煤炭易自燃煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)方法研究

張 怡，陳 瑩，陳 寵

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 國(guó)土空間應(yīng)用研究中心，四川 樂山 614000)

煤炭是我國(guó)的重要能源，為了滿足我國(guó)對(duì)煤炭資源的需求，煤炭開采機(jī)械化程度不斷提高，但是隨之而來的是煤自燃災(zāi)害，隨著災(zāi)害的出現(xiàn)，煤炭自燃數(shù)量與日俱增[1-4]。煤礦采空區(qū)數(shù)量隨著開采速度的增加而增加，這就增加了采空區(qū)中的遺煤數(shù)量，提高了采空區(qū)中遺煤與一氧化碳、甲烷和氧氣等氣體發(fā)生反應(yīng)的概率，增加了煤層采空區(qū)自燃的可能性[5-7]。因此，溫度預(yù)測(cè)方法的研究，對(duì)于煤炭易自燃煤層采空區(qū)發(fā)生的自燃災(zāi)害控制具有重要意義。國(guó)內(nèi)外多從煤自燃原理著手，預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度，并根據(jù)原理進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分析煤層采空區(qū)自燃過程以及煤自燃時(shí)的自燃溫度，采用監(jiān)測(cè)溫度和氣體濃度的方式控制煤自燃災(zāi)害的發(fā)生[8]。例如，劉振嶺等[9]從模型參數(shù)著手，建立煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)模型，并利用Matlab語言和樣本，以正向傳播的方式訓(xùn)練模型精度，預(yù)測(cè)易自燃煤層采空區(qū)溫度，但是該方法訓(xùn)練樣本時(shí)容易產(chǎn)生訓(xùn)練誤差，影響模型預(yù)測(cè)煤層采空區(qū)溫度精度，產(chǎn)生較大的預(yù)測(cè)誤差。劉寶等[10]通過試驗(yàn)的方式，確定煤層采空區(qū)自燃溫度預(yù)測(cè)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立煤自燃溫度預(yù)測(cè)判別模型，并優(yōu)化模型參數(shù)，但是在預(yù)測(cè)過程中，極易存在預(yù)測(cè)指標(biāo)與礦區(qū)實(shí)際情況不一致的問題，造成模型預(yù)測(cè)溫度結(jié)果與檢測(cè)的溫度值存在較大的誤差。李曉民等[11]采用隨機(jī)森林算法，優(yōu)化PSO-RF和PSO-SVM預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練模型誤差，讓其處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是該方法在預(yù)測(cè)的過程中，極易出現(xiàn)“過擬合”問題，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

針對(duì)上述文獻(xiàn)中存在的問題，本文通過建立具有正向和反向2種傳播方式的溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)易自燃煤層采空區(qū)溫度，并提出易自燃煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)方法。

1 易自燃煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)方法

1.1 煤層采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

經(jīng)過眾多學(xué)者多次試驗(yàn)，確定易自然煤層采空區(qū)溫度與一氧化碳、甲烷和氧氣等氣體濃度有關(guān)[12]，在此次研究中，將一氧化碳、甲烷和氧氣等氣體濃度數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)易自燃煤層采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)。選擇具有較高的靈敏度、出色的重復(fù)性、操作簡(jiǎn)單、嵌入式微控技術(shù)，使用LED數(shù)碼管顯示的QB10N型固定式氣體檢測(cè)傳感器作為氣體濃度數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集煤層采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)。其技術(shù)參數(shù)及氣體測(cè)量范圍見表1。根據(jù)表1所示的QB10N型傳感器技術(shù)參數(shù)以及一氧化碳、甲烷和氧氣測(cè)量范圍，采集氣體濃度數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)集。在采樣過程中，由于煤炭易自燃煤層采空區(qū)的濕度變化以及采樣過程中人為操作過程，可能增大采樣偏差，出現(xiàn)異常、缺失、重復(fù)等數(shù)據(jù)，影響溫度預(yù)測(cè)結(jié)果[13]。所以，針對(duì)異常、缺失、重復(fù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)具體情況進(jìn)行刪除、填充預(yù)處理。其中，填充的數(shù)據(jù)屬于特殊值、擬合值或特征中心度量值。

表1 QB10N型傳感器技術(shù)參數(shù)及氣體測(cè)量范圍

從表1中可以看出，此次研究選擇的QB10N型傳感器在采集氣體濃度數(shù)據(jù)時(shí)，所使用的氣體濃度單位存在一定的差異，會(huì)影響煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果。為了得到最優(yōu)預(yù)測(cè)結(jié)果，歸一化處理此次采集到的樣本數(shù)據(jù)。假設(shè)某個(gè)特征變量為X，則此次采集到的數(shù)據(jù)歸一化處理得到的數(shù)據(jù)X′為：

(1)

