煤自燃指標(biāo)氣體分析與分級(jí)預(yù)警

江莉娟 鄧存寶 王彩萍 雷昌奎 年軍

摘 要：煤自然發(fā)火嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報(bào)，采用程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)測試分析了沙曲一號(hào)煤礦不同粒徑煤樣各種氣體產(chǎn)物及其濃度變化規(guī)律，進(jìn)一步引入隨機(jī)森林集成學(xué)習(xí)方法建立了煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分級(jí)預(yù)警模型，并通過大佛寺煤礦自然發(fā)火試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證分析。結(jié)果表明：粒徑越小，煤氧接觸面積越大，煤氧反應(yīng)越激烈，氣體產(chǎn)物濃度越大；C2H6氣體屬于煤體賦存氣體，在試驗(yàn)初始階段就出現(xiàn)了，但C2H4氣體在溫度升高至120 ℃左右才出現(xiàn)，是煤氧化裂解的產(chǎn)物，可以作為沙曲一號(hào)煤礦自然發(fā)火指標(biāo)氣體；基于隨機(jī)森林建立的煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分級(jí)預(yù)警模型訓(xùn)練樣本預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到100%，在默認(rèn)參數(shù)條件下，測試樣本預(yù)測準(zhǔn)確率高達(dá)96.7%，通過自然發(fā)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析得到測試集預(yù)測準(zhǔn)確率為98.9%，變量重要度評(píng)估結(jié)果為CO和C2H4氣體對(duì)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性影響最大，這與現(xiàn)場實(shí)際情況吻合。隨機(jī)森林用于處理煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性與氣體產(chǎn)物之間的復(fù)雜非線性關(guān)系十分理想，適合于煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞：煤自燃；指標(biāo)氣體；隨機(jī)森林；分級(jí)預(yù)警；變量重要度評(píng)估

中圖分類號(hào)：TD 75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）06-1088

-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0607開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Index gas analysis and grading early warning of

coal spontaneous combustion

JIANG Lijuan1，2，DENG Cunbao1，WANG Caiping3，LEI Changkui1，4，NIAN Jun1

（1.School of Safety and Emergency Management Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；

2.Faculty of Business and Economics，University of Pécs，Pécs 7622，Hungary；

3.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

4.Shaanxi Shanli Technology Development Co.，Ltd.，Xian 710075，China）

Abstract：Coal spontaneous combustion seriously restricts the safety production of mines.In order to accurately predict the risk of coal spontaneous combustion，a temperature-programmed experimental system was adopted to test and analyze various gas products and their concentration changes in coal samples with different particle sizes in Shaqu No.1 Coal Mine.Furthermore，a random forest ensemble learning method was introduced to establish a grading and early warning model for the risk of coal spontaneous combustion，and the verification analysis was carried out by the spontaneous combustion test in Dafosi Coal Mine.The results show that the smaller the particle size，the larger the contact area between coal and oxygen，the more intense the coal oxygen reaction，and the higher the concentration of gas products.C2H6 belongs to the gas existing in the coal body，which appeared in the initial stage of the test.However，C2H4 only appears when the temperature rises to around 120 ℃，which is a product of coal oxidation cracking and can be used as an index gas for coal spontaneous combustion in Shaqu No.1 Coal Mine.The risk grading and early warning model for coal spontaneous combustion based on random forest has achieved 100% accuracy for training samples，and under the default parameter condition，the prediction accuracy of test samples is as high as 96.7%.The prediction accuracy of the test set is 98.9% through the validation and analysis of the spontaneous combustion test data，and the evaluation results of the importance of variables show that CO and C2H4 gases have the greatest impact on the risk of coal spontaneous combustion，which is consistent with the actual situation on site.These indicate that random forest is ideal for dealing with the complex nonlinear relationship between the risk of coal spontaneous combustion and gas products，and is suitable for predicting the risk of coal spontaneous combustion.

Key words：coal spontaneous combustion；index gas；random forest；grading early warning；variable importance assessment

