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煤礦氣體紅外光譜分析理論與應用 版權信息
- ISBN：9787030731555
- 條形碼：9787030731555 ; 978-7-03-073155-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
煤礦氣體紅外光譜分析理論與應用 內容簡介
煤礦井下環境氣體組分復雜且具有必需性、致災性、預警性的特點，煤礦氣體的定量檢測對礦井災害危險性早期辨識、繼發性及次生災害準確預警、應急救援科學決策具有重要意義。本書系統總結了煤礦氣體的分析方法和監測技術，介紹了傅里葉變換紅外光譜氣體分析原理，分析了煤礦氣體紅外光譜預處理方法，建立了煤礦氣體紅外光譜分析模型，提出了目標氣體特征變量提取與選擇方法，并闡述了煤礦氣體紅外光譜分析系統的結構、使用方法及其應用等內容。
煤礦氣體紅外光譜分析理論與應用 目錄
目錄
前言
第1章緒論1
1.1煤礦氣體概述1
1.1.1煤礦氣體來源2
1.1.2煤礦氣體性質5
1.2煤礦氣體檢測方法9
1.2.1傳感器檢測法9
1.2.2氣相色譜法11
1.2.3光譜法12
1.3煤礦氣體檢測方法的發展與應用14
1.3.1傳感器檢測法15
1.3.2氣相色譜法17
1.3.3不分光紅外光譜法19
1.3.4可調諧半導體激光吸收光譜法21
1.3.5傅里葉變換紅外光譜法22
1.4技術適用性對比分析24
1.5本書主要內容及特色27參考文獻28
第2章傅里葉變換紅外光譜氣體分析原理32
2.1光譜波段劃分32
2.2分子振動與光譜吸收33
2.2.1分子的轉動光譜35
2.2.2分子的純振動光譜35
2.2.3分子的振-轉光譜37
2.3朗伯-比爾定律38
2.4傅里葉變換紅外光譜獲取39
2.4.1邁克耳孫干涉儀39
2.4.2干涉圖的獲取40
2.4.3有限分辨率的影響42
2.4.4光譜的形成48
2.4.5FTIR的結構56
2.5本章小結63參考文獻63
第3章煤礦氣體紅外光譜預處理方法65
3.1光譜基線處理65
3.1.1光譜基線發生漂移的原因66
3.1.2光譜基線處理方法70
3.2平滑處理84
3.2.1紅外光譜噪聲來源與特點84
3.2.2平滑處理方法87
3.3插值97
3.3.1插值目的97
3.3.2插值方法98
3.4譜帶擬合101
3.5光譜差分102
3.6光譜解卷積105
3.7本章小結110參考文獻111
第4章煤礦氣體紅外光譜分析模型112
4.1*小二乘法112
4.1.1前向*小二乘法112
4.1.2逆向*小二乘法116
4.1.3應用示例118
4.2主元回歸法120
4.2.1主元回歸原理120
4.2.2主元回歸算法122
4.2.3應用示例123
4.3偏*小二乘法127
4.3.1偏*小二乘回歸原理127
4.3.2偏*小二乘回歸算法128
4.3.3應用示例132
4.4神經網絡法135
4.4.1神經網絡理論基礎135
4.4.2神經網絡建模方法150
4.4.3應用示例157
4.5支持向量機法166
4.5.1支持向量機理論基礎166
4.5.2支持向量機回歸學習方法173
4.6本章小結180參考文獻181
第5章紅外光譜特征變量提取與選擇182
5.1光譜定量分析中的常用特征182
5.2特征變量選擇算法184
5.2.1前向選擇法186
5.2.2后向剔除法188
5.2.3正則化模型188
5.2.4遺傳-偏*小二乘法191
5.2.5非線性回歸模型的特征變量提取193
5.3特征變量選擇應用195
