摘要：煤體在自燃過(guò)程中，會(huì)依次釋放大量的特征氣體，通過(guò)對(duì)特征氣體組分的研宄，根據(jù)其組分與溫度對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了數(shù)列GM(1，1)灰色預(yù)測(cè)模型，基于這種模型理論進(jìn)而研究煤火燃燒的預(yù)警系統(tǒng)，是攻克煤層自燃災(zāi)害的一個(gè)嘗試。

關(guān)鍵詞：煤層自燃；灰色模型；預(yù)警；特征氣體

煤層自燃在我國(guó)有著廣泛的分布，它不僅損失了大量的能源，而且污染環(huán)境，同時(shí)煤層自燃在煤礦生產(chǎn)中屬于重大災(zāi)害，極易引起瓦斯煤塵爆炸等重大事故，它對(duì)礦井安全生產(chǎn)是個(gè)極大的威脅。科技部863科研課題《地下煤層自燃遙感與地球物理探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究》旨在總結(jié)國(guó)內(nèi)外地下煤火研究進(jìn)展，重點(diǎn)研究地下煤火的地質(zhì)條件和采空區(qū)煤火條件、遙感數(shù)據(jù)采集、三維建模和反演方法、建立煤火動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案；課題研究區(qū)位于神華集團(tuán)下屬的烏達(dá)煤田，烏達(dá)礦業(yè)集團(tuán)五虎山、黃白茨和蘇海圖3個(gè)生產(chǎn)礦井。

1 煤層自燃的物化效應(yīng)

煤層自燃需要缺一不可的3個(gè)條件：一是具有自燃傾向的煤體；二是持續(xù)供氧的風(fēng)流；三是一定的觸發(fā)條件。實(shí)驗(yàn)表明，在太陽(yáng)直射且無(wú)風(fēng)條件下，含硫分較高的煤層露頭在溫度達(dá)到攝氏60℃的條件下，就開(kāi)始一定的氧化反應(yīng)，該氧化反應(yīng)釋放的熱量進(jìn)一步催化更深層次氧化的持續(xù)進(jìn)行，使得煤層溫度逐漸升高，直至形成燃燒。

煤層燃燒除了引起溫度升高，同時(shí)還釋放大量生成氣體，比如CO、CO₂，還有H₂S、SO₂等等，隨著溫度的升高逐漸還會(huì)有C₂H₆、C₂H₄、C₃H₈、C₃H₆等特征氣體的出現(xiàn)。

溫度自然是我們監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，不過(guò)由于自燃地點(diǎn)的不確定性，同時(shí)一些地段(采空區(qū)等等)無(wú)法布置監(jiān)測(cè)探頭，正是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量以及地點(diǎn)的限制，極有可能錯(cuò)過(guò)一些煤層自燃的前兆信息，所以除了在關(guān)鍵地段布控溫度監(jiān)測(cè)外，還需要進(jìn)一步做其他方法的嘗試。表1是神府東勝煤田大柳塔礦煤層煤樣的實(shí)驗(yàn)室燃燒測(cè)定成果。揭示了該煤樣的氣體組分與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該煤的燃點(diǎn)為270℃，可溫度在30℃時(shí)就已經(jīng)有CO開(kāi)始釋放，隨著溫度的升高，多種氣體陸續(xù)釋放，同一溫度下氣體組分比例較為固定。所以我們就可以利用氣體組分的比例來(lái)推定該回風(fēng)區(qū)域內(nèi)煤體的溫度。將采樣數(shù)據(jù)儲(chǔ)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，由灰色預(yù)測(cè)模型將一組歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出未來(lái)的預(yù)測(cè)值，從來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層自燃的預(yù)警。

表1 神府東勝大柳塔礦2煤層煤樣實(shí)驗(yàn)室燃燒結(jié)果



2 灰色預(yù)測(cè)建模原理

基于灰色建模理論的灰色預(yù)測(cè)法，同時(shí)根據(jù)煤層指標(biāo)特點(diǎn)，我們以數(shù)列預(yù)測(cè)對(duì)各項(xiàng)氣體指標(biāo)的發(fā)展變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果是該指標(biāo)在同樣環(huán)境下發(fā)展到未來(lái)某個(gè)時(shí)刻的數(shù)值：我們采用累加生成數(shù)列GM(1，1)模型，其中前一個(gè)“1”表示階數(shù)，后一個(gè)“1”表示因素。GM(1，1)模型具有所需樣本數(shù)量少、計(jì)算簡(jiǎn)單、可檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，較實(shí)用于短期預(yù)測(cè)。

考慮到煤體燃燒是一個(gè)隨時(shí)間的累計(jì)過(guò)程，我們?cè)O(shè)定序列數(shù)據(jù)：



為原始數(shù)列一次累加數(shù)列為：



其白化形式的微分方程為



這就是灰色預(yù)測(cè)模型GM(1，1)，其中α，b為常數(shù)，可通過(guò)最小二乘法擬合得到。



求得α和u，我們求解式(1)，得到：



式(2)即為預(yù)測(cè)公式，因?yàn)樗且淮卫塾?jì)的預(yù)測(cè)值，需要對(duì)該值進(jìn)行還原，有下式：



預(yù)測(cè)值還需要進(jìn)行精度檢驗(yàn)，如果不符合要求，還需要用殘差數(shù)列進(jìn)行修正，此處不再贅述。

3 預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

一般的瓦斯探測(cè)儀不能夠檢測(cè)出特征氣體的含量，對(duì)C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈等特征氣體的檢測(cè)需要特別的檢測(cè)系統(tǒng)。我們采用的是“束管”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)地段的氣體成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。“束管”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理為：將6根內(nèi)徑4mm、外徑8mm的塑料管用直徑32mm的鋼管保護(hù)。6根塑料管分別接至“束管”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜上的6個(gè)接口，每條管路接有除塵器、除濕器、電磁閥等，最后接人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜中的抽氣集氣管、反吹集氣管。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，電控箱依次對(duì)6條管路上的電磁閥發(fā)出接通信號(hào)，6條管路所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣樣則依次抽人系統(tǒng)。經(jīng)系統(tǒng)機(jī)柜中的流量計(jì)、四通閥，依次送入C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈等氣體分析儀，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的氣樣進(jìn)行分析，氣樣分析信號(hào)由電控箱采集、處理并上傳到通訊總線。

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及預(yù)警等部分組成。圖1是煤火預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架圖，圖中的傳感器是布控在關(guān)鍵地段的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，包括上面提到的“束管”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。收集的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)通過(guò)井下的電話線路傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器并存儲(chǔ)記錄。中心電腦隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新序列數(shù)據(jù)，并根據(jù)建立的灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，超

過(guò)規(guī)定的預(yù)警限度，則馬上通知調(diào)度室，由調(diào)度人員及時(shí)上報(bào)，并進(jìn)行緊急處理。



圖1 煤火預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

本文基于煤層自燃提出了一種災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，并就煤層自燃的一些物理化學(xué)特征進(jìn)行了分析綜合，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論提出了一種對(duì)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)實(shí)例計(jì)算分析表面該方法有比較高的精度。而且本文提出的預(yù)警新方法，減少了對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)值的人為因素的影響，使結(jié)果更具客觀性、公正性和科學(xué)性。這里需要指出的是本文僅僅是對(duì)進(jìn)行煤火災(zāi)害預(yù)測(cè)的一種初步探索，還有許多問(wèn)題需要作進(jìn)一步的研究。

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