0 引 言煤自燃災(zāi)害極大威脅著礦井安全生產(chǎn)。采空區(qū)由于具有區(qū)域封閉、火源隱蔽、信息監(jiān)測難等特點(diǎn)，導(dǎo)致其是煤礦井下自然發(fā)火重點(diǎn)區(qū)域之一，而煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)是對(duì)其進(jìn)行有效防控和隱患判定的前提［1-2］。因此，采用科學(xué)有效的方法實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)極其必要。煤自燃是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在這個(gè)過程中隨著煤氧復(fù)合反應(yīng)的進(jìn)行會(huì)釋放出不同的氣體，并且在不同的煤自燃狀態(tài)，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體濃度會(huì)發(fā)生變化［3-5］。因此，通過煤自燃指標(biāo)氣體的深入研究對(duì)煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)具有重要作用。文虎等試驗(yàn)研究了不同粒徑煤樣氣體產(chǎn)物濃度、火災(zāi)系數(shù)等自燃指標(biāo)的變化［6］；DENG等基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用稀疏數(shù)據(jù)點(diǎn)插值法分析了采空區(qū)O2、CO、CO2、CH4和溫度的三維分布規(guī)律［7］；WANG、易欣等分別研究了不同供氧濃度、不同變質(zhì)程度和同一礦區(qū)不同煤礦煤在低溫氧化試驗(yàn)過程中的氣體指標(biāo)和極限參數(shù)等特征參數(shù)［8-9］；JIA等對(duì)6種氧濃度的煤樣進(jìn)行了氧化試驗(yàn)研究，分析不同溫度階段的氣體產(chǎn)物，對(duì)不同氧濃度下煤自燃的指示氣體進(jìn)行了詳細(xì)分類和評(píng)估［10］；WANG等研究了80 ℃預(yù)氧化前后煤樣在不同供氧條件下氧化升溫試驗(yàn)過程中各種氣體指標(biāo)變化情況以及煤樣氧化性和放熱性特征［11］；王凱等探討了不同供風(fēng)量條件下煤氧化過程氣體產(chǎn)物和復(fù)合氣體指標(biāo)CO/O2、第一火災(zāi)系數(shù)、CO/CO2、C2H6/C2H4變化規(guī)律［12］；YANG等基于自然發(fā)火試驗(yàn)分析了煤自燃特征溫度與單一/復(fù)合氣體產(chǎn)生/消耗速率等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了煤的溫度與產(chǎn)氣相關(guān)參數(shù)之間的相應(yīng)關(guān)系［13］；WANG等研究了煤自然氧化升溫和冷卻過程氣體指標(biāo)、氧化特征參數(shù)、活化能的變化特征［14］；任萬興、GUO等通過煤自燃?xì)怏w統(tǒng)計(jì)學(xué)特征建立了“氣體-溫度”預(yù)警體系并對(duì)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)階段進(jìn)行了劃分［15-16］；YAN等結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）計(jì)算了13種指標(biāo)氣體或氣體比例與煤溫的關(guān)系程度，建立了煤自燃指標(biāo)數(shù)據(jù)值與溫度之間的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，并計(jì)算了指標(biāo)可以預(yù)測的溫度范圍［17］；周旭等基于自然發(fā)火試驗(yàn)氣體體積分?jǐn)?shù)及其比值數(shù)據(jù)提出了粒子群優(yōu)化算法（PSO）優(yōu)化極限梯度提升回歸樹（XGBoost）的煤自燃預(yù)測預(yù)警模型（PSO-XGBoost）［18］。指標(biāo)氣體分析為煤自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)警提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)，但如何根據(jù)各種氣體產(chǎn)物來準(zhǔn)確反推煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性是關(guān)鍵［19-20］。因而充分挖掘一切可用的信息和數(shù)據(jù)，從中預(yù)測煤自然發(fā)火態(tài)勢就顯得尤為重要。為此，在煤自燃指標(biāo)氣體分析的基礎(chǔ)上引入具有強(qiáng)泛化性和魯棒性的隨機(jī)森林集成學(xué)習(xí)方法，將其應(yīng)用于煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)，深入研究煤自燃?xì)怏w產(chǎn)物與煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，為沙曲一號(hào)煤礦煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 煤自燃指標(biāo)氣體分析

1.1 試驗(yàn)測試采集華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號(hào)煤礦4502工作面塊煤20 kg密封隔氧運(yùn)送到試驗(yàn)室，煤樣工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。將原煤樣在空氣中破碎并篩分出粒度為：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5種煤樣，及5種粒度煤樣各200 g組成的混合煤樣，在程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)中測試分析，試驗(yàn)條件見表2。

程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)測定系統(tǒng)由氣路、控溫箱和氣樣采集分析3部分構(gòu)成［5］。在一個(gè)直徑9.5 cm，長25 cm的鋼管中，裝入煤量1 kg，為使通氣均勻，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間（采用100目銅絲網(wǎng)托住煤樣），然后置于利用可控硅控制溫度的程序升溫箱內(nèi)加熱，并送入預(yù)熱空氣，試驗(yàn)過程中以120 mL/min的供氣流量，從30 ℃以0.3 ℃/min的升溫速率程序升溫至170 ℃，每10 ℃采集一次氣體通過氣相色譜儀測定分析。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析分別對(duì)6個(gè)煤樣進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)測試分析，試驗(yàn)過程中CO和CO2氣體濃度隨溫度變化如圖2和圖3所示。試驗(yàn)初始低溫階段煤樣中含有微量的CO和CO2氣體，說明在常溫狀態(tài)下煤樣也存在一定的氧化，產(chǎn)生少量的CO和一定量的CO2氣體。6個(gè)不同粒徑的煤樣，整體呈現(xiàn)粒徑越小，CO和CO2濃度越大的趨勢，當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)，由于煤氧復(fù)合反應(yīng)進(jìn)程緩慢，二者濃度隨粒度減小而增大的趨勢表現(xiàn)的并不明顯，隨著溫度升高，煤氧化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步加劇，這種趨勢愈發(fā)顯著，整體呈指數(shù)增長趨勢，而6#混樣氣體濃度數(shù)值整體與3

