采空區(qū)遺煤吸附電廠煙氣中CO2 影響因素研究

高 飛 ，王 鵬 ，單亞飛

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 葫蘆島 125100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 葫蘆島 125100）

0 引 言

我國(guó)明確提出了2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”的目標(biāo)，碳捕集與封存技術(shù)(Carbon Capture and Storage, CCS)是一種將CO2收集起來并封存，從而減少碳排放的一種技術(shù)[1]。一些學(xué)者[2-4]提出，中國(guó)在CCS 技術(shù)發(fā)展上面存在較大的局限，原因是CO2捕獲的費(fèi)用昂貴、能耗高，CO2封存的泄漏風(fēng)險(xiǎn)也較大。近年來，高飛等[5]提出將以CO2為主要成分的電廠煙氣注入采空區(qū)，利用采空區(qū)煤巖對(duì)CO2的吸附特性實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2氣體的封存，不僅能避免CO2的捕集與分離、降低技術(shù)成本，還能防治采空區(qū)煤自燃，對(duì)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的有效實(shí)施具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，煤層吸附CO2受多種因素的影響。QU 等[6]對(duì)比了6 種脫礦物煤的CO2吸附等溫線，發(fā)現(xiàn)剝離礦物后，煤對(duì)CO2的吸附能力顯著提高。WANG 等[7]在常溫常壓條件下研究了水分、pH 值對(duì)煤吸附CO2的影響，發(fā)現(xiàn)水分的存在抑制了煤對(duì)CO2的吸附，pH 值的升高或降低促進(jìn)了煤對(duì)CO2的吸附。GUAN 等[8]通過測(cè)量283.15～323.15 K 溫度下的吸附能力，發(fā)現(xiàn)CO2的吸附量隨溫度的升高呈線性下降趨勢(shì)。ZHU 等[9]研究了煙煤在不同配比混合氣體中的吸附行為，結(jié)果表明隨著CO2分壓的升高，煤吸附CO2量逐漸增加。孟召平等[10]發(fā)現(xiàn)隨著煤體破壞程度的增大，孔容和比表面積也相應(yīng)增大，導(dǎo)致煤對(duì)CO2的飽和吸附量增大。此外，煤層對(duì)CO2的吸附能力是諸多因素耦合作用的結(jié)果，各因素對(duì)煤的吸附能力的重要程度不同，謝衛(wèi)東等[11]采用Matlab 軟件對(duì)頁(yè)巖吸附CO2能力的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占主導(dǎo)地位，起明顯積極作用；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣產(chǎn)生積極影響。周西華等[12]采用響應(yīng)面模型分析了溫度、粒徑、含水率對(duì)CO2吸附的復(fù)合影響，發(fā)現(xiàn)粒徑、含水率共同作用時(shí)影響最為顯著；溫度、粒徑共同作用時(shí)次之，溫度、含水率共同作用時(shí)影響最小。

前人對(duì)深部煤層條件下影響煤吸附CO2的因素展開了廣泛的研究，但深煤層的儲(chǔ)存條件與采空區(qū)物理化學(xué)環(huán)境不同，對(duì)于采空區(qū)煤層封存CO2影響因素的研究較少，且對(duì)各影響因素的重要性分析還鮮有報(bào)道。因此，筆者從影響煤吸附CO2的采空區(qū)物理化學(xué)環(huán)境出發(fā)，分別選取了比表面積、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率3 個(gè)影響因素，采用自制試驗(yàn)裝置開展常溫常壓吸附試驗(yàn)，分析各影響因素對(duì)CO2封存的影響及作用機(jī)理；推導(dǎo)比表面積、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率與CO2飽和吸附量關(guān)系方程；并采用隨機(jī)森林算法計(jì)算得出各影響因素的重要性權(quán)重，獲取采空區(qū)影響煤吸附CO2的各因素重要性排序，為常溫常壓下采空區(qū)遺煤吸附封存CO2提供良好的理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣的采集與制備

