煤吸附CO的影響因素及數(shù)學(xué)模型研究

齊藝裴，王月紅，楊　帆

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山　063009；2.唐山市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山　063009)

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煤吸附CO的影響因素及數(shù)學(xué)模型研究

齊藝裴1，王月紅1，楊帆2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；2.唐山市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山063009)

摘要：煤對CO的吸附受多種因素的影響，各因素之間的信息又互有重疊。本文通過分析與煤吸附CO相關(guān)的多種因素，利用主成分分析法消除各因素間的耦合性，建立吸附模型。通過分析發(fā)現(xiàn)煤變質(zhì)程度的劃分與煤的物理性質(zhì)關(guān)系更密切，煤對CO既有物理吸附又有化學(xué)吸附，其中物理性吸附占總吸附量的64.3%。

關(guān)鍵詞：煤；CO；影響因素；預(yù)測模型

長期以來CO被認(rèn)為來源于煤的自燃氧化，它常常作為預(yù)測煤自燃發(fā)火的標(biāo)志性氣體。但是近年來在生產(chǎn)實(shí)踐及分析研究中發(fā)現(xiàn)，煤層中自身含有一定量的CO，它的成因、含量及與煤體間的關(guān)系等目前還沒有形成定論。煤對CO的吸附是研究煤與CO關(guān)系的基礎(chǔ)，對煤自燃發(fā)火的預(yù)測具有重要作用。

通過研究發(fā)現(xiàn)，煤對CO的吸附受多種因素的影響，很多因素之間的信息又互有重疊，鑒于主成分回歸既可以達(dá)到降維的目的，又能確定變量之間的相互關(guān)系，形成數(shù)學(xué)模型，因而本文采用主成分回歸對煤對CO的吸附進(jìn)行研究。

1.相關(guān)性實(shí)驗(yàn)

本次研究從8個(gè)不同的礦山采集了8種不同的代表性煤樣，通過對所采煤樣進(jìn)行元素分析、工業(yè)分析、煤巖分析、壓汞實(shí)驗(yàn)，測得對煤吸附CO產(chǎn)生影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過康塔物理化學(xué)吸附儀對這8種煤樣進(jìn)行了30℃一個(gè)大氣壓下的CO吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表1　煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(1)

表2　煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(2)

2.數(shù)學(xué)模型建立

SPSS軟件可以做大容量數(shù)據(jù)的管理和分析，本文主要借助該軟件對相應(yīng)數(shù)據(jù)做主成分分析。

(1)將對煤吸附CO有關(guān)系的19個(gè)參數(shù)變量標(biāo)準(zhǔn)化，以消除量綱的影響。

(2)求標(biāo)準(zhǔn)化后的19個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)矩陣，發(fā)現(xiàn)CO和C、Vad和H、Mad及中孔等因素有高度的相關(guān)性。

(3)依據(jù)主成分原則，提取主成分對應(yīng)特征值大于1的前4個(gè)主成分，他們的累積貢獻(xiàn)率為91.3%，下圖為碎石圖，從圖中可以看出前四個(gè)主成分基本上能反映了大部分的信息。

圖1　碎石圖

(4)求出主成分對應(yīng)的特征向量。

表3　主成分特征向量(1)

表4　主成分特征向量(2)

第一主成分的貢獻(xiàn)率為40.92%，它在碳元素、氧元素、固定碳、大孔、過渡孔、微孔等指標(biāo)上載荷較高，反映了孔隙的吸附的物理性影響。第二主成分貢獻(xiàn)率為22.72%，它在氫元素、揮發(fā)分和灰分等指標(biāo)上載荷較高，反映了化學(xué)成分的作用。由此可知，物理性吸附占總吸附的64.3%。

(5)綜合得分

F=0.09Z氮元素+0.19Z碳元素+0.10Z硫元素+0.05Z氫元素-0.19Z氧元素+0.03Z水分+0Z揮發(fā)分-0.2Z灰分+0.19Z固定碳-0.13Z鏡質(zhì)組+0.17Z惰質(zhì)組+0.09Z殼質(zhì)組+0Z礦物質(zhì)-0.17Z大孔+0.05Z中孔+0.13Z過渡孔+0.12Z微孔+0.01Z孔容+0.16Z比表面積

用標(biāo)準(zhǔn)化的原變量觀測數(shù)據(jù)計(jì)算前4個(gè)主成分的得分值。

表5　主成分得分值

從表中可以看出第一主成分基本與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系，即第一主成分中的因素基本代表煤的變質(zhì)程度，這說明變質(zhì)程度的劃分與煤的物理性質(zhì)關(guān)系更密切。

(6)主成分回歸

建立CO吸附量標(biāo)準(zhǔn)值與主成分間的預(yù)報(bào)模型

Y=0.082F1+0.006F2+0.308F3+0.348F4

還原為原始變量下的預(yù)測模型

CO吸附量=-0.06氮元素+0.001碳元素+0.074硫元素-0.078氫元素-0.001氧元素+0.011水分-0.007揮發(fā)分-0.002灰分+0.006固定碳-0.002鏡質(zhì)組+0.006惰質(zhì)組-0.009殼質(zhì)組-0.006礦物質(zhì)-0.002大孔+0.01中孔+0.002過渡孔+0.03比表面積+0.953

下表為通過預(yù)測模型確立的煤對CO的預(yù)測值及實(shí)際的吸附值。

表6　預(yù)測值與實(shí)際值對比表

通過對預(yù)測值與實(shí)際值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Pearson相關(guān)系數(shù)為0.77，說明兩者為正相關(guān)，P為0.025顯著相關(guān)。說明通過主成分回歸分析法得出的預(yù)測模型，能夠很好的預(yù)測煤對CO的吸附量。

3.結(jié)論

通過煤對CO的有影響關(guān)系的因素的主成分回歸分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)煤對CO既有物理吸附又有化學(xué)吸附，其中物理吸附占總吸附量的64.3%。

(2)煤變質(zhì)程度的劃分與煤的物理性質(zhì)關(guān)系更密切。

(3)通過主成分回歸分析法得出的預(yù)測模型，能夠很好的預(yù)測煤對CO的吸附量。

參考文獻(xiàn)：

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The Influence Factors of Coal Adsorption of CO and Mathematical Model Research

QI Yi-pei1,WANG Yue-hong1,YANG Fan2

(1.College of Mining Engineer, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei,

063009;2. Tangshan Planning and Architectural Design &Research Institute , Tangshan Hebei, 063009)

Abstract：The coal adsorption of CO is influenced by many factors, and information among various factors are overlapped one another. Based on the analysis of many factors related to coal adsorption CO, using the principal component analysis (pca) to eliminate the coupling among the various factors, adsorption model is set up. Through the analysis, it was found that the division of coal metamorphism degree is more closely related to the physical properties of coal. There are both physical adsorption and chemical adsorption in the coal adsorption of CO, including physical adsorption accounted for 64.3% of total adsorption quantity.

Key words:coal; CO; influencing factors; prediction model

作者簡介：齊藝裴(1986-)，女，碩士，華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院助教，主要從事礦山安全、礦井火災(zāi)防治、安全評價(jià)等方面工作。

基金項(xiàng)目：河北聯(lián)合大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(Z201316)資助。

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TD752.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3974(2015)04-0065-03