#煤樣一致，主要是6#混樣平均粒徑為4.18 mm，

3#煤樣平均粒徑為4.00 mm，二者粒徑大小相近，因此煤氧化反應(yīng)程度基本一致。從而也進(jìn)一步說明在氧化升溫試驗(yàn)中，隨著煤樣粒度的減小，煤與氧氣接觸的表面積逐漸增大，煤氧復(fù)合作用越劇烈，產(chǎn)生的CO和CO2量也越大。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，CH4濃度隨著溫度升高逐漸增大，如圖4所示，在試驗(yàn)開始的低溫階段便有CH4氣體產(chǎn)生，直至高溫階段，CH4含量不斷增大，說明沙曲一號(hào)煤礦4502工作面原始煤樣中就含有一定量的瓦斯氣體，這與其實(shí)際煤層賦存條件完全一致，4502工作面所在的3+4#煤層瓦斯含量

為11.6 m3/t，瓦斯壓力最大為1.38 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)最小為0.28，瓦斯放散初速度最大為12.3 mL/s。

隨著溫度升高，分子間的范德華力對(duì)CH4分子的吸附能力逐漸減弱，使得CH4由于脫附作用解吸出來，導(dǎo)致CH4含量急劇增加，并且煤體粒徑越小，破碎程度越好，在整個(gè)升溫過程中CH4濃度越大。受煤體本身CH4吸附量的影響，溫度在120 ℃之前，CH4大量解吸釋放，當(dāng)溫度超過120 ℃以后，解吸量降低，主要是煤氧化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，CH4濃度增長趨勢相對(duì)變緩。

圖5所示為C2H6氣體隨氧化溫度變化曲線，從圖5可以看出，在試驗(yàn)初始階段就出現(xiàn)C2H6氣體，說明煤樣中含有一定的C2H6氣體，隨著溫度升高，煤樣中吸附的C2H6氣體隨之發(fā)生脫附現(xiàn)象而逐漸釋放出來。因此，從指標(biāo)氣體角度分析，C2H6氣體不能很好地作為4502工作面煤自燃的預(yù)報(bào)性指標(biāo)氣體，因?yàn)樵撛囼?yàn)中的C2H6氣體有相當(dāng)一部分是煤樣脫附來的，不是完全由煤氧化產(chǎn)生。然而，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沙曲一號(hào)煤礦4502工作面煤樣在試驗(yàn)初始階段未產(chǎn)生C2H4氣體，直至溫度升高至120 ℃左右才出現(xiàn)少量的C2H4氣體，如圖6所示，說明沙曲一號(hào)煤礦4502工作面原始煤樣中并不含C2H4氣體，而在120 ℃以后產(chǎn)生的C2H4氣體主要是煤樣在高溫條件下裂解的氣體，這與煤樣的裂解溫度有關(guān)，因此C2H4可以作為4502工作面煤自燃指標(biāo)氣體。同時(shí)，2種氣體產(chǎn)生率與粒徑有關(guān)，粒徑越小，產(chǎn)生量越多，并且溫度越高，產(chǎn)生率越高。

2 煤自燃分級(jí)預(yù)警模型的構(gòu)建

2.1 隨機(jī)森林集成學(xué)習(xí)隨機(jī)森林（Random Forest，RF）是

BREIMAN于2001年提出的一種基于Bagging的集成學(xué)習(xí)方法［21-22］。隨機(jī)森林就是通過集成學(xué)習(xí)的思想將多棵決策樹集成的一種算法，可用于處理分類和回歸問題。

RF是基于Bagging （Bootstrap aggregating）思想，通過Bootstrap隨機(jī)抽樣建立決策樹基學(xué)習(xí)器，最后把這些基學(xué)習(xí)器結(jié)合起來形成最終的強(qiáng)學(xué)習(xí)器進(jìn)行綜合預(yù)測，由于每個(gè)隨機(jī)子集都不同，保證了構(gòu)建決策樹樣本集的多樣性。RF采用Bagging思想構(gòu)建集成學(xué)習(xí)器示意如圖7所示。

