回采工作面气体浓度分布统计规律

席国军，郭 庆，汪 虎，唐 洪，许永刚，叶 志

(1.陕西彬长胡家河煤矿业有限公司，陕西 彬州 713500；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

掌握采空区气体浓度的分布特征是提高采空区煤自燃防治效率的基础[1-3]。回采工作面及其采空区内气体分布受限因素复杂多变，如改变通风系统和回采速度、发生周期来压、封堵上下隅角等都会影响气体浓度的分布，因此，采空区内气体通常呈现出一定的波动性[4-5]。O2和CO对煤自燃具有极强的敏感性和关联性，是用来预警早期煤自燃最主要的两种气体[6-8]。目前，O2浓度主要用来划分煤自燃“三带”，但并未研究其统计学规律[9-10]。CO是应用最广泛的指标性气体，但是单一的时间序列无法获取CO浓度关于时间变化的更多有效信息。为了更好地研究CO浓度分布的时间序列问题，提出利用小波分析法处理CO浓度数据，该方法能清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，充分反映CO等气体在不同时间尺度中的变化趋势，并能对其未来发展趋势进行定性估计，为煤自燃预警提供理论支撑。

胡家河煤矿所采煤层为易自燃超厚煤层，矿压大、瓦斯涌出量高，导致采空区煤自燃防治难度和复杂度增加。本文以胡家河煤矿多个综采综放工作面为研究对象，基于对O2和CO浓度特征的分布进行分析，为煤自燃预警提供技术支撑。

1 采空区气体浓度的数学统计

以胡家河煤矿401103工作面和401105工作面高抽巷采集的气体为例，对O2、CO进行统计分析。两工作面所采煤层均为4号稳定煤层，其顶板岩性以灰-深灰色粉砂岩、泥岩为主，底板则以灰-灰褐色铝质泥岩为主。高抽巷均按照内错回风巷20 m，距离煤层顶板15 m左右布置。

1.1 O2浓度分布

图1为401103工作面和401105工作面O2浓度分布直方图和P-P图，直方图显示O2浓度符合正态分布的基本特征，P-P图的横纵坐标轴分别表示理论累积概率和实际累积概率，如果数据服从正态分布，则其中的数据点应和理论直线(对角线)基本重合。由图1可知，O2浓度概率基本沿Y=X线分布，因此，可以认为O2浓度服从正态分布，其正态分布方程分别为：N(15.6，1.052)、N(13.1，1.452)。

图1 高抽巷内O2浓度分布直方图和P-P图Fig.1 Distribution histogram and P-P diagram of O2 concentration in high suction roadway

根据正态分布的“3σ”原则[11-13]，P{|X-μ|<3σ}=0.997 4，则401103工作面和401105工作面高抽巷内O2浓度概率满足式(1)和式(2)。

P(12.5%,18.8%)=99.74%

(1)

P(8.8%,17.5%)=99.74%

(2)

由此说明，两工作面O2浓度主要分布在区间[12.5%,18.8%]和[8.8%,17.5%]。根据小概率事件的基本思想[14-15]，变量取值上述区间之外是不会发生的，结合工程背景，若发生小概率事件，一般是落在区间左侧(井下O2浓度小于21%)，则出现煤低温氧化(自燃)的概率较大，此时需要增强监测力度，并结合CO或其它指标气体进一步判断煤氧化程度。

不同的工作面O2浓度具有不同的分布规律。基于O2浓度的采空区煤自燃“三带”划分标准：漏风带(>15%)，氧化带(5%～15%)，窒息带(<5%)。对401103工作面和401105工作面O2浓度正态分布方程标准化后，得到O2浓度在5%～15%区间的概率分别是71.57%和90.49%，说明气体主要来源不同：401103工作面O2有超过71%来自氧化带， 而401105工作面的O2来自氧化带的概率超

过90%。对工作面周期来压监测发现，401103工作面来压步距明显小于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处在氧化带的时间更长，因此有更多的数据符合氧化带气体分布规律。虽然长时间抽采氧化带气体有利于充分监测采空区氧化带内的煤自燃数据，但会增加煤自燃概率，不利于煤自燃防治。

1.2 CO浓度分布

图2为CO浓度及其取对数后的分布情况。由图2可知，原始CO浓度属于偏态分布，具体是右偏态分布。 根据CO浓度P-P图可知，取对数后的CO浓度分布基本符合正态分布，说明原始CO浓度符合对数正态分布，其分布方程分别为lgφCO～N(-5.4,0.442)、N(-2.6,0.542)。与O2浓度分布相比，CO浓度正态分布特征不明显，具有较大的离中趋势。主要是因为CO是煤氧复合反应的产物，对于给定条件下的采空区，其浓度分布依赖于O2浓度的变化，因此其分布离散度高。可利用CO对数正态分布的特征预测不同回采时间段内，一定置信度下CO浓度的波动区间，若超过其浓度区间上限，则可判定有煤自燃倾向。

