基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型研究

针对传统煤自燃温度预测模型预测精度较差、基于支持向量机（SVM）的预测模型对参数的选取要求较高和基于神经网络的预测模型测试时易出现过拟合的问题,提出了一种基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型。利用煤自燃程序升温实验选取O2浓度、CO浓度、C2H4浓度、CO/ΔO2比值、C2H4/C2H6比值作为煤自燃预警指标数据,并对指标数据进行处理,将数据分为学习集和测试集;对学习集抽样形成决策树并按决策树最优特征分裂形成随机森林;采用均方误差值和判定系数（R2）优化随机森林算法的参数,进而构建随机森林模型;将测试集数据输入已训练好的随机森林模型,得到煤自燃温度预测结果。模型对比结果表明：与基于粒子群优化反向传播（PSO-BP）神经网络算法和基于SVM算法的煤自燃温度预测模型相比,随机森林测试阶段的R2为0.869 7,PSO-BP测试阶段的R2为0.783 6,SVM测试阶段的R2为0.835 0,说明基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型能够较为准确地对煤自燃温度进行预测,具有较强的鲁棒性和普适性,解决了基于PSO-BP神经网络算法的煤自燃温度预测模型和基于SVM算法的煤自燃温度预测模型容易出现过拟合的问题。     

基于相关向量机的煤自燃预测方法

在煤自燃程度预测方面,基于径向基(RBF)神经网络的方法结构复杂、易陷入局部最优,基于支持向量机(SVM)方法的核函数受Mercer条件限制而对参数敏感,传统的机器学习方法误差较大。针对上述问题,提出了一种基于相关向量机(RVM)的煤自燃预测方法。以易发生煤自燃现象的亭南煤矿为例,模拟煤样自燃升温过程并采集气体浓度与煤自燃温度数据,建立训练样本和测试样本;由训练样本构建RVM模型,得到模型的最优参数;将测试样本代入已训练的RVM模型中,预测煤自燃温度值。与基于RBF神经网络和SVM的煤自燃预测方法进行比较,结果表明,基于RBF神经网络和SVM的煤自燃预测方法训练误差较小,但测试误差较大,说明这2种方法存在过拟合现象,泛化能力差;基于RVM的煤自燃预测方法的训练误差与测试误差比较接近且预测精度最高。     

复合高吸水性树脂对煤自燃的抑制性能研究

针对现有矿用防灭火阻化材料存在流动性差、灭火效果不理想、成本高等问题,采用水溶液聚合法合成无机黏土复合高吸水性树脂,对其进行结构表征和热稳定性测定,并结合煤自燃升温过程对其阻化性能进行研究。红外光谱测试及热稳定性分析结果表明,制备的复合高吸水性树脂具有高吸水性特征的主要官能团,热稳定性高。采用CaCl2、抗坏血酸、复合高吸水性树脂3种阻化剂对煤样进行阻化处理,并对阻化后的煤样进行氧化动力学和指标性气体测试,结果表明,相比原煤、CaCl2溶液和抗坏血酸阻化的煤样,煤样温度达到70℃时复合高吸水性树脂阻化煤样氧消耗量最小,交叉点温度最高,产生CO和CO2所需的初始温度更高,说明复合高吸水性树脂对煤自燃的抑制效果更好。     

基于RSNN的煤自燃预测方法

本文提出一种基于粗糙集神经网络(Rough Set Neural Network,RSNN的煤自燃预测方法.该方法针对综放面采空区,在已测到的漏风强度Q和煤体温度Tc 的基础上,利用Rough Set(RS)的约简理论对测量数据约简.在此基础上构建了一种基于粗糙集的神经网络(Rough)然后利用该Rough预测最小浮煤厚度.实测数据验证表明,该方法比常规AMAX预测方法简便且精度高.该方法为基于网络的远程煤矿安全生产监测监控系统奠定了良好的基础.􀁱     

