论文中文题名: | 松散煤体氧化升温过程中 声波传播特性及测温实验研究 |
姓名: | |
学号: | 19220214112 |
保密级别: | 内部 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085224 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 安全工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 煤火灾害防治 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
论文提交日期: | 2022-06-22 |
论文答辩日期: | 2022-06-01 |
论文外文题名: | Experimental study on the propagation characteristics of sound waves and temperature measurement during the oxidative warming process of loose coal |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Loose coal ; Coal spontaneous combustion ; Propagation characteristics ; Signal optimization ; Acoustic temperature measurement |
论文中文摘要: |
煤自燃是煤矿五大灾害之一,煤自燃具有高温火源隐蔽、易复燃等特点,且煤矿采空区冒落空间大、漏风复杂,采空区火源精准探测一直是亟待解决的难题。声波测温技术作为一种基于声学原理测温的新技术,目前已经在储粮、堆积生物质、锅炉及湖水温度等领域成功应用,并取得良好的效果。为此,本文通过测试不同信号在松散煤体中的衰减系数及互相关系数,优选出了适合松散煤体声波测温的最佳声源信号,并基于优选出的信号进行了松散煤体温度测量实验,为采空区自燃高温火源的精准探测奠定基础,取得主要创新工作如下: 声波在松散煤体中传播路径的确定是声学法测量温度的前提与基础,为此,综合考虑松散煤体级配特性以及煤的力学特性,研究了煤的体积模量、分析了声波在三种纯气体环境(氮气、空气、二氧化碳)及松散煤体不同饱和气体环境中的飞渡时间变化,确定了声波在松散煤体中主要通过松散煤体空隙中的空气进行传播。 声波信号在传播过程中会产生热传导、粘滞、散射、扩散、弛豫等衰减现象,为探究声波频率、温度及煤的变质程度对衰减系数的影响,运用声波衰减测试系统,研究了100~2500Hz范围内不同频率的声波信号衰减系数及其影响因素,得出了煤的变质程度对声波衰减的影响较小,声波的衰减系数随着温度的增加而增加等结论,确定了声波在松散煤体中传播的最佳频率在600~900Hz之间。 声波飞渡时间的准确测量是提高测温精度的关键,为明确松散煤体声学测温的最佳声源信号类型及频率,以伪随机、线性扫频及脉冲三种声源信号作为研究对象,探究其在不同温度松散煤体中的衰减系数及互相关值,运用四个指标对信号的优劣进行评判,得出了线性扫频信号的衰减系数对温度的敏感性最低,低频扫频信号衰减较小且互相关具有很好的尖锐性,能够有效的抑制互相关结果中的最大副峰值等结论,确定了周期为0.1s、频带为600~1000Hz的扫频信号作为松散煤体测温的声源信号最佳。 基于空气中声速与温度的关系,分析了影响声速的主要因素,基于声波测温的基本原理,构建了声学法松散煤体温度测量模型,通过相同温度下声波在松散煤体中与自由大气空间中飞渡时间的比值得到特征因子,同时拟合出特征因子与温度之间的非线性函数,运用测温模型中特征因子、温度及飞渡时间之间的函数关系,计算出松散煤体的温度,根据拟合的非线性函数更新特征因子,实现了松散煤体声学法温度测量,实验测量松散煤体温度的绝对误差不超过1.78℃。 |
论文外文摘要: |
Coal spontaneous combustion is one of the five major disasters in coal mines. Coal spontaneous combustion has the characteristics of hidden high-temperature fire sources and easy re-ignition. Moreover, the gobs of coal mines have large falling space and complicated air leakage. Accurate detection of fire sources in gobs has always been an urgent problem to be solved. As a new technology of temperature measurement based on acoustic principle, acoustic temperature measurement technology has been successfully applied in the fields of grain storage, accumulation of biomass, boiler and lake water temperature, and achieved good results. For this reason, by testing the attenuation coefficients and cross-correlation coefficients of different signals in loose coal, this paper selects the best sound source signal suitable for acoustic temperature measurement of loose coal, and based on the selected signals, the temperature of loose coal is calculated. The measurement experiment has laid the foundation for the accurate detection of spontaneous combustion high temperature fire sources in goafs. The main innovations obtained are as follows: The determination of the propagation path of the sound wave in the loose coal is the premise and basis of the temperature measurement by the acoustic method. Therefore, considering the gradation characteristics of the loose coal and the mechanical properties of the coal, the bulk modulus of the coal and the analysis of the sound wave in the three The change of the time of flight in various pure gas environments (nitrogen, air, carbon dioxide) and in different saturated gas environments of loose coal body, it is determined that the sound wave mainly propagates through the air in the gap of loose coal body in loose coal body. During the propagation of acoustic wave signals, attenuation phenomena such as heat conduction, viscosity, scattering, diffusion and relaxation will occur. The attenuation coefficients and influencing factors of acoustic wave signals at different frequencies in the range of 100~2500Hz, and it is concluded that the influence of coal metamorphism on acoustic wave attenuation is small, and the attenuation coefficient of acoustic waves increases with the increase of temperature. The optimal frequency of propagation in coal is between 600~900 Hz. Accurate measurement of sound wave transit time is the key to improving temperature measurement accuracy. In order to find the best sound source signal type and frequency for acoustic temperature measurement of loose coal, three kinds of sound source signals, pseudo-random, linear sweep and pulse, are used as the research objects. Explore its attenuation coefficient and cross-correlation value at different temperatures, and use four indicators to judge the quality of the signal. The cross-correlation has good sharpness, which can effectively suppress the largest secondary peak in the cross-correlation results. The source signal is the best. Based on the relationship between the speed of sound and temperature in the air, the main factors affecting the speed of sound are analyzed. Based on the basic principle of sound wave temperature measurement, an acoustic method for measuring the temperature of loose coal body is constructed. The ratio of the mid-flight time to obtain the characteristic factor, and at the same time, the nonlinear function between the characteristic factor and the temperature is fitted. Using the functional relationship between the characteristic factor, temperature and flying time in the temperature measurement model, the loose coal mass is calculated. For temperature, the characteristic factor is updated according to the fitted nonlinear function, and the acoustic temperature measurement of loose coal body is realized, and the absolute error of measuring the temperature of loose coal body is not more than 1.78℃. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD752.2 |
开放日期: | 2024-06-30 |