礦井煤炭自然高溫火源點區域的探測實踐

1　概　　述

　　煤炭自燃高溫火源（≤100℃）區域的探測一直是煤礦安全生產中的重大難題之一。國內外許多學者和煤炭生產、科研單位對此都十分重視，近若幹年來對相關課題開展了大量的研究。但由於這一問題的複雜性，至今仍沒有得到很好的解決。其主要原因有三：一是探測技術手段和途徑不成熟，所采用的各種技術手段都無法確定高溫火源點區域及其內部溫度；二是井下條件複雜，影響因素多，給準確探測井下火源區域帶來很多困難；三是目前對這一問題的研究還不夠深入，雖然許多相關課題的研究都取得了一定的進展，但並未揭示問題的實質，從而未得出有關規律性的、可直接應用的技術成果。

2　國內外煤炭自燃火源區域探測法03manbetx

　　現將國內外目前所采取的一些主要方法03manbetx 敘述如下：
2.1　磁探測法^［1，2］
　　磁探測法的實質是，煤層上覆岩石中一般含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結核，煤層自燃時，上覆岩石受到高溫烘烤，其中鐵質成分發生物理化學變化，形成磁性物質，並且保留有較強的磁性。烘烤後的上覆岩石的磁性隨自燃溫度升高而增強。早在60年代我國西北各省就用磁法結合電法勘探煤田火區，取得了一定成果。印度也利用此法確定Jharia煤田的自燃火災區域範圍，得到了十分滿意的效果。俄羅斯、烏克蘭也曾用此法確定煤田自燃火區範圍。從這一方法的實質和目前應用的情況看， 磁探測法主要用於煤田火區，而對於生產礦井自燃高溫的探測應用較少，這主要是因為：①當自燃火源溫度小於400℃時和烘烤時間短時，上覆岩石或煤層中就不能形成較高的磁性；且對於生產礦井而言，要處理的是煤自燃高溫區域，自燃煤溫較低和烘烤時間短，這樣用磁法探測的效果並不理想；②對於生產礦井，井下高溫區域周圍鐵性物質多,磁探測法則無法有效使用。③煤層頂底板和煤中分布的鐵質結核不均勻，給磁測法探測自燃火區帶來一定困難。
2.2　電阻率探測法^［2］
　　正常情況下，埋藏於地下的煤層，沿走向（或其它方向）因其結構狀態和含水性變化不大，電阻率基本保持不變。但當煤炭自然發火後，煤層的結構狀態和含水性發生較大變化，從而引起煤層和周圍岩石電阻率的變化。在自燃的初期，電阻率會下降；在自燃後期，由於煤較充分燃燒，其結構狀態發生較大變化，水分基本蒸發掉，表現為較高的電阻率。因此，可根據觀測結果比較未自燃區和自燃區的變化情況，判斷自燃區域的位置，這就是電阻率法探測自燃發火區域位置的原理。由於煤在自燃的初期，煤電阻率的變化不明顯，致使電阻率探測法的探測精度受限；加之井下雜散電流多，用於井下高溫區域的探測比較困難，目前國內外多用於露天開采和煤層露頭自燃火源的探測。
2.3　氣體探測法
　　煤自燃在不同的溫度，其產生的氣體種類和濃度是不同的；故根據氣體種類和濃度，依次判斷煤的自燃溫度，並據氣體濃度梯度大致確定高溫區域的範圍。氣體確定高溫區域範圍可在井下或地麵進行。
　　2.3.1　井下氣體探測法
　　通常稱為氣體03manbetx 法，是目前國內外廣泛應用的煤炭自燃的預測預報方法。對某礦當煤質一定時，其煤自燃生成的氣體組分與溫度有一定規律，用儀器或束管監測係統檢測煤自燃釋放的氣體，以確定煤的氧化溫度和煤炭自燃區域的可能範圍，但它無法知道煤炭自燃的位置和發展變化速度，並且易受井下通風因素的影響。
　　2.3.2　地麵氣體探測法
　　由於煤炭自燃火源區域與地麵存在一定的壓差和分子擴散，使自燃火源向地麵有著氣體流動，而在地表層中產生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點垂直方向放射的，據此在地麵可布置測點測量，來判斷火源點大致位置。這種方法對於煤層埋藏較深，氣體不能擴散至地麵，且氣體向上運移發生物理化學變化時，就無法使用。
2.4　氡氣探測法
　　氡氣探測是一種放射性探測方法，它兼有物探和化探的特點。它的原理是煤層自燃後，隨煤溫升高，氡氣濃度上升，在地麵布置觀測點，應用α卡法、²¹⁰Po法等，收集並測量氡氣濃度，依此判斷火區位置。國內山西礦業學院用此法在地麵探測煤礦地下火源，並在古交北溝礦、潞安礦務局石圪節礦進行了成功應用，從應用情況來看，這種方法目前隻在地麵使用，自燃溫度一般超過200 ℃；且用氡氣量值也無法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
2.5　煤炭自燃溫度探測法
　　2.5.1　測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法
　　這是目前國內外最為廣泛應用的一種方法，兗州礦區東灘煤礦也采用此法測量煤溫。據探測地點不同分為地麵探測和井下探測。
　　（1）地麵探測法^［3］。在自燃火區的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鑽孔內的傳感器測定溫度，根據測取的溫度場用溫度反演法來確定自燃火區火源的位置。這種方法常用於火源埋藏深度淺、火源溫度高，已燃燒較長時間的火區。波蘭、俄羅斯曾應用此法探測煤層露頭的自燃火區範圍，探測深度在30～50 m。