試驗(yàn)煤樣分別采自大南湖（DNH）礦、鶴崗（HG）礦、同忻（TX）礦區(qū)。將原煤破碎、篩分，選用60 目（0.18 mm）以下的煤粉為試驗(yàn)用樣。根據(jù)GB/T 7560-2001《煤中礦物質(zhì)的測(cè)定方法》，依次使用5 mol /L 的鹽酸（HCl）溶液和40%的氫氟酸（HF）溶液浸泡煤樣，過濾、洗滌、真空干燥4 h 后得到脫礦樣品，3 種脫礦后的干燥煤樣分別記為DNH-daf、HGdaf、TX-daf。為防止煤樣受潮和氧化，將處理后的煤樣真空保存。3 種煤樣在脫礦前后的工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 3 種煤樣脫礦前后的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Industrial and elemental analysis of three coal samples before and after demineralization %

由表1 可知，3 種煤樣脫礦后各指標(biāo)都有所變化，均呈降低狀態(tài)。其中，DNH 煤樣灰分產(chǎn)率降低幅度最大，達(dá)到97.61%，脫礦后灰分產(chǎn)率僅0.95%，表明脫礦處理比較徹底；HG 和TX 煤樣降低幅度分別為95.29%和94.62%，基本脫除了煤中大部分礦物。而其他指標(biāo)降低的不明顯，脫礦處理去除了殘余在煤樣孔隙中的灰分等雜質(zhì), 增大了煤樣的比表面積、微孔含量。

配制不同礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤樣時(shí)，分別稱取6份質(zhì)量為200 g 的DNH-daf、HG-daf、TX-daf 煤樣，隨后各添加一定質(zhì)量的200 目（0.074 mm）以下的干燥礦物質(zhì)，依次制得礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、3%、6%、9%、12%、15%的煤樣。為模擬煤中實(shí)際的礦物質(zhì)組成[13]，礦物質(zhì)中各成分質(zhì)量比為伊利石∶高嶺石∶碳酸鈣∶赤鐵礦∶硅粉=2.5∶22.5∶1.7∶0.7∶2.6，不同礦物含量煤的礦物組成見表2，分別標(biāo)記為DNH-M%、HG-M%、TX-M%，其中M%為礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比。

表2 不同礦物質(zhì)含量煤的各礦物組成Table 2 Proportion of mineral substances in different dosage

配制不同含水率煤樣時(shí)，分別稱取7 份質(zhì)量為200 g 的DNH-daf、HG-daf、TX-daf 煤樣，采用噴霧裝置分別向煤樣中噴灑0、4.082、10.526、15.054、19.780、27.272、35.294 g 的蒸餾水后密封靜置12 h，水分質(zhì)量與噴水后煤樣質(zhì)量的百分比即為試驗(yàn)煤樣含水率。依次制得含水率為0、2%、5%、7%、9%、12%、15%的煤樣，分別標(biāo)記為DNH-W%、HG-W%、TX-W%，其中W%為含水率。

1.2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)定

煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)采用美國(guó)Micromeritics 公司生產(chǎn)的ASAP2020 比表面積和孔徑分析儀進(jìn)行表征，吸附劑為CO2氣體，溫度為293 K。以CO2氣體為探針分別對(duì)DNH-daf、HG-daf、TX-daf 煤樣進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，并利用BET 理論模型計(jì)算煤樣微孔的孔徑分布、比表面積和孔體積。

1.3 常溫常壓吸附試驗(yàn)

煤吸附試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意如圖1 所示。整套試驗(yàn)裝置由真空抽氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)系統(tǒng)和高壓氣體鋼瓶組成。吸附反應(yīng)釜半徑r為6 cm，高h(yuǎn)為25 cm，則吸附反應(yīng)釜的體積V為2.826 L。

圖1 常溫常壓條件下CO2 吸附試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 CO2 adsorption experimental system at room temperature and pressure

為模擬電廠煙氣中CO2氣體的濃度，所用吸附氣中CO2濃度約為16%，為排除煙氣中其他氣體干擾，以CO2和Ar 的混合氣作為吸附氣。

試驗(yàn)過程為將煤樣置于吸附反應(yīng)釜內(nèi)并密封，氣密性檢查無誤后進(jìn)行抽真空脫氣處理，使其壓力約為0，脫氣時(shí)間為12 h。向吸附缸內(nèi)注入吸附氣體，使其壓力略高于0.1 MPa，注氣時(shí)間約為1 min。每0.5 h 用氣相色譜儀測(cè)定缸內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)，并同時(shí)記錄吸附缸壓力以及環(huán)境溫度，持續(xù)記錄6 h。

