基于灰色模型的煤火燃燒預(yù)警系統(tǒng)
作者：中國礦業(yè)商務(wù)網(wǎng)
2008-12-15 00:00
來源：不詳
摘要：煤體在自燃過程中，會依次釋放大量的特征氣體，通過對特征氣體組分的研宄，根據(jù)其組分與溫度對應(yīng)的特點，構(gòu)建了數(shù)列GM(1，1)灰色預(yù)測模型，基于這種模型理論進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，它對礦井安全生產(chǎn)是個極大的威脅。科技部863科研課題《地下煤層自燃遙感與地球物理探測關(guān)鍵技術(shù)研究》旨在總結(jié)國內(nèi)外地下煤火研究進展，重點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、建立煤火動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案；課題研究區(qū)位于神華集團下屬的烏達煤田，烏達礦業(yè)集團五虎山、黃白茨和蘇海圖3個生產(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。實驗表明，在太陽直射且無風(fēng)條件下，含硫分較高的煤層露頭在溫度達到攝氏60℃的條件下，就開始一定的氧化反應(yīng)，該氧化反應(yīng)釋放的熱量進一步催化更深層次氧化的持續(xù)進行，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有C2H6、C2H4、C3H8、C3H6等特征氣體的出現(xiàn)。
溫度自然是我們監(jiān)測的一個重要指標，不過由于自燃地點的不確定性，同時一些地段(采空區(qū)等等)無法布置監(jiān)測探頭，正是因為監(jiān)測點數(shù)量以及地點的限制，極有可能錯過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)測外，還需要進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驗室燃燒測定成果。揭示了該煤樣的氣體組分與溫度的對應(yīng)關(guān)系，該煤的燃點為270℃，可溫度在30℃時就已經(jīng)有CO開始釋放，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推定該回風(fēng)區(qū)域內(nèi)煤體的溫度。將采樣數(shù)據(jù)儲存入數(shù)據(jù)庫，由灰色預(yù)測模型將一組歷史數(shù)據(jù)計算出未來的預(yù)測值，從來實現(xiàn)煤層自燃的預(yù)警。
表1 神府東勝大柳塔礦2煤層煤樣實驗室燃燒結(jié)果
2 灰色預(yù)測建模原理
基于灰色建模理論的灰色預(yù)測法，同時根據(jù)煤層指標特點，我們以數(shù)列預(yù)測對各項氣體指標的發(fā)展變化情況進行預(yù)測，其結(jié)果是該指標在同樣環(huán)境下發(fā)展到未來某個時刻的數(shù)值：我們采用累加生成數(shù)列GM(1，1)模型，其中前一個“1”表示階數(shù)，后一個“1”表示因素。GM(1，1)模型具有所需樣本數(shù)量少、計算簡單、可檢驗等優(yōu)點，較實用于短期預(yù)測。
考慮到煤體燃燒是一個隨時間的累計過程，我們設(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)測模型GM(1，1)，其中α，b為常數(shù)，可通過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)測公式，因為它是一次累計的預(yù)測值，需要對該值進行還原，有下式：
預(yù)測值還需要進行精度檢驗，如果不符合要求，還需要用殘差數(shù)列進行修正，此處不再贅述。
3 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架
一般的瓦斯探測儀不能夠檢測出特征氣體的含量，對C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等特征氣體的檢測需要特別的檢測系統(tǒng)。我們采用的是“束管”監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對各個監(jiān)測地段的氣體成分進行監(jiān)測?！笆堋北O(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理為：將6根內(nèi)徑4mm、外徑8mm的塑料管用直徑32mm的鋼管保護。6根塑料管分別接至“束管”監(jiān)測系統(tǒng)機柜上的6個接口，每條管路接有除塵器、除濕器、電磁閥等，最后接人監(jiān)測系統(tǒng)機柜中的抽氣集氣管、反吹集氣管。當系統(tǒng)工作時，電控箱依次對6條管路上的電磁閥發(fā)出接通信號，6條管路所對應(yīng)的監(jiān)測點的氣樣則依次抽人系統(tǒng)。經(jīng)系統(tǒng)機柜中的流量計、四通閥，依次送入C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等氣體分析儀，對各測點的氣樣進行分析，氣樣分析信號由電控箱采集、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、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)通過井下的電話線路傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并存儲記錄。中心電腦隨時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的最新序列數(shù)據(jù)，并根據(jù)建立的灰色預(yù)測模型進行預(yù)測，超
過規(guī)定的預(yù)警限度，則馬上通知調(diào)度室，由調(diào)度人員及時上報，并進行緊急處理。
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)特征進行了分析綜合，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論提出了一種對動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的預(yù)測模型，根據(jù)實例計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，減少了對未來預(yù)測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進行煤火災(zāi)害預(yù)測的一種初步探索，還有許多問題需要作進一步的研究。
參考文獻
[1] 王安，尤文順.神東礦區(qū)煤層自然發(fā)火的機理分析及其防治措施[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002(1)
[2] 鄧軍，徐精彩，陳驍坤.煤自燃機理及預(yù)測理論研究進展[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003(8)