卟吩内氢迁移反应机理的密度泛函研究

将密度泛函理论应用于卟吩内氢迁移反应机理的理论研究,计算反式卟吩trans-PH2和顺式卟吩cis-PH2的结构参数、总能量、电子密度和振动频率等参数。计算发现trans-PH2比cis-PH2的能量低29．13 kJ／mol(接近实验数据25．0 kJ／mol)。振动分析表明中间态TS-PH2只有一个虚频,而中间态SS-PH2有两个虚频,可以判定TS-PH2是分步反应机理的过渡态,而且同步反应历程比分步反应历程需要更大的活化能,因此可得出卟吩内氢迁移反应采用分步反应历程的结论。此研究表明,密度泛函理论的计算结果与实验数据能够较好地相吻合,能直观地表述卟吩内氢迁移反应的机理,从理论上解释了该反应采用分步反应机理。     

3-COOH,CSOH吲唑水助质子转移的反应机理

用密度泛函B3LYP/6-311G~(**)理论,全自由度优化气相和水相中3-COOH、CSOH吲唑互变异构体的几何构型,得其气相和水相中的几何结构和电子结构,PCM用于水相计算反应场的溶剂模型。在气相和水相中,3-COOH、CSOH吲唑的N1-H形式比N2-H形式稳定。研究3-COOH、CSOH吲唑水催化质子迁移的反应机理后,得出N(1)、N(2)、H(11)、O(19)、H(20)组成平面五元环的过渡态结构。探讨过不同的3-取代基团和溶剂化效应对互变异构体的几何结构、能量、电荷分布以及互变异构反应活化能的影响等。     

通风方式对沿空留巷采空区煤自燃影响规律研究

沿空留巷开采条件下采空区气体分布特征易受通风方式影响,煤自燃隐患位置难以精准掌握。针对上述问题,以甘肃某矿8521工作面为研究背景,利用Fluent软件构建了沿空留巷采空区物理模型,分析了沿空留巷采空区煤体孔隙率,对比了“W”型通风与“Y”型通风（一进两回、两进一回）方式下采空区漏风流场及氧浓度分布特征。结果表明：沿空留巷采空区煤体孔隙率整体呈“铲状”分布（即边缘高、中部低）并逐步向采空区收缩;当矿井供风量及速率一定时,沿空留巷采空区漏风速率受通风方式影响,与进风巷数量呈正相关;采空区关键漏风位置多为沿空侧风流交汇处,该位置的漏风速率受压差影响;采空区漏风流场的差异导致各通风方式下的氧浓度及氧化升温带的分布特征不同,“W”型通风方式下采空区浅部、深部气体整体均呈扇形运移,氧化升温带靠近沿空留巷且呈“√”分布,氧化升温带面积占已采区域面积的38.1%;综合对比采空区关键漏风位置、氧化升温带分布特征及防灭火难度等方面,得出“W”型通风更有利于采空区煤自燃防治。     

基于GAT−Informer的采空区煤自燃温度预测模型

现有的煤自燃温度预测模型仅考虑监测数据前后的时间关联性,未考虑监测点之间的空间关系,并存在多步长煤自燃温度预测精度低的问题。针对上述问题,提出了一种基于图注意力网络（GAT）和Informer模型（GAT−Informer）的采空区煤自燃温度预测模型。首先,采用随机森林回归法和Savitzky−Golay滤波器对采空区沿空侧煤自燃监测数据中的异常值、缺失值和噪声进行处理,并使用Z−score方法对数据进行标准化。其次,采用GAT提取多个监测点煤自燃监测数据间的空间特征。然后,使用Informer模型的编码器对包含空间特征的数据进行编码,利用多头概率稀疏自注意力机制捕捉数据之间的长期依赖关系和时间特征;解码器通过交叉注意力机制与编码器交互,结合编码器提取的全局特征与目标序列的上下文依赖关系,生成特征矩阵并输入全连接层,得到煤自燃温度预测值。最后,对Informer模型输出的煤自燃温度预测值进行反标准化处理,恢复到原始数据尺度,得到最终的预测结果。实验结果表明,相较于循环神经网络（RNN）、长短期记忆网络（LSTM）、门控循环单元（GRU）和Informer模型,GAT−Informer模型在6个监测点上预测24步长煤自燃温度时,均方误差（MSE）分别平均降低了15.70%,22.15%,25.45%,36.49%,平均绝对误差（MAE）分别平均降低了16.01%,14.60%,20.30%,26.27%,表明GAT−Informer模型能有效提高煤自燃温度多步长预测精度。     

