采煤工作面瓦斯濃度監測數據時間序列分析

(河南理工大學安全科學與工程學院 河南 焦作 454000)

采煤工作面瓦斯濃度監測數據時間序列分析

王雨婷韋柳屾

(河南理工大學安全科學與工程學院河南焦作454000)

采煤工作面瓦斯濃度超限是引起瓦斯災害的重要原因，通過對瓦斯監測數據進行分析，可以揭示瓦斯濃度變化規律，進而避免瓦斯濃度超限事故。本文以古漢山礦為例，依據采煤工作面瓦斯濃度監測數據，通過時間序列分析和曲線擬合，確定了采煤工作面不同工序和不同時段瓦斯濃度趨勢性和周期性變化特征，揭示了采煤工作面特定工序和時段的瓦斯濃度變化規律，為在煤礦生產中預測瓦斯濃度變化趨勢，預防瓦斯超限提供科學依據。

瓦斯濃度；監測數據；曲線擬合；時間序列分析

引言

隨著國家對煤礦安全生產工作的日益重視以及煤礦自身現代化管理的需求中國煤礦礦井已普遍裝備了實時監測監控系統[1]。分析瓦斯監測數據，揭示隱含在其中的瓦斯濃度變化的規律，對瓦斯災害的預防和治理有重要的意義。

前人采用關聯分析[2-3]、卡爾曼濾波算法[4]、EMD技術與ELM[5]等方法，對瓦斯濃度實測數據進行分析研究，在構建瓦斯濃度時間序列模型等方面有了一定的成果，采用的數據多是理想而完整的試驗數據，很少利用現場日常監測數據進行瓦斯濃度趨勢性和周期性變化規律分析。本文以古漢山礦16021采煤工作面為例，通過時間序列分析方法，揭示采煤工作面不同工序和不同時段瓦斯濃度趨勢性和周期性變化特征，為預采區采煤工作面通風設計和瓦斯治理提供依據。

一、技術原理

(一)數據預處理。異常數據的出現的原因有很多，監測設備故障、煤塵以及技術人員調校問題都有可能引起數據的缺失、超過正常值，過大或者過小甚至出現負值，在對數據進行分析時，這些缺失和異常的數據，不符合瓦斯涌出的一般規律，大大影響分析的準確性。采煤工作面設置的監測傳感器每一秒都會有一個監測值，即使監測數據受到煤塵等的干擾，但監測的真實值在時間點的前后是具有相關性的。因此可以用該數據點前后一段時間內數據的統計參數替換。通過“孤立大數”、“孤立小數”、“負數”剔除和缺失數據采用前后兩個時間數據的平均數方法，對采煤工作面瓦斯濃度監測數據進行錯誤數據預處理。

(二)采煤工序對瓦斯濃度的影響。安裝有瓦斯濃度監測系統的采煤工作面，一般至少有T1、T2和T3等3個瓦斯濃度監測探頭。T1和T3分別設在采煤工作面上隅角和下隅角附近，并隨著采面推進而改變位置；T2鄰近回風眼，并且位置保持不變。如圖1-1所示：

圖1-2是采煤工作面一天的T1、T2和T3瓦斯濃度監測曲線，可以看出有兩個采煤班、一個準備班。在采煤班期間，割煤機采出大量煤炭，也使大量瓦斯涌出，進而瓦斯濃度數值明顯增加。由于割煤速度可能發生一定程度的變化，采落煤量也可能不同，因而造成涌出的瓦斯也發生相應的變化，使瓦斯濃度監測曲線出現較大的波動。準備班時，割煤機停止作業或者在進行打鉆、打排放孔等作業，這些作業會引起局部短時間瓦斯的涌出，相比較采煤班，瓦斯濃度較小，瓦斯濃度曲線變化程度也相應減小。通過三個探頭的瓦斯濃度變化特點，能夠比較容易地區分不同班次和工序，為不同工序期間瓦斯濃度變化規律分析提供了基礎。

