专利名称：煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及煤矿井下煤炭自燃发火探测技术，特别是用于煤巷近距离探测煤炭自燃发火隐蔽火源点位置的煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法。
在现有技术中，国内外常用的煤炭自燃隐蔽火源探测法有磁探测法、电阻率探测法、氡气探测法、指标气体探测法、测温仪表与测温传感器联合测温法以及红外探测法等。磁探测法、电阻率探测法、氡气探测法主要适合于封闭火区且火源温度较高的场合，准确性较好，而对于井下出现的温度≤100℃高温区域则无能为力。指标气体探测法能预测高温区域的温度，但不能准确确定高温区域的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，关键是用哪种方法探测出隐蔽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。红外探测法属温度探测法，探测采用高新技术设备，是发展方向。红外探测主要有两种仪器红外探测仪和红外热成像仪，应用最多的是红外探测仪。俄罗斯采用红外探测仪、美国采用红外探测仪和红外热成像仪，探测煤壁和煤柱自燃温度和位置。已有技术对自燃火源点的判断方法是根据实测的红外能量场强的变化，而通过对根据煤炭自燃火源传热机理建立的热传导方程式进行反演解算、确定自燃火源点位置和温度的方法，未见报导。在国内，红外探测仪和红外热成像仪探测主要用于煤田地质调查、地质构造判断、地震预报、地下水探测等方面，用于探测煤壁和煤柱自燃温度和位置还未见应用。
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法，它用红外探测法来测定煤巷内的红外辐射能量场强，并通过对根据煤炭自燃火源传热机理建立的热传导方程式进行反演解算、确定自燃火源点位置和温度，达到煤巷煤炭自燃发火的早期预测预报。
本发明目的可以通过以下措施来达到煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法，是在煤巷开掘后和工作面形成、推进过程中进行的。其探测步骤如下①在确定探测的煤巷开掘后对整个煤巷进行测点布置和红外探测a．测点布置沿巷道延伸方向的间距一般为2～5米，在巷道横断面的顶、底板和两帮布置2～7个测点；b．探测红外辐射能量场强用红外探测仪，逐点测出红外辐射能量场强qr并记录；测量时，置仪器于探测精度适当的场强挡，红外辐射系数ε根据实测的井下实体煤的红外辐射系数预置；在测能量场强的同时，用该仪器的红外温度档，测量测点的表面温度T并记录；c．测量时间每周测量一次，若出现异常，测量时间缩短至1～3天一次，测得的能量辐射强度越高，测量时间间隔越短。
②找出煤巷隐蔽火源温度异常区段a．根据探测记录的红外辐射能量场强，绘制沿巷道延伸方向的红外辐射能量场强qr-z曲线图；b．由实测煤体表面辐射能量场强或qr-z曲线图分析，找出辐射能量场强的绝对量qr对量△qr与正常区段相比都明显增大、并且符合辐射能量场特点的区域，即可判定为隐蔽火源温度异常区段。所谓辐射能量场特点是指能量场强沿巷道延伸方向的变化是一个逐渐升高而后又逐渐降低、且呈基本对称变化的趋势。