5.3.1常用參量的定量分析195
5.3.2前向選擇法196
5.3.3后向剔除法200
5.3.4遺傳-偏*小二乘法204
5.3.5套索算法208
5.4本章小結213參考文獻213
第6章煤礦氣體紅外光譜分析系統215
6.1煤礦氣體紅外光譜分析系統主要部件215
6.1.1紅外光譜儀216
6.1.2微型工控機220
6.1.3傳感器221
6.1.4除塵除濕裝置227
6.1.5雙錐形新型氣室228
6.1.6多氣室切換裝置230
6.1.7電源模塊設計232
6.2煤礦氣體紅外光譜分析系統軟件設計233
6.2.1光譜掃描模塊的結構236
6.2.2分析計算模塊的算法及結構237
6.2.3人機交互模塊的內容與結構240
6.3煤礦氣體紅外光譜儀的工作方式241
6.3.1井下工作方式241
6.3.2離線工作方式244
6.3.3束管監測方式246
6.4煤礦氣體紅外光譜儀的操作規范248
6.4.1軟件的安裝249
6.4.2軟件的使用250
6.5煤礦氣體紅外光譜儀的性能檢測251
6.6本章小結255
參考文獻256
索引257
前言
第1章緒論1
1.1煤礦氣體概述1
1.1.1煤礦氣體來源2
1.1.2煤礦氣體性質5
1.2煤礦氣體檢測方法9
1.2.1傳感器檢測法9
1.2.2氣相色譜法11
1.2.3光譜法12
1.3煤礦氣體檢測方法的發展與應用14
1.3.1傳感器檢測法15
1.3.2氣相色譜法17
1.3.3不分光紅外光譜法19
1.3.4可調諧半導體激光吸收光譜法21
1.3.5傅里葉變換紅外光譜法22
1.4技術適用性對比分析24
1.5本書主要內容及特色27參考文獻28
第2章傅里葉變換紅外光譜氣體分析原理32
2.1光譜波段劃分32
2.2分子振動與光譜吸收33
2.2.1分子的轉動光譜35
2.2.2分子的純振動光譜35
2.2.3分子的振-轉光譜37
2.3朗伯-比爾定律38
2.4傅里葉變換紅外光譜獲取39
2.4.1邁克耳孫干涉儀39
2.4.2干涉圖的獲取40
2.4.3有限分辨率的影響42
2.4.4光譜的形成48
2.4.5FTIR的結構56
2.5本章小結63參考文獻63
第3章煤礦氣體紅外光譜預處理方法65
3.1光譜基線處理65
3.1.1光譜基線發生漂移的原因66
3.1.2光譜基線處理方法70
3.2平滑處理84
3.2.1紅外光譜噪聲來源與特點84
3.2.2平滑處理方法87
3.3插值97
3.3.1插值目的97
3.3.2插值方法98
3.4譜帶擬合101
3.5光譜差分102
3.6光譜解卷積105
3.7本章小結110參考文獻111
第4章煤礦氣體紅外光譜分析模型112
4.1*小二乘法112
4.1.1前向*小二乘法112
4.1.2逆向*小二乘法116
4.1.3應用示例118
4.2主元回歸法120
4.2.1主元回歸原理120
4.2.2主元回歸算法122
4.2.3應用示例123
4.3偏*小二乘法127
4.3.1偏*小二乘回歸原理127
4.3.2偏*小二乘回歸算法128
4.3.3應用示例132
4.4神經網絡法135
4.4.1神經網絡理論基礎135
4.4.2神經網絡建模方法150
4.4.3應用示例157
4.5支持向量機法166
4.5.1支持向量機理論基礎166
4.5.2支持向量機回歸學習方法173
4.6本章小結180參考文獻181
第5章紅外光譜特征變量提取與選擇182
5.1光譜定量分析中的常用特征182
5.2特征變量選擇算法184
5.2.1前向選擇法186
5.2.2后向剔除法188
5.2.3正則化模型188
5.2.4遺傳-偏*小二乘法191
