[發明專利]一種基于BP人工神經網絡的煤塵潤濕接觸角估算方法

在審

• 申請號: 201510907475.3
• 申請日: 2015-12-09
• 公開（公告）號: CN105547927A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 羅根華;馬云東;張大明
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于煤塵潤濕接觸角估算技術領域，具體涉及一種基于BP人工神經網絡的煤塵 潤濕接觸角估算方法。

背景技術

我國經濟的高速增長是建立在能源高消耗基礎上的。進入21世紀以來，我國能源消耗呈 線性增長，2005年我國原煤消耗量為22.68億噸，2013年煤炭消耗總量達到39億多噸。我 國一次能源消費中煤炭約占能源消耗總量的70％，其中約90％的煤炭來自地下開采。據中國 工程院預測，2050年我國煤炭消耗量仍將占能源消耗總量的50％左右。隨著礦井及綜掘工作 面朝著大型化和機械自動化方向發展，采煤各斷面煤塵產生量越來越大，礦井作業環境持續 惡化。有資料顯示，煤炭采掘過程中若不采取有效防塵控塵措施，采掘工作面煤塵濃度最高 可達1000～3000mg/m³，其中呼吸性粉塵所占比例達20％～40％。

煤礦企業通常采用通風排塵、濕法噴霧降塵和干法控塵除塵等措施以降低煤炭開采過程 產生的煤塵濃度，而我國90％以上的礦井采用濕法噴霧降塵技術。該技術利用具有一定壓力 的水在噴嘴嘴部噴氣作用下，高速運動的水流與空氣發生碰撞并不斷破裂而形成微細水霧， 空氣中運動的顆粒物與微細霧滴發生碰撞或因攔截作用使顆粒增重而沉降。有資料表明，采 用噴霧降塵裝置可使作業環境中煤塵量減少85％～95％；但也有大量資料表明，礦井煤塵總降 塵率不足50％，特別是細小顆粒降塵效率不足30％。煤質組成及其結構直接影響了煤塵顆粒 與液體的潤濕性能，液體-固體潤濕性差是導致噴霧降塵效率低的主要因素。也就是說，潤濕 性能差的煤塵采用濕法噴霧降塵是一種選擇不當的控塵除塵措施。進行煤塵潤濕性能的有效 判斷是控塵降塵措施選擇的依據，礦井控塵除塵措施選擇得當將大大降低綜掘工作面煤塵濃 度。

目前，煤塵潤濕性是通過實驗測定煤塵與液體接觸角來表征的，接觸角越大，煤塵潤濕 性能越差，接觸角越小，潤濕性能越好。研究表明，當煤塵潤濕接觸角超過76°時，采用濕法 噴霧控塵除塵措施，礦井煤塵濃度將可能嚴重超過國家規定的濃度限值要求。煤塵潤濕接觸 角的實驗測定過程較為復雜，涉及煤樣粉碎、加壓成型、樣品浸泡和接觸角測定儀測定等過 程，接觸角測定涉及多種專用儀器，耗時較長且測定費用較高。國內現有資源無法滿足企業 在礦井設計階段前完成接觸角的測定。因此，亟待開發出一種有效估算煤塵潤濕接觸角的方 法，估算結果用于指導煤礦井選擇有效的防塵控塵措施，對降低綜掘工作面煤塵濃度以改善 綜掘工作面的空氣品質具有重要的現實意義。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于BP人工神經網絡的煤塵潤濕接觸角估 算方法。本發明的技術方案如下：

一種基于BP人工神經網絡的煤塵潤濕接觸角估算方法，包括以下工藝步驟：

(1)選擇影響煤塵潤濕接觸角的主要因素作為BP人工神經網絡的輸入變量；

(2)采集輸入變量的樣本數據并進行歸一化處理，使所有樣本數據在[0，1]范圍內；

(3)構建煤塵潤濕接觸角的BP人工神經網絡結構；

(4)利用MATLAB編譯程序對所構建的煤塵潤濕接觸角的BP人工神經網絡進行網絡 訓練，得到不同隱含層節點數和激勵函數條件下的誤差均值和誤差標準差，確定最佳隱含層 節點數和激勵函數；

(5)利用MATLAB編譯程序確定煤塵潤濕接觸角的BP人工神經網絡的輸入層與隱含 層、隱含層與輸出層的連接權重，并獲得目標煤塵潤濕接觸角的估算值；

(6)比較煤塵潤濕接觸角的估算結果和實測結果的誤差，驗證所構建的BP人工神經網 絡的估算精度。

煤塵潤濕接觸角主要受到煤質化學組成和結構的影響。煤質化學組成包括工業分析中的 固定碳(FCad)、揮發分(Vad)、灰分(Aad)、水分(Mad)和元素分析中的碳元素(Cdaf)、 氧元素(Odaf)、氫元素(Hdaf)、氮元素(Ndaf)和硫元素(Sdaf)含量，結構參數包括煤 孔隙平均孔徑、比孔容、O/C比、H/C比，因此輸入變量涉及13個因素，輸出目標為煤塵潤 濕接觸角。

所述步驟(1)的輸入變量為煤塵中固定碳含量、揮發分含量、灰分含量、水分含量、碳 含量、氧含量、氫含量、氮含量、硫含量、平均孔徑、比孔容、O/C比和H/C比。