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

2 采空区“三带”分布特征

胡家河煤矿煤层平均厚度达11 m，属于易自燃煤层，且工作面配风量大，同时每一个工作面都布置了高抽巷，采空区发生多次CO浓度异常现象。为了充分防治煤自燃，有必要掌握采空区煤自燃“三带”的分布规律，为后续工作面煤自燃防治提供数据支撑。所选工作面为胡家河煤矿4号煤层一盘区的401101工作面、401102工作面和二盘区的402102工作面，气体数据来源于束管采样系统，其布置如图3所示，沿支架后方布置束管，每天采集气样三次，束管采样头等间距布置。

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

2.1 402102工作面

利用Surfer软件处理402102工作面O2浓度数据，以采深为纵坐标，工作面长度为横坐标，O2浓度分布云图如图4所示。利用外推插值法可得到O2浓度为5%时对应的采深为88 m。

图4 402102工作面O2浓度分布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工作面束管布置在进风巷、回风巷两端，相应的O2浓度变化曲线如图5所示。

图5 401101工作面和401102工作面O2浓度变化曲线Fig.5 O2 concentration curve of 401101 working face and 401102 working face

2.3 “三带”划分结果对比

基于O2浓度分布的采空区煤自燃“三带”划分结果见表1。 由表1可知：①进风侧漏风带范围大于回风侧范围，两盘区三个工作面进风侧漏风带范围都大于回风侧，进风侧大于30 m，而回风侧在20～30 m之间，且不同盘区漏风带范围差距不大；②不同盘区工作面“氧化带”分布有差异，一盘区两工作面进风巷、回风侧“氧化带”范围分别为82 m、53 m和87 m、57 m，而二盘区的402102工作面为52 m、38 m，显著小于一盘区的范围，“氧化带”范围小有利于煤自燃防治。

表1 各工作面采空区煤自燃“三带”结果Table 1 Results of coal spontaneous combustion“three zones” in goaf of each working face

3 不同尺度CO浓度分布

3.1 数据选择

选择Morlet连续复小波变换来分析CO浓度分布的多尺度特征。原始数据为401103工作面高抽巷CO浓度，取样时间范围：2016年1月17日至2016年3月16日，共200个数据，其分布如图6所示。所选数据分布范围是7×10-6～140×10-6，包括了无氧化阶段和低温氧化的初期阶段，无剧烈氧化现象出现，符合胡家河煤矿正常回采的一般特征。

图6 CO浓度分布箱形图Fig.6 Box plot of CO concentration distribution

3.2 小波分析结果

选用Morlet连续复小波变换来分析CO的多尺度特征，小波分析实部等值线图如图7所示。小波系数实部等值线图能反映CO浓度序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而能判断在不同时间尺度上，CO浓度的未来变化趋势。当小波系数实部值为正时代表CO浓度高，“H”表示正值中心；当小波系数实部值为负时，表示CO浓度低，“L”表示负值中心。可以看到，在采空区CO涌出过程中，存在多时间尺度特征，32～64时间尺度模值最大，说明该时间尺度周期变化最明显，其他时间尺度的周期性变化较小。

图7 实部等值线图Fig.7 Real part contour line

根据小波方差检验的结果，绘制了控制CO浓度演变的第一主周期和第二主周期(峰值处)小波系数图(图8)，其中，第一主周期和第二主周期分别为48个时间单位和30个时间单位。

图8 主周期分布图Fig.8 Main period distribution

为了更清晰地表现CO浓度周期变化，将数据扩展400组，约5个月的数据进行分析，得到其第一主周期为64个时间单位。图9为CO浓度小波系数在第一主周期上的分布。

3.3 CO浓度与周期来压的关系

由图9可知，平均约每40个时间单位内出现“高-低”周期分布，40个时间单位对应时间为15 d，即每15 d就出现一个CO浓度的周期分布。

图9 CO浓度小波系数在第一主周期上的分布Fig.9 Distribution of the wavelet coefficient ofCO concentration in the first principal period

一般认为，在正常回采阶段，采空区的遗煤一直处于不同程度的氧化过程，随着采空区深度的增加，CO积聚并增高，气压的变化会导致CO等气体涌出，顶底板周期来压是影响气压的主要因素。以401103工作面三季度期间支架工作阻力监测系统数据进行分析，发现该时间段内共发生过8次周期来压现象，对其中的5次进行分析。经过对数据进行分析，发现三季度401103工作面来压周期为7 d、步距为28.9 m(表2)。

表2 周期来压统计Table 2 Statistics table of periodic pressure

周期来压期间，采空区顶板大面积冒落，形成强烈的震动，扰动采空区风流，其表征为气样浓度变化。而平均周期来压为7 d，两次周期来压导致CO浓度出现一个“高-低”浓度分布，说明小波分析与周期来压是一一对应的，与CO浓度的不同尺度下的周期性分布特征一致。

CO浓度周期性分布与周期来压的关联性可指导现场提前布置措施，防止CO涌出对工作面安全回采的影响，同时，在周期来压之前，做好两巷防漏风措施。

4 结 论

1) 工作面采空区其体具有明显的分布特征，具体是O2符合正态分布，CO属于对数正态分布。

2) 同一盘区的工作面的煤自燃“三带”分布具有相同的规律，不同盘区“氧化带”分布明显不同。

3) CO浓度具有周期性分布特征，其周期性主要受顶底板的周期来压有关，该结果可用于指导工作面煤自燃防治。