[发明专利]一种基于BP人工神经网络的煤尘润湿接触角估算方法

说明书

技术领域

本发明属于煤尘润湿接触角估算技术领域，具体涉及一种基于BP人工神经网络的煤尘 润湿接触角估算方法。

背景技术

我国经济的高速增长是建立在能源高消耗基础上的。进入21世纪以来，我国能源消耗呈 线性增长，2005年我国原煤消耗量为22.68亿吨，2013年煤炭消耗总量达到39亿多吨。我 国一次能源消费中煤炭约占能源消耗总量的70％，其中约90％的煤炭来自地下开采。据中国 工程院预测，2050年我国煤炭消耗量仍将占能源消耗总量的50％左右。随着矿井及综掘工作 面朝着大型化和机械自动化方向发展，采煤各断面煤尘产生量越来越大，矿井作业环境持续 恶化。有资料显示，煤炭采掘过程中若不采取有效防尘控尘措施，采掘工作面煤尘浓度最高 可达1000～3000mg/m³，其中呼吸性粉尘所占比例达20％～40％。

煤矿企业通常采用通风排尘、湿法喷雾降尘和干法控尘除尘等措施以降低煤炭开采过程 产生的煤尘浓度，而我国90％以上的矿井采用湿法喷雾降尘技术。该技术利用具有一定压力 的水在喷嘴嘴部喷气作用下，高速运动的水流与空气发生碰撞并不断破裂而形成微细水雾， 空气中运动的颗粒物与微细雾滴发生碰撞或因拦截作用使颗粒增重而沉降。有资料表明，采 用喷雾降尘装置可使作业环境中煤尘量减少85％～95％；但也有大量资料表明，矿井煤尘总降 尘率不足50％，特别是细小颗粒降尘效率不足30％。煤质组成及其结构直接影响了煤尘颗粒 与液体的润湿性能，液体-固体润湿性差是导致喷雾降尘效率低的主要因素。也就是说，润湿 性能差的煤尘采用湿法喷雾降尘是一种选择不当的控尘除尘措施。进行煤尘润湿性能的有效 判断是控尘降尘措施选择的依据，矿井控尘除尘措施选择得当将大大降低综掘工作面煤尘浓 度。

目前，煤尘润湿性是通过实验测定煤尘与液体接触角来表征的，接触角越大，煤尘润湿 性能越差，接触角越小，润湿性能越好。研究表明，当煤尘润湿接触角超过76°时，采用湿法 喷雾控尘除尘措施，矿井煤尘浓度将可能严重超过国家规定的浓度限值要求。煤尘润湿接触 角的实验测定过程较为复杂，涉及煤样粉碎、加压成型、样品浸泡和接触角测定仪测定等过 程，接触角测定涉及多种专用仪器，耗时较长且测定费用较高。国内现有资源无法满足企业 在矿井设计阶段前完成接触角的测定。因此，亟待开发出一种有效估算煤尘润湿接触角的方 法，估算结果用于指导煤矿井选择有效的防尘控尘措施，对降低综掘工作面煤尘浓度以改善 综掘工作面的空气品质具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于BP人工神经网络的煤尘润湿接触角估 算方法。本发明的技术方案如下：

一种基于BP人工神经网络的煤尘润湿接触角估算方法，包括以下工艺步骤：

(1)选择影响煤尘润湿接触角的主要因素作为BP人工神经网络的输入变量；

(2)采集输入变量的样本数据并进行归一化处理，使所有样本数据在[0，1]范围内；

(3)构建煤尘润湿接触角的BP人工神经网络结构；

(4)利用MATLAB编译程序对所构建的煤尘润湿接触角的BP人工神经网络进行网络 训练，得到不同隐含层节点数和激励函数条件下的误差均值和误差标准差，确定最佳隐含层 节点数和激励函数；

(5)利用MATLAB编译程序确定煤尘润湿接触角的BP人工神经网络的输入层与隐含 层、隐含层与输出层的连接权重，并获得目标煤尘润湿接触角的估算值；

(6)比较煤尘润湿接触角的估算结果和实测结果的误差，验证所构建的BP人工神经网 络的估算精度。

煤尘润湿接触角主要受到煤质化学组成和结构的影响。煤质化学组成包括工业分析中的 固定碳(FCad)、挥发分(Vad)、灰分(Aad)、水分(Mad)和元素分析中的碳元素(Cdaf)、 氧元素(Odaf)、氢元素(Hdaf)、氮元素(Ndaf)和硫元素(Sdaf)含量，结构参数包括煤 孔隙平均孔径、比孔容、O/C比、H/C比，因此输入变量涉及13个因素，输出目标为煤尘润 湿接触角。

所述步骤(1)的输入变量为煤尘中固定碳含量、挥发分含量、灰分含量、水分含量、碳 含量、氧含量、氢含量、氮含量、硫含量、平均孔径、比孔容、O/C比和H/C比。