基于气相色谱技术的采空区煤自燃火灾预测预报研究

根据煤自燃过程中各个阶段产生的不同标志性气体的特点,采用气相色谱仪对某矿采空区气样进行定性和定量分析,依据标志性气体的成分及含量变化情况预测采空区的煤自燃发火状况,为提前采取针对性的预防措施奠定了基础。     

近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术

我国近距离煤层赋存比重大,开采时多个采空区易连通形成复合采空区。复合采空区面积大、漏风区域多、遗煤分布范围广,煤自燃灾害极为严重。针对某矿复合采空区煤自燃迅速发展、CO和C2H4大量涌出的异常情况,综合分析了复合采空区漏风源、漏风汇、地质构造、回采期间丢煤情况及煤自燃气体涌出特征等因素,确定了复合采空区煤自燃高温隐患的分布范围及发展状态,制定了隐患应急控制与隐患高效治理的“两步走”综合治理方案,采取均压与喷浆结合减少漏风、注氮惰化采空区等措施达到隐患应急控制的效果,在此基础上,划分出治理煤自燃隐患的有效措施区域,采用复合泥浆封堵、液态CO2冷却降温、三相泡沫覆盖隔氧技术实现隐患高效治理目标,构建了“堵漏控风-惰化降温-覆盖隔氧”三位一体的复合采空区煤自燃综合防治技术体系。应用上述技术后,复合采空区内C2H4体积分数由72.1×10-6降低至0,CO体积分数由3 912.6×10-6下降至20×10-6以下并保持稳定,有效消除了该矿复合采空区煤自燃高温隐患,保障了邻近工作面的安全高效开采。     

基于信息融合的煤层自然发火监测系统研究

针对目前我国在矿井火灾预警系统检测处理数据不可靠等问题,以单片机作为中央处理器,基于模糊信息融合理论,应用多传感器对煤层自然发火的指标气体和参量进行监测,将监测设备的多只传感器所获得的信息模糊化,再将其融合,从而获取设备精确的状态估计。该系统利用信息融合技术对各种参量进行融合运算和决策,实现了煤层自然发火的早期预测预报,实验结果表明：基于信息融合的煤矿火灾预警系统识别准确率与可靠性大大提高。     

矿井自燃火灾束管监测系统应用研究

分析了国内外矿井自燃火灾束管监测系统的发展历程及特点,指出澳大利亚研制的矿井自燃火灾束管监测系统能够及时反映自燃区域主要气体的变化趋势,可为矿井自燃火灾提供有效预警。该系统在某煤矿综采工作面的应用结果表明,随着综采工作面的推进,采空区内的O2体积分数逐渐降低,采空区深部边缘的O2体积分数为5%~6%,并逐渐趋于稳定;在综采工作面100~150m内,采空区内的O2体积分数仍然维持在8%以上,应采取相应的技术措施防止采空区遗煤发生自燃现象;在综采工作面150m外,采空区基本处于窒息状态。     

煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律研究

为了从微观层面研究煤矸石自燃氧化特性,利用煤矸石自由基测定实验系统,分析了煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律.结果表明:随着温度的升高,自由基浓度先缓慢增加后快速增加,g因子先缓慢减小后快速增加再减小,CO生成量先缓慢增加后快速增加;含硫量越高,煤矸石由缓慢氧化达到快速氧化的临界温度及g因子快速增加所需的温度越低,CO生成量越大.可见含硫量对煤矸石自燃表现出促进作用,因此在煤矸石堆积之前应对煤矸石进行脱硫处理.     

