采空区隐蔽火源探测及声学法煤温感知新技术探讨*

2021-07-12蔡国斌李睿涵

中国安全生产科学技术 2021年6期

郭军，李帅，蔡国斌，李睿涵，金彦

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054；3.国家矿山应急救援(西安)研究中心，陕西西安 710054)

0 引言

煤炭是重要的工业原料，目前依然是最重要的能源资源。在煤炭开采、储存和运输过程中，煤自燃是可能发生的较严重的事故类型[1-3]，是世界范围内亟需解决的重要问题之一，若处置不当，可能会造成社会和生态失衡[4-5]。在中国、美国、捷克、西班牙、德国、澳大利亚、印度、波兰等主要产煤国，地下煤火问题对环境造成严重破坏[6-7]。采空区面积随着煤炭开采深度和强度的增加不断扩大，煤自燃危险也越来越严重[8]。尤其在高瓦斯矿井中，煤自燃灾害极易导致瓦斯或煤尘爆炸等次生灾害发生[9]。

煤自燃是煤和氧自发反应放热所致，其形成和发展是通过自发的、缓慢的、动态变化的放热、聚热、升温导致快速反应，最终引起燃烧的非线性动态过程[10-11]。煤氧复合反应越到后期，反应速度越快，煤体升温也更快，导致防控难度呈指数增长，因此煤自燃灾害的早期精确预警是煤自燃高效防控的关键[11-12]。然而，由于漏风通道的多源多汇与非稳态强度，使得采空区的松散煤体长期暴露在有氧环境下，导致煤自燃高温点具有位置随机、燃烧状态不明等隐蔽特征，影响煤火高温点的准确判定及高效防控，威胁煤矿的安全高效生产[13-14]。因此，精准定位采空区煤体的自燃区域以及井下煤自燃危险区域的温度场实时监测，对采空区等地下隐蔽火区煤自燃的早期预警与精准防控具有重要的现实意义。

目前，尚未研发出快速准确定位煤自燃高温区域并监测其温度场演变的成熟技术方法。采空区等地下隐蔽火源现有的测温方法受限于采空区复杂环境和技术瓶颈，多数探测技术均难以精确判定采空区等地下隐蔽火区自燃火源的位置或范围。采空区煤自燃高温点的精准判定一直以来都是世界性难题。近年来，声学法测温技术在粮仓等领域广泛应用[15]，相较于其他测温方式，声学法测量温度场具有测温区域广、量程大、精度高、非接触、实时连续和操作便捷等显著优点[16]。从测温原理上，声学法能够满足地面煤堆自燃高温点的探测要求，有望成为采空区等地下隐蔽火源位置精准探测和发展前景良好的方法。

本文总结和分析现有煤自燃测温技术的研究进展和技术瓶颈，结合声学测温技术在其他领域的应用原理和技术实现方式，探讨声学测温技术在采空区松散煤体温度反演探测领域应用的可能性，并分析在测定煤温时应用最小二乘法原理与Multiquadric插值法进行分层建模的可行性，为声学测温技术在煤层测温领域提供新的思路。

1 煤温探测感知技术现状

目前较为主流的温度测量方式包括接触式与非接触式2类。接触式是指感温元件与介质直接进行接触测量，如液体膨胀式温度计、热电偶温度计等；非接触式温度计则不需要感温器件与被测物体直接接触，但存在测温滞后的现象，如光学高温计、声学测温等。因介质接触测温元件时可能出现部分破坏[17]，现代测温技术的应用更偏重于非接触测温的方式。

煤层测温与其他领域测温不同，因地下的煤层地质情况和采空区漏风复杂，且无法详尽获得煤层的内部信息，又因其空间大、地质构造、煤岩热导性差，故目前大多采用非接触式温度测量方法，如红外探测技术、光纤探测技术、指标气体测温技术，热电偶测温技术、同位素测氡法等。

