矿井煤炭自然高温火源点区域的探测实践
煤炭自燃高温火源（≤100℃）区域的探测一直是煤矿安全生产中的重大难题之一。国内外许多学者和煤炭生产、科研单位对此都十分重视，近若干年来对相关课题开展了大量的研究。但由于这一问题的复杂性，至今仍没有得到很好的解决。其主要原因有三：一是探测技术手段和途径不成熟，所采用的各种技术手段都无法确定高温火源点区域及其内部温度；二是井下条件复杂，影响因素多，给准确探测井下火源区域带来很多困难；三是目前对这一问题的研究还不够深入，虽然许多相关课题的研究都取得了一定的进展，但并未揭示问题的实质，从而未得出有关规律性的、可直接应用的技术成果。
2 国内外煤炭自燃火源区域探测法分析
现将国内外目前所采取的一些主要方法分析叙述如下：
2.1 磁探测法［1，2］
磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看， 磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。
2.2 电阻率探测法［2］
正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。
2.3 气体探测法
煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。
2.3.1 井下气体探测法
通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。
2.3.2 地面气体探测法
由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。
2.4 氡气探测法
氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、210Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。
2.5 煤炭自燃温度探测法
2.5.1 测温仪表与测温传感器联合测温法
这是目前国内外最为广泛应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。
（1）地面探测法［3］。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。
（2） 井下探测法［4］。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域(采空区和煤层内)，根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的最大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。
（3） 测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。
2.5.2 红外探测法［5，6］
在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用最多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。
红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度(0 K)之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式
E=εαT4 (1)
式中 ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组 分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；
α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-12 cm2.K4；
T——物体的绝对温度，K。
从式(1)可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。 红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量(比热、热传导率、比重)等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场(25°×20°的景物)，通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上(单点扫描式、线阵或面阵排列),转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：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内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm2面积的热异常(大于0.15℃)就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
另外，非致冷的面阵探测器(红外敏感元件)是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机(小型循环致冷)，同时减少了噪声、耗电量和重量。
目前，红外热成像仪的种类较多，现国防、电力、医学、工业生产线有较多应用。这里就适于煤矿应用的红外热成像仪介绍如表1。
表1 适于煤矿应用的红外热成像仪
8～12 μm 8～14 μm 8～14 μm 扫描速度 - - 50帧/s 30帧/s 1帧/30s 1帧/5s 温度分辨率 0.02 K <0.2 ℃ 0.03 K 0.1 ℃ 0.1 ℃ 0.1 K 精 度 - - ±0.4% - ±0.4% - 视 场 9.1°×6.8° - 17°×17° 15°×15° 25.8°×19.5° 12°×12° 瞬时视场 1.0 mrad - - 2.2 mrad 1.4 mrad 2.0 mrad 焦距范围 50，150 mm 25，100 mm 25，100 mm 20 cm～＋∞ 20 cm～＋∞ 0.2 m～＋∞ 可显示像元 160×120 320×240 320×240 256×200 320×240 256×256 模/数转换 12 bit - 12 bit 12 bit 12 bit 8 bit 温度补偿 - 自动增益 - 有 内置 - 自动跟踪 - - - 三点温度 全景式温度 - 图像存储 - - 实时存储 20帧/盘 PCMCTA存50 - 输 出 VGA,NTSC,
PAL RS-70(B&W) VGA,RS170,
NTSC,PAL NTSA,PAL,模拟 内置5寸高分
辨率显示器 - 外置接口 RS232,RS422 RS-170 RS-170 RS232 RS232 - 电 源 充电电池 12 V(DC) - 220～240 V(AC) 充电电池 12 V(DC) 工作温度 - -40～54 ℃ - 0～40 ℃ 0～40 ℃ - 探测温度 -20～200 ℃ -18～523 ℃ - -40～300 ℃ -20～300 ℃ 0～100 ℃ 湿 度 - - - <90% <90% - 尺 寸 - 140 mm×114mm×114 mm - 185 mm×300 mm×181 mm 115 mm×220 mm×142 mm - 质量(头部) 4.1 kg 2.3 kg - 3.8 kg 2 kg 6.5 kg 制 造 商 美国CE公司 美国电子 法国CEDIP 日本航空 日本航空 中国 参考价(万美元) 6.0 5.5 17～22 6～8 6.0 3.5
各种探测法都有自己的优、缺点和使用范围，磁探测法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且火源温度较高，准确性较好，而对于井下出现的高温区域（≤100℃）则无能为力。气体探测法能预测高温区域温度，但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并受井下通风压力、风量的影响。探测煤的自燃温度来确定自燃位置，是一种可靠的手段，关键是用那种方法探测出隐蔽的高温区域及其自燃温度。测温仪表与测温传感器联合测温法，是一种实用的方法，但它受测温传感器布置数量和测温钻孔施工的影响；还受煤导热性能的影响。在红外探测法中，红外测温仪测的是点温，无法综合准确判断煤的自燃区域，但它可找出整个巷道温度异常的大致范围；而红外热像仪，是通过扫描成像测取温度，能在一个面上判断煤自燃高温区域；测温又简单、迅速、精确；红外热像仪测温又是目前测温领域的高新技术设备，故应用热像仪来探测煤自燃区域是可能的，它是煤炭自燃高温火源点区域探测的发展方向，但它也受到探测深度和煤炭自燃温度的限制。目前应用此法的最主要问题是根据测取的温度如何诊断煤体内是否存在高温区域。
4 结 语
根据上述高温区域探测方法的分析可知，目前仍没有一种可靠的探测方法能一劳永逸地解决井下煤炭自燃高温点区域探测问题，故在现阶段以测温仪表与测温传感器联合测温法和气体探测法为主来探测井下煤炭高温区域，并开展井下红外热成像仪测温法探测的研究工作。
来源：煤炭科学技术
原作者：程卫民 陈 平 崔洪义 王振平 张迎弟 王春耀 崔承禹
作者简介：程卫民 1966年生，博士，副教授，1988年毕业于山东矿业学院采矿系，获硕士学位，1997年毕业于中国矿业大学北京校区，获博士学位。主要从事矿井安全评价、智能信息管理及矿井降温空调和矿井防灭火的教学与研究工作，主持和参与项目10余项，其中2项获部科技进步奖；发表论文20余篇。地址：山东省泰安市，邮码：271019。