　　（2） 井下探測法^［4］。此種方法是把測溫傳感器預埋或通過鑽孔布置在易自燃發火區域(采空區和煤層內)，根據傳感器的溫度變化來確定高溫點的位置、發展變化速度，這種方法受外界幹擾少，測定準確，煤溫隻要升高，傳感器位置合適，就能有效探測。這是目前井下準確的探測方法。山東礦業學院已成功地開發了適於井下應用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自動監控）電腦型測溫儀，此儀器的最大特點是測定準確，和測定距離長度無關。東灘煤礦應用此法在井下進行了成功的探測。由於測溫及時、準確，為高溫點的消除起到了積極的作用。
　　（3） 測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法的缺陷。盡管此種探測法測定準確、可靠，彌補了上述一些探測方法的不足，但它本身也存在一些問題值得研究：①傳感器的布置是探測自燃高溫區域的關鍵，數量、位置準確，就能有效控製自然區域高溫點；但這些布置參數受煤體溫度場傳導速度的限製，由於煤的導溫係數較小，要想測取煤體溫度，控製自燃位置，就要布置一定數量的傳感器；②測溫鑽孔：要測取煤體溫度，就必須在煤體內布置測溫傳感器，因而就需要測溫鑽孔，增加了工作量。
　　2.5.2　紅外探測法^［5，6］
　　在國內外這一方法已較廣泛用於地麵煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探測。探測儀器有紅外測溫儀和紅外熱成像儀，應用最多的是紅外測溫儀。俄羅斯采用紅外測溫儀，美國采用紅外測溫儀和熱成像儀探測煤壁和煤柱自燃溫度；國內兗州、開灤、徐州等礦區采用紅外測溫儀測定井下煤壁溫度。紅外測溫儀是測取點溫，紅外成像儀是掃描成像測取溫度。在國內，紅外熱成像儀井下沒見應用，而在煤田地質調查、地震預報、地下水探測、岩突、岩爆等方麵得到了應用。隧道和巷道內由岩石的應力引起的表麵0.2 ℃左右的溫度變化就可被測到，從而可03manbetx 引起災害的程度。
　　紅外探測法的實質是自然界的任何物體隻要處於絕對零度(0 K)之上，都會自行向外發射紅外線。其發射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　ε——輻射係數，其值為0＜ε＜1，岩石和煤體一般為0.7～0.98，輻射係數受物體化學組　　　　　分、表麵狀態、內部結構、含水量、孔隙度等影響；
　　　α——斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10^-12cm^2.K⁴；
　　　T——物體的絕對溫度，K。
　　從式(1)可看出，物體的溫度越高，輻射能量就越大，紅外測溫儀器接受輻射量而轉換的輻射溫度就越高，因此就可利用紅外測溫儀器對溫度的高分辨率來探測井下巷道自燃位置。
　　在通常情況下，自然界的紅外輻射區域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波長在8～14 μm的大氣窗口區域內。 紅外技術是探測物體表麵的紅外輻射溫度，它不同於物理溫度，物體表麵的紅外輻射溫度取決於物體表麵物理溫度及其物體的物質成分、含水量、表麵粗糙度、顆粒大小、孔隙度、熱慣量(比熱、熱傳導率、比重)等諸多因素；這些因素的任一項微小變化，都會引起紅外輻射溫度的變化。因此，在排除幹擾因素後，提取同種物質的溫度變化異常信息是至關重要的。
　　紅外熱成像儀類似於攝像機,它將鏡頭視場內景物的紅外輻射溫度場(25°×20°的景物)，通過鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上(單點掃描式、線陣或麵陣排列),轉換成電信號，經電路放大、模/數轉換、記錄並顯示，當然還得有一套複雜的處理軟件，其結果通常將其視為景物的溫度圖像，現以TVS-600熱像儀為例，在熱像儀距景物2 m時，攝得景物麵積為：2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向)，在0.97 m×0.71 m內又有320×240個像點，每個像點的麵積為2.8 mm×2.8 mm，就是說隻要有7.84 mm²麵積的熱異常(大於0.15℃)就能被發現。而煤壁總有一些微裂隙，微氣孔的熱傳導、熱對流和熱擴散，使表麵局部產生溫度變化，從而觀測到紅外輻射溫度異常，故利用紅外熱成像儀準確探測自燃高溫區域成為可能。關鍵在於如何通過溫度異常來診斷自燃高溫點。
　　另外，非致冷的麵陣探測器(紅外敏感元件)是當今紅外科學發展的新貢獻，它給行業使用帶來了方便，就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機(小型循環致冷)，同時減少了噪聲、耗電量和重量。
　　目前，紅外熱成像儀的種類較多，現國防、電力、醫學、工業生產線有較多應用。這裏就適於煤礦應用的紅外熱成像儀介紹如表1。

