影响煤层吸附一氧化碳因素的主成分分析

郭立稳，王 强，王月红

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009;2.河北省矿产开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009)

0 引言

矿井自燃火灾的发生与发展，是影响煤矿安全生产的主要灾害之一［1］，矿井的防灭火工作是矿井的重点工程，也是中外学者研究煤矿火灾的主要方向之一。在煤矿煤层开采过程中会经常遇到一氧化碳超限的现象，除爆炸和爆破产生的一氧化碳外，大多认为，煤矿中一氧化碳来源于煤层自然发火或其他火灾，很少考虑到煤层赋存一氧化碳的这一情况［2，3］。伴随着现代科学技术的创新发展以及多种检测一氧化碳手段的拓展，很多煤矿发现开采中一氧化碳超过《安全规程》的规定，经过检测及分析一氧化碳来源不仅是因为发生煤层自然发火或火灾，而煤层中也赋存有一氧化碳。

CO作为煤炭早期自然发火的标志性气体已经得到了大多数人的认可［4］。基于传统的一氧化碳由于煤的物理化学作用产生的认识，公司实施了大量预防煤层自然发火的措施，这不仅增加了生产投入，而且影响生产进度，降低了资源开发的经济效益。文章主要针对煤的灰分、水分、挥发分等工业分析［5］，孔隙结构分析［6］及碳、氢、氧、氮、硫等元素分析［7］与CO吸附量进行耦合分析，研究这些影响因素之间的数学关系以及主要因子。

1 实验研究

采用西安科技大学的康塔物理化学吸附仪，将煤样制成小于0.08 mm左右的煤样，约1.0 g左右，放入球形试管中。测量30℃不同压力下煤样对于一氧化碳的吸附量见表1。

表1 CO吸附量

图1 吸附量与气体压力关系图

低压下煤对一氧化碳吸附量随气体压力增大呈线性增长，并且低压下很难区分吸附量的关系。

对煤样采用MAC-2000型全自动测定仪，测定煤的水分、干基灰分、干燥无灰基挥发分等常用工业分析指标;元素分析实验测得碳、氧、硫、碳氢比的含量;采用AutoPoreⅣ9500型压汞仪测得煤样的孔隙率。煤的水分、灰分、挥发分，煤的碳、氧、硫的百分含量及碳氢比、孔隙率实验室检测结果见表2。

表2 实验室检测结果

2 因子分析

人们在研究实际问题时，往往希望尽可能多的收集相关变量，以期望对问题有比较全面、完整的把握和认识。因子分析就是在尽可能不损失信息或者少损失信息的情况下，将多个变量减少为少数几个因子的方法。这几个因子可以高度概括大量数据中的信息，这样，既减少了变量个数，又同样能再现变量之间的内在联系。因子抽取的方法可用主成分分析、未加权最小平方、广义最小二乘法、极大似然、主轴因子分解、Alpha因子分解和映像因子分解。

在此选用主成分分析抽取因子，具体方法如下:

设待评价的煤样样本m个，每个样本有n个影响因素，则有样本指标矩阵见式(1):

式中:X为样本矩阵，xij为煤样影响因素的实验室数据，i=1，2…，m;j=1，2…，n。

2.1 数据标准化处理

由于不同的参数具有不同的量纲，数量级相差也很大。为了排除不同量纲和不同数量级对结果的影响，需要对各个参数的原始数据进行标准化处理。参数存在正负之分，所以标准化公式也应不同。正向指标，标准化见式(2):

式中:yij代表的标准化值，si为参数i的参考标准值或各级标准的平均值。

逆向指标，标准化见式(3):

所以标准化数据矩阵为式(4):

式中:Y为标准化矩阵。

2.2 主成分的选取

将n个特征值按大小顺序排列λ1≥λ2≥…≥λn，相应的n个特征向量组成n个新变量:

t1，t2为第一主成分，第二主成分。式中y是用分指数表示的参数j的标化测值。当前面p个变量在第i个公因子上的载荷向量为:

式中:ai为载荷向量，λi为特征值，ξ(i)为向量值。

变量j(j=1，2，…，n)在全部P个公因子上载荷平方和的方根:

式中:hj为权重值。

hj反映了该变量在公共性部分的作用或重要性程度，所以可以作为权重。

通过数值计算得到，第一、第二主成分的对应的特征值及特征向量分别为:

第一、第二主成分所占总方差的相对贡献率为:

公因子的载荷向量分别为:

于是可以计算出:

由上可以看出h4＞h6＞h8＞h1＞h3＞h7＞h2＞h5，相应的影响因素分别为碳元素含量、氧元素含量、孔隙率、水分、挥发分、碳氢比、灰分、硫元素含量。

3 结论

在以往的实验分析中大多采取了单方面影响因素对煤层吸附一氧化碳的影响作用，影响因素之间的关系很模糊，同一实验中又很难进行多变量验证，因此借用数学方法对此进行假设分析。通过对多种影响煤层吸附一氧化碳量因子的相关性数据耦合分析，运用因子分析中主成分分析法抽取因子，依据权重值的大小来对比影响因素间的关系:碳元素含量＞氧元素含量＞孔隙率＞水分＞挥发分＞碳氢比＞灰分＞硫元素含量。

［1］ 王省身，张国枢.中国煤矿火灾防治技术的现状与发展［J］.火灾科学，1994，(02):1-6.

［2］ 朱令起，王月红，郭立稳.东欢坨煤矿煤层赋存CO影响因素分析［J］.煤矿安全，2005，(08):53-55.

［3］ 庞国强.大水头矿煤层原生一氧化碳赋存规律研究［D］.西安科技大学，2005.

［4］ 谢振华，金龙哲，刘向来.煤炭自燃预测预报技术及其应用［J］.湘潭师范学院学报(自然科学版)，2004，(04):59-62.

［5］ 王月红.煤层中一氧化碳吸附规律及影响因素研究［D］.河北理工大学，2006.

［6］ 郭立稳，肖藏岩，陈树召.煤层孔隙结构对CO吸附量的影响［J］.湖南科技大学学报(自然科学版)，2008，(03):18-22.

［7］ 刘永新，郭立稳，肖藏岩.煤的元素分析对煤层吸附CO的影响研究［J］.采矿与安全工程学报，2009，(02):249-252.