國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“疊加效應(yīng)影響下采空區(qū)CO異常涌出表征和動(dòng)態(tài)預(yù)警方法(52074156)”項(xiàng)目介紹

1 研究意義

煤層自燃火災(zāi)是礦井主要災(zāi)害之一。煤自燃防治是煤礦安全一項(xiàng)重要工作， 煤自燃防治的關(guān)鍵在于早期預(yù)報(bào)。目前CO含量是煤自燃早期預(yù)報(bào)中最常用的指標(biāo)，漏風(fēng)匯CO涌出代表煤炭可能發(fā)生自燃。現(xiàn)場實(shí)踐表明，采空區(qū)是煤自燃防治重點(diǎn)區(qū)域，除了煤自燃產(chǎn)生CO外，常溫環(huán)境下CO也存在涌出，這嚴(yán)重制約煤自燃的科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，而常溫情況下采空區(qū)CO涌出分為內(nèi)在原因和外在原因。內(nèi)在原因包括：抽放負(fù)壓和周期氣壓等因素造成采空區(qū)漏風(fēng)供氧加劇，使得遺煤加速氧化產(chǎn)生CO；采空區(qū)煤(巖)破碎、摩擦和沖擊等因素使得CO突然增加；采空區(qū)遺煤常溫環(huán)境下緩慢氧化使得采空區(qū)CO增加。外在原因包括：瓦斯抽放、注氮、周期來壓等因素造成的采空區(qū)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)擾動(dòng)或改變，使得漏風(fēng)匯CO濃度異常；巷道阻力變化、早中晚氣壓變化、天氣驟變等因素造成采空區(qū)外部通風(fēng)系統(tǒng)破壞，使得漏風(fēng)匯CO濃度異常。因此，CO異常涌出可能是由于煤炭自燃引起，也可能是其他原因引起。如何從豐富的監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息中，剔除常溫下CO涌出，獲取由煤自燃引起CO涌出異常尤為重要。 但是由于不同效應(yīng)綜合影響，上述采空區(qū)煤自燃生成CO與常溫環(huán)境CO可能疊加，難以辨識(shí)或分離，CO涌出機(jī)理復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)CO濃度異常時(shí)，難以提前預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，掌握CO濃度動(dòng)態(tài)，正確識(shí)別CO異常涌出類型，確定合理閾值科學(xué)預(yù)報(bào)煤炭自燃，有助于及時(shí)提出針對(duì)性防控措施。因此，研究采空區(qū)CO涌出機(jī)理和異常特征、識(shí)別CO異常涌出類型、剔除日常環(huán)境CO影響、合理設(shè)定煤自燃CO動(dòng)態(tài)閾值是直接作用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和災(zāi)害危險(xiǎn)性判別的關(guān)鍵內(nèi)容，研究成果將對(duì)提高煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性、保證煤礦企業(yè)正常安全生產(chǎn)，確保礦工安全、保護(hù)資源、凈化環(huán)境，具有重要的科學(xué)意義。

2 研究內(nèi)容

(1)環(huán)境影響效應(yīng)下采空區(qū)CO涌出內(nèi)在機(jī)理研究。研究氧化效應(yīng)(煤常溫氧化)、呼吸效應(yīng)(周期壓力波動(dòng))、沖擊效應(yīng)(煤巖跨落)和破碎效應(yīng)(煤體破碎)影響下采空區(qū)遺煤生成CO宏觀和微觀機(jī)理(內(nèi)在機(jī)理)，對(duì)比煤自燃產(chǎn)生CO與常溫環(huán)境CO異同，揭示不同影響效應(yīng)下生成CO與其他煤自燃表征參數(shù)(O2、CO2、CO/ΔO2、CO/CO2等指標(biāo))的涌出內(nèi)在特征，建立 CO及其他參數(shù)生成模型。

(2)環(huán)境影響效應(yīng)下采空區(qū)CO涌出外在機(jī)理及異常模式研究。研究常溫環(huán)境下巷道阻力變化效應(yīng)、呼吸效應(yīng)、沖擊效應(yīng)、抽放效應(yīng)和注氮效應(yīng)影響下采空區(qū)壓力邊界及源項(xiàng)表征；采用數(shù)值和理論研究方法分別對(duì)比研究不同壓力影響效應(yīng)下的采空區(qū)CO涌出外在機(jī)理(CO 涌出量、持續(xù)時(shí)間、 頻率與狀態(tài)等)；以數(shù)值研究對(duì)流擴(kuò)散作用及多源不同效應(yīng)疊加作用下CO涌出外在規(guī)律，提取采空區(qū)CO異常涌出的相似特征，分類各種采空區(qū)CO異常涌出模式。

(3)CO相關(guān)煤自燃表征參數(shù)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)及CO涌出異常識(shí)別研究。研究不同源生成與涌出機(jī)制影響下 CO、CO/ΔO2、CO2、CO/CO2、C2H2、CH4等指標(biāo)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)；研究多源CO疊加影響下多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO及其他煤自燃表征參數(shù)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)，揭示與CO相關(guān)聯(lián)煤自燃表征參數(shù)的涌出表征；采用聚類或離群檢測(cè)和歸納方法提取CO異常涌出表征，結(jié)合異常涌出模式，擬合分解異常涌出表征，識(shí)別CO異常涌出模式。

(4)動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值設(shè)定方法及CO預(yù)警煤炭自燃分級(jí)模型研究 。收集現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)識(shí)別CO涌出異常，剔除常溫環(huán)境下CO正常影響效應(yīng)，采用均值方程或置信區(qū)間閾值法提出采空區(qū)CO涌出動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值設(shè)定方法，融合多種相關(guān)參數(shù)建立CO預(yù)警煤炭自燃分級(jí)模型，判斷CO異常涌出及超限原因，動(dòng)態(tài)預(yù)警煤炭自然發(fā)火，并通過現(xiàn)場應(yīng)用多次修正預(yù)警模型。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新

(1)多機(jī)制、跨尺度研究煤自燃與常溫環(huán)境影響效應(yīng)下的采空區(qū)CO涌出內(nèi)在特點(diǎn)和外在特點(diǎn)，提取CO涌出表征相似特征，找出能揭示不同影響效應(yīng)下的CO異常涌出多種模式。

(2)動(dòng)態(tài)模擬多重效應(yīng)疊加下CO涌出和擴(kuò)散特點(diǎn)，擬合分解復(fù)雜疊加異常涌出表征，識(shí)別異常涌出原因，找出能夠動(dòng)態(tài)剔除日常環(huán)境CO影響的煤自燃CO 動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值設(shè)定方法。

(3)多源、多參量融合研究CO及相關(guān)參數(shù)的時(shí)空趨勢(shì)關(guān)聯(lián)特征，建立一種動(dòng)態(tài)煤炭自燃分級(jí)模型。該模型可作為煤炭自燃預(yù)警和告警重要依據(jù)，能夠提高自燃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，保證煤礦企業(yè)正常安全生產(chǎn)。