③对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置a．在现场煤体中设置测温传感器，测定出煤体的原始温度Tw并记录；在现场取煤样，在试验室用热物性参数测定仪测定其热物性参数实体煤的密度ρc比热Cc、导热系数λc，以及孔隙率f，并记录；查取煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg等参数；松散煤体氧化散热量qh由实验测定，并记录；b．根据实测数据，通过对巷道松散煤体二维非稳态有内热源(自燃火源)的热传导方程式反演解算，确定隐蔽火源点的位置(xh、yh)及温度值Th。该热传导方程式如下ρcCc∂T∂t=qh+λc(∂2T∂x2+∂2T∂y2)-ρgCg(Qx‾∂T∂x+Qy‾∂T∂y)]]>式中ρc、Cc、λc-松散煤体的当量密度、当量比热、当量导热系数，qh-松散煤体的氧化散热量，ρg、Cg-煤体中气体的密度、比热，Qx-在x坐标方向上的热传导分量、是中间变量，Qy-在y坐标方向上的热传导分量、是中间变量，T-煤体内的温度场温度，t-时间，x-横坐标、即水平距离，y-纵坐标、即高度；初始条件T|t=0=Tw]]>边界条件-λcdTdt|x=r=qrmax]]>式中Tw-在t=0时即煤巷掘后初期探测的巷道煤体的原始温度；qrmax-在煤巷距火源点最近的测点位置、位于煤巷横断面X=r处的红外辐射能量场强值，是一个隐蔽火源温度异常区段内实测qr的最大值；qr-在煤巷中测取的各测点的红外辐射能量场强值；r-巷道的当量半径，其值为r2=X2+y2。
在上述热传导方程式中，松散煤体的当量密度ρe、当量比热Ce、当量导热系数λe，可由实测的实体煤的密度ρc、比热Cc和导热系数λc，分别根据下列三公式换算得出ρe=ρgf+ρc(1-f)Ce= Cgf+Cc(1-f)λe=1fλg+1-fλc]]>式中f-孔隙率，实测确定；ρg、Cg、λg-煤体中气体的密度、比热和导热系数。
在上述热传导方程式中，松散煤体氧化散热量qh是一个中间变量、温度的函数，通过实验测定。松散煤体氧化散热量qh与温度T的关系由如下公式表示qh(T)=6(1-f)d·H·C·Ko·e-ERr]]>式中d-煤的平均当量粒径，单位m，实测确定；C-煤体内实际氧浓度，实测确定；H(T)-每耗氧1mol产生的表面反应热量，单位J/mol，实测确定；Ko-频率因子，实验确定；E-活化能，实验确定；R-气体常数；T-绝对温度，单位°K。
本发明目的还可以通过以下措施来达到上述的步骤②、步骤③的b，可由程序控制电子计算机自动完成；具体内容如下②找出煤巷隐蔽火源温度异常区段a．将在煤巷中实测的红外辐射能量场强值qr输入电子计算机并存储；通过相应的程序控制电子计算机、绘制出沿巷道延伸方向的辐射能量场强qr-z曲线图；b．通过相应的程序控制电子计算机，判断出隐蔽火源温度异常区段；③对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置b．把现场测定的煤体原始温度Tw，实体煤的密度ρc、比热Cc、导热系数λc及孔隙率f，煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg，以及松散煤体的氧化散热量qh等参数，输入电子计算机并存储；通过相应的程序控制电子计算机，依据实测数据对上述松散煤体二维非稳态有内热源(自燃火源)热传导方程式进行反演解算，解出隐蔽火源点位置及温度。
本发明目的还可以通过以下措施来达到在步骤②之前，增加如下一个步骤找出煤巷的易氧化区段分析比较实测的红外辐射能量场强值，找出能量场强明显减小、与其它区段相比有异常的区段，可定为煤巷的易氧化区段；此后，重点在煤巷易氧化区段探测，以便找出煤巷隐蔽火源温度异常区段。
本发明红外探测法与现有技术相比有明显的优点①红外探测法不必接触被测物体，而测取的是能量场，通过能量场可综合判断煤的自燃区域。可实现煤炭自燃的早期预测预报。
②红外探测法受矿井井下影响因素少，灵敏度高，只要井下有微小的温度差异就能判断出来。
③操作简单、探测迅速、井下应用方便。
④探测费用少，经济合理。
附图的图面说明如下