式中，Xmax為特征變量X的最大值；Xmin為特征變量X的最小值。

綜合上述內(nèi)容，即完成煤層采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，得到的數(shù)據(jù)集可以作為易自燃煤層采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 建立溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)溫度，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在輸入層中輸入采集的樣本數(shù)據(jù)集，從輸出層輸出預(yù)測(cè)結(jié)果，且每一層的輸入層均具有其對(duì)應(yīng)的輸出值。所建立的溫度預(yù)測(cè)模型如圖1所示。

圖1 溫度預(yù)測(cè)模型

圖1中，j為輸入層層數(shù)，j=1，2，…；k為輸出層層數(shù)，k=1，2，…[14]。如圖1所示的溫度預(yù)測(cè)模型，會(huì)根據(jù)輸入層輸入的數(shù)據(jù)集進(jìn)行正向傳播處理，預(yù)測(cè)煤層采空區(qū)溫度，并與以往的溫度進(jìn)行對(duì)比，判斷兩者之間存在的誤差。當(dāng)兩者之間存在的誤差偏大時(shí)，模型會(huì)進(jìn)行反向傳播，降低各層權(quán)重和閾值的梯度后，再進(jìn)行正向預(yù)測(cè)，直至得到最小的預(yù)測(cè)誤差，作為模型預(yù)測(cè)結(jié)果。采用圖1所示的溫度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)煤層采空區(qū)溫度的步驟：

(1)根據(jù)上述敘述內(nèi)容，選擇Sigmoid函數(shù)，作為此次建立的模型的激活函數(shù)f(x)，其表現(xiàn)形式：

(2)

式中，t為模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入加權(quán)值。

(2)預(yù)測(cè)溫度時(shí)，應(yīng)在模型中優(yōu)先考慮正向傳播，則模型輸出值為：

(3)

式中，ωjk為輸入層和輸出層之間的連接權(quán)值。

(3)將式(2)代入式(3)中，逐層計(jì)算輸出層的總平方誤差，其計(jì)算公式：

(4)

式中，y為實(shí)際輸出值；d為模型期望輸出值。

(4)判斷總平方誤差E大小，當(dāng)E值偏大時(shí)，降低各層權(quán)重和閾值的梯度，進(jìn)行反向傳播，修正權(quán)值ωjk[15]。假設(shè)模型的學(xué)習(xí)步數(shù)為b；學(xué)習(xí)率參數(shù)為η，則的修正量計(jì)算公式：

(5)

ωjk(b+1)=ωjk(b)+Δωjk(b)

(6)

(6)重復(fù)上述5步計(jì)算過程，不斷更新模型的權(quán)值和閾值，直到網(wǎng)絡(luò)收斂，即可輸出預(yù)測(cè)結(jié)果[16]。

從上述預(yù)測(cè)過程可以看出，模型在預(yù)測(cè)易自燃煤層采空區(qū)溫度時(shí)存在一定的誤差值，因此需要針對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3 檢驗(yàn)溫度預(yù)測(cè)模型輸出預(yù)測(cè)結(jié)果

為保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的擬合度，將預(yù)測(cè)誤差控制在最小范圍內(nèi)，將從平均絕對(duì)、平均絕對(duì)百分比和均方根誤差以及判定系數(shù)4個(gè)方面，檢驗(yàn)溫度預(yù)測(cè)模型誤差訓(xùn)練結(jié)果，其檢驗(yàn)過程如下。

(2)平均絕對(duì)百分比誤差?？梢耘袛嗄Ｐ皖A(yù)測(cè)性能，其計(jì)算公式：

(7)

從式(7)可以看出，平均絕對(duì)百分比誤差值越大，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差就越大，模型預(yù)測(cè)精度越低，模型性能就越差[18]。

(3)均方根誤差。計(jì)算公式：

(8)

從式(8)可以看出，均方根誤差越小，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差就越小[19]。

(4)判定系數(shù)。可以反映真實(shí)值被模型預(yù)測(cè)出的百分比，其閾值為[0，1]，其計(jì)算公式：

(9)

綜合上述內(nèi)容，將模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，采用上述4步檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)后的模型，才可以應(yīng)用在實(shí)際中，預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度，得到最終的溫度預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證此次研究的溫度預(yù)測(cè)方法，并選擇某區(qū)域煤礦的易自燃煤層采空區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)比3組溫度預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度與實(shí)際溫度平均誤差。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為掌握易自燃煤層采空區(qū)的溫度情況，采用所設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行工作面的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。利用風(fēng)速測(cè)定儀觀測(cè)供風(fēng)量，利用QB10N型固定式氣體檢測(cè)傳感器檢測(cè)一氧化碳、甲烷和氧氣濃度，采集的區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷。采用本文所設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)計(jì)算。若采空區(qū)有煤層有自燃的傾向，則溫度會(huì)升高，氧氣濃度及一氧化碳濃度會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，應(yīng)用本文技術(shù)可對(duì)該處的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，保障了采空區(qū)的安全工作。此次實(shí)驗(yàn)選擇的煤礦，地層傾角小于1.5°，礦脈長(zhǎng)5 km，長(zhǎng)3.5 km，含有煤層11層，可采煤層4層，已開采出采空區(qū)15個(gè)，位于易自燃煤層的采空區(qū)有6個(gè)。根據(jù)6個(gè)采空區(qū)特點(diǎn)，選擇其中3個(gè)采空區(qū)作為此次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。具體場(chǎng)景如下：①采空區(qū)周圍無煤掩埋，處于空曠場(chǎng)地，記為ξ1采空區(qū)；②采空區(qū)周圍布滿采煤巷道，沒有煤掩埋，處于相對(duì)空曠場(chǎng)地，記為ξ2采空區(qū)；③采空區(qū)周圍近含有一條巷道，周圍都是煤掩埋場(chǎng)地，且處于礦脈最低層，記為ξ3采空區(qū)。分別在上述3個(gè)場(chǎng)景中的采空區(qū)中布置QB10N型傳感器，檢測(cè)一氧化碳、甲烷和氧氣等氣體濃度。測(cè)點(diǎn)布置方式如圖2所示。