5.2.5非線性回歸模型的特征變量提取193
5.3特征變量選擇應用195
5.3.1常用參量的定量分析195
5.3.2前向選擇法196
5.3.3后向剔除法200
5.3.4遺傳-偏*小二乘法204
5.3.5套索算法208
5.4本章小結213參考文獻213
第6章煤礦氣體紅外光譜分析系統215
6.1煤礦氣體紅外光譜分析系統主要部件215
6.1.1紅外光譜儀216
6.1.2微型工控機220
6.1.3傳感器221
6.1.4除塵除濕裝置227
6.1.5雙錐形新型氣室228
6.1.6多氣室切換裝置230
6.1.7電源模塊設計232
6.2煤礦氣體紅外光譜分析系統軟件設計233
6.2.1光譜掃描模塊的結構236
6.2.2分析計算模塊的算法及結構237
6.2.3人機交互模塊的內容與結構240
6.3煤礦氣體紅外光譜儀的工作方式241
6.3.1井下工作方式241
6.3.2離線工作方式244
6.3.3束管監測方式246
6.4煤礦氣體紅外光譜儀的操作規范248
6.4.1軟件的安裝249
6.4.2軟件的使用250
6.5煤礦氣體紅外光譜儀的性能檢測251
6.6本章小結255
參考文獻256
索引257
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煤礦氣體紅外光譜分析理論與應用 節選
第1章緒論 我國煤礦災害的種類較多，根據國家礦山安全監察局公布的歷年煤礦災害事故數據，2000～2020年由煤礦氣體引發或參與的火災、爆炸、突出、窒息等重特大事故達462起，占全國煤礦重特大事故起數的78.89%[1]。圖1.1為2000～2020年煤礦重特大事故類型分析。因此，準確高效地分析煤礦氣體種類和濃度(本書所述的氣體濃度均為氣體體積分數)對礦井火災、瓦斯爆炸等事故的早期預警，尤其是救災過程中的次生災害預警，保障作業人員的生命安全等具有十分重要的意義，同時也為制定防災減災措施提供參考依據[2，3]。 圖1.12000～2020年煤礦重特大事故類型分析 1.1煤礦氣體概述 煤礦氣體是煤礦井下環境各種氣體的總稱，主要包括氮氣(N2)、氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、正丁烷(n-C4H10)、異丁烷(i-C4H10)、丙烯(C3H6)、氫氣(H2)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)及一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨氣(NH3)等[4]。煤礦氣體組分復雜且具有必需性、致災性和預警性的特點[5]。必需性是指礦井通風風流對維系井下人員作業環境所必需的職業健康保障功能，如 O2；致災性是指礦井災害氣體對煤礦安全生產的危害性，如 CH4是瓦斯爆炸過程中的主要災害氣體；預警性是指煤礦特定氣體成分和濃度變化特征與災害的發生發展存在一定的對應關系，可以預測災害發生的概率和危險程度，如 CO是煤自然發火的主要標志氣體[6]。 1.1.1煤礦氣體來源 煤礦采動過程中，煤層賦存的氣體(如 CH4、N2、CO2、H2S等)會逸散到采場空間。礦井采掘過程中也會產生新的有毒有害氣體，例如，井下炸藥爆炸后產生 CO2、CO、H2S、NO2等氣體。采取防滅火措施時，往往要注入 N2、CO2。以上這些都是煤礦氣體的來源，而不同種類的氣體來源又有所不同[7]。 1. N2和 O2主要來源 礦井內 N2和 O2主要來源于地面空氣，地面空氣是由干空氣和水蒸氣組成的成分相對穩定的混合氣體。