i o n s ．T h er e l a t i V ee 舯rb e t v 陀e nt h ec o n ．e c t e dt e m p e r a t u r ev a J u e a I l dt t l er e a Jt e m p e r a t u r em e a S u r e db yr e c o r d i n gt h e m o m e 仃i ci n s t r u m e n tb e c o m e s m a l l ．I tp r o V e dt l l ef ．a v o r a b l ea V a i l a b i l i 够o f t l l er e g r e s s i o ne q u a t i o n s ． 6 M a l 【es u r e 雠g e o m 嘶cp o s i t i o no fi n 疳a r e di m a g e 皿ev i s u a l i z a t i o n 嘶dm e m o d a l l dm t e 】巾o l a t i o nm e t l l o d 、耽r ea p p l i e dt o p r o c e s st 1 1 er e s u J t so fm o d i f i e di 1 1m e s 锄p l eA ，B ，Ca 1 1 dD ，廿1 eg e o m e t r i ci n f o 珊a t i o n Ⅵ髑o b t a i n e d ．I tp r o v i d e dt h e r e g r e s s l o ne q u a t i o n sf o rm e o b t a i n i n g o f m e a S u r i n gp o i n t s ’g e o m e 仃i c c o o r d i n a t e s ．T h es u r f ．a c et e m p e r 砷L l r eo ft h ef I o u rs l l l f i d eo r e sm e r h e a t i n g2h o u r s ， 3h o u r S ，4h o u r s ，5h o u r sw a Ss i m u l a t e db vM A T L A B ． 7 P r e d i c t t h es e l f i 鲥t i o np o i n t ．M e a s 戚n gt h es 耐．a c eo ft h es a m p l eA ，B ，C ，D ．t h e t e I n p e r a t u r eu n d e r1O I I l 】m ，2 0 m m ，30 m m ，4 0 n l l l l ，5 0 n 姗，6 0 n u 1 1 袱I r ea l s om e a s u r e d ． 1h er e g r e s s l o ne q u a t i o n sa b o u tt 1 1 es u m c ea n d t l l ei n n e rd i s 讫m c ew e r eo b t 豳e d ． K E Y W o I m S s u l f i d e o r e s ； s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ； i Ⅲ} a r e d t l l e m o 掣印h y ； 砌u e n t f a c t o r s ；r e g r e s s i o ne q u a t i o n s ；g e o m e 姆l o c a t i o n ，s e l “鲥t i o np o i n t p r e d i c t i o n f V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 硫化矿石自燃预测及红外热像预测技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 硫化矿石的自燃预测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 红外热成像技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 红外热像技术在硫化矿石自燃预测中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章硫化矿石自燃及红外热成像技术理论基础⋯．．。 8 2 ．1 硫化矿石自燃反应特征及自燃影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．1 硫化矿石特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 硫化矿石自燃影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．2 红外物理理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 红外辐射基本定义及光谱简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 红外辐射的基本定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．3 红外热成像技术理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 红外热像仪各部分组成及工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 红外热像仪的基本技术性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．6 叫1 0 1 1 型红外热像仪介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯2 1 第三章硫化矿石自燃红外热成像影响因素实验研究与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 实验设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 矿样加工处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．2 所用实验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．3 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 硫化矿石表面发射率对测量影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 发射率的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．