1.1 红外探测技术

依据自然界中物体辐射出红外线波长的不同，将红外线分为近、中、远、极远红外线4类。红外探测技术的原理是将红外探测器捕捉的红外线转化成为电信号，经过一系列数据处理，在显示屏上得到相应的热像图。

Du等[18]将红外线探测技术原理应用在煤层测温中，将煤堆孔隙中辐射出的红外能量进行捕捉，利用相似模型在红外探测器上得到温度的分布情况，结合多种测温手段预测煤层自燃信息；文虎等[19]依据煤层自燃的规律与煤层条件，建立运用红外技术探测隐蔽火源的实验模型，提出采空区隐蔽火源反演识别和煤自燃发火隐患探测与识别在红外领域的应用技术。红外成像测温技术在某矿密闭墙处的应用如图1所示，其中，图1(a)显示密闭墙漏风处温度高达20.18 ℃，图1(b)显示回风巷道煤柱破碎区温度高达46.81 ℃，图1(c)显示工作面架后及架顶处最高煤温分别达到36.95 ℃和34.25 ℃。

红外测温技术目前通常只能探测煤体表面或反映浅表层的煤温，而煤自燃高温点通常分布在一定深度的煤层内部，故红外测温技术在煤自燃温度探测领域有一定的局限性。

1.2 光纤测温技术

光纤中传播光脉冲时会产生拉曼散射、布里渊散射与瑞利散射。目前主要采用拉曼散射测量温度场，即利用光脉冲在光纤中拉曼散射的斯托克斯光(Stokes)与反斯托克斯光(Anti-Stokes)之比进行反演，求解温度的变化。

Yuan等[20]介绍光纤测温技术的原理，提出利用实用新型光纤测温技术实现采空区的高温判定，依据光纤测温结果与氧气含量相比对，精准判定“三带”位置；Saiied等[21]基于拉曼散射的光缆测温技术原理，采用DTS(分布式温度传感)系统与NS(Nova-Sina数字温度计数字温度计)，对昆士兰大学实验矿井的环境温度进行实时监测，且使用OTDR(光时域反射仪)技术在单项模式下测量，降低系统的使用成本，提升测温的精准性与信号接收的稳定性。

在矿下复杂的环境中，分布式光缆容易老化损坏，可能存在局部放电问题，且围岩放热对光纤测温也存在一定影响。老化损坏光缆因存在维护困难等缺陷使光纤测温存在诸多不确定性。此外，由于煤的导热性差[22]，若测温光纤未能布置在高温点时，很难真实反映采空区的煤温。

1.3 指标气体测温技术

指标气体测温技术是在模拟煤自燃过程中，收集并测定此过程产生的气体，依据指标气体的浓度来反演煤温。该技术相对成熟，已在煤矿现场进行大量应用，并取得较好的效果。

西安科技大学防灭火团队将煤自燃反应特征温度进一步细分为潜伏、复合、自热、临界、热解、裂变、燃烧7个阶段，如图2所示。在煤温的不同阶段选取预测煤自燃的指标气体为CO，O2，C2H4，ΔCO/ΔO2，C2H4/C2H6等，且依据指标气体的浓度来判断煤自燃的危险程度[22-23]。Wang等[24]利用Fluent软件对3205采空区遗煤自燃进行数值模拟，明确划分采空区“三带”区域，利用管束对采空区瓦斯数据进行检测，比对模拟数据，从而预判采空区域的发火程度。

图2 煤自燃7阶段精细划分示意

指标气体测温技术的气体采集装置目前还存在采空区布点困难、抽气装置的气体传输距离长、管路易漏气、检测周期长、成本高等问题。

1.4 热电偶测温技术

热电偶测温技术基于塞贝克效应进行测温，将A,B 2种不同的导体或非导体进行焊接，使之形成1个闭合回路，当2种材料存在温差时，在回路中便形成感生电动势，从而生成电流，利用电流的大小标定温度。

