影響煤層吸附一氧化碳因素的主成分分析

郭立穩(wěn)，王 強，王月紅

(1.河北聯合大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063009;2.河北省礦產開發(fā)與安全技術重點實驗室，河北唐山063009)

0 引言

礦井自燃火災的發(fā)生與發(fā)展，是影響煤礦安全生產的主要災害之一［1］，礦井的防滅火工作是礦井的重點工程，也是中外學者研究煤礦火災的主要方向之一。在煤礦煤層開采過程中會經常遇到一氧化碳超限的現象，除爆炸和爆破產生的一氧化碳外，大多認為，煤礦中一氧化碳來源于煤層自然發(fā)火或其他火災，很少考慮到煤層賦存一氧化碳的這一情況［2，3］。伴隨著現代科學技術的創(chuàng)新發(fā)展以及多種檢測一氧化碳手段的拓展，很多煤礦發(fā)現開采中一氧化碳超過《安全規(guī)程》的規(guī)定，經過檢測及分析一氧化碳來源不僅是因為發(fā)生煤層自然發(fā)火或火災，而煤層中也賦存有一氧化碳。

CO作為煤炭早期自然發(fā)火的標志性氣體已經得到了大多數人的認可［4］?；趥鹘y(tǒng)的一氧化碳由于煤的物理化學作用產生的認識，公司實施了大量預防煤層自然發(fā)火的措施，這不僅增加了生產投入，而且影響生產進度，降低了資源開發(fā)的經濟效益。文章主要針對煤的灰分、水分、揮發(fā)分等工業(yè)分析［5］，孔隙結構分析［6］及碳、氫、氧、氮、硫等元素分析［7］與CO吸附量進行耦合分析，研究這些影響因素之間的數學關系以及主要因子。

1 實驗研究

采用西安科技大學的康塔物理化學吸附儀，將煤樣制成小于0.08 mm左右的煤樣，約1.0 g左右，放入球形試管中。測量30℃不同壓力下煤樣對于一氧化碳的吸附量見表1。

表1 CO吸附量

圖1 吸附量與氣體壓力關系圖

低壓下煤對一氧化碳吸附量隨氣體壓力增大呈線性增長，并且低壓下很難區(qū)分吸附量的關系。

對煤樣采用MAC-2000型全自動測定儀，測定煤的水分、干基灰分、干燥無灰基揮發(fā)分等常用工業(yè)分析指標;元素分析實驗測得碳、氧、硫、碳氫比的含量;采用AutoPoreⅣ9500型壓汞儀測得煤樣的孔隙率。煤的水分、灰分、揮發(fā)分，煤的碳、氧、硫的百分含量及碳氫比、孔隙率實驗室檢測結果見表2。

表2 實驗室檢測結果

2 因子分析

人們在研究實際問題時，往往希望盡可能多的收集相關變量，以期望對問題有比較全面、完整的把握和認識。因子分析就是在盡可能不損失信息或者少損失信息的情況下，將多個變量減少為少數幾個因子的方法。這幾個因子可以高度概括大量數據中的信息，這樣，既減少了變量個數，又同樣能再現變量之間的內在聯系。因子抽取的方法可用主成分分析、未加權最小平方、廣義最小二乘法、極大似然、主軸因子分解、Alpha因子分解和映像因子分解。

在此選用主成分分析抽取因子，具體方法如下:

設待評價的煤樣樣本m個，每個樣本有n個影響因素，則有樣本指標矩陣見式(1):

式中:X為樣本矩陣，xij為煤樣影響因素的實驗室數據，i=1，2…，m;j=1，2…，n。

2.1 數據標準化處理

由于不同的參數具有不同的量綱，數量級相差也很大。為了排除不同量綱和不同數量級對結果的影響，需要對各個參數的原始數據進行標準化處理。參數存在正負之分，所以標準化公式也應不同。正向指標，標準化見式(2):

式中:yij代表的標準化值，si為參數i的參考標準值或各級標準的平均值。

逆向指標，標準化見式(3):

所以標準化數據矩陣為式(4):

式中:Y為標準化矩陣。

2.2 主成分的選取

將n個特征值按大小順序排列λ1≥λ2≥…≥λn，相應的n個特征向量組成n個新變量:

t1，t2為第一主成分，第二主成分。式中y是用分指數表示的參數j的標化測值。當前面p個變量在第i個公因子上的載荷向量為:

式中:ai為載荷向量，λi為特征值，ξ(i)為向量值。

變量j(j=1，2，…，n)在全部P個公因子上載荷平方和的方根:

式中:hj為權重值。

hj反映了該變量在公共性部分的作用或重要性程度，所以可以作為權重。

通過數值計算得到，第一、第二主成分的對應的特征值及特征向量分別為:

第一、第二主成分所占總方差的相對貢獻率為:

公因子的載荷向量分別為:

于是可以計算出:

由上可以看出h4＞h6＞h8＞h1＞h3＞h7＞h2＞h5，相應的影響因素分別為碳元素含量、氧元素含量、孔隙率、水分、揮發(fā)分、碳氫比、灰分、硫元素含量。

3 結論

在以往的實驗分析中大多采取了單方面影響因素對煤層吸附一氧化碳的影響作用，影響因素之間的關系很模糊，同一實驗中又很難進行多變量驗證，因此借用數學方法對此進行假設分析。通過對多種影響煤層吸附一氧化碳量因子的相關性數據耦合分析，運用因子分析中主成分分析法抽取因子，依據權重值的大小來對比影響因素間的關系:碳元素含量＞氧元素含量＞孔隙率＞水分＞揮發(fā)分＞碳氫比＞灰分＞硫元素含量。

［1］ 王省身，張國樞.中國煤礦火災防治技術的現狀與發(fā)展［J］.火災科學，1994，(02):1-6.

［2］ 朱令起，王月紅，郭立穩(wěn).東歡坨煤礦煤層賦存CO影響因素分析［J］.煤礦安全，2005，(08):53-55.

［3］ 龐國強.大水頭礦煤層原生一氧化碳賦存規(guī)律研究［D］.西安科技大學，2005.

［4］ 謝振華，金龍哲，劉向來.煤炭自燃預測預報技術及其應用［J］.湘潭師范學院學報(自然科學版)，2004，(04):59-62.

［5］ 王月紅.煤層中一氧化碳吸附規(guī)律及影響因素研究［D］.河北理工大學，2006.

［6］ 郭立穩(wěn)，肖藏巖，陳樹召.煤層孔隙結構對CO吸附量的影響［J］.湖南科技大學學報(自然科學版)，2008，(03):18-22.

［7］ 劉永新，郭立穩(wěn)，肖藏巖.煤的元素分析對煤層吸附CO的影響研究［J］.采礦與安全工程學報，2009，(02):249-252.