灰色关联法在煤自燃标志气体优选中的应用

灰色关联法在煤自燃标志气体优选中的应用
付晶;赵凯;张海洋;王坤
【摘要】鉴于目前以CO、C2H4和C2H2为标志性气体已不能满足煤层自然发火的早期预测预报,以神华新疆能源公司碱沟煤矿B2煤层自然发火标志气体产物测试数据为例,选取100～300℃煤样氧化产物浓度,运用灰色关联法计算分析煤体升温时所产生的气体浓度与燃烧温度的关联度,根据计算结果对关联度进行排序,确定合理的煤层自然发火指标气体.计算结果表明:关联度γ3>γ5>γ4,即
φ(C3H8)/φ(CH4)、φ(CO)/φ(CO2)、φ(C3H8)/φ(C2H6)与煤燃烧温度关系最为密切,3种标志气体关联度大于0.6,并与φ(C2H4)/φ(C2H6)进行对比,验证了3种标志气体选取的合理性.因此,φ(C3H8)/φ(CH4)、φ(CO)/φ(CO2)、
φ(C3H8)/φ(C2H6)可作为碱沟煤矿B2煤层自然发火早期预测预报标志气体.【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2019(050)005
【总页数】5页(P181-185)
【关键词】煤矿火灾;自然发火;灰色关联;标志性气体;优选;预测预板
【作者】付晶;赵凯;张海洋;王坤
【作者单位】神华新疆能源有限责任公司碱沟煤矿,新疆乌鲁木齐 830000;神华新疆能源有限责任公司生产技术部,新疆乌鲁木齐 830011;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺 113122
【正文语种】中文
【中图分类】TD75+2.2
煤矿火灾是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，煤炭自然发火又是煤矿火灾的最主要诱因，我国90%以上煤矿火灾是由煤炭自然发火引发[1-3]。

因此，能否尽早的对煤层自然发火进行预测预报，根据煤自然发火过程中出现的征兆和观测结果，及时采取针对性措施防止火灾发生及蔓延，其预判指标显得尤为重要[4]。

罗海珠，钱国胤[5]利用气体分析法对各煤种自然发火标志气体指标进行了研究，提出了指标气体与煤温的定量关系和早期预测预报自然发火的指标；秦红星，戴广龙[6]等人以不同温度区间采用不同的气体作为煤自燃的标志气体，并结合火灾系数作为辅助性参数指标；贾宝山，王汉元[7]等人利用主成分分析法，结合统计学软件SPSS20.0，对煤自燃标志气体进行了优选。

目前，我国在煤自然发火预测预报方面，形成了以CO 及其派生指标、C2H4、C2H2为主指标，以链烷比和烯烷比以及温度等为辅助指标的煤自然发火预测预报综合指标体系[8]。

在煤矿领域中，对煤层自然发火标志性气体的选取大多是进行定性分析，而实际上由于煤燃烧生成气体的多样性及复杂性，弱化定量分析的作用将会导致指标气体选取不当或原本合理的指标被忽略。

灰色系统理论是由邓聚龙[9-10]提出的一种定量分析方法，灰色关联分析是灰色系统理论的重要组成部分[11]，对样本量的数量及有无规律性要求较低，且计算量小，从而解决“少数据不确定性”问题，是各因素间动态过程发展态势的量化分析方法[12]。

目前，针对煤层自然发火标志性气体的优选已有许多学者运用了多种数学方法及软件进行了研究，鲜有运用灰色关联分析法定量分析优选煤自燃标志气体。

为此以神华新疆能源公司碱沟煤矿B2煤层自然发火标志性气体测试数据为例，运用灰色关联分析法分析并优选煤层自然发火标志
性气体。

1 矿井概况
B2煤层倾向326°，倾角85°～87°，属特低～低灰、特低硫、低磷、中高发热量
富油煤层，煤层大部分为亮煤，暗煤次之，镜煤少量，煤层牌号为弱黏结煤，煤层较稳定，是良好的动力用煤和民用煤。

B2煤层的自燃倾向性为I类，属容易自燃
煤层，最短自然发火期36 d，煤尘有爆炸危险性，煤层富含裂隙水。

碱沟煤矿对
工作面应力集中区域进行超前预爆破松动煤体卸压处理，释放存在于煤体内的弹性能，所产生的炮烟容易短时间在巷道内及隅角积存，并且爆破所产生的CO 影响
防灭火安全监测监控数据。

2 煤自然发火气体产物实验
2.1 煤样选取
测试煤样选取碱沟煤矿B2煤层01+05414501工作面进风煤壁煤样，运至实验室后对其进行破碎并筛分出40～80 目（180～380 μm）的颗粒50 g 作为实验煤样。