申文斌等[25]利用热电偶的冷热端温度变化产生的电压关系，对屯兰矿采空区域的温度变化进行具体分析，并对某工作面的采空区“三带”进行划分，热电偶测定温度时，具有精确度较高、性能稳定、成本较低等优点，但应用于矿下时，需要铺设较长的线路；电线分压对测量值有影响，且后期的维护不便，线路绝缘皮老化漏电对测定结果也有干扰；此外，也存在与光纤测温技术同样的难题，即难以将测点布设在高温点，故所测温度较难准确反映真实煤温。

1.5 同位素测氡法

氡是1种可在煤层裂缝中传播的放射性惰性气体，氡的析出受温度、压力、构造等影响，故可通过收集氡气或测量其子体释放的α射线进行煤温的反演。常用方法包括瞬时测量法与累计测量法。

Wen等[26]结合同位素测氡法的理论及试验研究，针对采空区火源温度及位置提出1种探测深部矿井采空区隐蔽火源的方法，得出煤自燃距风口位置、自燃煤体温度与氡析出量的变化关系。

同位素测氡法是目前应用较广的1种矿井火灾防治技术，但运用累计法和瞬时值法进行探测时发现2种方法测量结果存在差别大、工作量大、周期长、经济成本高等缺点。

此外，在煤层测温中还借助磁法、地质雷达等物探法[27-28]对火源位置进行探测，但其对于施工条件要求严苛且探测成本较高。

2 声学法测温技术现状

2.1 声学测温原理

声学测温法的原理是基于声波传播速度与介质温度之间的单值函数关系，根据声波在介质传播过程中声速或声波频率的改变受到传播介质温度的影响，来反演温度场问题，即利用发射特定频率的声波，测算声波飞行的时间及声波传播的距离，以计算声速，进而反演出温度并重构温度场，或是通过采集分析物质燃烧产生的燃烧音来判断火灾信息，其原理如图3所示。声波测温探火计算具有测量精度高、时延性小、测量温度范围宽、可测空间大、实时连续等特性[16]。

图3 声学法测温探火技术

在应用声学法进行温度探测领域，Shen等[29]运用最小二乘法与径向基函数插值改善经典算法下重建结果在边界区域的温度缺失问题，结合二者的优势，提高经典算法的温度场重建的效果；李言钦等[30]利用comsol软件与波动方程建立声波在温度场中的传播模型，运用合理的模拟声源来优化实验中的脉冲声信号，利用不同的边界条件探究炉膛对声速和声音传播过程中的影响。在模拟结果中将脉冲声波转变为声波波阵，在炉膛内部火山口与单峰状断面的二维温度场条件下，传播路径与波阵面均可视化。

2.2 声学测温模拟方法

1)最小二乘法

最小二乘法又称为最小平方法，是1种寻求数据最佳函数匹配的数学手段，将数据的误差平方达到最小[31]。因其具有操作简单、计算方便快速的特点，在各类研究中被广泛采用[32]，也是目前温度场重建中最常应用的经典算法，其优势主要体现在：1)方便从大量杂乱无章的实验测量数据中发现其内在的规律；2)着重拟合能够表述数据走向规律与发展趋势的曲线或函数，削减局部扰动对整体的影响；3)确保求解的结果与实际数据间的误差平方达到最小，依靠数据间的趋势与规律，根据先验数据得出未知数据。文献[33]在研究声波传播过程中存在的衰减特性时提出利用最小二乘法重建温度场，并将待测区域划分为若干小块，形成有效声波传播路径，利用矩阵法对其进行求解。但最小二乘法无法处理边界值的温度。

2)SVD算法

SVD(奇异值分解)算法的数学基础为矩阵的奇异值分解理论[34]，某些病态的稀疏矩阵会致使结果中存在诸多趋近于零的奇异点，如果奇异值的高频分量存在噪声，会使得此部分噪声放大，而正则化处理包含吉洪诺夫(Tikhonov)正则化与截断奇异值分解(TSVD)正则化2类。吉洪诺夫正则化在处理过程中为阻尼噪声加入1个滤波因子，奇异值截断正则化是将噪声源截取去除后进行求解。在三维温度场中当噪声严重时，使用截断奇异值求解更为快速和有效。