RF以決策樹為基學(xué)習(xí)器構(gòu)建Bagging集成的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在決策樹的訓(xùn)練過程中引入了隨機(jī)子空間方法（Random Subspace Method）。隨機(jī)子空間方法就是從隨機(jī)選擇部分屬性中挑選最佳屬性對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屬性分裂，這個(gè)過程稱為隨機(jī)屬性選擇。傳統(tǒng)決策樹在選擇分裂屬性時(shí)是在當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的M個(gè)屬性中選擇一個(gè)最優(yōu)屬性，而在RF中建立決策樹進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分裂時(shí)，先從M個(gè)屬性中隨機(jī)選擇一個(gè)包含mtry（mtry≤M）個(gè)屬性的子集，然后再從這個(gè)子集中選擇一個(gè)最優(yōu)屬性進(jìn)行分裂，參數(shù)mtry控制了輸入屬性隨機(jī)性的引入程度。

2.2 基于隨機(jī)森林的煤自燃分級(jí)預(yù)警模型煤自燃是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化且十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，在這個(gè)過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，煤自燃會(huì)釋放不同的氣體，如圖8所示，在煤自燃不同氧化程度時(shí)，釋放出的氣體產(chǎn)物濃度不同，二者之間存在某種內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因此，可以通過監(jiān)測煤自燃氧化過程中釋放的指標(biāo)氣體來預(yù)測預(yù)報(bào)煤自燃狀態(tài)［23-25］。另外，由于煤自燃狀態(tài)與氣體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系十分復(fù)雜，在數(shù)學(xué)中表現(xiàn)為非線性，故而采用一種科學(xué)可靠的數(shù)學(xué)方法來解決這個(gè)復(fù)雜非線性問題才是問題的關(guān)鍵。

隨機(jī)森林（RF）方法自2001年BREIMAN提出以來，

已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境地理、大氣科學(xué)、能源燃料等［26-29］，并且體現(xiàn)出高精度和不易“過擬合”的特點(diǎn)。RF是一種基于Bagging和隨機(jī)屬性選擇的集成學(xué)習(xí)方法，它由多個(gè)決策樹構(gòu)成，所構(gòu)建的決策樹是CART（Classification And Regression Trees）樹，并不進(jìn)行剪枝。設(shè)訓(xùn)練集S={（xi，yi），i=1，2，…，N}，（X，Y）∈RM×R，輸入矩陣X由具有M個(gè)屬性的N個(gè)樣本組成，輸出Y是一個(gè)目標(biāo)向量，RF算法偽代碼如下。

RF算法

Input：1.訓(xùn)練樣本S={（xi，yi），i=1，2，…，N}，（X，Y）∈RM×R

2.測試樣本xi∈RM

For i=1 to ntree

（1）對(duì)原始訓(xùn)樣本S進(jìn)行Bootstrap抽樣，生成訓(xùn)練子集Si

（2）使用Si生成不剪枝決策樹hi

a.從M個(gè)特征屬性中隨機(jī)選取mtry個(gè)屬性

b.在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上從mtry個(gè)屬性中選擇最優(yōu)屬性

c.從最優(yōu)屬性進(jìn)行分裂直到樹生長到最大

End

Output：1.決策樹集合{hi，i=1，2，…，ntree}

2.對(duì)于測試樣本，決策樹hi輸出hi（xt）

回歸：f（xt）=

1ntree

∑ntreei=1hi（xt）

分類：f（xt）=majority vote{hi（xt）}ntreei=1

因此，引入RF方法進(jìn)行煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測，并對(duì)其預(yù)測性能進(jìn)行考量。以試驗(yàn)過程中煤自然氧化釋放的各種氣體為輸入?yún)?shù)，構(gòu)建M個(gè)屬性的輸入矩陣X，以煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度為目標(biāo)向量Y，構(gòu)建基于RF的煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分級(jí)預(yù)警模型。

3 基于隨機(jī)森林的煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測

3.1 數(shù)據(jù)設(shè)置與計(jì)算步驟基于煤自燃程序升溫試驗(yàn)，通過氣體測試分析和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，總共獲得了1～6#煤樣30～170 ℃的90組測量結(jié)果。在進(jìn)行RF建模過程中，以煤自然發(fā)火階段性變化特征作為危險(xiǎn)性分級(jí)基礎(chǔ)，將煤溫在臨界溫度以下（≤80 ℃）記作危險(xiǎn)等級(jí)1，臨界溫度至干裂溫度（80～130 ℃）記作危險(xiǎn)等級(jí)2，超過干裂溫度（>130 ℃）記作危險(xiǎn)等級(jí)3，選擇氣體O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4濃度及粒徑大小作為輸入變量，危險(xiǎn)等級(jí)作為目標(biāo)輸出。其中，為了對(duì)模型效果進(jìn)行測試，選取60組樣本用于訓(xùn)練建模，剩余的30組樣本（總樣本數(shù)的1/3）用于模型測試。RF在建模過程中采用默認(rèn)參數(shù)，默認(rèn)情況下，樹的數(shù)量ntree=500，對(duì)于分類問題，mtry=

