基於灰色模型的煤火燃燒預警係統
作者：中國礦業商務網
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，根據其組分與溫度對應的特點，構建了數列GM(1，1)灰色預測模型，基於這種模型理論進而研究煤火燃燒的預警係統，是攻克煤層自燃災害的一個嚐試。
關鍵詞：煤層自燃；灰色模型；預警；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，而且汙染環境，同時煤層自燃在 煤礦生產中屬於重大災害，極易引起瓦斯煤塵爆炸等重大 02manbetx.com ，它對礦井 安全生產是個極大的威脅。 科技部863科研課題《地下煤層自燃遙感與地球物理探測關鍵技術研究》旨在 總結國內外地下煤火研究進展，重點研究地下煤火的地質條件和采空區煤火條件、遙感數據采集、三維建模和反演方法、建立煤火動態監測係統方案；課題研究區位於神華集團下屬的烏達煤田，烏達礦業集團五虎山、黃白茨和蘇海圖3個生產礦井。
1 煤層自燃的物化效應
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；二是持續供氧的風流；三是一定的觸發條件。實驗表明，在太陽直射且無風條件下，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，該氧化反應釋放的熱量進一步催化更深層次氧化的持續進行，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、CO 2，還有H 2S、SO 2等等，隨著溫度的升高逐漸還會有C 2H 6、C 2H 4、C 3H 8、C 3H 6等特征氣體的出現。
溫度自然是我們監測的一個重要指標，不過由於自燃地點的不確定性，同時一些地段(采空區等等)無法布置監測探頭，正是因為監測點數量以及地點的限製，極有可能錯過一些煤層自燃的前兆信息，所以除了在關鍵地段布控溫度監測外，還需要進一步做其他方法的嚐試。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關係，該煤的燃點為270℃，可溫度在30℃時就已經有CO開始釋放，隨著溫度的升高，多種氣體陸續釋放，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區域內煤體的溫度。將采樣數據儲存入數據庫，由灰色預測模型將一組曆史數據計算出未來的預測值，從來實現煤層自燃的預警。
表1 神府東勝大柳塔礦2煤層煤樣實驗室燃燒結果
2 灰色預測建模原理
基於灰色建模理論的灰色預測法，同時根據煤層指標特點，我們以數列預測對各項氣體指標的發展變化情況進行預測，其結果是該指標在同樣環境下發展到未來某個時刻的數值：我們采用累加生成數列GM(1，1)模型，其中前一個“1”表示階數，後一個“1”表示因素。GM(1，1)模型具有所需樣本數量少、計算簡單、可檢驗等優點，較實用於短期預測。
考慮到煤體燃燒是一個隨時間的累計過程，我們設定序列數據：
為原始數列一次累加數列為：
其白化形式的微分方程為
這就是灰色預測模型GM(1，1)，其中α，b為常數，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)即為預測公式，因為它是一次累計的預測值，需要對該值進行還原，有下式：
預測值還需要進行精度檢驗，如果不符合要求，還需要用殘差數列進行修正，此處不再贅述。
3 預警監測係統構架
一般的瓦斯探測儀不能夠檢測出特征氣體的含量，對C 2H 4、C 2H 6、C 3H 6、C 3H 8等特征氣體的檢測需要特別的檢測係統。我們采用的是“束管”監測係統，利用該係統對各個監測地段的氣體成分進行監測。“束管”監測係統監測原理為：將6根內徑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”監測係統機櫃上的6個接口，每條管路接有除塵器、除濕器、電磁閥等，最後接人監測係統機櫃中的抽氣集氣管、反吹集氣管。當係統工作時，電控箱依次對6條管路上的電磁閥發出接通信號，6條管路所對應的監測點的氣樣則依次抽人係統。經係統機櫃中的流量計、四通閥，依次送入C 2H 4、C 2H 6、C 3H 6、C 3H 8等氣體 03manbetx 儀，對各測點的氣樣進行 03manbetx ，氣樣 03manbetx 信號由電控箱采集、處理並上傳到通訊總線。
係統由數據采集、數據存儲、數據處理以及預警等部分組成。圖1是煤火預警係統構架圖，圖中的傳感器是布控在關鍵地段的數據收集係統，包括上麵提到的“束管”監測係統。收集的數據經調製解調器將數據通過井下的電話線路傳送到數據庫服務器並存儲記錄。中心電腦隨時調用數據庫中的最新序列數據，並根據建立的灰色預測模型進行預測，超
過規定的預警限度，則馬上通知調度室，由調度人員及時上報，並進行緊急處理。
圖1 煤火預警係統架構圖
本文基於煤層自燃提出了一種災害預警係統，並就煤層自燃的一些物理化學特征進行了 03manbetx 綜合，結合灰色係統理論提出了一種對動態觀測數據的預測模型，根據實例計算分析表麵該方法有比較高的精度。而且本文提出的預警新方法，減少了對未來預測值的人為因素的影響，使結果更具客觀性、公正性和科學性。這裏需要指出的是本文僅僅是對進行煤火災害預測的一種初步探索，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.神東礦區煤層自然發火的機理分析及其防治 措施[J].煤炭科學技術，2002(1)
[2] 鄧軍，徐精彩，陳驍坤.煤自燃機理及預測理論研究進展[J].遼寧工程技術大學學報，2003(8)