3)迭代法

迭代法[35]是目前快速求解大型线性方程组的方法之一，近年来，最优化与有效化求解使得迭代法在大型线性方程组中广泛应用。求解过程中仅借助一阶倒数，使计算过程收敛迅速，且绕过计算与储存海塞矩阵逆矩阵的缺点，使得求解更加迅速，减少计算的响应时间。但在求解大型不适定方程组问题方面还有待研究。此外，经典的迭代法算法还包含ART(代数迭代重建)算法与SIRT(尺度不变特征变换)算法。ART算法与SIRT算法是2种并行的CT迭代算法，ART迭代算法技术被Hounsfield应用于医学CT中后在该领域中得到广泛发展，SIRT在此基础之上发展而来，具有一定的抗干扰能力，对误差信息敏感性较差[36]。

2.3 声波测煤温技术应用现状分析

1)声学测温技术应用

目前声波测温技术已经广泛应用于炉膛测温，用于检测炉膛出口气体温度，Shen等[29]应用最小二乘法与Multiquadric插值法改进温度场的重建算法，提高经典算法的温度场重建的效果；邓喆等[37]利用最小二乘法与BP神经元模型进行分层建模，提高整个系统的自适应性，使得误差范围更小；文献[38]借鉴炉膛等声学测温技术，开展基于声学法仓储粮食温度场检测的研究工作，探讨在声学CT温度场重建过程中声波接收器与发射器的布局位置对其结果的影响，并利用不同的方式对重建后的温度场质量进行评价。

Bramanti等[39]依据声学测温系统重建的锅炉温度二维分布图象，提出2种新型重建算法，但由于当时技术条件限制，先验信息难以获取，且对温度场重建过程有较大影响，使得测算结果的边界值存在趋于零的奇异点；Lu等[40]研究表明声波在非均匀的温度场中并非沿直线传播，而是发生折射现象，传播路径弯曲。由此提出声波的“弯曲效应”概念，将最小二乘法与迭代法相结合弥补弯曲效应所带来的影响，但存在迭代计算时间延迟及最小二乘法的计算精度有限等问题。国内外关于声学测温的理论经过几十年的研究，已逐步趋于成熟，典型的有美国SEI公司开发的Biolerwatch系统及Entertechnix公司推出的Pyrometrix系统，但由于实时的环境模拟过于简单、声波的延估误差较大等原因，使得温度场重建仍存在较大的提升空间。

2)声学法煤层测温技术应用前景分析

随着计算机技术和声学理论研究的不断发展，因声学测温技术表现出的测温区域广、量程大、精度高、非接触、实时连续和操作便捷等显著优点，其已广泛应用于大气空间、湖海水下、锅炉炉膛、颗粒粮食仓储等场景的温度探测及火灾信号探测领域。

基于声学测温和火灾探测技术原理，煤火发生演化过程中也会有相应温度信号产生，而且煤体的力学性质、采空区内松散煤体形成的多孔介质等特征与仓储颗粒粮食类似。基于现有粮仓、炉膛的声学测温技术测定煤层温度，并在建模时应用最小二乘法原理与Multiquadric插值法进行分层建模，可解决采空区域大量硬边界温度数据丢失问题；此外，BP神经网络的深度学习系统根据实际的情况，可进行深度学习并不断调整目标函数，使得输出结果的数值更加贴近实际情况，从而更优显示井下采空区域的温度分布情况。将所建模的新系统实际应用于工程问题中，结合煤层温度状况，收集并建立实验数据库，并利用BP神经算法使系统深度学习，使得建模系统更加适应实际环境，以达到测量煤层温度的目的。

综上，如解决了松散煤体声学测温过程中各种算法及探测技术问题，声学法可满足采空区煤自燃高温点的探测要求，有望成为井下采空区隐蔽火源位置精准探测发展前景良好的1种方法。