依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得出任一吸附時(shí)間吸附缸氣相空間CO2的物質(zhì)的量：

式中：Pi為第i次記錄時(shí)吸附缸內(nèi)CO2氣體的分壓力，Pa；V為吸附缸的體積，0.002 826 m3；ni為第i次記錄時(shí)吸附缸內(nèi)CO2氣體的物質(zhì)的量，mol；Pz為吸附過程中吸附缸內(nèi)氣體總壓力，Pa； φBi為第i次記錄時(shí)吸附缸內(nèi)CO2氣體的體積分?jǐn)?shù)，%；Ti為第i次記錄時(shí)吸附過程中環(huán)境溫度，K；R為理想氣體的氣體常數(shù)，取8.31 J/（mol·K）。

通過吸附前后反應(yīng)釜內(nèi)CO2物質(zhì)的量差值求得煤樣對(duì)CO2氣體的吸附量：

式中：Vi為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)每克煤對(duì)氣體的吸附體積，cm3/g；Vm為常溫(25 ℃)常壓下氣體摩爾體積，24.5 L/mol；n0為吸附前注入吸附缸的CO2的物質(zhì)的量，mol；m為煤的質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CO2 吸附量的影響

3 種脫礦干燥煤樣的CO2吸附曲線如圖2 所示，可以看出，3 種煤樣的CO2吸附量隨時(shí)間變化規(guī)律一致，均在吸附開始1 h 內(nèi)速率最快；吸附進(jìn)行1～4 h，煤樣對(duì)CO2的吸附速率減緩；吸附進(jìn)行4～6 h，煤樣對(duì)CO2的吸附量基本保持不變，表明吸附基本達(dá)到平衡，將這段時(shí)間內(nèi)吸附量的平均值作為煤樣對(duì)CO2的飽和吸附量Qdaf?？梢钥闯鋈叩娘柡臀搅坎罹嗝黠@，DNH-daf 煤樣的飽和吸附量最大，HGdaf 煤樣次之，TX-daf 煤樣最小。由于3 種煤樣均進(jìn)行了脫礦和干燥處理，因此排除了礦物質(zhì)、水對(duì)煤吸附CO2的影響，分析造成飽和吸附量差異的原因是3 種煤的孔隙結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。

圖2 脫礦干燥煤樣的吸附量曲線Fig.2 Adsorption capacity curve of demineralized dry coal samples

前期研究成果表明，微孔是煤的主要吸附孔[14]，因此以CO2氣體為探針對(duì)DNH-daf、HG-daf、TXdaf 煤樣的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，煤樣的累積比表面積與孔體積隨孔徑分布曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，3 種煤樣的累積比表面積、孔體積曲線走勢(shì)一致，隨著孔徑增大，累積比表面積與孔體積逐漸增大，說明3 種煤中均存在著大小不等的<1 nm 的微孔。DNH 煤的比表面積和孔體積最大，HG 煤次之、TX煤最小，這與3 種煤樣對(duì)CO2飽和吸附量的大小順序 一致。

3 種煤樣的比表面積和孔體積增量曲線如圖4所示，由圖4 可以看出，孔徑0.5～0.7 nm 和0.8～0.9 nm范圍內(nèi)，比表面積、孔體積增量曲線分別達(dá)到極大值，說明這兩個(gè)孔徑范圍內(nèi)的孔數(shù)量較多；在0.7～0.8 nm范圍內(nèi)，比表面積、孔體積增量曲線具有極小值，說明這個(gè)孔徑范圍內(nèi)的孔數(shù)量較少。3 種煤樣的孔徑分布規(guī)律基本一致，但DNH 煤樣在相同孔徑范圍內(nèi)的比表面積與孔體積增量曲線明顯高于其他兩個(gè)煤樣，說明DNH 煤比表面積和孔體積高于其它煤的原因是在相同孔徑范圍內(nèi)，DNH 煤具有更多的微孔數(shù)量，從而為CO2吸附提供了更多的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致其飽和吸附量明顯高于其他兩種煤。

圖4 脫礦干燥煤樣的比表面積、孔體積增量曲線Fig.4 Specific surface area and pore volume increment curves of demineralized dry coal samples

