韓文強(qiáng)

(山西省長治市潞州區(qū) 能源局能源服務(wù)中心，山西 長治 046000)

煤自燃是呈破碎狀態(tài)堆積的煤在適量的通風(fēng)供氧條件下一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)[1]，在該過程中會產(chǎn)生一系列能夠預(yù)測和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)的標(biāo)志氣體[2-3]，通過現(xiàn)場對單一或復(fù)合標(biāo)志氣體的有效監(jiān)測，可預(yù)測預(yù)報煤自燃發(fā)展進(jìn)程，為采取相應(yīng)的防治措施提供科學(xué)依據(jù)[4-5]。

煤升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物因煤質(zhì)不同而異，這給煤自燃臨界點(diǎn)和各個階段自燃標(biāo)志氣體的選擇造成很大困難。長期以來，相關(guān)專家學(xué)者對煤自燃特征及相關(guān)標(biāo)志氣體的釋放規(guī)律開展了大量研究，主要包括以CH4、C2H6、C3H8、C2H2、C2H4等氣體為主的單一氣體指標(biāo)和以鏈烷比、烯烷比等為主的復(fù)合指標(biāo)[6-9]，但通常采用定性分析，主觀性強(qiáng)，誤差大。本文運(yùn)用基于信息熵的決策樹理論，定量分析不同階段不同標(biāo)志氣體的信息增益率，提出了一種更為合理的煤自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選方法[10-11]。

1 程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及過程

采用自行研制的程序升溫氧化裝置，選用王莊煤礦8106工作面煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，考察整個過程中氣體生成變化規(guī)律，測定煤自燃過程中各標(biāo)志氣體的生成量與自燃階段之間的關(guān)系，分析的氣體包括O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。

圖1 程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)譚波[12-13]的研究分析，煤自燃前期可采用固定階段劃分方式，將其劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個階段，分別為危險期(<60 ℃)、中等危險期(60～90 ℃)、較高危險期(90～120 ℃)、高危險期(120～150 ℃)和極高危險期(>150 ℃)，不同階段對應(yīng)的氣體指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

2 基于信息熵的標(biāo)志氣體優(yōu)選

2.1 信息熵-決策樹理論

(1)

那么在選擇屬性A后伸出的每個A=aj葉節(jié)點(diǎn)Xj對于分類信息的信息熵H(X/A)為：

(2)

決策樹的學(xué)習(xí)就是使得對劃分的不確定程度逐漸減少，那么屬性A對于分類提供的信息量即信息增益I(X;A)為：

I(X,A)=H(X)-H(X/A)

(3)

在建立決策樹時就是選擇信息增益最大的屬性作為分裂屬性。

由于煤樣程序升溫氧化過程中產(chǎn)生的氣體種類較多，其決策屬性為該過程中煤體自燃是否達(dá)到某一危險程度，為數(shù)值型屬性，且其非類屬性的取值較多，因此計算時采用改進(jìn)的ID3算法即C4.5算法，則X關(guān)于屬性A的分裂信息量定義為：

(4)

進(jìn)而可以計算出X關(guān)于屬性A的信息增益率：

(5)

2.2 自燃指標(biāo)優(yōu)選決策計算

表2 煤自燃指標(biāo)優(yōu)選決策計算結(jié)果

3 分析與討論

3.1 煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體

對王莊煤礦開采的3號煤層來說，CO的產(chǎn)生量隨著煤溫的升高而上升，在整個程序升溫過程中表現(xiàn)為單調(diào)遞增關(guān)系，另外CO產(chǎn)生的絕對量是所有標(biāo)志氣體產(chǎn)物中最大的；同時從表1中信息熵計算結(jié)果可以看出判斷煤體進(jìn)入任何一個自燃階段時CO氣體的信息增益率都是最高的，因此整個自燃過程中CO應(yīng)作為主要標(biāo)志氣體。因此，在3號煤開采過程中，當(dāng)CO濃度大于32×10-6時可認(rèn)為自燃進(jìn)入中等危險期，大于145.5×10-6時進(jìn)入較高危險期，大于270.5×10-6時進(jìn)入高危險期，濃度大于634.5×10-6時進(jìn)入極高危險期。