基于模糊聚类分析的采空区自燃“三带”性质研究

针对采空区内不同区域的煤自燃倾向性存在差异性的问题,采用基于模糊聚类分析的采空区自燃"三带"划分方法对不同测点数据进行了分类,分析了不同λ截距阵下各分类的差异性。分析结果表明:不同的λ值可以将数据划分为不同的类别;在一定范围内,随着λ值的增大,原有的类别可以被划分为更小的子类;当λ值增大时,采空区内距工作面较近区域的测点数据更容易被划分为更小的子类,而距工作面较远区域的测点数据分类较为稳定,则可判定距煤壁较远的采空区区域环境性质较为稳定,而距煤壁较近的采空区区域环境性质差异较大;运用F-统计量计算最优的λ,相应分类与采空区"三带"划分相吻合。     

煤自燃倾向性的氧化动力学测定中温度测量电路设计

在煤自燃倾向性的氧化动力学测定过程中需要对温度进行高精度的测量并记录。为了满足测温要求,选用高分辨率AD转换器AD7714及三线制Pt100热电阻作为温度传感器构建了温度测量电路;为解决器件非线性度引起的输入、输出为非严格线性关系的问题,采用分段线性插值方法对输出值进行插值运算。实验结果表明,该温度测量电路的AD采样分辨率为0.006 7℃,满足设计要求,且实验数据具有很高的稳定性和可重复性。     

煤表面对多个氧分子的多层吸附机理研究

应用密度泛函理论,在6-311水平上研究煤表面与氧的吸附作用,比较煤吸附5个氧分子,其表面与氧分子化学键的变化情况,吸附后氧分子的键变长,但不断裂,煤表面的变化很小,证明煤表面吸附5个氧分子是物理吸附,根据优化后的几何结构,证明还是多层吸附.其中侧链吸附的氧分子键长变化最大,由1.2582 A变为1.3244 A,说明侧链吸附的氧分子最活泼.从电荷集居数分析可知,原子中电子转移的多少与化学键的变化成正比,转移越多,化学键变化越大.煤表面与5个氧分子组成的吸附态中,氧分子的振动频率变小,计算其吸附能为409.68 kJ/mol.     

3-卤代吲唑水助质子转移反应机理的理论研究

在密度泛函B3LYP/6-311G**理论水平上,对气相和水相中3-卤代吲唑瓦变异构体进行几何构型伞自由度优化,获得它们在气相和水相中的几何结构和电子结构,PCM反应场溶剂模型用于水相计算.结果显示在气相和水相中,3.卤代吲唑的N1-H形式比N2-H形式稳定.探讨了不同的3-取代基团和溶剂化效应对互变异构体的几何结构,能量,电荷分布以及互变异构反应活化能的影响等.进一步研究了3-卤代吲唑水催化质子迁移的反应机理,提出了平面五元环的过渡态结构.     

基于虚拟仪器的煤层自燃监测预报系统

井下煤层自燃严重危害着安全生产。利用煤层自燃的物理和化学特性,设计了一种基于虚拟仪器技术的监测预报系统,实现了实时监控和自燃预报。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题,采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型,分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律,探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响,并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明:随着抽采量的增大,瓦斯抽采浓度先增大后减小,采空区氧化升温带宽度呈正相关增长,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,建议高位抽采巷道最佳抽采量为90m^3/min;随着进风量的增大,高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小,采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大,最大时达到109.3m,而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,试验工作面最优进风量为1 500m^3/min。     

煤质在线检测方法和基于虚拟仪器的系统设计

介绍了一种新型的、基于虚拟仪器的、利用近红外光谱在线检测煤质的计算机系统。该系统具有快速处理数据的计算机系统和友好的用户操作界面,具有操作简便、快速、及时、非破坏性、多指标同时测定等优点,并且是能够连续运行的、高稳定性的煤质在线检测分析仪器。