以往研究表明，微孔材料吸附時(shí)，比表面積起決定作用；介孔材料吸附時(shí)，孔體積起決定作用[15]。由于微孔是煤的主要吸附孔，因此將3 種煤樣的總比表面積與飽和吸附量關(guān)系擬合曲線，如圖5 所示，煤對(duì)CO2的飽和吸附量隨比表面積增加而增大，表明比表面積與CO2飽和吸附量有一定的正相關(guān)關(guān)系，干燥無礦條件下CO2飽和吸附量與比表面積的關(guān)系方程如式（3）所示：

圖5 CO2 飽和吸附量與比表面積的關(guān)系Fig.5 Relationship between CO2 saturated adsorption capacity and specific surface area

式中：Qdaf為干燥無礦煤樣的CO2飽和吸附量，cm3/g；S為比表面積，m2/g。

2.2 礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2 吸附量的影響

不同礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤的CO2吸附曲線如圖6所示，可以看出，吸附量隨時(shí)間變化規(guī)律與脫礦干燥煤樣一致，吸附進(jìn)行4～6 h，煤樣對(duì)CO2的吸附基本達(dá)到平衡，將這段時(shí)間內(nèi)吸附量的平均值作為不同礦物含量干燥煤樣對(duì)CO2的飽和吸附量Qd。隨著礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3 種煤對(duì)CO2的吸附量均呈現(xiàn)一定的降低趨勢(shì)，分析原因是由于礦物質(zhì)占據(jù)了煤的孔隙空間[16]，導(dǎo)致煤的吸附位點(diǎn)減少，進(jìn)而降低煤對(duì)CO2的吸附能力。

圖6 不同礦物質(zhì)含量干燥煤的CO2 吸附曲線Fig.6 CO2 adsorption curves of dry coal with different mineral contents

3 種煤樣的CO2飽和吸附量與礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，煤對(duì)CO2的吸附能力隨礦物含量增加線性降低。

圖7 CO2 飽和吸附量與礦物質(zhì)含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between CO2 saturated adsorption capacity and mineral content

由于不同礦物含量煤的吸附試驗(yàn)中排除了水的影響，因此干燥條件下礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CO2飽和吸附量的關(guān)系方程如下：

式中：Qd為干燥條件下不同礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤樣的CO2飽和吸附量，cm3/g；a1、b1為常數(shù)，見表3；M為礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

表3 不同礦物質(zhì)含量干燥煤的CO2 飽和吸附量的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of CO2 saturated adsorption capacity of dry coal with different mineral contents

比較3 種煤在干燥含礦條件下的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，3 條曲線的斜率不等，說明礦物含量對(duì)3 種煤吸附能力的影響程度不同，其中DNH 煤樣的飽和吸附量隨著礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加下降幅度最大，TX 煤樣最小。其原因可能是相同礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3 種煤樣中DNH 煤的微孔數(shù)量最多，從而導(dǎo)致更多的礦物質(zhì)能以帶狀和團(tuán)塊狀等形式填充在煤的微孔孔隙內(nèi)[17]，所以礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)DNH 煤樣吸附量的影響更為顯著。

2.3 含水率對(duì)CO2 吸附量的影響

不同含水率煤的CO2吸附曲線如圖8 所示，可以看出，在一定含水率范圍內(nèi)，含水率越大的煤樣，其對(duì)CO2的吸附量越小。隨著含水率的逐漸增大，其對(duì)吸附量的影響逐漸減小，含水率>9 %以后，不同含水率煤的吸附曲線趨于重合。將4～6 h 內(nèi)吸附量的平均值作為不同含水率脫礦煤樣對(duì)CO2的飽和吸附量Qaf。

圖8 不同含水率脫礦煤的CO2 吸附曲線Fig.8 CO2 adsorption curve of demineralized coal with different moisture content

3 種煤的CO2飽和吸附量與含水率的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯雒簶拥奈侥芰﹄S含水率呈指數(shù)變化趨勢(shì)，隨著含水率的增加，CO2飽和吸附量急劇下降，在某個(gè)拐點(diǎn)后逐漸趨于平穩(wěn)，將該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含水率作為煤樣的臨界含水率。由于不同含水率煤的吸附試驗(yàn)中排除了礦物質(zhì)的影響，因此脫礦條件下含水率與CO2飽和吸附量的關(guān)系方程如下：