图1巷道测点布置以及坐标设置、隐蔽火源点位置的示意2南屯煤矿4308轨道顺槽实测红外辐射能量场强qr和qr-z曲线图以下将结合实施例对本发明作进一步详述本发明红外探测法在煤巷开掘和工作面形成、推进过程中进行。煤巷开掘后，即可对整个煤巷进行探测，给出背景红外辐射强度；通过红外探测找出易氧化区段，然后通过进一步探测、特别是对易氧化区段的重点探测，找出煤巷隐蔽火源温度异常区段，由实测数据对热传导方程式反演解算，计算出隐蔽火源点的位置和温度。
现以南屯煤矿4308轨道顺槽隐蔽火源点的红外探测为例加以说明。4308轨道顺槽是南屯矿13上03工作面的轨道顺槽，该顺槽上部为13上04综放工作面采空区，探测长度为650米。具体的探测方法和步骤如下①首先确定4308轨道顺槽为探测巷道，在该顺槽开掘后，即可对整个煤巷进行测点布置和红外探测。
a．测点布置测点沿巷道延伸方向的间距为5米，650米的探测长度共布置150个测点。在巷道断面的上帮和下帮各布置一个测点，参见图1的TP1、TP3。
图1中，测点TP1位于上帮一侧，测点TP3位于下帮。上帮靠近采空区，采空区通常是隐蔽自燃火源的多发区。一般情况，测点沿巷道布置的间距为2～5米，在巷道横断面的顶、底板和两帮可布置2～7个测点。TP1～TP3为列举的八个可供选择的测点位置；例如探测初期选顶底板、两帮各一测点即TP1～TP4，发现异常，则增设TP5～TP3中的测点。图中的F表示隐蔽火源点，隐蔽火源点F坐标位置是xf、yf。x-y-z是三维坐标系，x轴是水平距离，y轴是高度，z轴与巷道横断面相垂直、即巷道延伸方向，O是坐标原点、r是巷道的当量半径。
b．探测红外辐射能量场强采用唐山煤科分院产ST6型防爆红外探测仪，对各测点测出红外辐射能量场强qr并记录。测量时，根据需要置仪器于探测精度适当的场强挡1档或2档；红外辐射系数ε根据实测的井下实体煤红外辐射系数预置，如0.95。场强挡1档分辨率为±0.5J,2档的分辨率为±0.3J。测场强的同时，用该仪器的红外温度档，测出测点的表面温度T并记录。测量数据存入仪器配置的小型存储器，或用笔记录。
c．测量时间每周测量一次；发现异常，测量时间缩短至1～3天一次，测得的能量辐射强度越高，测量时间间隔越短。
②找出煤巷的易氧化区段分析比较实测的红外辐射能量场强值，找出能量场强明显减小、与其它区段相比有异常的区段，可定为煤巷的易氧化区段。
③找出煤巷的隐蔽火源温度异常区段a．重点探测煤巷的易氧化区段，测出红外辐射能量场强并记录。所谓重点探测是指缩小测点间距、增加测点、缩短测量时间间隔。
b．将在煤巷中实测的红外辐射能量场强值qr输入电子计算机并存储；通过相应程序控制计算机、绘制出沿巷道延伸方向的辐射能量场强qr-z曲线图。
c．通过相应的程序控制电子计算机，由实测的煤体表面辐射能量场强qr比较判断，找出辐射能量场强的绝对量qr和相对量Δqr与正常区段相比都明显增大、并且符合辐射能量场特点的区域，即可判定为隐蔽火源温度异常区段。所谓辐射能量场特点是指，能量场强沿巷道延伸方向的变化是一个逐渐升高而后又逐渐降低、且呈基本对称变化的趋势。
南屯煤矿4308轨道顺槽实测的辐射能量场强qr和qr-z曲线图如图2所示。图2中，F为位于13上04综放工作面采空区内的自燃高温点；两条曲线为上帮测点TP1和下帮测点TP3的qr-z曲线，曲线图左侧为能量场强坐标、曲线图下方的三排数字分别为测点号、测点TP1和TP3的实测能量场强qr值。从图中曲线看出，有三处红外场强明显高于其他区域，它们是在4～5点处，间距5米；在46～56点处，间距60米；在102～105点处，间距15米。根据能量场变化特点判断，第一个和第三个区域不是煤炭自燃高温点，而第二个区域为煤炭自燃高温点。这样判断理由是第二个区域符合辐射能量场特点，另外的两处不符合这一特点、而是突变。经分析得知，在第一和第三个区域，巷道为了堵塞泄水孔，进行了锚喷，导致了辐射系数变化，使辐射能量增强。