2 表面发射率影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 - 3 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 测量距离的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 测量距离影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．2 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．4 测量角度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．4 ．1 测量角度影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．4 ．2 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．5 测量环境粉尘浓度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．5 ．1 受测量环境粉尘浓度影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．5 ．2 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．6 测量环境噪声的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．6 ．1 测量环境噪声影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 3 ．6 ．2 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．7 风速的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．7 ．1 矿井下风速影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 3 ．7 ．2 矿井下热量传递方式及风速影响计算理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 3 ．7 ．3 风速影响实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 3 ．7 ．4 实验数据分析及处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 3 ．8 实验结果指导意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 3 ．9 实验结果现场应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 3 ．1 0 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 第四章红外热成像技术几何位置分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 4 ．1 红外热像图几何位置确定原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．2 经回归公式校正后的几何位置分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．2 ．1 可视化网格实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．2 ．2 实验结果及模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．2 ．3 误差产生的原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 第五章硫化矿石堆自燃点位置计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 8 5 ．1 硫化矿石堆内部白燃点位置计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯7 8 5 ．2 硫化矿石堆自燃点位置实验及数据拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 6 ．1 本论文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 6 ．2 论文的主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 6 ．3 有待进一步研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 附录实验数据及照片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 选题目的及意义 第一章绪论帚一早三；百化 硫化矿床是指某些含硫金属或非金属矿物质或某些硫元素同其他元素以化 合态存在的矿物集合体。硫元素具有很活泼的化学性质，与不同元素结合时常呈 现不同的化合价，这也使其形成的各种化合物的形态及结构复杂多变。日常生活 中常见的硫化矿床有硫铁矿、黄铜矿等。由于硫、铁等元素活泼的化学活性、多 变的化合价，其形成的化合物的氧化还原性质同样也复杂多变。多数硫化矿石的 反应模式为放热反应。随着反应中热量的不断积累，硫化矿石堆中的温度也不断 上升，温度的升高又致使放热反应的加剧，两方面相互作用，最终导致硫化矿石 自燃的发生。 硫化矿石自燃所带来的后果很严重。不仅会在经济上带来巨大损失，还会造 成环境污染、产生安全隐患。硫化矿石的自燃会造成矿石的损失，同时还有可能 对生产工艺流程造成破坏。很多矿山都因硫化矿石自燃而被迫放弃已完成工程或 不得不更改已有的开采方法，这些都造成了经济损失。硫化矿石自燃的副产物为 高温有毒有害气体，如二氧化硫 S 0 2 等。这些气体会诱发职业病的产生，影 响工人生命健康；还会腐蚀矿井下的设备设施；若毒性气体排至地表，还会对大 气造成污染。自燃之后某些块状矿石会变为粉末状，这不光会增加开采环境中粉 尘浓度还会增加开采难度。有些硫化物氧化自燃分解之后，有硫升华现象的发生， 这极易造成爆炸【1 】【2 1 。另外，在火区开采时还会导致炸药早爆、自爆的事故发生。 