M；對(duì)于回歸問題，mtry=M/3。因此，對(duì)于處理煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分級(jí)預(yù)警的分類問題，默認(rèn)參數(shù)為ntree=500，mtry=3。根據(jù)RF方法流程，如圖9所示，將RF預(yù)測煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性步驟歸納如下。Step 1：設(shè)置氣體產(chǎn)物和粒徑為輸入變量和煤自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)為輸出目標(biāo)，利用Bootstrap重抽樣方法從原始樣本集

S抽取ntree個(gè)訓(xùn)練集（Si，i=1，2，…，ntree），每個(gè)訓(xùn)練集Si建立相應(yīng)基學(xué)習(xí)器決策樹hi。Step 2：從M個(gè)輸入變量（屬性）中隨機(jī)選取mtry個(gè)屬性作為節(jié)點(diǎn)分裂的子集，再從該子集中選擇一個(gè)最優(yōu)的屬性進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分裂，構(gòu)建CART樹。

Step 3：每棵決策樹不進(jìn)行任何剪枝的隨機(jī)生長，mtry值在整個(gè)森林的生長形成中保持不變。Step 4：ntree個(gè)訓(xùn)練子集共生成ntree棵CART樹，由于這ntree個(gè)決策樹在Si選擇和節(jié)點(diǎn)分裂屬性的選取上都是隨機(jī)的，決定了這ntree棵決策樹彼此的獨(dú)立性。Step 5：將生成的ntree棵決策樹組成隨機(jī)森林，每棵決策樹hi（xt）均會(huì)輸出相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果，對(duì)于文中的分類問題，將所有分類決策樹輸出值采用少數(shù)服從多數(shù)的投票結(jié)果作為RF的最終預(yù)測值。

Step 6：利用未參與訓(xùn)練建模的測試集數(shù)據(jù)檢驗(yàn)RF預(yù)測性能。

3.2 預(yù)測結(jié)果分析依據(jù)模型參數(shù)設(shè)置和算法設(shè)計(jì)，在默認(rèn)參數(shù)情況下，RF模型訓(xùn)練建模樣本預(yù)測結(jié)果如圖10所示。從圖10（a）可以看出，訓(xùn)練樣本預(yù)測危險(xiǎn)等級(jí)與實(shí)際危險(xiǎn)等級(jí)完全重合，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率100%，同時(shí)通過混淆矩陣圖也可以看出，煤自燃3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)各自的預(yù)測準(zhǔn)確率均為100%，如圖10（b）所示，說明建模效果非常好，對(duì)訓(xùn)練樣本的預(yù)測未出現(xiàn)錯(cuò)誤。進(jìn)一步，為了驗(yàn)證RF模型泛化性，圖11給出了RF模型對(duì)未參與訓(xùn)練建模的測試樣本的預(yù)測結(jié)果，通過測試樣本驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)樣本將危險(xiǎn)等級(jí)1判斷為危險(xiǎn)等級(jí)2，出現(xiàn)了一個(gè)誤判，如圖11（a）所示；同時(shí)通過圖11（b）預(yù)測結(jié)果的混淆矩陣圖發(fā)現(xiàn)，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)2和3的預(yù)測準(zhǔn)確率均為100%，只有危險(xiǎn)等級(jí)1出現(xiàn)了一個(gè)誤判，其準(zhǔn)確率為93.3%，測試樣本整體準(zhǔn)確率達(dá)到96.7%，說明RF模型預(yù)測結(jié)果精度十分理想，適合于處理煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性與氣體濃度之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，能夠用于煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)，并且無需復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，在默認(rèn)參數(shù)條件下即可得到滿意的結(jié)果。

3.3 變量重要度評(píng)估RF建模過程中，由于OOB（Out-Of-Bag）數(shù)據(jù)沒有參與決策樹構(gòu)建，OOB數(shù)據(jù)可以對(duì)輸入變量的重要性進(jìn)行評(píng)估，主要是基于隨機(jī)置換（Permutation）原理進(jìn)行衡量的。其具體步驟如下。

Step 1：計(jì)算每個(gè)決策樹OOB數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（分類問題）或者均方誤差（回歸問題），分類問題，記為e1。Step 2：變量Xi在OOB數(shù)據(jù)中隨機(jī)置換，形成新OOB樣本，并計(jì)算置換后新的OOB數(shù)據(jù)的e2。