④对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置a．在现场煤体中设置测温传感器，测定出煤体的原始温度Tw并记录；在现场取煤样，在试验室用热物性参数测定仪测定其热物性参数实体煤的密度ρc、比热Cc、导热系数λc，以及孔隙率f，并记录；查取煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg等参数；松散煤体氧化散热量qh是中间变量、温度的函数，由实验测定，并记录；
b．把上述记录的参数，输入电子计算机并存储；通过相应的程序控制电子计算机，对松散煤体二维非稳态有内热源(自燃火源)的热传导方程式进行反演解算，解出隐蔽火源点位置及温度。热传导方程式是根据煤巷松散煤体煤炭自燃火源的传热机理而建立。该热传导方程式如下ρeCe∂T∂t=qh+λe(∂2T∂X2+∂2T∂y2)-ρgCg(Qx‾∂T∂x+Qy‾∂T∂y)]]>式中ρe、Ce、λe-松散煤体的当量密度、当量比热、当量导热系数，qh-松散煤体的氧化散热量，ρg、Cg-煤体中气体的密度、比热，Qx-在x坐标方向上的热传导分量、是中间变量，Qy-在y坐标方向上的热传导分量、是中间变量，T-煤体内的温度场温度，t-时间，x-横坐标、即水平距离，y-纵坐标、即高度；初始条件T|t=0=Tw]]>边界条件-λedTdt|x=r=qrmax]]>式中Tw-在t=0时即煤巷掘后初期探测的巷道煤体的原始温度；qrmax-在煤巷距火源点最近的测点位置、位于煤巷横断面X=r处的红外辐射能量场强值，是一个隐蔽火源温度异常区段内实测qr的最大值；qr-在煤巷中测取的各测点的红外辐射能量场强值；r-巷道的当量半径，其值为r2=X2+y2。
在上述热传导方程式中，松散煤体的当量密度ρe、当量比热Ce、当量导热系数λe，可由实测的实体煤的密度ρc、比热Cc和导热系数λc，分别根据下列三公式换算得出ρe=ρgf+ρc(1-f)Ce=Cgf+Cc(1-f)λe=1fλg+1-fλc]]>式中f-孔隙率，实测确定；ρg、Cg、λg-煤体中气体的密度、比热和导热系数。
在上述热传导方程式中，松散煤体氧化散热量qh是一个中间变量、温度的函数；由实验测定。松散煤体氧化散热量qh与温度T的关系可由如下公式表示qh(T)=6(1-f)d·H·C·Ko·e-ERr]]>式中d-煤的平均当量粒径，单位m，实测确定；C-煤体内实际氧浓度，实测确定；H(T)-每耗氧1mol产生的表面反应热量，单位J/mol，实测确定；Ko-频率因子，实验确定；E-活化能，实验确定；R-气体常数；T-绝对温度，单位°K。
对上述热传导方程式进行反问题解算，即在已知边界条件和初始条件下，不知松散煤体的氧化散热量，通过对上述方程进行反演解算，求解火源点位置(xf、yf)及温度值Tf。求解南屯煤矿4308轨道顺槽的煤炭自燃高温点即第二个区域的演算举例ρe=1.274×10-3g/cm3、Ce=1.336J/g·℃λe=0.95×10-3W/cm·℃ ρg=1.196×10-3g/cm3Cg=1.01J/g·℃初始条件Tw=21.5℃边界条件qrmax=415J(焦耳)xf=7m yf=1.5mTf=78℃反演解算结果在第二个区域高温点F的坐标xf为7米、yf为1.5米，高温点F的温度Tf为78℃。
计算机程序内容包括煤巷高温火源点与其强度场的对应关系及其反演算法，测定数据的存储、对比、计算、自动绘图等。
编制平台Window 98；测定数据库用Visual Foxpro6.0编制；数据库包括测定数据数据库、矿井探测基本数据数据库、计算结果数据库；反演算法用Visual Basic6.0编制。
