基于信息熵的煤自燃标志气体优选

韩文强

(山西省长治市潞州区 能源局能源服务中心，山西 长治 046000)

煤自燃是呈破碎状态堆积的煤在适量的通风供氧条件下一种复杂的物理化学反应[1]，在该过程中会产生一系列能够预测和反映煤自然发火状态的标志气体[2-3]，通过现场对单一或复合标志气体的有效监测，可预测预报煤自燃发展进程，为采取相应的防治措施提供科学依据[4-5]。

煤升温氧化过程中气体产物因煤质不同而异，这给煤自燃临界点和各个阶段自燃标志气体的选择造成很大困难。长期以来，相关专家学者对煤自燃特征及相关标志气体的释放规律开展了大量研究，主要包括以CH4、C2H6、C3H8、C2H2、C2H4等气体为主的单一气体指标和以链烷比、烯烷比等为主的复合指标[6-9]，但通常采用定性分析，主观性强，误差大。本文运用基于信息熵的决策树理论，定量分析不同阶段不同标志气体的信息增益率，提出了一种更为合理的煤自燃标志气体优选方法[10-11]。

1 程序升温氧化实验及结果

1.1 实验仪器及过程

采用自行研制的程序升温氧化装置，选用王庄煤矿8106工作面煤样进行实验，整个实验流程如图1所示，考察整个过程中气体生成变化规律，测定煤自燃过程中各标志气体的生成量与自燃阶段之间的关系，分析的气体包括O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。

图1 程序升温氧化实验流程

1.2 实验结果

根据谭波[12-13]的研究分析，煤自燃前期可采用固定阶段划分方式，将其划分为Ⅰ～Ⅴ共5个阶段，分别为危险期(<60 ℃)、中等危险期(60～90 ℃)、较高危险期(90～120 ℃)、高危险期(120～150 ℃)和极高危险期(>150 ℃)，不同阶段对应的气体指标测试结果如表1所示。

表1 煤样程序升温氧化实验测试结果

2 基于信息熵的标志气体优选

2.1 信息熵-决策树理论

(1)

那么在选择属性A后伸出的每个A=aj叶节点Xj对于分类信息的信息熵H(X/A)为：

(2)

决策树的学习就是使得对划分的不确定程度逐渐减少，那么属性A对于分类提供的信息量即信息增益I(X;A)为：

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

(3)

在建立决策树时就是选择信息增益最大的属性作为分裂属性。

由于煤样程序升温氧化过程中产生的气体种类较多，其决策属性为该过程中煤体自燃是否达到某一危险程度，为数值型属性，且其非类属性的取值较多，因此计算时采用改进的ID3算法即C4.5算法，则X关于属性A的分裂信息量定义为：

(4)

进而可以计算出X关于属性A的信息增益率：

(5)

2.2 自燃指标优选决策计算

表2 煤自燃指标优选决策计算结果

3 分析与讨论

3.1 煤自然发火的标志气体

对王庄煤矿开采的3号煤层来说，CO的产生量随着煤温的升高而上升，在整个程序升温过程中表现为单调递增关系，另外CO产生的绝对量是所有标志气体产物中最大的；同时从表1中信息熵计算结果可以看出判断煤体进入任何一个自燃阶段时CO气体的信息增益率都是最高的，因此整个自燃过程中CO应作为主要标志气体。因此，在3号煤开采过程中，当CO浓度大于32×10-6时可认为自燃进入中等危险期，大于145.5×10-6时进入较高危险期，大于270.5×10-6时进入高危险期，浓度大于634.5×10-6时进入极高危险期。

由于CO气体贯穿整个煤升温氧化过程，检测范围较宽，且受到风量、取样地点等影响较大，加之现场条件与实验室测试环境的差别较大，不利于精确判断其浓度值所对应的温度值，但如果检测到CO浓度持续稳定增加，且上升速率加快，则可以认为煤发生了自燃。

3.2 煤自然发火的标志气体

从表1可以看出CH4在预测预报煤自燃进入第Ⅳ、Ⅴ阶段时信息增益率比较高，但是在预报前三个阶段时信息增益率很低，这是因为程序升温低于60 ℃时CH4气体的产生主要是从煤中解吸出来的，在高于90 ℃其主要产生原因才是由于煤的氧化反应。因此在标志气体运用时不宜采取此种气体。

3.3 煤自然发火的C2H4标志气体

升温氧化过程中当温度达到130 ℃后开始出现C2H4，其浓度随着煤温升高缓慢增加。从表1中可以看出C2H4在预测预报煤自燃进入第Ⅳ、Ⅴ阶段时信息增益率比较高，可以作为煤自然发火进入高危险期的标志气体。当现场检测到C2H4气体，则表明此时的煤温已经超过其临界温度值，应立即采取措施。与CO相比，该气体的生成存在明显的温度差和时间差，为煤自燃高危险期预报提供重要参考。

3.4 煤自然发火的标志气体

C2H6在30 ℃时就开始出现，其浓度呈先下降后上升的趋势，表明其不完全是煤裂解和氧化产生，煤的解吸附占很大部分。另从表1可以看出C2H6气体在前4个阶段信息增益率都较低，因此不宜采用C2H6气体作为标志气体。

3.5 煤自然发火的复合气体指标

表2中φC2H6/φCH4指标除第Ⅴ阶段外信息增益率都较低，说明采用该指标决策煤自然发火状态是不合适的。

实验过程中φC2H4/φCH4指标同C2H4指标的变化规律相似，在预测预报煤自燃进入第Ⅳ、Ⅴ阶段时信息增益率比较高，可以将该指标作为煤自然发火进入高危险期的标志。与C2H4指标所不同的是，φC2H4/φCH4可以有效排除现场风量对气体浓度的影响，其绝对数值更有参考价值，根据表2计算结果，可以认为φC2H4/φCH4值超过0.042时煤自燃进入第Ⅳ阶段高危险期，超过0.138时进入第Ⅴ阶段极高危险期。

φC2H4/φC2H6指标与φC2H4/φCH4指标相似，可以用于煤自然发火进入高危险期的标志气体。根据表2中计算结果，可以认为φC2H4/φC2H6值超过0.026时煤自燃进入第Ⅳ阶段高危险期，超过0.094时进入第Ⅴ阶段极高危险期。

4 结 语

1) 基于信息熵的决策算法能够很好的应用于煤自燃标志气体优选，以各指标对煤所处不同自然发火阶段的信息增益率为评价依据，可以有效避免传统方法在自燃指标选择时的主观因素。

2) 王庄煤矿3号煤层煤样的自燃低危险期—较高危险期的主要标志气体为CO，高危险期的主要标志气体为C2H4。

3)φC2H4/φC2H6和φC2H4/φCH4在煤自燃进入高危险期时信息增益率比较高，可作为高危险期的辅助指标。