回采工作面氣體濃度分布統計規律

席國軍，郭 慶，汪 虎，唐 洪，許永剛，葉 志

(1.陜西彬長胡家河煤礦業有限公司，陜西 彬州 713500；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

掌握采空區氣體濃度的分布特征是提高采空區煤自燃防治效率的基礎[1-3]。回采工作面及其采空區內氣體分布受限因素復雜多變，如改變通風系統和回采速度、發生周期來壓、封堵上下隅角等都會影響氣體濃度的分布，因此，采空區內氣體通常呈現出一定的波動性[4-5]。O2和CO對煤自燃具有極強的敏感性和關聯性，是用來預警早期煤自燃最主要的兩種氣體[6-8]。目前，O2濃度主要用來劃分煤自燃“三帶”，但并未研究其統計學規律[9-10]。CO是應用最廣泛的指標性氣體，但是單一的時間序列無法獲取CO濃度關于時間變化的更多有效信息。為了更好地研究CO濃度分布的時間序列問題，提出利用小波分析法處理CO濃度數據，該方法能清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，充分反映CO等氣體在不同時間尺度中的變化趨勢，并能對其未來發展趨勢進行定性估計，為煤自燃預警提供理論支撐。

胡家河煤礦所采煤層為易自燃超厚煤層，礦壓大、瓦斯涌出量高，導致采空區煤自燃防治難度和復雜度增加。本文以胡家河煤礦多個綜采綜放工作面為研究對象，基于對O2和CO濃度特征的分布進行分析，為煤自燃預警提供技術支撐。

1 采空區氣體濃度的數學統計

以胡家河煤礦401103工作面和401105工作面高抽巷采集的氣體為例，對O2、CO進行統計分析。兩工作面所采煤層均為4號穩定煤層，其頂板巖性以灰-深灰色粉砂巖、泥巖為主，底板則以灰-灰褐色鋁質泥巖為主。高抽巷均按照內錯回風巷20 m，距離煤層頂板15 m左右布置。

1.1 O2濃度分布

圖1為401103工作面和401105工作面O2濃度分布直方圖和P-P圖，直方圖顯示O2濃度符合正態分布的基本特征，P-P圖的橫縱坐標軸分別表示理論累積概率和實際累積概率，如果數據服從正態分布，則其中的數據點應和理論直線(對角線)基本重合。由圖1可知，O2濃度概率基本沿Y=X線分布，因此，可以認為O2濃度服從正態分布，其正態分布方程分別為：N(15.6，1.052)、N(13.1，1.452)。

圖1 高抽巷內O2濃度分布直方圖和P-P圖Fig.1 Distribution histogram and P-P diagram of O2 concentration in high suction roadway

根據正態分布的“3σ”原則[11-13]，P{|X-μ|<3σ}=0.997 4，則401103工作面和401105工作面高抽巷內O2濃度概率滿足式(1)和式(2)。

P(12.5%,18.8%)=99.74%

(1)

P(8.8%,17.5%)=99.74%

(2)

由此說明，兩工作面O2濃度主要分布在區間[12.5%,18.8%]和[8.8%,17.5%]。根據小概率事件的基本思想[14-15]，變量取值上述區間之外是不會發生的，結合工程背景，若發生小概率事件，一般是落在區間左側(井下O2濃度小于21%)，則出現煤低溫氧化(自燃)的概率較大，此時需要增強監測力度，并結合CO或其它指標氣體進一步判斷煤氧化程度。

不同的工作面O2濃度具有不同的分布規律。基于O2濃度的采空區煤自燃“三帶”劃分標準：漏風帶(>15%)，氧化帶(5%～15%)，窒息帶(<5%)。對401103工作面和401105工作面O2濃度正態分布方程標準化后，得到O2濃度在5%～15%區間的概率分別是71.57%和90.49%，說明氣體主要來源不同：401103工作面O2有超過71%來自氧化帶， 而401105工作面的O2來自氧化帶的概率超

過90%。對工作面周期來壓監測發現，401103工作面來壓步距明顯小于401105工作面，即401103工作面的高抽巷垮落周期短，401105工作面的高抽巷尾端處在氧化帶的時間更長，因此有更多的數據符合氧化帶氣體分布規律。雖然長時間抽采氧化帶氣體有利于充分監測采空區氧化帶內的煤自燃數據，但會增加煤自燃概率，不利于煤自燃防治。

1.2 CO濃度分布

圖2為CO濃度及其取對數后的分布情況。由圖2可知，原始CO濃度屬于偏態分布，具體是右偏態分布。 根據CO濃度P-P圖可知，取對數后的CO濃度分布基本符合正態分布，說明原始CO濃度符合對數正態分布，其分布方程分別為lgφCO～N(-5.4,0.442)、N(-2.6,0.542)。與O2濃度分布相比，CO濃度正態分布特征不明顯，具有較大的離中趨勢。主要是因為CO是煤氧復合反應的產物，對于給定條件下的采空區，其濃度分布依賴于O2濃度的變化，因此其分布離散度高。可利用CO對數正態分布的特征預測不同回采時間段內，一定置信度下CO濃度的波動區間，若超過其濃度區間上限，則可判定有煤自燃傾向。

圖2 工作面高抽巷CO濃度分布Fig.2 CO concentration distribution in high suction roadway in working face