在上述通过程序控制计算机完成分析解算的步骤中，步骤③的b、c和步骤④的b，也可由人工分析计算来完成，包括由人工分析而用计算机辅助计算。当由人工分析计算来完成时，步骤③b、c和④b的具体内容如下③找出煤巷隐蔽火源温度异常区段b．人工绘制沿巷道延伸方向的辐射能量场强qr-z曲线图；c．由人根据实测煤体表面辐射能量场强或qr-z曲线图分析，找出辐射能量场强的绝对量qr和相对量Δqr与正常区段相比增幅都大、并且符合辐射能量场特点的区域，即判断出隐蔽火源温度异常区段。
④对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置b．把现场测定的煤体原始温度Tw，实体煤的密度ρc、比热Cc、导热系数λc及孔隙率f，煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg，以及松散煤体的氧化散热量qh等参数，输入电子计算机，通过人工控制电子计算机计算，对上述热传导方程式进行反演解算，求出隐蔽火源点位置及温度。
红外探测法工作原理
①红外探测法的实质是自然界任何物体只要处于绝对零度(0°K)之上，就会产生分子振动和晶格振动，都会自行向外发射红外电磁波，并形成红外辐射场。其辐射能量如下式E=εαT4式中ε-辐射系数，其值在0＜ε＜1，岩石和煤体一般在0.7～0.98；辐射系数受物体化学成分、表面状态、内部结构、含水量、空隙度等影响；α-斯蒂芬-玻尔兹曼常数；5.67×10-10/cm2·k4。
从上式中可看出，不同物体在同等温度下，辐射能量受辐射系数的影响，辐射能量场也不同；对于同一物体，物体的温度越高，辐射能量就越大，辐射能量场强度就越强。并且辐射能量场有能量、动量、方向和信息，煤层在向外辐射红外线的同时，必然会把煤体内的自燃信息，以场的形式反馈给我们。
红外探测法不同于红外测温红外测温是测取一个物体表面的具体的温度值，是测动温，是测物体的动热密度，需接触测量；而红外探测是从红外辐射能量场的理论出发，建立场与场源的对应关系，根据场的变化规律，来确定不可见目标——稳蔽火源的存在与否及其性质，属非接触测量，能穿过真空层。
②判断易氧化区段的依据根据巷道煤炭自燃规律可知，煤炭自燃易发生在空隙裂隙发育段、小构造密集带、破碎带以及应力集中的煤体压裂部位。这些区段的一个共同特点是介质密度低，氧化能够深入，并能产生充分氧化。红外探测时，辐射能量场强减小、与其它区域不一致，从而成为确定煤巷易氧化区段的依据。
③判断温度异常区段的依据当易氧化区段条件适宜，就会进入低温氧化阶段。在此阶段煤能吸附氧，生成不稳定的氧化物，并放出少量热量，与此同时，化学性质变得活跃起来，分子振动比氧化前增强，但是随着煤温逐渐地升高，产生热量增多，煤体内外温差加大，形成自然风压，煤体内部高温区域发生变化，辐射能量比以前增大，就与正常地段的正常红外辐射场有明显增强。
④根据煤巷松散煤体煤炭自燃火源的传热机理，建立了上述的巷道松散煤体二维非稳态有内热源(自燃火源)的热传导方程式，并以该热传导方程式作为进行反演解算、确定隐蔽火源点位置和温度的依据。
权利要求
1．一种煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法，在煤巷开掘后和工作面形成、推进过程中进行，其探测步骤如下①在确定探测的煤巷开掘后对整个煤巷进行测点布置和红外探测a．测点布置沿巷道延伸方向的间距为2～5米，在巷道横断面的顶、底板和两帮布置2～7个测点；b．探测红外辐射能量场强用红外探测仪，逐点测出红外辐射能量场强qr并记录；测量时，置仪器于探测精度适当的场强挡，红外辐射系数ε根据实测的井下实体煤的红外辐射系数预置；在测能量场强的同时，用该仪器的红外温度档，测量测点的表面温度T并记录；c．