Step 3：計(jì)算原始的和置換后得到的OOB預(yù)測誤差e之差ei。Step 4：每棵樹重復(fù)Step 1～3，所有樹的差異ei的平均作為變量Xi的重要性得分。變量重要性評(píng)價(jià)的依據(jù)就是，如果一個(gè)輸入變量很重要，那么其置換后會(huì)對(duì)預(yù)測結(jié)果的誤差產(chǎn)生十分明顯的影響，反之，如果預(yù)測誤差在變量置換之后沒有怎么改變，則說明該變量重要性低。圖12給出了基于煤自燃程序升溫試驗(yàn)RF預(yù)測過程中計(jì)算得到的變量重要性得分，可以看出，CO、CH4和C2H4對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測有很大影響，結(jié)果與指標(biāo)氣體在實(shí)際應(yīng)用中相吻合，這3種氣體，尤其是CO和C2H4在實(shí)際中被廣泛用作預(yù)測預(yù)報(bào)煤礦煤自燃的重要指標(biāo)，CO是一種普遍認(rèn)可和采用的重要指標(biāo)。因?yàn)樵谠济簩又胁毁x含CO，CO是煤氧化產(chǎn)生的氣體，因此它常作為一種可靠的指標(biāo)氣體來推斷煤自燃氧化的狀態(tài)和發(fā)展程度。C2H4常作為煤自燃進(jìn)入快速氧化階段的標(biāo)志，通過前文煤氧化過程中C2H4分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，C2H4氣體是煤溫達(dá)到120 ℃以后才會(huì)出現(xiàn)的氣體，它是煤氧化裂解產(chǎn)生的氣體，因此在實(shí)際礦井生產(chǎn)過程中，一旦工作面能夠監(jiān)測到C2H4的存在，說明遺煤氧化已經(jīng)很嚴(yán)重了，就必須及時(shí)采取防控措施，否則在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生煤自燃災(zāi)害。

3.4 驗(yàn)證分析為了進(jìn)一步分析隨機(jī)森林泛化性和魯棒性，采用大佛寺煤礦煤自然發(fā)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立RF煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證。由于煤自然發(fā)火災(zāi)害防控的重點(diǎn)在低溫氧化階段，一旦煤溫超過干裂溫度，在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生自燃，因此，在本驗(yàn)證中著重以干裂溫度以下樣本為分析對(duì)象，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)劃分條件與前文一致，從而此處煤自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)只有1和2這2類。經(jīng)過27天自然發(fā)火試驗(yàn)，自然發(fā)火試驗(yàn)系統(tǒng)中煤體溫度從室溫（19.8 ℃）上升到了96.89 ℃。通過每天氣體測試分析和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，總共獲得了285組測量結(jié)果，在進(jìn)行RF建模過程中，選擇氣體O2、CO、CO2、CH4、C2H4和C2H6氣體濃度作為輸入變量，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)作為目標(biāo)輸出。其中，以190組樣本訓(xùn)練建模，95組（總樣本數(shù)的1/3）未參與訓(xùn)練的樣本用于測試分析。RF預(yù)測結(jié)果如圖13所示，訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值完全一致，危險(xiǎn)等級(jí)為1的148個(gè)樣本和危險(xiǎn)等級(jí)為2的42個(gè)樣本預(yù)測準(zhǔn)確率均為100%；同時(shí)，通過測試樣本分析發(fā)現(xiàn)，95個(gè)預(yù)測樣本中危險(xiǎn)等級(jí)為1的樣本預(yù)測準(zhǔn)確率100%，危險(xiǎn)等級(jí)為2的樣本中僅有一個(gè)實(shí)際預(yù)測出現(xiàn)偏差，將危險(xiǎn)等級(jí)2誤判為危險(xiǎn)等級(jí)1，其他全部準(zhǔn)確，整體準(zhǔn)確率高達(dá)98.9%。因此，充分說明基于RF建立煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度分級(jí)預(yù)警模型準(zhǔn)確可靠，可以推廣應(yīng)用于現(xiàn)場煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)。

圖14所示為RF建模過程對(duì)變量重要度評(píng)估結(jié)果，從圖14可以看出，CO和C2H4是影響煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測的2個(gè)主要指標(biāo)，O2和CO2次之，而CO和C2H4也正是大佛寺煤礦用于煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的2個(gè)重要指標(biāo)氣體，O2和CO2形成的指標(biāo)參數(shù)亦是實(shí)際常用于對(duì)比分析的重要指標(biāo)。因此，基于RF的變量重要度評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用完全一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了RF方法的有效性與可靠性。同時(shí)也說明，在實(shí)際中RF方法可以作為煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體優(yōu)選的有效方法。

