國家自然科學(xué)基金項目

1 研究背景及意義

煤自燃火災(zāi)是礦井生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一，不僅造成煤炭資源浪費，還會引起瓦斯煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。目前，煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報主要采用氣體分析法，CO指標(biāo)氣體具有很強的規(guī)律性、敏感性和易檢測性，已被廣泛用于煤自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報。

近年來，在我國許多煤礦存在煤未發(fā)生自燃的情況，但在采空區(qū)、上隅角等區(qū)域出現(xiàn)CO濃度異常超標(biāo)現(xiàn)象，超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的上限濃度0.002 4%。

雖然《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的CO上限濃度0.002 4%并沒有明確是用來作為煤自然發(fā)火臨界指標(biāo)，但企業(yè)的監(jiān)管部門卻以此CO濃度標(biāo)準(zhǔn)值作為煤自燃判定標(biāo)準(zhǔn)對煤礦企業(yè)進行監(jiān)管，因為缺乏CO異常來源解析理論與技術(shù)支持，在無法明確是否發(fā)生煤自燃的情況下，企業(yè)只有投入大量人力、物力進行防火治理，造成大量的經(jīng)濟損失。有專家學(xué)者為此提出質(zhì)疑，但由于CO異常不是礦井普遍存在的現(xiàn)象，該問題目前還沒有引起足夠重視，也未得到妥善解決。

國內(nèi)外專家學(xué)者研究得出幾種觀點，采空區(qū)煤自燃氧化產(chǎn)生CO；開采煤層賦存CO；采煤過程中產(chǎn)生CO；或是多種來源皆有，但CO來源的比例未知。目前礦井工作面的CO來源觀點未得到普遍認(rèn)同，因此開展礦井CO異常來源基礎(chǔ)理論與解析技術(shù)研究，能夠為制定“用于預(yù)測煤自燃CO指標(biāo)濃度臨界值”的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)，并正確指導(dǎo)有CO異常涌出礦井的煤自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報工作，減少不必要防滅火投入造成的經(jīng)濟損失。研究成果具有重大的理論意義和應(yīng)用價值。

2 研究內(nèi)容

2.1 構(gòu)建原生CO來源診斷同位素指紋圖譜

確定研究礦井(有原生CO賦存)，設(shè)計井下絕氧取樣打鉆方案，取煤樣裝入密封罐，并用足量氮氣密封保存。采用自制的CO解吸裝置，采集氣樣，用同位素質(zhì)譜儀分析，得到CO氣體被電離后由不同質(zhì)荷比的分子離子和同位素離子的相對豐度構(gòu)成的譜圖，把各離子(具有不同豐度值)作為判別原生CO來源的參變量。采集不同樣本(樣本數(shù)n>50)，利用相關(guān)性分析(線性相關(guān)性分析、復(fù)相關(guān)性分析)、主成分分析、因子分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，判斷變量之間的關(guān)系，找出關(guān)鍵特征變量，構(gòu)建原生CO來源診斷同位素指紋圖譜。

2.2 構(gòu)建次生氧化CO來源診斷同位素指紋圖譜

對解吸過原生CO的煤樣進行程序升溫低溫氧化實驗，確定煤自燃臨界溫度點。在常溫與臨界溫度點之間(之所以選擇此溫度區(qū)間，考慮大部分煤在此溫度區(qū)間沒有產(chǎn)生C2H4等指標(biāo)氣體，解析CO的來源尤為重要，并且此區(qū)間也是煤自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵時期)，用同位素質(zhì)譜儀分析，得到不同溫度點下氧化生成CO氣體被電離后不同質(zhì)荷比各離子峰構(gòu)成的譜圖，并分析不同質(zhì)荷比各離子片段的相對豐度，作為判別次生CO來源的參變量。針對不同溫度點，采集不同樣本(樣本數(shù)n>50)，分析變量之間相關(guān)性，找出關(guān)鍵特征變量，構(gòu)建不同溫度點的次生氧化CO來源診斷同位素指紋圖譜。并在常溫與臨界溫度點區(qū)間，通過回歸分析，構(gòu)建煤溫與關(guān)鍵特征變量之間的線性或非線性回歸模型。

2.3 建立礦井原生CO和次生氧化CO來源判別分析模型

根據(jù)原生CO和次生氧化CO同位素指紋圖譜，采用相似度評價(距離系數(shù)法、夾角余弦法和相關(guān)系數(shù)法)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(回饋性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和判別分析(距離判別、費歇判別、貝葉斯判別、偏最小二乘判別)等方法，對原生CO和不同溫度點的次生氧化CO的測試樣本進行訓(xùn)練，對各種方法優(yōu)化分析比較，確定最優(yōu)分析方法，得到原生CO和次生氧化CO測試樣本在多維空間分布，從而建立原生CO和不同溫度下的次生CO來源的判別模型。

2.4 研究礦井現(xiàn)場原生CO和次生氧化CO來源解析方法

從研究礦井現(xiàn)場采集氣樣(含有原生CO和次生CO)，進行多樣本n(樣本數(shù)n>50)次實驗，進行同位素質(zhì)譜儀分析，獲得各樣本的同位素指紋圖譜及相關(guān)的特征變量參數(shù)(特征變量確定樣本的空間維數(shù))。采用偏最小二乘等方法，對各樣本指紋圖譜進行處理，獲得每個樣本在多維空間分布。根據(jù)分布規(guī)律，進行數(shù)值分析，以擇近識別原則，通過優(yōu)化聚類分析(K-means、密度聚類、層次聚類)和模糊模式識別方法，根據(jù)點群分布，實現(xiàn)對n個氣樣測試樣本進行分類，繪制譜系圖，確定合理的分類數(shù)。運用原生CO和次生氧化CO來源的判別模型，判別各分類歸屬，解析原生CO和次生氧化CO來源，并根據(jù)分類的樣本數(shù)，得到原生CO和次生氧化CO在混合氣體中所占比例構(gòu)成。

3 研究成果

本課題的預(yù)期研究成果：

(1)建立原生CO和次生氧化CO來源診斷同位素指紋圖譜及CO來源判別分析模型。

(2)礦井原生CO和次生CO來源解析方法及如何判別混合氣體中原生與次生CO的組成。

(3)通過對礦井現(xiàn)場氣樣聚類分析和次生氧化CO來源判別，獲得解析出來的次生CO診斷指紋圖譜和關(guān)鍵特征變量值，利用煤溫與關(guān)鍵變量之間的回歸方程，計算煤體溫度，進行煤自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報，最終開發(fā)有CO異常礦井煤自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報技術(shù)。