测量时间每周测量一次，若出现异常，测量时间缩短至1～3天一次，测得的能量辐射强度越高，测量时间间隔越短；②找出煤巷隐蔽火源温度异常区段a．根据探测记录的红外辐射能量场强，绘制沿巷道延伸方向的红外辐射能量场强qr-z曲线图；b．由实测煤体表面辐射能量场强或qr-z曲线图分析，找出辐射能量场强的绝对量qr和相对量Δqr与正常区段相比都明显增大、并且符合辐射能量场特点的区域，即可判定为隐蔽火源温度异常区段；所谓辐射能量场特点是指能量场强沿巷道延伸方向的变化是一个逐渐升高而后又逐渐降低、且呈基本对称变化的趋势；③对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置a．在现场煤体中设置测温传感器，测定出煤体的原始温度Tw并记录；在现场取煤样，在试验室用热物性参数测定仪测定其热物性参数实体煤的密度ρc、比热Cc、导热系数λc，以及孔隙率f，并记录；查取煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg等参数；松散煤体氧化散热量qh由实验测定，并记录；b．根据实测数据，通过对巷道松散煤体二维非稳态有内热源即自燃火源的热传导方程式反演解算，确定隐蔽火源点的位置(xh、yh)及温度值Th；该热传导方程式如下ρcCc∂T∂t=qh+λc(∂2T∂x2+∂2T∂y2)-ρgCg(Qx‾∂T∂x+Qy‾∂T∂y)]]>初始条件T|t=o=Tw]]>边界条件-λcdTdt|x=r=qrmax]]>其中步骤②、步骤③的b为特征部分。
2．根据权利要求1所述的煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法，其特征在于所说的步骤②、步骤③的b，可由程序控制电子计算机自动完成；具体内容如下②确定煤巷隐蔽火源温度异常区段a．将在煤巷中实测的红外辐射能量场强值qr输入电子计算机并存储；通过相应的程序控制电子计算机、绘制出沿巷道延伸方向的辐射能量场强qr-z曲线图；b．通过相应的程序控制电子计算机，判断出隐蔽火源温度异常区段；③由实测数据对热传导方程式进行反演解算确定隐蔽火源点位置b．把现场测定的煤体原始温度Tw，实体煤的密度ρc、比热Cc、导热系数λc及孔隙率f，煤体中气体的密度ρg、比热Cg、导热系数λg，以及松散煤体的氧化散热量qh诸参数，输入电子计算机并存储；通过相应的程序控制电子计算机，依据实测数据对上述松散煤体二维非稳态有内热源即自燃火源的热传导方程式进行反演解算，解出隐蔽火源点位置及温度。
3．根据权利要求1所述的煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法，其特征在于在所说的步骤②之前，增加如下一个步骤确定煤巷的易氧化区段分析比较实测的红外辐射能量场强值，找出能量场强值明显减小、与其它区段相比有异常的区段，可定为煤巷的易氧化区段；此后，重点在煤巷易氧化区段探测，以便找出煤巷隐蔽火源温度异常区段。
全文摘要
一种煤巷煤炭自燃隐蔽火源点位置的红外探测法,用于煤矿井下煤巷煤炭自燃发火的近距离探测和预报。通过在煤巷中布置测点,测量测点的红外辐射能量场强,找出煤巷易氧化区段、隐蔽火源温度异常区段,通过对煤巷松散煤体二维非稳态有内热源的热传导方程式反演解算,确定隐蔽火源点位置。红外探测不必接触被测物,受井下影响因素少,灵敏度高,可实现煤巷煤炭自燃发火早期预测预报;操作简单、探测迅速、井下应用方便,探测费用少。
文档编号G01K11/00GK1301956SQ9912045
公开日2001年7月4日 申请日期1999年12月28日 优先权日1999年12月28日
发明者崔洪义, 程卫民, 王振平, 陈平, 刘守华, 张广文, 陶云春, 夏孝民, 吕子清 申请人:兖矿集团有限公司, 山东矿业学院