[3] 劉軍勇，薛暉.改進灰色模型對路基沉降預(yù)測的應(yīng)用研究[J].巖土工程技術(shù)，2005(4)
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，它對礦井安全生產(chǎn)是個極大的威脅。科技部863科研課題《地下煤層自燃遙感與地球物理探測關(guān)鍵技術(shù)研究》旨在總結(jié)國內(nèi)外地下煤火研究進展，重點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、建立煤火動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案；課題研究區(qū)位于神華集團下屬的烏達煤田，烏達礦業(yè)集團五虎山、黃白茨和蘇海圖3個生產(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。實驗表明，在太陽直射且無風(fēng)條件下，含硫分較高的煤層露頭在溫度達到攝氏60℃的條件下，就開始一定的氧化反應(yīng)，該氧化反應(yīng)釋放的熱量進一步催化更深層次氧化的持續(xù)進行，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有C2H6、C2H4、C3H8、C3H6等特征氣體的出現(xiàn)。
溫度自然是我們監(jiān)測的一個重要指標，不過由于自燃地點的不確定性，同時一些地段(采空區(qū)等等)無法布置監(jiān)測探頭，正是因為監(jiān)測點數(shù)量以及地點的限制，極有可能錯過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)測外，還需要進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驗室燃燒測定成果。揭示了該煤樣的氣體組分與溫度的對應(yīng)關(guān)系，該煤的燃點為270℃，可溫度在30℃時就已經(jīng)有CO開始釋放，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推定該回風(fēng)區(qū)域內(nèi)煤體的溫度。將采樣數(shù)據(jù)儲存入數(shù)據(jù)庫，由灰色預(yù)測模型將一組歷史數(shù)據(jù)計算出未來的預(yù)測值，從來實現(xiàn)煤層自燃的預(yù)警。
表1 神府東勝大柳塔礦2煤層煤樣實驗室燃燒結(jié)果
2 灰色預(yù)測建模原理
基于灰色建模理論的灰色預(yù)測法，同時根據(jù)煤層指標特點，我們以數(shù)列預(yù)測對各項氣體指標的發(fā)展變化情況進行預(yù)測，其結(jié)果是該指標在同樣環(huán)境下發(fā)展到未來某個時刻的數(shù)值：我們采用累加生成數(shù)列GM(1，1)模型，其中前一個“1”表示階數(shù)，后一個“1”表示因素。GM(1，1)模型具有所需樣本數(shù)量少、計算簡單、可檢驗等優(yōu)點，較實用于短期預(yù)測。
考慮到煤體燃燒是一個隨時間的累計過程，我們設(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)測模型GM(1，1)，其中α，b為常數(shù)，可通過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)測公式，因為它是一次累計的預(yù)測值，需要對該值進行還原，有下式：
預(yù)測值還需要進行精度檢驗，如果不符合要求，還需要用殘差數(shù)列進行修正，此處不再贅述。
3 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架
一般的瓦斯探測儀不能夠檢測出特征氣體的含量，對C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等特征氣體的檢測需要特別的檢測系統(tǒng)。我們采用的是“束管”監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對各個監(jiān)測地段的氣體成分進行監(jiān)測?！笆堋北O(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理為：將6根內(nèi)徑4mm、外徑8mm的塑料管用直徑32mm的鋼管保護。6根塑料管分別接至“束管”監(jiān)測系統(tǒng)機柜上的6個接口，每條管路接有除塵器、除濕器、電磁閥等，最后接人監(jiān)測系統(tǒng)機柜中的抽氣集氣管、反吹集氣管。當系統(tǒng)工作時，電控箱依次對6條管路上的電磁閥發(fā)出接通信號，6條管路所對應(yīng)的監(jiān)測點的氣樣則依次抽人系統(tǒng)。經(jīng)系統(tǒng)機柜中的流量計、四通閥，依次送入C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等氣體分析儀，對各測點的氣樣進行分析，氣樣分析信號由電控箱采集、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、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)通過井下的電話線路傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并存儲記錄。中心電腦隨時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的最新序列數(shù)據(jù)，并根據(jù)建立的灰色預(yù)測模型進行預(yù)測，超
過規(guī)定的預(yù)警限度，則馬上通知調(diào)度室，由調(diào)度人員及時上報，并進行緊急處理。
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)特征進行了分析綜合，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論提出了一種對動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的預(yù)測模型，根據(jù)實例計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，減少了對未來預(yù)測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進行煤火災(zāi)害預(yù)測的一種初步探索，還有許多問題需要作進一步的研究。
參考文獻
[1] 王安，尤文順.神東礦區(qū)煤層自然發(fā)火的機理分析及其防治措施[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002(1)
[2] 鄧軍，徐精彩，陳驍坤.煤自燃機理及預(yù)測理論研究進展[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003(8)
[3] 劉軍勇，薛暉.改進灰色模型對路基沉降預(yù)測的應(yīng)用研究[J].巖土工程技術(shù)，2005(4)
