基于信息熵的煤自燃標志氣體優選

韓文強

(山西省長治市潞州區 能源局能源服務中心，山西 長治 046000)

煤自燃是呈破碎狀態堆積的煤在適量的通風供氧條件下一種復雜的物理化學反應[1]，在該過程中會產生一系列能夠預測和反映煤自然發火狀態的標志氣體[2-3]，通過現場對單一或復合標志氣體的有效監測，可預測預報煤自燃發展進程，為采取相應的防治措施提供科學依據[4-5]。

煤升溫氧化過程中氣體產物因煤質不同而異，這給煤自燃臨界點和各個階段自燃標志氣體的選擇造成很大困難。長期以來，相關專家學者對煤自燃特征及相關標志氣體的釋放規律開展了大量研究，主要包括以CH4、C2H6、C3H8、C2H2、C2H4等氣體為主的單一氣體指標和以鏈烷比、烯烷比等為主的復合指標[6-9]，但通常采用定性分析，主觀性強，誤差大。本文運用基于信息熵的決策樹理論，定量分析不同階段不同標志氣體的信息增益率，提出了一種更為合理的煤自燃標志氣體優選方法[10-11]。

1 程序升溫氧化實驗及結果

1.1 實驗儀器及過程

采用自行研制的程序升溫氧化裝置，選用王莊煤礦8106工作面煤樣進行實驗，整個實驗流程如圖1所示，考察整個過程中氣體生成變化規律，測定煤自燃過程中各標志氣體的生成量與自燃階段之間的關系，分析的氣體包括O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。

圖1 程序升溫氧化實驗流程

1.2 實驗結果

根據譚波[12-13]的研究分析，煤自燃前期可采用固定階段劃分方式，將其劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個階段，分別為危險期(<60 ℃)、中等危險期(60～90 ℃)、較高危險期(90～120 ℃)、高危險期(120～150 ℃)和極高危險期(>150 ℃)，不同階段對應的氣體指標測試結果如表1所示。

表1 煤樣程序升溫氧化實驗測試結果

2 基于信息熵的標志氣體優選

2.1 信息熵-決策樹理論

(1)

那么在選擇屬性A后伸出的每個A=aj葉節點Xj對于分類信息的信息熵H(X/A)為：

(2)

決策樹的學習就是使得對劃分的不確定程度逐漸減少，那么屬性A對于分類提供的信息量即信息增益I(X;A)為：

I(X,A)=H(X)-H(X/A)

(3)

在建立決策樹時就是選擇信息增益最大的屬性作為分裂屬性。

由于煤樣程序升溫氧化過程中產生的氣體種類較多，其決策屬性為該過程中煤體自燃是否達到某一危險程度，為數值型屬性，且其非類屬性的取值較多，因此計算時采用改進的ID3算法即C4.5算法，則X關于屬性A的分裂信息量定義為：

(4)

進而可以計算出X關于屬性A的信息增益率：

(5)

2.2 自燃指標優選決策計算

表2 煤自燃指標優選決策計算結果

3 分析與討論

3.1 煤自然發火的標志氣體

對王莊煤礦開采的3號煤層來說，CO的產生量隨著煤溫的升高而上升，在整個程序升溫過程中表現為單調遞增關系，另外CO產生的絕對量是所有標志氣體產物中最大的；同時從表1中信息熵計算結果可以看出判斷煤體進入任何一個自燃階段時CO氣體的信息增益率都是最高的，因此整個自燃過程中CO應作為主要標志氣體。因此，在3號煤開采過程中，當CO濃度大于32×10-6時可認為自燃進入中等危險期，大于145.5×10-6時進入較高危險期，大于270.5×10-6時進入高危險期，濃度大于634.5×10-6時進入極高危險期。

由于CO氣體貫穿整個煤升溫氧化過程，檢測范圍較寬，且受到風量、取樣地點等影響較大，加之現場條件與實驗室測試環境的差別較大，不利于精確判斷其濃度值所對應的溫度值，但如果檢測到CO濃度持續穩定增加，且上升速率加快，則可以認為煤發生了自燃。

3.2 煤自然發火的標志氣體

從表1可以看出CH4在預測預報煤自燃進入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，但是在預報前三個階段時信息增益率很低，這是因為程序升溫低于60 ℃時CH4氣體的產生主要是從煤中解吸出來的，在高于90 ℃其主要產生原因才是由于煤的氧化反應。因此在標志氣體運用時不宜采取此種氣體。

3.3 煤自然發火的C2H4標志氣體

升溫氧化過程中當溫度達到130 ℃后開始出現C2H4，其濃度隨著煤溫升高緩慢增加。從表1中可以看出C2H4在預測預報煤自燃進入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，可以作為煤自然發火進入高危險期的標志氣體。當現場檢測到C2H4氣體，則表明此時的煤溫已經超過其臨界溫度值，應立即采取措施。與CO相比，該氣體的生成存在明顯的溫度差和時間差，為煤自燃高危險期預報提供重要參考。

3.4 煤自然發火的標志氣體

C2H6在30 ℃時就開始出現，其濃度呈先下降后上升的趨勢，表明其不完全是煤裂解和氧化產生，煤的解吸附占很大部分。另從表1可以看出C2H6氣體在前4個階段信息增益率都較低，因此不宜采用C2H6氣體作為標志氣體。

3.5 煤自然發火的復合氣體指標

表2中φC2H6/φCH4指標除第Ⅴ階段外信息增益率都較低，說明采用該指標決策煤自然發火狀態是不合適的。

實驗過程中φC2H4/φCH4指標同C2H4指標的變化規律相似，在預測預報煤自燃進入第Ⅳ、Ⅴ階段時信息增益率比較高，可以將該指標作為煤自然發火進入高危險期的標志。與C2H4指標所不同的是，φC2H4/φCH4可以有效排除現場風量對氣體濃度的影響，其絕對數值更有參考價值，根據表2計算結果，可以認為φC2H4/φCH4值超過0.042時煤自燃進入第Ⅳ階段高危險期，超過0.138時進入第Ⅴ階段極高危險期。

φC2H4/φC2H6指標與φC2H4/φCH4指標相似，可以用于煤自然發火進入高危險期的標志氣體。根據表2中計算結果，可以認為φC2H4/φC2H6值超過0.026時煤自燃進入第Ⅳ階段高危險期，超過0.094時進入第Ⅴ階段極高危險期。

4 結 語

1) 基于信息熵的決策算法能夠很好的應用于煤自燃標志氣體優選，以各指標對煤所處不同自然發火階段的信息增益率為評價依據，可以有效避免傳統方法在自燃指標選擇時的主觀因素。

2) 王莊煤礦3號煤層煤樣的自燃低危險期—較高危險期的主要標志氣體為CO，高危險期的主要標志氣體為C2H4。

3)φC2H4/φC2H6和φC2H4/φCH4在煤自燃進入高危險期時信息增益率比較高，可作為高危險期的輔助指標。