2.2 实验过程
将50 g 粒度为40～80 目（180～380 μm）的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。

通入100 mL/min 的干空气，设定测试炉
30 ℃恒温，当煤温达到30 ℃时，将测试炉设定为0.5 ℃/min 程序升温，煤温到达100 ℃时，将测试炉调整至1 ℃/min，直到煤温达200 ℃，将测试炉温升速率调整为2 ℃/min，测试终止温度为360 ℃。

在反应初期每10 ℃分析1 次气体成分和浓度，后期每12 ℃分析1 次气体成分和浓度为间隔进行分析。

2.3 测试数据
在上述实验条件下得到的测试煤样气体产物随煤温变化实验数据见表1。

表1 B2煤层测试煤样氧化气体产物浓度实验数据 10-6温度/℃ φ（CO）φ
（CO2）φ（CH4）φ（C2H4）φφφ（C2H6）（C2H2）（C3H8）30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 153.80 206.70 248.60 287.40 300.20 314.80 325.10 336.70 0.53 1.26 2.50 6.64 5.76 38.90 80.01 150.00 1 967.62
8 483.74 17 457.00 29 243.00 31 399.00 33 743.00 37 069.00 40 127.00 15.73 25.84 147.16 43.17 82.21 162.65 308.70 536.57 4 614.64 16 350.00 36 595.00 64 361.00 74 021.00 80 843.00 91 512.00 101 142.00 3.42 3.41 3.40 3.46 3.51 3.73 4.20 5.16 41.04 146.44 262.55 487.21 673.09 900.64 1 348.04 2 083.12 0000000 00 0000000 0.13 3.80 33.59 105.98 201.16 235.06 268.28 310.55 352.95 0.14 0.22 0.24 0.26 0.40 0.67 12.71 51.45 62.43 85.27 124.87 170.60 268.93 445.22 0000000000000000 0.13 10.52 73.98 159.80 267.89 323.80 397.30 518.07 669.12
2.4 测试结果分析
从表1 中可以发现，煤样在测试温度范围内，CH4、C2H6、C3H8 和C2H4 的浓度随煤温的增加基本呈指数增加的趋势，CH4 在30 ℃时即开始出现，C2H6在40～50 ℃时开始出现，C2H4 在90～100 ℃时才开始出现，C3H8 在90～100 ℃时开始出现。

煤样在测试温度范围内没有C2H2 出现，说明其出现的温度高于测
试的温度范围，一旦C2H2 出现，说明煤温已经超过336 ℃。

因此，C2H2 不宜
作为煤层自然发火的初期指标，而C2H4 的出现表明煤体局部温度已达100 ℃。

煤层自然发火的预测预报应选择在煤的自热期，结合不同煤种代表性煤样的乙烯及丙烯的临界值温度，选取100～300 ℃的煤样氧化产物浓度进行定量分析。

3 基于灰色关联的煤层自燃标志气体定量分析
运用灰色关联分析煤自燃标志气体的本质是寻求测试结果中温度与气体产物浓度之间的主要关系，分析指标气体与温度之间的关联度，选取关联度高的指标气体，从而使研究的灰色系统由黑变白，进而提高煤层自然发火预测预报的准确度及实效性。

通过对指标气体变化的定性和定量分析，选取不同温度下气体产物的浓度及比值，进而CO、C2H4、C3H8、C2H6/CH4、CO/CO2 等不同类型氧化气体浓度及气体比值会呈现规律性变化，能直观地反映出煤燃烧的变化情况。

3.1 标志气体选择
由于煤对CO2、CH4 具有较强的吸附性，以及不同生产条件下吸附作用大小不同的原因，CO2、CH4气体不宜直接作为预测预报标志气体。

标志气体的选取及其浓度比值见表2。

表2 B2煤层测试煤样氧化气体产物浓度及比值温度/℃φ（C2H4）/φ（C2H6）φ（C2H6）/φ（CH4）φ（C3H8）/φ（CH4）φ（C3H8）/φ（C2H6）φ（CO）/φ（CO2）φ（CO）/10-6 φ（C2H4）/10-6 φ（C3H8）/10-6 100 153.8 206.7 248.6 287.4 300.2 0.194 0 0.299 0 0.652 9 1.697 6 2.359 1 1.882 4 0.129 8 0.309 7 0.351 3 0.237 8 0.175 0 0.185 5 0.025 2 0.256 3 0.505 2
0.608 6 0.549 8 0.481 1 0.194 0 0.827 7 1.437 9 2.559 7 3.141 7 2.593 1
0.279 6 0.426 4 0.518 9 0.477 0 0.454 4 0.424 2 150.00 1 967.62 8 483.74 17 457.00 29 243.00 31 399.00 0.13 3.80 33.59 105.98 201.16 235.06 0.13 10.52 73.98 159.80 267.89 323.80
令温度为参考数列x0，φ（C2H4）/φ（C2H6）、φ（C2H6）/φ（CH4）、φ（C3H8）/φ（CH4）等为比较数列x1～x8。