圖2 易自然煤層采空區(qū)中QB10N型傳感器布置方式

基于圖2所示的易自燃煤層采空區(qū)中QB10N型傳感器布置方式，得到一氧化碳、甲烷和氧氣等氣體濃度檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 不同采空區(qū)下氣體濃度平均值

選擇具有不銹鋼探頭、線性度達(dá)到100%、測(cè)量精度在±2.0 ℃、重復(fù)精度在±1%、響應(yīng)時(shí)間達(dá)到300 ms的MHY-26688紅外溫度傳感器作為此次實(shí)驗(yàn)實(shí)際溫度測(cè)量工具。經(jīng)過測(cè)量，3處采空區(qū)的實(shí)際溫度分別為37.74、54.02、83.18 ℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 第1組實(shí)驗(yàn)

采用3組溫度預(yù)測(cè)方法，分別預(yù)測(cè)ξ1采空區(qū)溫度，其中常用方法1為文獻(xiàn)[9]方法，常用方法2為文獻(xiàn)[10]方法。在預(yù)測(cè)的過程中，不斷調(diào)整模型的訓(xùn)練樣本數(shù)量，其預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 ξ1采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果

從圖3可以看出，在ξ1采空區(qū)中，樣本數(shù)量較少時(shí)，常用方法1預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度，只有當(dāng)樣本數(shù)量達(dá)到140時(shí)，才有較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，超過或少于這個(gè)樣本數(shù)量，都會(huì)產(chǎn)生較大的差距；常用方法2預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度，只有當(dāng)樣本數(shù)量超過180時(shí)，才會(huì)有較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果；研究方法則基本上不受樣本數(shù)量的影響。為了進(jìn)一步對(duì)比3組方法，計(jì)算3組方法與測(cè)量值之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 ξ1采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

從表3可以看出，研究方法與檢測(cè)量之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差明顯小于常用方法1和常用方法2。

2.2.2 第2組實(shí)驗(yàn)

采用3組溫度預(yù)測(cè)方法，分別預(yù)測(cè)ξ2采空區(qū)溫度，其預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在ξ2采空區(qū)，3組方法預(yù)測(cè)精度與樣本數(shù)量之間的關(guān)系不變。為了進(jìn)一步對(duì)比3組方法，計(jì)算3組方法與測(cè)量值之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，其計(jì)算結(jié)果見表4。

圖4 ξ2 采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果

表4 ξ2 采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

從表4可以看出，在ξ2采空區(qū)，研究方法與檢測(cè)量之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，依然小于常用方法1和常用方法2。

2.2.3 第3組實(shí)驗(yàn)

采用3組溫度預(yù)測(cè)方法，分別預(yù)測(cè)ξ3采空區(qū)溫度，其預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 ξ3 采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果

從圖5可以看出，在ξ3采空區(qū)受到環(huán)境影響較大，常用方法1和常用方法2的預(yù)測(cè)溫度明顯不精確，而研究方法受到的影響較小。為了進(jìn)一步對(duì)比3組方法，計(jì)算3組方法與測(cè)量值之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，其計(jì)算結(jié)果見表5。從表5中可以看出，在ξ3采空區(qū)，本文研究方法與檢測(cè)量之間存在的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，仍然小于常用方法1和常用方法2。

表5 ξ3 采空區(qū)溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

綜合上述3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此次研究的溫度預(yù)測(cè)方法，在不同場(chǎng)景的采空區(qū)中，預(yù)測(cè)的溫度誤差雖然不穩(wěn)定，但是其絕對(duì)誤差小于1，相對(duì)誤差小于0.01，基本可以忽略不計(jì)。

3 結(jié)語

本文建立溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)采空區(qū)溫度，樣本數(shù)據(jù)的精確度可以影響到模型對(duì)溫度的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此在今后的研究中，還需進(jìn)一步研究樣本數(shù)據(jù)處理方法，提高樣本精度，進(jìn)而提高預(yù)測(cè)精度。