其中干空氣的組成如表1.1所示[8]，水蒸氣的濃度隨地區和季節而變化，平均濃度約為1%。 表1.1干空氣的組成[8] 地面空氣經過通風設施進入礦井后，與井下煤巖涌出的氣體及煤炭生產所產生的氣體混合，共同構成井下氣體環境。井下氣體在成分和性質上與地面空氣相比有了較為顯著的變化，如 O2濃度降低，CO2濃度增加，同時還混入了有害氣體和物質，如 CO、SO2、H2S、NO2、NH3等，易燃易爆氣體，如 CH4、H2等，以及塵埃和煙霧等。 2. CH4主要來源 CH4在煤體或圍巖中以游離態和吸附態賦存，其中90%為游離態，10%為吸附態。游離態 CH4容易進入巷道，影響煤礦井下氣體成分。進入巷道的游離態 CH4有三個主要來源，分別是煤壁落煤、采空區遺煤及鄰近層涌出。裸露煤壁和開采落煤產生的 CH4，由于儲存空間變大，壓力減小而逸出至巷道。采空區遺煤同樣逸出 CH4，由于風流作用進入巷道，鄰近層 CH4由煤層發育裂隙或開采裂隙進入開采煤層的采場空間。 3. CO主要來源 CO普遍作為指標氣體表征自然發火危險程度，其來源主要有： (1)礦井火災。煤體氧化蓄熱作用可導致自燃火災，隨著氧化自熱的加劇， CO產生量隨氧化速率的升高呈指數形式增加，且自燃火災具備隱蔽性，極易產生高濃度 CO。 (2)瓦斯、煤塵爆炸。瓦斯、煤塵發生爆炸后，空氣中 CO濃度范圍為2%～4%。 (3)井下爆破。由于炸藥爆炸反應不完全、與周圍某些礦物介質起反應等，爆破會產生大量的 CO。 (4)其他來源。如煤體原生賦存、無軌膠輪車尾氣、采煤機割煤等[9]。 4. CO2主要來源 井下 CO2主要來源有： (1)煤體緩慢氧化。煤體自熱氧化具有緩慢性、持續性特征， CO2隨著氧化作用不斷產生，屬于主要來源。 (2) 坑木腐朽變質。部分中小煤礦存在坑木支護的方式，木材在濕度較大的井下環境容易腐朽變質，可產生 CO2。 (3)采掘工作面爆破作業。巖巷掘進工作面、石門揭煤工作面等爆破作業產生 CO2。 (4) CO2突出等事故。煤礦井下地質條件復雜，處于地下深處的碳酸鹽類巖分解產生的大量 CO2通過煤巖裂隙遷移至煤層后，由于煤體吸附 CO2的能力強于CH4，在井巷掘進和石門揭煤過程中容易發生 CO2突出事故。例如，2010年5月11日，甘肅窯街煤電公司金河煤業1號井發生 CO2突出事故，造成重大傷亡。 5. H2S主要來源 井下 H2S主要來源有： (1)含硫煤體氧化。煤體的成分較為復雜，含硫煤體發生氧化作用后，經過復雜的物化反應就會生成 H2S。 (2)硫化礦物的水解。煤礦井下環境潮濕，部分硫化礦物會在此環境發生水解。 (3)含有硫化氫的采空區積水。采掘工作會導致圍巖含水層失去平衡條件，涌入采掘煤層后形成的采空區、廢巷等區域，由于積水與外界不連通且含有成分不一的雜質，大量 H2S在積水中聚集。一旦發生透水事故，將會逸出大量 H2S。 (4)坑木的腐爛。 6. NO2主要來源 井下 NO2主要來源于爆破工作。空氣中的 O2遇到爆破產生的 NO時，容易氧化生產 NO2。 7. SO2主要來源 井下 SO2主要來源有： (1)含硫煤炭的氧化。含有較高硫成分的煤炭在氧氣氛圍下緩慢氧化生成 SO2。 (2)爆破作業使用含硫量較高的炸藥。 (3)含硫礦塵的爆炸。 8. H2主要來源 煤層中含有少量的 H2，屬于有機質變質過程的產物。煤體受熱變質時，在高溫下熱分解產生 H2。礦井發生火災或爆炸事故可產生 H2。蓄電池充電硐室亦有少量 H2排出。 9.其他氣體主要來源 煤層采空區存在漏風、采掘周期超過煤層自然發火期均可引發自燃火災。由于煤分子化學結構復雜，煤層自然發火過程中可生成多種指標氣體，包括 CO、烷烴(C2H6、C3H8等)、烯烴(C2H4、C3H6等)、炔烴(C2H2等)等。 