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(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

掌握采空區(qū)氣體濃度的分布特征是提高采空區(qū)煤自燃防治效率的基礎(chǔ)[1-3]?；夭晒ぷ髅婕捌洳煽諈^(qū)內(nèi)氣體分布受限因素復雜多變，如改變通風系統(tǒng)和回采速度、發(fā)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(qū)內(nèi)氣體通常呈現(xiàn)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(guān)聯(lián)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(tǒng)計學規(guī)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(guān)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(shù)據(jù)，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(fā)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(qū)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(shù)支撐。

1 采空區(qū)氣體濃度的數(shù)學統(tǒng)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(tǒng)計分析。兩工作面所采煤層均為4號穩(wěn)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(zhì)泥巖為主。高抽巷均按照內(nèi)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(tài)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(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，則其中的數(shù)據(jù)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(tài)分布，其正態(tài)分布方程分別為：N(15.6，1.052)、N(13.1，1.452)。

圖1 高抽巷內(nèi)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(jù)正態(tài)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(nèi)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(qū)間[12.5%,18.8%]和[8.8%,17.5%]。根據(jù)小概率事件的基本思想[14-15]，變量取值上述區(qū)間之外是不會發(fā)生的，結(jié)合工程背景，若發(fā)生小概率事件，一般是落在區(qū)間左側(cè)(井下O2濃度小于21%)，則出現(xiàn)煤低溫氧化(自燃)的概率較大，此時需要增強監(jiān)測力度，并結(jié)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(guī)律。基于O2濃度的采空區(qū)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(tài)分布方程標準化后，得到O2濃度在5%～15%區(qū)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(jiān)測發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)符合氧化帶氣體分布規(guī)律。雖然長時間抽采氧化帶氣體有利于充分監(jiān)測采空區(qū)氧化帶內(nèi)的煤自燃數(shù)據(jù)，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(shù)后的分布情況。由圖2可知，原始CO濃度屬于偏態(tài)分布，具體是右偏態(tài)分布。 根據(jù)CO濃度P-P圖可知，取對數(shù)后的CO濃度分布基本符合正態(tài)分布，說明原始CO濃度符合對數(shù)正態(tài)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(tài)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(chǎn)物，對于給定條件下的采空區(qū)，其濃度分布依賴于O2濃度的變化，因此其分布離散度高?？衫肅O對數(shù)正態(tài)分布的特征預測不同回采時間段內(nèi)，一定置信度下CO濃度的波動區(qū)間，若超過其濃度區(qū)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(qū)“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(qū)發(fā)生多次CO濃度異?，F(xiàn)象。為了充分防治煤自燃，有必要掌握采空區(qū)煤自燃“三帶”的分布規(guī)律，為后續(xù)工作面煤自燃防治提供數(shù)據(jù)支撐。所選工作面為胡家河煤礦4號煤層一盤區(qū)的401101工作面、401102工作面和二盤區(qū)的402102工作面，氣體數(shù)據(jù)來源于束管采樣系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，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(jié)果對比

基于O2濃度分布的采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分結(jié)果見表1。 由表1可知：①進風側(cè)漏風帶范圍大于回風側(cè)范圍，兩盤區(qū)三個工作面進風側(cè)漏風帶范圍都大于回風側(cè)，進風側(cè)大于30 m，而回風側(cè)在20～30 m之間，且不同盤區(qū)漏風帶范圍差距不大；②不同盤區(qū)工作面“氧化帶”分布有差異，一盤區(qū)兩工作面進風巷、回風側(cè)“氧化帶”范圍分別為82 m、53 m和87 m、57 m，而二盤區(qū)的402102工作面為52 m、38 m，顯著小于一盤區(qū)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(qū)煤自燃“三帶”結(jié)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(shù)據(jù)選擇

選擇Morlet連續(xù)復小波變換來分析CO濃度分布的多尺度特征。原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，其分布如圖6所示。所選數(shù)據(jù)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(xiàn)象出現(xiàn)，符合胡家河煤礦正?；夭傻囊话闾卣?。

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(jié)果

選用Morlet連續(xù)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(shù)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(shù)實部值為正時代表CO濃度高，“H”表示正值中心；當小波系數(shù)實部值為負時，表示CO濃度低，“L”表示負值中心?？梢钥吹剑诓煽諈^(qū)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(jù)小波方差檢驗的結(jié)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(shù)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(xiàn)CO濃度周期變化，將數(shù)據(jù)擴展400組，約5個月的數(shù)據(jù)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(shù)在第一主周期上的分布。

3.3 CO濃度與周期來壓的關(guān)系

由圖9可知，平均約每40個時間單位內(nèi)出現(xiàn)“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(xiàn)一個CO濃度的周期分布。

圖9 CO濃度小波系數(shù)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?；夭呻A段，采空區(qū)的遺煤一直處于不同程度的氧化過程，隨著采空區(qū)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?shù)装逯芷趤韷菏怯绊憵鈮旱闹饕蛩亍Ｒ?01103工作面三季度期間支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該時間段內(nèi)共發(fā)生過8次周期來壓現(xiàn)象，對其中的5次進行分析。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)計Table 2 Statistics table of periodic pressure

周期來壓期間，采空區(qū)頂板大面積冒落，形成強烈的震動，擾動采空區(qū)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(xiàn)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(guān)聯(lián)性可指導現(xiàn)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(jié) 論

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

2) 同一盤區(qū)的工作面的煤自燃“三帶”分布具有相同的規(guī)律，不同盤區(qū)“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?shù)装宓闹芷趤韷河嘘P(guān)，該結(jié)果可用于指導工作面煤自燃防治。