4 結(jié) 論

1）粒徑對(duì)煤氧化反應(yīng)具有較大影響，粒徑越小氣體產(chǎn)生濃度越大，煤氧復(fù)合作用越劇烈，且隨著溫度升高，該趨勢愈發(fā)明顯；在試驗(yàn)初始階段就出現(xiàn)C2H6氣體但未產(chǎn)生C2H4氣體，在溫度升高至120 ℃左右才出現(xiàn)少量的C2H4氣體，C2H4氣體可以作為沙曲一號(hào)煤礦煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體。

2）采用隨機(jī)森林集成學(xué)習(xí)方法建立了煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分級(jí)預(yù)警模型，在默認(rèn)參數(shù)條件下，測試樣本預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到了96.7%。大佛寺煤礦自然發(fā)火試驗(yàn)驗(yàn)證得到樣本預(yù)測正確率為98.9%，說明RF模型預(yù)測結(jié)果精度十分理想，適合于處理煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性與氣體濃度之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，能夠用于煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)。

3）通過OOB數(shù)據(jù)對(duì)輸入變量的重要性進(jìn)行評(píng)估，CO和C2H4對(duì)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性預(yù)測有很大影響，這與指標(biāo)氣體在實(shí)際應(yīng)用中相吻合，在原始煤層中不賦含CO和C2H4氣體，二者的出現(xiàn)是遺煤發(fā)生自然氧化和進(jìn)入快速氧化階段的標(biāo)志，一旦工作面能夠檢測到C2H4的存在，就說明氧化溫度達(dá)到了120 ℃左右，亟待采取防控措施。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］ 王德明，張偉，王和堂，等.煤礦熱動(dòng)力重大災(zāi)害的不確定性風(fēng)險(xiǎn)特性研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2023，40（4）：826-837.

WANG Deming，ZHANG Wei，WANG Hetang，et al.Uncertain risk characteristics of major thermodynamic disasters in underground coal mines［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2023，40（4）：826-837.

［2］LIANG Y，ZHANG J，WANG L，et al.Forecasting spontaneous combustion of coal in underground coal mines by index gases：A review［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2019，57：208-222.

［3］秦波濤，仲曉星，王德明，等.煤自燃過程特性及防治技術(shù)研究進(jìn)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（1）：66-99.

QIN Botao，ZHONG Xiaoxing，WANG Deming，et al.Research progress of coal spontaneous combustion process characteristics and prevention technology［J］.Coal Science and Technology，2021，49（1）：66-99.

［4］趙曉虎，孫鵬帥，楊眷，等.應(yīng)用于煤自燃指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2021，46（S1）：319-327.

ZHAO Xiaohu，SUN Pengshuai，YANG Juan，et al.Online monitoring system of index gases concentration applied to coal spontaneous combustion［J］.Journal of China Coal Society，2021，46（S1）：319-327.

［5］LEI C，SHI X，JIANG L，et al.Study on the effect of external air supply and temperature control on coal spontaneous combustion characteristics［J/OL］.Sustainability，2023，15，8286.http：//doi.org/10.3390/su15108286

［6］文虎，郭曦蔓，張鐸，等.建北煤礦高瓦斯煤層自燃早期預(yù)報(bào)指標(biāo)優(yōu)選研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2022，49（3）：1-8.

WEN Hu，GUO Ximan，ZHANG Duo，et al.Optimization of early prediction index for spontaneous combustion of gassy coal seam in Jianbei Coal Mine［J］.Mining Safety & Environmental Protection，2022，49（3）：1-8.

［7］DENG J，LEI C，XIAO Y，et al.Determination and prediction on “three zones” of coal spontaneous combustion in a gob of fully mechanized caving face［J］.Fuel，2018，211：458-470.

［8］WANG C，ZHAO X，BAI Z，et al.Comprehensive index evaluation of the spontaneous combustion capability of different ranks of coal［J］.Fuel，2021，291：120087.

［9］易欣，張敏，鄧寅，等.淮南礦區(qū)煤自燃指標(biāo)氣體及特征參數(shù)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，43（3）：457-465.

YI Xin，ZHANG Min，DENG Yin，et al.Spontaneous combustion indicator gases and characteristic parameters of coal in Huainan mining area［J］.Journal of Xian University of Science and Technology，2023，43（3）：457-465.

［10］JIA X，WU J，LIAN C，et al.Assessment of coal spontaneous combustion index gas under different oxygen concentration environment：an experimental study［J］.Environmental Science and Pollution Research，2022，29（58）：87257-87267.

［11］WANG K，HE Y，F(xiàn)AN H，et al.Study of the coal secondary spontaneous combustion behavior under different pre-heating oxygen concentrations［J］.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2021，146（2）：681-688.