指標氣體隨自燃火災的發展而產生，且與煤溫變化具有一定的對應關系。 CO 作為廣泛使用的指標氣體，出現時間較早、產生量較大。烯烴類大多出現在煤溫100℃之后，表明煤自然發火已進入快速氧化階段。烷烴類出現時間位于 CO和烯烴類之間。當煤自然發火處于激烈氧化階段時，將出現炔烴類氣體。因此，可通過檢測不同的指標氣體判斷煤自燃火災的發展階段[10]。 1.1.2煤礦氣體性質 煤礦氣體的性質是氣體分析方法的重要檢測根據，需清楚地了解煤礦氣體的性質。 1. N2的性質 N2無色、無味、無毒、不助燃，屬于惰性氣體，相對密度為0.97。若 N2濃度位于合理范圍內，則對人體無害；若 N2濃度過高，則降低了 O2濃度，會導致人員窒息性傷害。例如，在廢棄的煤礦井下舊巷或隔離火區內，由于通風條件差， O2被采空區遺煤緩慢氧化逐漸消耗，從而 N2濃度升高，人在該條件下易缺氧而窒息。由于 N2的不助燃性質，可用于井下防滅火工作；利用 N2可稀釋瓦斯濃度，防止瓦斯積聚[11]。 2. O2的性質 O2無色、無味、化學性質活潑、可助燃，相對密度為1.11。凡是井下人員工作或者通行的地點，必須保證氧含量處于合理區間內。 勞動強度及體質強弱會影響人的耗氧量。勞動強度可用呼吸系數表示，即單位時間內人體產生的 CO2與消耗的 O2的體積比。 呼吸系數.所產生的CO2的體積(1.1) 所消耗的O2的體積一般人的呼吸系數為0.8～1.0。礦井的呼吸系數為單位時間內自礦井排出的 CO2量與礦井吸入 O2量之比，它隨著井下化學和物理變化而異。礦井的呼吸系數一般為0.3～0.8，對于 CO2涌出量大的礦井，呼吸系數可能大于1。若采掘工作面勞動強度大的工人呼吸系數為1，則每人每分鐘供風量為 V。 (1.2) 式中，n1為大氣中 O2的濃度，20.9%；n2為《煤礦安全規程》規定的 O2濃度的下限值，20%[12]；V0為每人耗氧量，0.003m3/min。 將各參數代入式(1.2)，得到每人每分鐘供風量為0.333m3/min。因人的耗氧量只占總耗氧量的一小部分，為滿足該地區全部物質耗氧量的要求及必要的安全系數，《煤礦安全規程》[12]規定，每人每分鐘供風量不得小于4m3/min。通風良好的巷道，濃度變化量不大，在通風不良或采空區的舊巷內， O2濃度顯著降低。作業人員進入上述巷道之前，應進行 O2濃度檢查，不能貿然進入，以免發生窒息危險。 *有利于人體呼吸的 O2濃度為21%左右，采掘工作面的進風流 O2濃度不得低于20%。人體缺氧癥狀與空氣中 O2濃度的關系如表1.2所示。 表1.2人體缺氧癥狀與空氣中 O2濃度的關系 3. CO2的性質 CO2無色、無味、易溶于水、不助燃，相對密度為1.52。由于 CO2比空氣重，巷道底部、下山的掘進迎頭等地方 CO2濃度較高。空氣中微量的 CO2會刺激人體的呼吸作用，濃度過高會導致人員中毒或者窒息。采掘工作面的進風流中， CO2濃度不得超過0.5%。 采區回風巷和采掘工作面回風巷回風流中 CO2濃度達到1.5%時，必須停止工作，撤出人員，查明原因，制定處置措施。總回風巷或一翼回風巷中 CO2濃度超過0.75%時，必須查明原因，并及時進行處理。人體中毒癥狀與空氣中 CO2濃度的關系如表1.3所示。 表1.3人體中毒癥狀與空氣中 CO2濃度的關系 4. CO的性質 CO無色、無味、微溶于水，相對密度為0.97，能和空氣混合均勻，可被少量吸附于活性炭，與酸、堿不起反應。 CO濃度處于13%～75%時具有爆炸危險性。
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