热动力灾变时期井巷环境红外光场特性分析

王雁鸣+李印+吕鑫+王文正

摘 要：矿井热动力灾害严重威胁安全生产及职业健康。基于光学在线监测方法，文章建立了受限空间内非灰参与性介质红外辐射传输模型，分析了灾变时期井巷环境的红外光谱选择特性。根据红外光场特征信息设计了矿井热动力灾变光学预警波段。

关键词：热动力灾害；光学监测；红外特性

中图分类号：O434.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0013-03

Abstract： Mine thermal power disaster is a serious threat to the safety of production and occupational health. Based on the optical on-line monitoring method， the infrared radiation transfer model of non-gray participatory medium in confined space is established， and the infrared spectrum selection characteristics of the environment in the disaster period are analyzed. According to the characteristic information of infrared light field， the optical warning band of mine thermal power disaster is designed.

Keywords： thermal disaster； optical monitoring； infrared characteristics

引言

随着矿井机械化水平的提高以及开采深度的增加，矿井火灾、瓦斯等热动力灾害产生的有毒有害气体以及烟尘粒子等大量弥散于巷道内并污染通风网络，严重威胁煤矿的安全生产及职业健康[1]。热动力灾害时期，灾变源向井巷中释放大量毒烟尘，主要包括瓦斯、一氧化氮、氨气、一氧化碳、二氧化硫等气体，并随着矿井通风系统逐渐污染整个作业环境[2-4]。同时煤矿井下在采煤、掘进、运输等生产过程中也会不断产生大量的矿尘粒子，并随着井下通风系统持续扩散到整个大气环境中。煤矿井下大气环境中的有毒有害气体和矿尘粒子严重威胁着矿井的安全生产和工人的生命健康。当矿井中的有毒有害气体浓度过高时，可直接造成井下作业工人的死亡。瓦斯气体伴随煤尘粒子，在适宜的氧气浓度以及点火源的条件下可导致瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸事故的发生[5]。

目前，国家能源战略已将“煤矿灾害”的防控列入公共安全中的科技重大战略需求内容，要求“提高早期发现与防范能力”和“增强应急救护综合能力”，并将“重大生产事故预警与救援”列入了公共安全领域的优先主题。因此，开展煤矿井下灾害早期识别与预警方法的基础研究，在矿井重污染环境背景中实现热动力灾害的监测识别具有重要的现实意义，是落实坚持安全发展和有效遏制重特大安全事故的迫切需求。本文从光学监测识别矿井灾害的角度出发，针对灾变时期井巷环境的红外光学信息演化特性进行模型分析。

1 热动力灾害烟气的红外吸收特性

对于热动力灾害释放毒烟气（如CH4、CO等）的辐射特性计算，逐线计算法是目前最为准确的方法，但不适合于工程应用，而窄谱带模型是一种广泛应用于工程计算中的简化模式[6]。针对煤矿典型灾害气体（CH4、CO等）的吸收特性，本文以HITRAN光谱数据库为基础[7]，采用Young数值平均方法计算谱带模型参数：

针对典型热动力灾害毒烟气，分别对CH4、CO在标准状态（1atm，300K）下400-4000cm-1波段内的光谱吸收特性进行了比较分析。

从图1可以看出CH4气体在标况下的吸收系数在400-4000cm-1光谱范围内存在两个明显的吸收谱带。其中第一个吸收谱带出现在1225-1335cm-1波段，整个吸收谱带内存在三个明显的吸收峰并在1332cm-1处达到最大值7.34m-1。CH4气体的第二个吸收谱带出现在2850-3130cm-1波段内，本吸收谱带在3015cm-1处存在一个强烈的吸收峰且其吸收系数达到了19.7m-1，而其他相对较小的吸收峰基本保持在7m-1以内。

从图2中可以看出CO气体在标况下在400-4000cm-1波段范围内仅在2050-2200cm-1波段存在明显的吸收谱带。整个吸收谱带在2110cm-1处达到最大值17.65m-1，并且分别在2212cm-1、2173cm-1、2125cm-1、2080cm-1处存在弱吸收峰，其峰值均稳定在5m-1以下。

2 热动力灾变井巷红外特性

考虑粉尘粒子的衰减散射作用和气体的辐射热吸收作用，为获得矿井含尘大气环境的辐射传输特性，采用离散坐标法在一维方向上求解[8，9]。对于非灰发射-吸收-散射介质，辐射传输方程可表述为：

假设粉尘粒子是非灰表面介质，辐射边界条件可以定义为：

对于有限坐标方向上，辐射传输方程可以由离散方程组代替，如下：

考虑热动力灾害涌出CO、CH4、烃类等毒烟气及其红外辐射特性，应用上述模型数值计算获得了灾变时期矿井环境的红外透过特性，结果如图3、4所示。

当矿井含尘大气中同时存在CO和CH4气体时，矿井大气的红外辐射光谱在400-4000cm-1范围内同时存在三个吸收谱带。其中第一个和第三个吸收谱带是CH4气体的吸收谱带，第二个是CO的吸收谱带，同时CO和CH4气体的吸收谱带不存在谱带重合。在400-4000cm-1尺度范圍内CO气体在2050-2200cm-1谱带内有明显的吸收谱带，并且在2095cm-1存在吸收峰。其他谱带内矿井含尘大气的辐射透过光谱仅受到粉尘粒子衰减散射作用。endprint