基于Apriori算法的煤自燃影響因素關(guān)聯(lián)挖掘

董軒萌，郭立穩(wěn),2，董憲偉,2，王福生,2

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

在人類社會(huì)發(fā)展中，煤炭資源起到不可替代的作用，我國(guó)幅員遼闊，煤炭資源豐富，開采量穩(wěn)居世界前列，但在開采過(guò)程中隱藏的井下安全問(wèn)題慢慢顯現(xiàn)出來(lái)，在20世紀(jì)的礦井災(zāi)害中，煤自燃火災(zāi)成為影響煤礦安全的因素之一，因此眾多學(xué)者對(duì)煤自燃發(fā)火機(jī)理進(jìn)行研究，分析煤自燃過(guò)程中的宏觀、微觀因素，但由于煤是一種結(jié)構(gòu)和組成極其復(fù)雜的有機(jī)巖，所以在了解煤自燃發(fā)火的影響因素上，前人做了系統(tǒng)深入的研究，王福生[1]等通過(guò)交叉點(diǎn)溫度法得到煤自燃傾向性的綜合判定指數(shù)，并利用灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算煤的各項(xiàng)指標(biāo)與煤自燃傾向性間的關(guān)聯(lián)程度和關(guān)聯(lián)等級(jí)劃分；董憲偉[2]等研究了煤自燃阻化過(guò)程中的宏觀特性與微觀結(jié)構(gòu)，和阻化煤樣在不同阻化劑及不同條件時(shí)的宏觀表征參數(shù)的變化規(guī)律；翟小偉[3]等將水分作為指標(biāo)對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)、氧化性和放熱性進(jìn)行綜述分析，建立不同含水量對(duì)煤自燃影響程度的鑒定準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)指標(biāo)。在前人的研究基礎(chǔ)上，該項(xiàng)研究根據(jù)煤自燃的多樣性，分析煤自燃影響因素，在基于Apriori算法上找出各個(gè)因素之間存在的強(qiáng)弱關(guān)聯(lián)性，對(duì)煤自燃發(fā)火做出預(yù)警和預(yù)測(cè)，為礦井火災(zāi)防治提供有效參考。

1 煤自燃機(jī)理及影響因素

1.1 煤自燃機(jī)理

自17世紀(jì)人們開始研究煤自燃，產(chǎn)生了很多學(xué)說(shuō)和理論，英國(guó)在工業(yè)革命后需要大量煤炭作為能源支撐，因此普洛特最早提出了煤自燃的黃鐵礦作用學(xué)說(shuō)，開啟了煤自燃機(jī)理研究的先河，他認(rèn)為煤自燃發(fā)火的主要原因是煤中黃鐵礦和水與氧氣反應(yīng)放熱；英國(guó)人帕爾特在1921年提出了細(xì)菌學(xué)說(shuō)，認(rèn)為煤在細(xì)菌發(fā)酵下產(chǎn)生熱能，熱量聚集就會(huì)引發(fā)煤自燃；前蘇聯(lián)特龍洛夫在1940年提出酚基學(xué)說(shuō)，煤中的不飽和酚基吸附氧氣，相互反應(yīng)產(chǎn)生熱量，最終產(chǎn)生煤發(fā)火[4]。

由于技術(shù)水平制約，上述學(xué)者的學(xué)說(shuō)理論無(wú)法對(duì)煤自燃的原因做出全面、系統(tǒng)的闡述，所以近代科學(xué)家提出的煤氧復(fù)合理論被大多數(shù)學(xué)者接受，煤氧復(fù)合理論是由于煤與空氣中的氧發(fā)生氧化自熱反應(yīng)，在室溫下熱量聚集無(wú)法發(fā)散從而引發(fā)煤自燃，在熱量累積的過(guò)程中，具有自燃傾向性的煤就可能會(huì)升級(jí)為煤自燃，此過(guò)程中生成一氧化碳、二氧化碳、烷烴等氣體，這種理論能夠很好地解釋煤自燃過(guò)程中化學(xué)鍵斷裂和煤氧復(fù)合機(jī)理。煤的實(shí)際自燃過(guò)程就是宏觀的煤氧復(fù)合作用過(guò)程，主要表現(xiàn)為4個(gè)階段，第一階段是當(dāng)周圍溫度在70～80 ℃，主要是依靠物理吸附放熱，化學(xué)吸附放熱和化學(xué)反應(yīng)放熱3種產(chǎn)熱形式，3種產(chǎn)熱效應(yīng)共同加速了總產(chǎn)熱；第二階段是從環(huán)境溫度在70～80 ℃到煤的水分對(duì)煤的氧化產(chǎn)生影響，主要是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量；第三階段是煤的內(nèi)在水分作用到開始出現(xiàn)貧氧氧化；第四階段是貧氧氧化過(guò)程[5]。