2 采空區“三帶”分布特征

胡家河煤礦煤層平均厚度達11 m，屬于易自燃煤層，且工作面配風量大，同時每一個工作面都布置了高抽巷，采空區發生多次CO濃度異常現象。為了充分防治煤自燃，有必要掌握采空區煤自燃“三帶”的分布規律，為后續工作面煤自燃防治提供數據支撐。所選工作面為胡家河煤礦4號煤層一盤區的401101工作面、401102工作面和二盤區的402102工作面，氣體數據來源于束管采樣系統，其布置如圖3所示，沿支架后方布置束管，每天采集氣樣三次，束管采樣頭等間距布置。

圖3 工作面束管布置Fig.3 Tube layout of working face

2.1 402102工作面

利用Surfer軟件處理402102工作面O2濃度數據，以采深為縱坐標，工作面長度為橫坐標，O2濃度分布云圖如圖4所示。利用外推插值法可得到O2濃度為5%時對應的采深為88 m。

圖4 402102工作面O2濃度分布Fig.4 O2 concentration distribution of402102 working face

2.2 401101工作面和401102工作面

401101工作面和401102工作面束管布置在進風巷、回風巷兩端，相應的O2濃度變化曲線如圖5所示。

圖5 401101工作面和401102工作面O2濃度變化曲線Fig.5 O2 concentration curve of 401101 working face and 401102 working face

2.3 “三帶”劃分結果對比

基于O2濃度分布的采空區煤自燃“三帶”劃分結果見表1。 由表1可知：①進風側漏風帶范圍大于回風側范圍，兩盤區三個工作面進風側漏風帶范圍都大于回風側，進風側大于30 m，而回風側在20～30 m之間，且不同盤區漏風帶范圍差距不大；②不同盤區工作面“氧化帶”分布有差異，一盤區兩工作面進風巷、回風側“氧化帶”范圍分別為82 m、53 m和87 m、57 m，而二盤區的402102工作面為52 m、38 m，顯著小于一盤區的范圍，“氧化帶”范圍小有利于煤自燃防治。

表1 各工作面采空區煤自燃“三帶”結果Table 1 Results of coal spontaneous combustion“three zones” in goaf of each working face

3 不同尺度CO濃度分布

3.1 數據選擇

選擇Morlet連續復小波變換來分析CO濃度分布的多尺度特征。原始數據為401103工作面高抽巷CO濃度，取樣時間范圍：2016年1月17日至2016年3月16日，共200個數據，其分布如圖6所示。所選數據分布范圍是7×10-6～140×10-6，包括了無氧化階段和低溫氧化的初期階段，無劇烈氧化現象出現，符合胡家河煤礦正常回采的一般特征。

圖6 CO濃度分布箱形圖Fig.6 Box plot of CO concentration distribution

3.2 小波分析結果

選用Morlet連續復小波變換來分析CO的多尺度特征，小波分析實部等值線圖如圖7所示。小波系數實部等值線圖能反映CO濃度序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上，CO濃度的未來變化趨勢。當小波系數實部值為正時代表CO濃度高，“H”表示正值中心；當小波系數實部值為負時，表示CO濃度低，“L”表示負值中心。可以看到，在采空區CO涌出過程中，存在多時間尺度特征，32～64時間尺度模值最大，說明該時間尺度周期變化最明顯，其他時間尺度的周期性變化較小。

圖7 實部等值線圖Fig.7 Real part contour line

根據小波方差檢驗的結果，繪制了控制CO濃度演變的第一主周期和第二主周期(峰值處)小波系數圖(圖8)，其中，第一主周期和第二主周期分別為48個時間單位和30個時間單位。

圖8 主周期分布圖Fig.8 Main period distribution

為了更清晰地表現CO濃度周期變化，將數據擴展400組，約5個月的數據進行分析，得到其第一主周期為64個時間單位。圖9為CO濃度小波系數在第一主周期上的分布。

3.3 CO濃度與周期來壓的關系

由圖9可知，平均約每40個時間單位內出現“高-低”周期分布，40個時間單位對應時間為15 d，即每15 d就出現一個CO濃度的周期分布。

圖9 CO濃度小波系數在第一主周期上的分布Fig.9 Distribution of the wavelet coefficient ofCO concentration in the first principal period

一般認為，在正常回采階段，采空區的遺煤一直處于不同程度的氧化過程，隨著采空區深度的增加，CO積聚并增高，氣壓的變化會導致CO等氣體涌出，頂底板周期來壓是影響氣壓的主要因素。以401103工作面三季度期間支架工作阻力監測系統數據進行分析，發現該時間段內共發生過8次周期來壓現象，對其中的5次進行分析。經過對數據進行分析，發現三季度401103工作面來壓周期為7 d、步距為28.9 m(表2)。

表2 周期來壓統計Table 2 Statistics table of periodic pressure

周期來壓期間，采空區頂板大面積冒落，形成強烈的震動，擾動采空區風流，其表征為氣樣濃度變化。而平均周期來壓為7 d，兩次周期來壓導致CO濃度出現一個“高-低”濃度分布，說明小波分析與周期來壓是一一對應的，與CO濃度的不同尺度下的周期性分布特征一致。

CO濃度周期性分布與周期來壓的關聯性可指導現場提前布置措施，防止CO涌出對工作面安全回采的影響，同時，在周期來壓之前，做好兩巷防漏風措施。

4 結 論

1) 工作面采空區其體具有明顯的分布特征，具體是O2符合正態分布，CO屬于對數正態分布。

2) 同一盤區的工作面的煤自燃“三帶”分布具有相同的規律，不同盤區“氧化帶”分布明顯不同。

3) CO濃度具有周期性分布特征，其周期性主要受頂底板的周期來壓有關，該結果可用于指導工作面煤自燃防治。