圖9 CO2 飽和吸附量與含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between CO2 saturated adsorption capacity and moisture content

式中：Qaf為脫礦條件下不同含水率煤樣的CO2飽和吸附量，cm3/g；a2、b2、c2為常數(shù)，見表4；W為含水率，%。

表4 不同含水率脫礦煤的CO2 飽和吸附量的擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of CO2 saturated adsorption capacity of demineralized coal with different water content

由圖9 可知，3 種煤樣分別達(dá)到其臨界含水率之前，CO2飽和吸附量與含水率幾乎呈線性相關(guān)關(guān)系，這與CO2飽和吸附量隨礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性變化趨勢(shì)一致。但3 種煤樣的飽和吸附量在此階段內(nèi)降低的程度不同，DNH 煤樣最為顯著，HG 煤樣次之，TX 煤樣最不顯著。分析原因是水分子進(jìn)入煤體，占據(jù)了孔隙[18]，而DNH 煤樣的微孔的數(shù)量最多，導(dǎo)致有效吸附位點(diǎn)減少的比例更高，從而DNH 煤樣的吸附量降低的更加明顯。當(dāng)含水率超過煤樣的臨界含水率后，CO2飽和吸附量幾乎保持不變。分析原因是因?yàn)殡S著水分含量的增加，水分子逐漸充滿煤的裂隙，阻礙了CO2分子的流通通道，導(dǎo)致CO2分子無法進(jìn)入煤內(nèi)部的孔隙中。

3 定量關(guān)系方程

由孔隙結(jié)構(gòu)、礦物質(zhì)及水影響煤吸附CO2的定量關(guān)系方程可知，當(dāng)?shù)V物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)M=0、含水率W=0 時(shí)，不同礦物含量干燥煤的吸附量Qd與不同含水率脫礦煤的吸附量Qaf相等，并且都等于干燥無礦煤的吸附量Qdaf，即Qd=Qaf=Qdaf，因此將礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)M=0、含水率W=0 代入式（4）、式（5），可得：

由式（7）和式（8）可知，多項(xiàng)式b1M和b2e-Wc2-b2作為兩個(gè)方程的修飾項(xiàng)，分別代表了礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率對(duì)干燥無礦煤樣吸附量Qdaf的影響。因此，為得到不同含水率、不同礦物含量煤對(duì)CO2飽和吸附量Q的定量關(guān)系方程，將式（3），式（7）、式（8）聯(lián)立可得：

式中：Q為含水、含礦煤的CO2飽和吸附量，cm3/g。

由式（9），可通過測(cè)定煤的比表面積、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率等參數(shù)，推測(cè)煤對(duì)CO2的飽和吸附量。為驗(yàn)證該方程的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)測(cè)試了3 種煤在一定礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率下的CO2飽和吸附量。與采用該方程計(jì)算得到的吸附量進(jìn)行對(duì)比見表5。

表5 3 種煤樣CO2 飽和吸附量的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值Table 5 Actual and predicted values of CO2 saturated adsorption capacity of three coal samples

由表5 可知，通過式（9）得出的3 種煤樣的CO2飽和吸附量與實(shí)測(cè)值的差距不大，其誤差均在±5 %范圍內(nèi)。通過測(cè)定煤的比表面積、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率等參數(shù)，可以一定程度上預(yù)測(cè)煤對(duì)CO2的吸附量，為采空區(qū)遺煤吸附封存CO2提供理論依據(jù)。

4 基于隨機(jī)森林的因素顯著性分析

隨機(jī)森林是一種以決策樹為基分類器的集成算法，通過組合多棵獨(dú)立的決策樹后根據(jù)投票或取均值的方式得到最終預(yù)測(cè)結(jié)果的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。隨機(jī)森林算法最大的優(yōu)點(diǎn)是其通過隨機(jī)選取樣本與特征進(jìn)行建模，該方法對(duì)噪聲和異常值敏感度較低，不易出現(xiàn)過擬合。且能很容易地測(cè)量出每個(gè)特征對(duì)預(yù)測(cè)的相對(duì)重要性。

