国家自然科学基金面上项目“叠加效应影响下采空区CO异常涌出表征和动态预警方法(52074156)”项目介绍

1 研究意义

煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一。煤自燃防治是煤矿安全一项重要工作， 煤自燃防治的关键在于早期预报。目前CO含量是煤自燃早期预报中最常用的指标，漏风汇CO涌出代表煤炭可能发生自燃。现场实践表明，采空区是煤自燃防治重点区域，除了煤自燃产生CO外，常温环境下CO也存在涌出，这严重制约煤自燃的科学准确预测预报，而常温情况下采空区CO涌出分为内在原因和外在原因。内在原因包括：抽放负压和周期气压等因素造成采空区漏风供氧加剧，使得遗煤加速氧化产生CO；采空区煤(岩)破碎、摩擦和冲击等因素使得CO突然增加；采空区遗煤常温环境下缓慢氧化使得采空区CO增加。外在原因包括：瓦斯抽放、注氮、周期来压等因素造成的采空区内部通风系统扰动或改变，使得漏风汇CO浓度异常；巷道阻力变化、早中晚气压变化、天气骤变等因素造成采空区外部通风系统破坏，使得漏风汇CO浓度异常。因此，CO异常涌出可能是由于煤炭自燃引起，也可能是其他原因引起。如何从丰富的监测监控信息中，剔除常温下CO涌出，获取由煤自燃引起CO涌出异常尤为重要。 但是由于不同效应综合影响，上述采空区煤自燃生成CO与常温环境CO可能叠加，难以辨识或分离，CO涌出机理复杂，当出现CO浓度异常时，难以提前预测其变化趋势，掌握CO浓度动态，正确识别CO异常涌出类型，确定合理阈值科学预报煤炭自燃，有助于及时提出针对性防控措施。因此，研究采空区CO涌出机理和异常特征、识别CO异常涌出类型、剔除日常环境CO影响、合理设定煤自燃CO动态阈值是直接作用于预测预报和灾害危险性判别的关键内容，研究成果将对提高煤自燃预测预报准确性、保证煤矿企业正常安全生产，确保矿工安全、保护资源、净化环境，具有重要的科学意义。

2 研究内容

(1)环境影响效应下采空区CO涌出内在机理研究。研究氧化效应(煤常温氧化)、呼吸效应(周期压力波动)、冲击效应(煤岩跨落)和破碎效应(煤体破碎)影响下采空区遗煤生成CO宏观和微观机理(内在机理)，对比煤自燃产生CO与常温环境CO异同，揭示不同影响效应下生成CO与其他煤自燃表征参数(O2、CO2、CO/ΔO2、CO/CO2等指标)的涌出内在特征，建立 CO及其他参数生成模型。

(2)环境影响效应下采空区CO涌出外在机理及异常模式研究。研究常温环境下巷道阻力变化效应、呼吸效应、冲击效应、抽放效应和注氮效应影响下采空区压力边界及源项表征；采用数值和理论研究方法分别对比研究不同压力影响效应下的采空区CO涌出外在机理(CO 涌出量、持续时间、 频率与状态等)；以数值研究对流扩散作用及多源不同效应叠加作用下CO涌出外在规律，提取采空区CO异常涌出的相似特征，分类各种采空区CO异常涌出模式。

(3)CO相关煤自燃表征参数趋势关联及CO涌出异常识别研究。研究不同源生成与涌出机制影响下 CO、CO/ΔO2、CO2、CO/CO2、C2H2、CH4等指标趋势关联；研究多源CO叠加影响下多个监测点的CO及其他煤自燃表征参数趋势关联，揭示与CO相关联煤自燃表征参数的涌出表征；采用聚类或离群检测和归纳方法提取CO异常涌出表征，结合异常涌出模式，拟合分解异常涌出表征，识别CO异常涌出模式。

(4)动态预警阈值设定方法及CO预警煤炭自燃分级模型研究 。收集现场监测数据，结合安全生产标准，动态识别CO涌出异常，剔除常温环境下CO正常影响效应，采用均值方程或置信区间阈值法提出采空区CO涌出动态预警阈值设定方法，融合多种相关参数建立CO预警煤炭自燃分级模型，判断CO异常涌出及超限原因，动态预警煤炭自然发火，并通过现场应用多次修正预警模型。

3 项目创新

(1)多机制、跨尺度研究煤自燃与常温环境影响效应下的采空区CO涌出内在特点和外在特点，提取CO涌出表征相似特征，找出能揭示不同影响效应下的CO异常涌出多种模式。

(2)动态模拟多重效应叠加下CO涌出和扩散特点，拟合分解复杂叠加异常涌出表征，识别异常涌出原因，找出能够动态剔除日常环境CO影响的煤自燃CO 动态预警阈值设定方法。

(3)多源、多参量融合研究CO及相关参数的时空趋势关联特征，建立一种动态煤炭自燃分级模型。该模型可作为煤炭自燃预警和告警重要依据，能够提高自燃预报准确性，保证煤矿企业正常安全生产。