据统计，2 0 ％到3 0 ％的硫铁矿都有发生自燃的危险。由上可见，硫化矿石自燃造 成巨大危害。对硫化矿石自燃进行预测也就有着非常积极的意义。 由于硫化矿石自燃是个热量积累的过程，在这个过程中硫化矿堆内部温度的 变化会随着热传递反应到矿堆表面【3 】。红外热成像技术作为一种间接测温技术， 可无接触测量硫化矿石堆表面温度，避免工作人员同有毒有害物质的直接接触。 另外使用红外热像技术可弥补传统测量方法无法测量超测距测点的缺点。特别是 井下常为高温环境，红外热像仪的使用有效实现工作人员同高温环境相隔离。 本文将红外热像技术应用于硫化矿石自燃预测中；通过实验测定，找出被测 物体发射率、测量距离、测量角度、测量环境粉尘浓度、测量环境噪声大小、被 测表面风速大小这些影响红外热像仪测温精度的主要因素，分析实验数据得到红 外热像仪修正测量值同实际值问拟合方程；利用可视化网格法和插值法得到红外 中南大学硕士学位论文笙二主笪丝 _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - 一 热像图几何定位，弥补以前图像信息同物理信息无法精确对应的缺陷；进行硫化 矿石堆自燃点预测，对表面测点及内部测点温度进行测定，得到与距离有关的硫 化矿内部同表面温度问的拟合方程，为红外热像仪用于硫化矿石自燃预测提供可 靠依据。 1 ．2 硫化矿石自燃预测及红外热像预测技术研究现状 1 ．2 ．1 硫化矿石的自燃预测研究现状 目前，专门针对硫化矿石自燃火源探测的技术并不多，基本上都是将煤炭行 业的火源探测技术直接应用到硫化矿山中。如中国矿业大学通过研究自燃物的水 分、灰分、密度等提出了详细自燃预测的指标体系；徐俊通过采用C O 气体作为 标志气体来预测自燃；肖吻、王振平等通过采取模拟实验和热重分析来进行特征 温度区划分；阳富强，吴超等人提出影响采场硫化矿石氧化自热主要因素。现今 在采场现场常用的自燃预报探测方法有直接温度探测法、气体探测法、电阻率 探测法、同位素测氡探测法、磁探测法、遥感探测法等。 1 直接温度探测法 直接温度探测法可利用相应温度传感器直接获取井下矿堆或周围环境温度。 由于硫化矿石氧化自燃伴随热量的产生，温度探测法是寻找硫化矿石自燃位置的 最有效方法。目前，淮南、枣庄等煤矿区都采用此法进行煤温测定，现已在国内 推广使用。温度探测传感器有热电偶、铂电阻、数字传感器等。国外也有使用分 布式光纤温度传感 D O F T S 来进行温度测定的。直接测温法根据测定位置的 不同分为地面测温法和井下测温法两种。地面测温法是在自燃火区上方，利用相 应探测仪探测热流量或通过已布置在围岩中的测温钻孔进行温度测定，再根据相 应的数理解算来反演推算出自燃区火源具体位置。井下温度测定法需要将测温传 感器埋设在易自燃发火的区域内，根据测温钻孔内测温传感器所得温度值发展变 化趋势来确定白燃易发点位置及发展规律。地面温度测温法适用于火源深度浅、 温度高的自燃发火区域。井下温度测温法测定结果准确性高，可及时发现矿石自 燃隐患。但直接温度探测法需要预先布置传感器，传感器的位置及数量直接决定 着最后测温结果的可靠性，这些布置参数又受矿堆本身温度场传导速度限制，传 感器必须达到一定数量，增加了测量成本。如若布置钻孔传感器，要提前钻孔， 进一步增加作业量。 2 气体探测法 硫化矿石在温度不断升高的过程中有大量气体的产生，根据其自燃过程中所 产生的气体跟温度之间的关系进行探测，即可达到对硫化矿石自燃温度和程度进 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 行探测的目的。硫化矿石自燃火源的程度和方位也可根据气体的浓度变化确定。 ①井下气体测定法 矿石在自燃过程中生成气体跟矿堆温度之间存在相关规律，用仪器检测矿石 氧化过程中释放出的气体可大致确定自燃程度及自燃点范围。硫化矿井检测中常 用的指标气体为二氧化硫 S 0 2 。但这种方法的缺点是无法确定自燃点几何位 置，井下通风也对指标气体浓度有影响。井下气体测定法是在矿山自燃预报中应 用最多的方法，可采用气体浓缩技术相对减弱通风对指标气体浓度的影响，提高 预测准确性。 ②地面气体测定 矿石自燃区同地表之间存在压力差，这些压力差加快了气体分子扩散，特别 是二氧化硫 S 0 2 会沿着硫化矿石自燃点垂直向外发射。在预定处布置网点并 在网点处根据实际情况进行钻孔，提取气体样本，根据提取出指标气体浓度，绘 制出相应矿堆自燃程度分布图，即可预测矿体自燃点大致位置及燃烧程度。但此 种测定方法前提是地表压力低于井下压力，且指标气体在从钻孔中上升的过程中 不与其他物质发生反应。若测定区域位于深采区点就无法应用此方法。因此，此 法只是当做自燃火源测定辅助方法。 3 电阻率探测法 对于矿石层来说，由于矿体结构和含水性等条件变化不大，在自然条件下沿 着矿石层特定方向的电阻率也基本保持不变。当井下矿石开始自燃后，自燃点周 围温度上升，这个过程同时伴随着矿体本身结构和含水性的变化，自燃点周围矿 体电阻率会发生变化。自燃初期，矿体裂隙中水分的增加导致电阻率低于原矿体 电阻率到达自燃末期，矿石燃烧比较充分，矿体本身结构状态发生较大改变， 水分在矿体温度不断升高的过程中，逐渐蒸发，矿体电阻率逐步升高。根据自燃 过程中电阻率的变化就可探测矿体自燃点的位置及范围。具体探测时可沿矿体走 向布置观测面测定电阻率的变化，根据比较不同区域电阻率变化情况来判断自燃 点的具体位置。 这种方法的缺点是易受干扰，若在测区附近有大型电流干扰，则测定结果误 差较大。特别是当自燃点位于较深矿体处时，很难得到满意的探测结果。 4 同位素测氡探测法 通过氡气测定来进行自燃火源的预测主要应用于煤矿地下火源的探测。随着 温度逐渐升高，存在于岩石介质中的天然放射性域析出率也相应增加。通过对地 表放射性氡气的探测，经过相应数据分析得出地下自燃火源具体位置。此种方法 的理论自燃火源探测深度为8 0 0 m 到1 2 0 0 m ，目前可达到的探测深度为5 0 0 m 。 测氡探测法的局限性在于断层、裂隙等同样会造成地表氡气浓度异常，并且很难 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 同自燃火源造成的氡气异常区分开来，影响最终判定结果。 5 磁探测法 磁探法主要应用于煤田自燃火区火源的探测。在煤田区，高含量菱铁矿或黄 铁矿会附着在煤层岩石上，自燃时产生热量致使菱铁矿和黄铁矿发生物理化学变 化，成为磁性矿物，某些自燃后发生变质的岩石在冷却后同样存在着大量的热剩 磁。利用自燃火区岩石含有磁性这一特征，就可利用磁探法来确定自燃火源位置 及自燃边界。但这种方法只是适用于煤田自燃火区探测，对于生产性矿井自燃预 测应用还存在一定的技术问题。 6 遥感探测法 遥感法同样应用于煤田火区自燃探测。遥感法是根据红外热像仪获取的数据 和图像，通过对地表热效应及边界裂隙等因素的综合分析来确定自燃火区的位 置。位处地下的煤层在燃烧之后，岩石发生破碎甚至有煤层塌陷的产生，自燃时 放