表1　適於煤礦應用的紅外熱成像儀

種　類 IRC-160ST PV-320 Jade TVS-2000MⅡ TVS-600 HR-2 致冷方式 液氮 無致冷 閉循環 斯特林致冷 無致冷 液氮 探測器類型 InSb焦平麵 - MCT麵陣 InSb或MCT Si∶Ga麵陣 - 光譜範圍 3.5～5.5 μm 2～14 μm 8～12 μm 3～5.4 μm或
8～12 μm 8～14 μm 8～14 μm 掃描速度 - - 50幀/s 30幀/s 1幀/30s 1幀/5s 溫度分辨率 0.02 K <0.2 ℃ 0.03 K 0.1 ℃ 0.1 ℃ 0.1 K 精　　度 - - ±0.4% - ±0.4% - 視　　場 9.1°×6.8° - 17°×17° 15°×15° 25.8°×19.5° 12°×12° 瞬時視場 1.0 mrad - - 2.2 mrad 1.4 mrad 2.0 mrad 焦距範圍 50，150 mm 25，100 mm 25，100 mm 20 cm～＋∞ 20 cm～＋∞ 0.2 m～＋∞ 可顯示像元 160×120 320×240 320×240 256×200 320×240 256×256 模/數轉換 12 bit - 12 bit 12 bit 12 bit 8 bit 溫度補償 - 自動增益 - 有 內置 - 自動跟蹤 - - - 三點溫度 全景式溫度 - 圖像存儲 - - 實時存儲 20幀/盤 PCMCTA存50 - 輸　　出 VGA,NTSC,
PAL RS-70(B&W) VGA,RS170,
NTSC,PAL NTSA,PAL,模擬 內置5寸高分
辨率顯示器 - 外置接口 RS232,RS422 RS-170 RS-170 RS232 RS232 - 電　　源 充電電池 12 V(DC) - 220～240 V(AC) 充電電池 12 V(DC) 工作溫度 - -40～54 ℃ - 0～40 ℃ 0～40 ℃ - 探測溫度 -20～200 ℃ -18～523 ℃ - -40～300 ℃ -20～300 ℃ 0～100 ℃ 濕　　度 - - - <90% <90% - 尺　　寸 - 140 mm×114mm×114 mm - 185 mm×300 mm×181 mm 115 mm×220 mm×142 mm - 質量(頭部) 4.1 kg 2.3 kg - 3.8 kg 2 kg 6.5 kg 製 造 商 美國CE公司 美國電子 法國CEDIP 日本航空 日本航空 中國 參考價(萬美元) 6.0 5.5 17～22 6～8 6.0 3.5 3　探測方法對比

　　各種探測法都有自己的優、缺點和使用範圍，磁探測法、電阻率探測法、氡探測法主要適用於封閉火區且火源溫度較高，準確性較好，而對於井下出現的高溫區域（≤100℃）則無能為力。氣體探測法能預測高溫區域溫度，但不能準確確定高溫區域位置和發展變化速度，並受井下通風壓力、風量的影響。探測煤的自燃溫度來確定自燃位置，是一種可靠的手段，關鍵是用那種方法探測出隱蔽的高溫區域及其自燃溫度。測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法，是一種實用的方法，但它受測溫傳感器布置數量和測溫鑽孔施工的影響；還受煤導熱性能的影響。在紅外探測法中，紅外測溫儀測的是點溫，無法綜合準確判斷煤的自燃區域，但它可找出整個巷道溫度異常的大致範圍；而紅外熱像儀，是通過掃描成像測取溫度，能在一個麵上判斷煤自燃高溫區域；測溫又簡單、迅速、精確；紅外熱像儀測溫又是目前測溫領域的高新技術設備，故應用熱像儀來探測煤自燃區域是可能的，它是煤炭自燃高溫火源點區域探測的發展方向，但它也受到探測深度和煤炭自燃溫度的限製。目前應用此法的最主要問題是根據測取的溫度如何診斷煤體內是否存在高溫區域。

4　結　　語

　　根據上述高溫區域探測方法的分析可知，目前仍沒有一種可靠的探測方法能一勞永逸地解決井下煤炭自燃高溫點區域探測問題，故在現階段以測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法和氣體探測法為主來探測井下煤炭高溫區域，並開展井下紅外熱成像儀測溫法探測的研究工作。

來源：煤炭科學技術
原作者：程衛民　陳　平　崔洪義　王振平　張迎弟　王春耀　崔承禹
作者簡介：程衛民　1966年生，博士，副教授，1988年畢業於山東礦業學院采礦係，獲碩士學位，1997年畢業於中國礦業大學北京校區，獲博士學位。主要從事礦井安全評價、智能信息管理及礦井降溫空調和礦井防滅火的教學與研究工作，主持和參與項目10餘項，其中2項獲部科技進步獎；發表論文20餘篇。地址：山東省泰安市，郵碼：271019。