本文使用Python 調(diào)取Scikit-Learn 計(jì)算每個(gè)特征的重要性[19]，其過程可以看作是一個(gè)加權(quán)平均的過程，核心思想是當(dāng)某一特征在所有樹中離樹根的平均距離越近，那么這個(gè)特征越重要。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重等于與之相關(guān)的訓(xùn)練樣本的數(shù)量。隨機(jī)森林根據(jù)森林中所有決策樹計(jì)算平均不純度的減少來衡量特征的重要性?；嶂笖?shù)的計(jì)算公式為

式中：Gt為t節(jié)點(diǎn)處的基尼指數(shù)；t為節(jié)點(diǎn)序數(shù)；p(j/t)為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在t節(jié)點(diǎn)處的概率；k為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)序數(shù)。

計(jì)算最小基尼減小值即節(jié)點(diǎn)分支前后基尼指數(shù)的變化量：

式中：DG為t節(jié)點(diǎn)的最小基尼減小值；Gtl、Gtr分別為根據(jù)t節(jié)點(diǎn)分類的左右節(jié)點(diǎn)的基尼指數(shù)。

以指標(biāo)的平均基尼減小值占所有指標(biāo)平均基尼減小值總和的百分比來評(píng)估每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)總風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)程度，由此得到指標(biāo)重要性的公式如下：

式中：Pk為第k個(gè)因子的重要性，m，n，t分別為總的特征數(shù)、決策樹棵樹以及單棵決策樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)，Dkij為第k個(gè)特征在第i棵樹的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均基尼指數(shù)減少率。

Scikit Learn 在訓(xùn)練后會(huì)自動(dòng)計(jì)算每個(gè)特征的分?jǐn)?shù)，然后對(duì)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，使所有特征的重要度之和等于1。調(diào)用 feature_importances 變量可以直接訪問所有特征的重要度。含水率、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比表面積、孔體積4 個(gè)因素的重要性計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。

圖10 各因素重要性權(quán)重Fig.10 Importance weight of each factor

圖10 顯示了4 個(gè)輸入特征對(duì)目標(biāo)變量的總體影響，可以看出比表面積是所有4 個(gè)因素中影響程度最大的，含水率次之；且比表面積和含水率的重要性權(quán)重之和可達(dá)75.1%，遠(yuǎn)高于其他2 個(gè)因素。表明比表面積和含水率與CO2吸附量緊密相關(guān)，比表面積大的煤可以為CO2分子提供更多的吸附位點(diǎn)[20]，水含量的增加降低了煤孔隙內(nèi)部的比表面積，導(dǎo)致吸附位點(diǎn)的減少，對(duì)CO2吸附具有負(fù)面影響；孔體積對(duì)CO2吸附量的貢獻(xiàn)在微孔范圍內(nèi)較低；礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2吸附量的影響程度最小，其重要性權(quán)重小于1%，礦物質(zhì)與其他只占據(jù)孔隙的影響因素不同，礦物質(zhì)占據(jù)孔隙的同時(shí)，自身也會(huì)吸附微量的CO2，因此導(dǎo)致其綜合影響程度最低。

5 結(jié) 論

1）DNH、HG、TX 煤的孔徑分布規(guī)律基本一致，在0.5 ～0.7 nm 和0.8～0.9 nm 孔徑范圍內(nèi)的孔數(shù)量較多，0.7～0.8 nm 范圍內(nèi)的孔數(shù)量較少；微孔數(shù)量是導(dǎo)致3 種煤對(duì)CO2吸附能力差異的根本原因。

2）常溫常壓條件下，煤對(duì)CO2的飽和吸附量隨比表面積的增加而增大，隨礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率的增加而減小，且煤的微孔數(shù)量越多，礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率對(duì)吸附量的影響越顯著。煤在達(dá)到其臨界含水率后，由于水分子阻礙了CO2分子的流通通道，導(dǎo)致CO2分子無法進(jìn)入煤內(nèi)部的孔隙中，CO2飽和吸附量逐漸趨于穩(wěn)定。

3）比表面積對(duì)吸附量的影響程度最大，含水率與孔體積次之，礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最弱，且比表面積與含水率的重要性權(quán)重之和可達(dá)75.1%，遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)因素。

4）依據(jù)擬合方程Q=-8.477 47e(-5/35.40484)+b1M+b2e-Wc2+2.552 69-b2，可通過測(cè)定煤的比表面積、礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率，推測(cè)煤對(duì)CO2的飽和吸附量，為采空區(qū)遺煤吸附封存CO2提供理論依據(jù)。