x0=（100，153.8，206.7，248.6，287.4，300.2）
x1=（0.194 0，0.299 0，0.652 9，1.697 6，2.359 1，1.882 4）
x2=（0.129 8，0.309 7，0.351 3，0.237 8，0.175 0，0.185 5）
x3=（0.025 2，0.256 3，0.505 2，0.608 6，0.549 8，0.481 1）
x4=（0.194 0，0.827 7，1.437 9，2.559 7，3.141 7，2.593 1）
x5=（0.279 6，0.426 4，0.518 9，0.477 0，0.454 4，0.424 2）
x6=（150.00，1 967.62，8 483.74，17 457.00，29 243.00，31 399.00）
x7=（0.13，3.80，33.59，105.98，201.16，235.06）
x8=（0.13，10.52，73.98，159.80，267.89，323.80）
对各数列的原始数据进行无量纲化处理，处理方法有“中心化”、“极差化”、“均值化”、“初值化”等，采用“均值化”对原始数据进行处理，其公式为：
处理后各数列为：
x0=（0.462 7，0.711 7，0.956 4，1.150 3，1.329 8，1.389 1）
x1=（0.164 3，0.253 2，0.552 9，1.437 6，1.997 8，1.594 1）
x2=（0.560 7，1.337 7，1.517 4，1.027 1，0.755 9，0.801 2）
x3=（0.062 3，0.633 8，1.249 4，1.505 1，1.359 7，1.189 8）
x4=（0.108 2，0.461 8，0.802 2，1.428 1，1.752 8，1.446 8）
x5=（0.650 1，0.991 4，1.206 5，1.109 1，1.056 5，0.986 3）
x6=（0.010 1，0.133 1，0.573 9，1.180 9，1.978 1，2.123 9）
x7=（0.001 3，0.039 3，0.347 7，1.096 9，2.082 0，2.432 8）
x8=（0.000 9，0.075 5，0.530 9，1.146 7，1.922 4，2.323 6）
3.2 关联系数计算
1）求差序列：各个时刻xi 与x0 的绝对差见表3，公式为△i（k）=│x0（k）-xi （k）│。

表3 生成气体与温度的关联系数计算序号绝对差△1（k）△2（k）△3（k）△4（k）△5（k）△6（k）△7（k）△8（k）123456 0.298 4 0.458 4 0.403 5 0.287 3
0.668 0 0.205 1 0.097 9 0.626 0 0.561 0 0.123 2 0.574 0 0.587 8 0.400 4
0.077 8 0.292 9 0.354 8 0.029 8 0.199 3 0.354 5 0.249 9 0.154 2 0.277 8
0.423 0 0.057 7 0.187 4 0.279 8 0.250 1 0.041 2 0.273 3 0.402 7 0.452 6
0.578 6 0.382 6 0.030 5 0.648 3 0.734 9 0.461 4 0.672 3 0.608 8 0.053 4
0.752 1 1.043 8 0.461 8 0.636 2 0.425 5 0.003 6 0.592 5 0.934 5
2）求两级最小差与最大差：
3）计算关联系数εi（k）：
式中：ρ为分辨系数，在0～1 之间取值，根据最小信息原理，取0.5。

将数据代入关联系数计算公式得：
ε1=（0.640 6，0.536 0，0.567 9，0.649 4，0.441 6，0.722 9）
ε2=（0.847 8，0.457 8，0.485 3，0.814 6，0.479 5，0.473 5）
ε3=（0.569 8，0.876 2，0.644 9，0.599 4，0.952 5，0.728 6）
ε4=（0.599 6，0.680 9，0.777 3，0.657 1，0.556 1，0.906 7）
ε5=（0.740 9，0.655 5，0.680 7，0.933 2，0.660 8，0.568 3）
ε6=（0.539 3，0.477 5，0.581 0，0.951 2，0.449 1，0.418 1）
ε7=（0.534 4，0.440 0，0.464 8，0.913 4，0.412 5，0.335 6）
ε8=（0.534 2，0.453 8，0.554 6，1.000 0，0.471 5，0.360 8）
4）计算关联度γi。