［12］王凱，韓濤，和運(yùn)中.風(fēng)量影響下的煤自燃定量預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)試驗(yàn)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（1）：16-21.

WANG Kai，HAN Tao，HE Yunzhong.Experimental study on quantitative prediction indexes of coal spontaneous combustion based on air supply［J］.Journal of Xian University of Science and Technology，2022，42（1）：16-21.

［13］YANG Y，F(xiàn)EI J，LUO Z，et al.Experimental study on characteristic temperature of coal spontaneous combustion［J］.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2023，148（19）：10011-10019.

［14］WANG C，DENG Y，ZHANG Y，et al.Coal oxidation characteristics and index gases of spontaneous combustion during the heating and cooling processes［J］.Fuel，2022，307：121806.

［15］任萬興，郭慶，石晶泰，等.基于標(biāo)志氣體統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的煤自燃預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2021，46（6）：1747-1758.

REN Wanxing，GUO Qing，SHI Jingtai，et al.Construction of early warning indicators for coal spontaneous combustion based on statistical characteristics of index gases［J］.Journal of China Coal Society，2021，46（6）：1747-1758.

［16］GUO Q，REN W，LU W.Risk evaluation of coal spontaneous combustion from the statistical characteristics of index gases［J］.Thermochimica Acta，2022，715：179287.

［17］YAN H，NIE B，LIU P，et al.Experimental assessment of multi-parameter index gas correlation and prediction system for coal spontaneous combustion［J］.Combustion and Flame，2023，247：112485.

［18］周旭，朱毅，張九零，等.基于PSO-XGBoost的煤自燃程度預(yù)測研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2022，49（6）：79-84.

ZHOU Xu，ZHU Yi，ZHANG Jiuling，et al.Study on prediction model of coal spontaneous combustion based on PSO-XGBoost［J］.Mining Safety & Environmental Protection，2022，49（6）：79-84.

［19］郭軍，金彥，文虎，等.礦井煤層自燃程度精細(xì)劃分與預(yù)警方法研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（10）：115-121.

GUO Jun，JIN Yan，WEN Hu，et al.Study on fine division and early warning methods of spontaneous combustion degree of coal seams in mines［J］.Coal Science and Technology，2021，49（10）：115-121.

［20］LEI C，DENG J，CAO K，et al.A random forest approach for predicting coal spontaneous combustion［J］.Fuel，2018，223：63-73.

［21］BREIMAN L.Random forests［J］.Machine Learning，2001，45（1）：5-32.

［22］TIWARY A K，GHOSH S，SINGH R，et al.Automated coal petrography using random forest［J］.International Journal of Coal Geology，2020，232：103629.

［23］鄧軍，雷昌奎，曹凱，等.采空區(qū)煤自燃預(yù)測的隨機(jī)森林方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2018，43（10）：2800-2808.

DENG Jun，LEI Changkui，CAO Kai，et al.Random forest method for predicting coal spontaneous combustion in gob［J］.Journal of China Coal Society，2018，43（10）：2800-2808.

［24］GUO J，WEN H，ZHENG X，et al.A method for evaluating the spontaneous combustion of coal by monitoring various gases［J］.Process Safety and Environmental Protection，2019，126：223-231.

［25］岳寧芳，金彥，孫明福，等.基于多指標(biāo)氣體的煤自燃進(jìn)程分級(jí)預(yù)警研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020，20（6）：2139-2146.

YUE Ningfang，JIN Yan，SUN Mingfu，et al.Multi-staged warning system for controlling the coal spontaneous combustion based on the various index gases［J］.Journal of Safety and Environment，2020，20（6）：2139-2146.

［26］LEI C，DENG J，CAO K，et al.A comparison of random forest and support vector machine approaches to predict coal spontaneous combustion in gob［J］.Fuel，2019，239：297-311.

［27］WANG Z，CAI Y，LIU D，et al.Intelligent classification of coal structure using multinomial logistic regression，random forest and fully connected neural network with multisource geophysical logging data［J］.International Journal of Coal Geology，2023，268：104208.

［28］CHELGANI S C.Prediction of specific gravity of afghan coal based on conventional coal properties by stepwise regression and random forest［J］.Energy Sources，Part A：Recovery，Utilization，and Environmental Effects，2023，45（2）：4323-4334.

［29］袁懿琳，趙榮煥，何坤，等.基于隨機(jī)森林和樹突網(wǎng)絡(luò)的煤鏡質(zhì)組反射率估計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2023，49（8）：148-155.

YUAN Yilin，ZHAO Ronghuan，HE Kun，et al.Estimation of coal vitrinite reflectance based on random forest and dendritic network［J］.Industry and Mine Automation，2023，49（8）：148-155.

（責(zé)任編輯：劉潔）