圖1-1 采煤工作面瓦斯濃度監測探頭布置

我國煤礦在進行井下采煤工作面作業時，以8小時工作制，每天分為兩個采煤班和一個準備班。不同的班次，瓦斯來源不同，瓦斯濃度監測數據呈現較大差異。

圖1-2 三個探頭在不同班次的瓦斯濃度變化

二、實例分析

(一)工作區概況

古漢山煤礦16021采煤工作面走向長710m，傾向寬135m。煤層結構簡單，二1煤層為主要開采對象，煤層厚度在4.9-6.4m之間，平均5.5m。該工作面地質構造簡單，落差小于2.5m的小型正斷層4條，小型褶曲整體為西高東低。采用的是走向長壁傾斜分層后退式綜合機械化采煤法，雙滾筒采煤機割煤，端部斜切進刀割三角煤雙向割煤方式，全部垮落法管理頂板。

(二)時間序列分析

由于在采煤班進行正常的采煤，而采煤班與準備班的作業存在很大不同，因此對采煤班和準備班分開進行分析。T2監測點設在回風眼附近，監測到的瓦斯濃度數據可以顯示出瓦斯濃度總體變化的特征和規律。針對古漢山煤礦16021采煤工作面，以天為單位，分別對T2探頭在采煤班和準備班時測得的瓦斯濃度數據進行分析，并計算出每天采煤班和準備班的最大值、平均值和最小值，通過對T2監測點采煤班和準備班的最大值、最小值和平均值進行多項式曲線擬合，得到的結果如圖2-1。

(a)采煤班瓦斯濃度擬合曲線

(b)準備班瓦斯濃度擬合曲線

采煤工作面瓦斯濃度具有周期性變化的特點。采煤班時，周期大約為40天，瓦斯濃度最高值不超過0.8%；準備班時，周期大約為20天，瓦斯濃度最高值不超過0.5%。這種周期性變化，可能是工作面發育的小型褶曲構造對煤層瓦斯含量造成了影響，進而產生了瓦斯濃度的周期性變化。

采煤工作面瓦斯濃度除了有周期性特點，還具有趨勢性特點。通過對T2監測點采煤班和準備班的最大值、最小值和平均值進行回歸分析，得到的結果如圖2-2。

(a)采煤班瓦斯濃度及趨勢線

(b)準備瓦斯濃度及趨勢線

采煤工作面瓦斯濃度具有趨勢線的特點。在兩個班次中，隨著采煤工作面不斷推進，瓦斯濃度的最大值和最小值差值變小，瓦斯濃度最大值和最小值監測曲線之間的間距由寬變窄，并且總體的濃度都在增加，但是開采時間越長，增加的幅度越小。因為T2受到采空區涌出瓦斯的影響，當工作面在回采前和回采初期，采空區尚未形成，沒有遺留煤體解吸瓦斯和鄰近煤層卸壓解吸瓦斯，采空區涌出的瓦斯為0，隨著工作面不斷推進，采空區開始形成，涌出的瓦斯增加，瓦斯濃度隨之變大。

四、結論

1)采煤工作面中瓦斯濃度監測數據有缺失和錯誤，需要進行預處理，依據規范化處理后的數據進行計算分析，能夠提高分析成果的可靠性。

2)隨著工作面推進，瓦斯地質條件和生產條件不斷發生變化，采煤工作面瓦斯濃度也會發生變化。根據瓦斯濃度監測數據，通過時間序列分析，能夠揭示采煤工作面不同工序和不同時段瓦斯濃度趨勢性和周期性變化特征。

3)生產過程中，可以應用瓦斯監測數據，開展時間序列分析，發現異常變化，及時采取防治措施。

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Timeseriesanalysisofgasconcentrationmonitoringdataincoalminingpanel

WANGYu-tingWEILiu-shen

(SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,Henan,China)

The excessive gas concentration in coal face is the important causes of many gas disaster accidents,Through the analysis of gas monitoring data,we can well reveal the law of gas concentration change,thus avoiding the gas concentration exceeding limit accident.On the basis of Guhanshan coal face gas concentration monitoring,gas geology and related technology for the production of historical data,through curve fitting and time series analysis method,trend characteristics of gas concentration changes during different processes and different periods in normal coal mining region,reveals the gas concentration change regularity during special process and time period in coal mining panel.It provides a scientific basis for predicting the change trend of gas concentration and preventing gas overrun in coal mine production.

Gas consistency;Monitoring data;Curve fitting;Analysis of time series

王雨婷(1994.5-)，女，漢族，湖南人，碩士，河南理工大學，研究方向安全系統工程與管理。