计算结果为：γ1=γ（1x0，x1）=0.593 1，γ2=γ（2x0，x2）=0.593 1，γ3=γ（3x0，x3）=0.728 6，γ4=γ（4x0，x4）=0.696 3，γ5=γ5（x0，x5）=0.706 6，γ6=γ6（x0，x6）=0.569 4，γ7=γ（7x0，x7）=0.516 8，γ8=γ（8x0，x8）=0.562 5。

经关联度比较得γ3＞γ5＞γ4＞γ1=γ2＞γ6＞γ8＞γ7，说明φ（C3H8）/φ
（CH4）、φ（CO）/φ（CO2）、φ（C3H8）/φ（C2H6）与煤燃烧温度关系最
密切；而φ（C2H4）/φ（C2H6）、CO、C2H4、C3H8 的密切程度依次较差，不宜做煤层自然发火早期预测预报标志气体。

选取关联度大于0.6的气体作为指标气体，即φ（C3H8）/φ（CH4）、φ（CO）/φ（CO2）、φ（C3H8）/φ
（C2H6）。

选取与温度关系度较高的3个标志气体，通过origin 进行数据绘图，得到变化趋势如图1。

φ（C3H8）/φ（CH4）在100～250 ℃之间随着温度的升高而增加，250～300 ℃缓慢降低；φ（CO）/φ（CO2）在100～200 ℃之间随温度的升高而增加，200～300 ℃呈缓慢降低趋势；φ（C3H8）/φ（C2H6）随温度的升高而增加，到300℃左右时开始降低。

总体上3个指标气体100～200℃均呈直线上升趋势，而）φ（C2H4）/φ（C2H6）在100～200 ℃上升趋势较缓慢，其比值变化较小，不利于煤层自然发火的判断，因此可以把φ（C3H8）/φ（CH4）、φ（CO）/φ（CO2）、φ（C3H8）/φ（C2H6）作为火情监控早期预测预报的最优标志气体。

图1 指标气体与温度之间的变化趋势
4 结论
1）煤层自然发火的预测预报应选择在煤的自热期进行，结合不同煤种代表性煤样的乙烯及丙烯的临界值温度，选取100～300 ℃煤样氧化产物浓度对碱沟煤矿B2煤层测试煤样气体产物随煤温的变化实验数据的进行了定量分析。

2）运用灰色关联分析法确定出B2煤层不同温度下各指标气体与温度之间的关联度，比较关联度得出γ3＞γ5＞γ4＞γ1=γ2＞γ6＞γ8＞γ7，计算结果表明φ
（C3H8）/φ（C3H8）/φ（CH4）、φ（CO）/φ（CO2）、φ（C3H8）/φ（C2H6）与煤燃烧温度关系最密切，可作为碱沟煤矿B2煤层自然发火早期预测预报标志气体。

3）利用origin 对选取的指标气体进行数据绘图，直观地反映出所选取的指标气体
变化趋势，并选取关联度小于所选指标气体的φ（C2H4）/φ（C2H6）进行对比，进一步验证了所选指标气体的合理性。

【相关文献】
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2]徐精彩.基于煤氧复合过程分析的自然发火期预测技术研究[J].火灾科学，2000，9（3）：21-25.
[3]梁运涛，孙勇，罗海珠，等.基于小样本的煤层自然发火烷烃气体的光谱分析[J].煤炭学报，2015，40（2）：371-376.
[4]罗海珠，梁运涛.煤自燃发火预测预报技术的现状与展望[J].中国安全科学学报，2003，13（3）：76-78.
[5]罗海珠，钱国胤.各煤种自然发火标志气体指标研究[J].煤矿安全，2003，34（9）：86-89.
[6]秦红星，戴广龙，张树川，等.基于煤低温氧化试验下的标志气体优选及应用[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：65-70.
[7]贾宝山，王汉元，金珂，等.主成分分析法在煤自燃标志性气体优选中应用[J].应用泛函分析学报，2017，19（4）：452-456.
[8]梁运涛，侯贤军，罗海珠，等.我国煤矿火灾防治现状及发展对策[J].煤炭科学技术，2016，44（6）：1-6.
[9]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.
[10]邓聚龙.灰预测与灰决策[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.
[11]周秀文.灰色关联度的研究与应用[D].长春：吉林大学，2007.
[12]李炳军，朱阳春，周杰.原始数据无量纲化处理对灰色关联序的影响[J].河南农业大学学报，2002，36（2）：199-202.。