由于CO氣體貫穿整個煤升溫氧化過程，檢測范圍較寬，且受到風(fēng)量、取樣地點(diǎn)等影響較大，加之現(xiàn)場條件與實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境的差別較大，不利于精確判斷其濃度值所對應(yīng)的溫度值，但如果檢測到CO濃度持續(xù)穩(wěn)定增加，且上升速率加快，則可以認(rèn)為煤發(fā)生了自燃。

3.2 煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體

從表1可以看出CH4在預(yù)測預(yù)報煤自燃進(jìn)入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，但是在預(yù)報前三個階段時信息增益率很低，這是因?yàn)槌绦蛏郎氐陀?0 ℃時CH4氣體的產(chǎn)生主要是從煤中解吸出來的，在高于90 ℃其主要產(chǎn)生原因才是由于煤的氧化反應(yīng)。因此在標(biāo)志氣體運(yùn)用時不宜采取此種氣體。

3.3 煤自然發(fā)火的C2H4標(biāo)志氣體

升溫氧化過程中當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃后開始出現(xiàn)C2H4，其濃度隨著煤溫升高緩慢增加。從表1中可以看出C2H4在預(yù)測預(yù)報煤自燃進(jìn)入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，可以作為煤自然發(fā)火進(jìn)入高危險期的標(biāo)志氣體。當(dāng)現(xiàn)場檢測到C2H4氣體，則表明此時的煤溫已經(jīng)超過其臨界溫度值，應(yīng)立即采取措施。與CO相比，該氣體的生成存在明顯的溫度差和時間差，為煤自燃高危險期預(yù)報提供重要參考。

3.4 煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體

C2H6在30 ℃時就開始出現(xiàn)，其濃度呈先下降后上升的趨勢，表明其不完全是煤裂解和氧化產(chǎn)生，煤的解吸附占很大部分。另從表1可以看出C2H6氣體在前4個階段信息增益率都較低，因此不宜采用C2H6氣體作為標(biāo)志氣體。

3.5 煤自然發(fā)火的復(fù)合氣體指標(biāo)

表2中φC2H6/φCH4指標(biāo)除第Ⅴ階段外信息增益率都較低，說明采用該指標(biāo)決策煤自然發(fā)火狀態(tài)是不合適的。

實(shí)驗(yàn)過程中φC2H4/φCH4指標(biāo)同C2H4指標(biāo)的變化規(guī)律相似，在預(yù)測預(yù)報煤自燃進(jìn)入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，可以將該指標(biāo)作為煤自然發(fā)火進(jìn)入高危險期的標(biāo)志。與C2H4指標(biāo)所不同的是，φC2H4/φCH4可以有效排除現(xiàn)場風(fēng)量對氣體濃度的影響，其絕對數(shù)值更有參考價值，根據(jù)表2計算結(jié)果，可以認(rèn)為φC2H4/φCH4值超過0.042時煤自燃進(jìn)入第Ⅳ階段高危險期，超過0.138時進(jìn)入第Ⅴ階段極高危險期。

φC2H4/φC2H6指標(biāo)與φC2H4/φCH4指標(biāo)相似，可以用于煤自然發(fā)火進(jìn)入高危險期的標(biāo)志氣體。根據(jù)表2中計算結(jié)果，可以認(rèn)為φC2H4/φC2H6值超過0.026時煤自燃進(jìn)入第Ⅳ階段高危險期，超過0.094時進(jìn)入第Ⅴ階段極高危險期。

4 結(jié) 語

1) 基于信息熵的決策算法能夠很好的應(yīng)用于煤自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選，以各指標(biāo)對煤所處不同自然發(fā)火階段的信息增益率為評價依據(jù)，可以有效避免傳統(tǒng)方法在自燃指標(biāo)選擇時的主觀因素。

2) 王莊煤礦3號煤層煤樣的自燃低危險期—較高危險期的主要標(biāo)志氣體為CO，高危險期的主要標(biāo)志氣體為C2H4。

3)φC2H4/φC2H6和φC2H4/φCH4在煤自燃進(jìn)入高危險期時信息增益率比較高，可作為高危險期的輔助指標(biāo)。