1.2 煤自燃發(fā)火的影響因素

水分對(duì)煤自燃的影響主要體現(xiàn)在兩方面。一方面是煤的含水量高時(shí)會(huì)抑制煤自燃，日本人高桑功等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出，當(dāng)測(cè)得溫度在80～100 ℃時(shí)，煤有明顯地吸熱脫水過(guò)程，所以含水量過(guò)高，煤自燃升溫越困難。另一方面煤自燃的進(jìn)行也可能是適量的水分促進(jìn)催化的結(jié)果，張九零[6]等人的實(shí)驗(yàn)得出煤與少量的水分接觸后會(huì)產(chǎn)生濕潤(rùn)熱，這種熱量促使煤氧化，并且水汽化，水蒸氣在煤的發(fā)熱區(qū)周圍凝結(jié)，產(chǎn)生汽化熱，最終形成熱反饋。

煤的主要元素是碳元素，并且碳元素的含量是煤的所有元素中最多的，在煤自燃時(shí)，碳元素是主要燃燒產(chǎn)物的元素，也是熱量的主要來(lái)源。對(duì)于碳元素越高的煤，含有大量碳元素的芳香族數(shù)量就越多，因?yàn)榉枷悱h(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難反應(yīng)，所以煤分子也越穩(wěn)定，煤自燃難度增大；反之碳元素含量越少，煤就容易發(fā)生自燃。

煤中含氧量越高，說(shuō)明含氧官能團(tuán)越多，所以煤體越不穩(wěn)定，容易引發(fā)自燃，煤的自燃傾向性也越高[7,8]。

煤的含硫量越低，煤越容易自燃，因?yàn)楦咦冑|(zhì)程度的煤主要是環(huán)狀有機(jī)硫，具有高分子量；而低變質(zhì)程度煤以脂肪族有機(jī)硫?yàn)橹?，伴隨煤化程度的提高，具有四、五環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物數(shù)量比三環(huán)結(jié)構(gòu)的二苯并噻吩數(shù)量高，有穩(wěn)定甲基取代位的含硫化合物不斷減少。煤化程度高的煤中大部分有機(jī)硫?qū)儆卩绶越Y(jié)構(gòu)，隨著煤化程度的提高，煤中噻吩硫的比例增大，其芳構(gòu)化程度也逐漸提高。煤的分子穩(wěn)定性越強(qiáng)，越不易氧化自燃[9]。

固定碳是煤中可燃性固體物，是煤在燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量的主要成分，是高分子化合物的混合物，固定碳含量越高，煤變質(zhì)程度和發(fā)熱量越高，煤體越不容易自燃。

揮發(fā)分是指在一定條件，煤中的有機(jī)質(zhì)加熱到某溫度下分解產(chǎn)生的一系列可燃?xì)怏w，多含有一氧化碳、水蒸氣、甲烷、乙炔氣體等[10]。在較低溫度下?lián)]發(fā)分的析出，為煤自燃提供熱量條件，也使煤體內(nèi)部孔隙面積增大，使之吸附更多的氧氣參與氧化，揮發(fā)分越低，煤吸氧量就越少，越不易自燃。

2 Apriori關(guān)聯(lián)算法

要想進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，借助關(guān)聯(lián)規(guī)則技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性問(wèn)題。影響力較大的頻繁模式挖掘算法，Apriori算法最早是在1993年由Agrawal等人提出的，學(xué)者最初是依靠購(gòu)物籃案例分析，為了找出交易數(shù)據(jù)庫(kù)中不同商品之間存在某聯(lián)系規(guī)則提出的[11]。該算法的原理在于，每次重復(fù)掃描數(shù)據(jù)庫(kù)，都會(huì)篩選淘汰關(guān)聯(lián)性弱的項(xiàng)集，在這個(gè)過(guò)程中，利用用戶所定的最小支持度(mini support)和最小置信度(mini confidence)劃定篩選條件，獲得頻繁項(xiàng)集，找到強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的存在項(xiàng)集。各項(xiàng)的支持度與置信度的算法定義如下: support(A?B)=P(A∪B)=count(A∪B)/(count(|T|))；confidence(A?B)=P(B|A)count(A∪B)/count(A)，在這種關(guān)聯(lián)算法中，找到頻繁項(xiàng)集的前提是所有統(tǒng)計(jì)項(xiàng)集的支持度計(jì)數(shù)不得小于定義計(jì)數(shù)，循環(huán)處理到?jīng)]有最大項(xiàng)目集為止[12]。選擇Apriori算法的優(yōu)點(diǎn)主要在于使用Apriori性質(zhì)來(lái)生產(chǎn)候選項(xiàng)集的方法，大大壓縮了頻繁集的大小，取得了很好的性能。

3數(shù)據(jù)分析及防治

3.1 Apriori算法分析過(guò)程

通過(guò)數(shù)據(jù)收集，得到某礦在某時(shí)段內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)見表1。

表1 參數(shù)影響變化表

將表1中參數(shù)進(jìn)行編號(hào)，A表示水分含量，B表示含碳量，C表示含氧量，D表示含硫量，E代表固定碳，F(xiàn)代表?yè)]發(fā)分。不同時(shí)段煤的自燃參數(shù)表示為Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi，以煤的自燃傾向性綜合判定指數(shù)為參考標(biāo)準(zhǔn)，在同時(shí)段內(nèi)煤的自燃參數(shù)變化情況見表2。