[3] 劉軍勇，薛暉.改進灰色模型對路基沉降預測的應用研究[J].岩土工程技術，2005(4)
關鍵詞：煤層自燃；灰色模型；預警；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，而且汙染環境，同時煤層自燃在 煤礦生產中屬於重大災害，極易引起瓦斯煤塵爆炸等重大 02manbetx.com ，它對礦井 安全生產是個極大的威脅。 科技部863科研課題《地下煤層自燃遙感與地球物理探測關鍵技術研究》旨在 總結國內外地下煤火研究進展，重點研究地下煤火的地質條件和采空區煤火條件、遙感數據采集、三維建模和反演方法、建立煤火動態監測係統方案；課題研究區位於神華集團下屬的烏達煤田，烏達礦業集團五虎山、黃白茨和蘇海圖3個生產礦井。
1 煤層自燃的物化效應
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；二是持續供氧的風流；三是一定的觸發條件。實驗表明，在太陽直射且無風條件下，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，該氧化反應釋放的熱量進一步催化更深層次氧化的持續進行，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、CO 2，還有H 2S、SO 2等等，隨著溫度的升高逐漸還會有C 2H 6、C 2H 4、C 3H 8、C 3H 6等特征氣體的出現。
溫度自然是我們監測的一個重要指標，不過由於自燃地點的不確定性，同時一些地段(采空區等等)無法布置監測探頭，正是因為監測點數量以及地點的限製，極有可能錯過一些煤層自燃的前兆信息，所以除了在關鍵地段布控溫度監測外，還需要進一步做其他方法的嚐試。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關係，該煤的燃點為270℃，可溫度在30℃時就已經有CO開始釋放，隨著溫度的升高，多種氣體陸續釋放，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區域內煤體的溫度。將采樣數據儲存入數據庫，由灰色預測模型將一組曆史數據計算出未來的預測值，從來實現煤層自燃的預警。
表1 神府東勝大柳塔礦2煤層煤樣實驗室燃燒結果
2 灰色預測建模原理
基於灰色建模理論的灰色預測法，同時根據煤層指標特點，我們以數列預測對各項氣體指標的發展變化情況進行預測，其結果是該指標在同樣環境下發展到未來某個時刻的數值：我們采用累加生成數列GM(1，1)模型，其中前一個“1”表示階數，後一個“1”表示因素。GM(1，1)模型具有所需樣本數量少、計算簡單、可檢驗等優點，較實用於短期預測。
考慮到煤體燃燒是一個隨時間的累計過程，我們設定序列數據：
為原始數列一次累加數列為：
其白化形式的微分方程為
這就是灰色預測模型GM(1，1)，其中α，b為常數，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)即為預測公式，因為它是一次累計的預測值，需要對該值進行還原，有下式：
預測值還需要進行精度檢驗，如果不符合要求，還需要用殘差數列進行修正，此處不再贅述。
3 預警監測係統構架
一般的瓦斯探測儀不能夠檢測出特征氣體的含量，對C 2H 4、C 2H 6、C 3H 6、C 3H 8等特征氣體的檢測需要特別的檢測係統。我們采用的是“束管”監測係統，利用該係統對各個監測地段的氣體成分進行監測。“束管”監測係統監測原理為：將6根內徑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”監測係統機櫃上的6個接口，每條管路接有除塵器、除濕器、電磁閥等，最後接人監測係統機櫃中的抽氣集氣管、反吹集氣管。當係統工作時，電控箱依次對6條管路上的電磁閥發出接通信號，6條管路所對應的監測點的氣樣則依次抽人係統。經係統機櫃中的流量計、四通閥，依次送入C 2H 4、C 2H 6、C 3H 6、C 3H 8等氣體 03manbetx 儀，對各測點的氣樣進行 03manbetx ，氣樣 03manbetx 信號由電控箱采集、處理並上傳到通訊總線。
係統由數據采集、數據存儲、數據處理以及預警等部分組成。圖1是煤火預警係統構架圖，圖中的傳感器是布控在關鍵地段的數據收集係統，包括上麵提到的“束管”監測係統。收集的數據經調製解調器將數據通過井下的電話線路傳送到數據庫服務器並存儲記錄。中心電腦隨時調用數據庫中的最新序列數據，並根據建立的灰色預測模型進行預測，超
過規定的預警限度，則馬上通知調度室，由調度人員及時上報，並進行緊急處理。
圖1 煤火預警係統架構圖
本文基於煤層自燃提出了一種災害預警係統，並就煤層自燃的一些物理化學特征進行了 03manbetx 綜合，結合灰色係統理論提出了一種對動態觀測數據的預測模型，根據實例計算分析表麵該方法有比較高的精度。而且本文提出的預警新方法，減少了對未來預測值的人為因素的影響，使結果更具客觀性、公正性和科學性。這裏需要指出的是本文僅僅是對進行煤火災害預測的一種初步探索，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.神東礦區煤層自然發火的機理分析及其防治 措施[J].煤炭科學技術，2002(1)
[2] 鄧軍，徐精彩，陳驍坤.煤自燃機理及預測理論研究進展[J].遼寧工程技術大學學報，2003(8)
[3] 劉軍勇，薛暉.改進灰色模型對路基沉降預測的應用研究[J].岩土工程技術，2005(4)
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