表2 同時(shí)段煤自燃因素變化表

第1次算法迭代，每一項(xiàng)都是項(xiàng)集集合C1的成員，通過(guò)算法掃描，得到每一項(xiàng)出現(xiàn)的支持度，同時(shí)令mini support=2，確定集合L1。如表3所示。進(jìn)行第2次算法迭代，剪枝計(jì)算得到L2，如表4所示。

表3 集合L1

表4 集合L2

第3次算法迭代，C3=L2∞L2，對(duì)C3剪枝得到L3，如表5。第4次算法迭代，剪枝計(jì)算后得到最高關(guān)聯(lián)度結(jié)果，見表6。

表5 集合L3

表6 集合L4

明顯看出，經(jīng)過(guò)4次Apriori迭代計(jì)算得到項(xiàng)集{A，C，E，F(xiàn)}是頻繁項(xiàng)集，在8次煤的自燃因素變化監(jiān)測(cè)中，煤的水分含量、含氧量、固定碳和揮發(fā)分是出現(xiàn)頻率最高的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此在煤自燃防治中，值得特別注意的是煤的水分含量、含氧量、固定碳和揮發(fā)分4種參數(shù)的相互影響。

3.2 30%的支持度關(guān)聯(lián)規(guī)則

計(jì)算項(xiàng)集支持度，篩選2個(gè)單項(xiàng)集以上的項(xiàng)集，支持度大于30%項(xiàng)集統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 30%的支持度項(xiàng)集

支持度最高的項(xiàng)集為{A，C}和{A，F(xiàn)}，兩者同時(shí)發(fā)生的概率都為62.5%，表示在煤自燃的過(guò)程中，水分含量與含氧量、揮發(fā)分在自燃前和自燃后的差別最明顯，是符合強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的高頻項(xiàng)目組；支持度為50.00%的項(xiàng)集為{水分含量，含氧量，揮發(fā)分}，{水分含量，固定碳}和{含氧量，揮發(fā)分}，它們是與煤自燃的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的高頻組合，不是影響煤自燃的中心因素但是主要因素，對(duì)煤自燃的影響不容忽視；支持度為37.50%的項(xiàng)集是{A，E，F(xiàn)}和{E，F(xiàn)}，其中固定碳和揮發(fā)分與煤自燃有關(guān)聯(lián)關(guān)系，而揮發(fā)分和固定碳是根據(jù)煤的變質(zhì)程度決定的，所以對(duì)于部分煤來(lái)說(shuō)，揮發(fā)分和固定碳含量是影響煤自燃的主要原因，而對(duì)于某些煤來(lái)說(shuō)，則不作為主要影響因子，重要性也不可忽略。

3.3 煤自燃的Apriori算法優(yōu)勢(shì)

通過(guò)計(jì)算分析頻繁項(xiàng)集、支持度等內(nèi)容，Apriori算法在煤自燃防治和預(yù)警上的應(yīng)用行之有效，其最大優(yōu)勢(shì)在于煤自燃火災(zāi)的多因素和復(fù)雜性能夠與Apriori的算法有效結(jié)合，能夠提前預(yù)測(cè)危險(xiǎn)做出較為準(zhǔn)確的判斷，壓縮了項(xiàng)目頻繁項(xiàng)集的大小并提升綜合關(guān)聯(lián)性能，雖然在處理數(shù)據(jù)上，技術(shù)人員需要根據(jù)不同的煤自燃發(fā)火做出相應(yīng)的參數(shù)變化，但是為達(dá)到更好的預(yù)測(cè)效果，這種工作量的增加是不應(yīng)作為Apriori算法缺陷的[13]。

4結(jié)論

(1)在煤自燃發(fā)火的眾多影響因素中，水分含量對(duì)煤自燃的影響具有兩面性，碳含量與煤的自燃傾向呈正相關(guān)，煤的含氧量越高、含硫量越低越容易發(fā)生自燃，固定碳含量越高，揮發(fā)分越低，煤越不易自燃。

(2)利用經(jīng)典Apriori算法對(duì)煤自燃的6個(gè)安全性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析和關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘，在用戶定義最小支持度計(jì)數(shù)為2時(shí)，得到頻繁項(xiàng)集{A，C，E，F(xiàn)}，即水分含量、含氧量、固定碳和揮發(fā)分具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，重點(diǎn)進(jìn)行煤自燃本質(zhì)因素挖掘，對(duì)煤自燃的預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)計(jì)算煤自燃參數(shù)的支持度，選擇支持度在30%以上的高頻項(xiàng)目組進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，提高煤自燃發(fā)火預(yù)警和防治的準(zhǔn)確性和普適性，得出水分含量、含氧量和揮發(fā)分之間是強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的高頻項(xiàng)目組。自燃發(fā)火指標(biāo)與Apriori算法的結(jié)合，使之在預(yù)警和防治上有了更為準(zhǔn)確的判斷，使頻繁項(xiàng)集縱向縮減，將指標(biāo)間的橫向比較客觀化，做到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。