近巷煤体高温区域红外成像探测与分析_秦汝祥.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COAL GEOLOGY 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采 省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001; 3.平煤集团十一矿，河南平顶山467000 摘要煤炭自燃高温点的检测与判定是矿井火灾防治的基础工作，也是矿井防灭火方案制定的前 提。利用红外热像仪测试煤巷壁面煤体温度场分布，排查全断面高温点，找出近巷煤体禹温点； 依据巷道壁面与巷道风流的温度差，确定煤巷高温区域。探测显示，煤巷高温区域主要集中在断 层带附近，由此可知巷道煤体破碎、漏风是导致煤炭自热的主要原因。在此基础上制定了向高温 区域打钻压注MEA（一种商业高分子材料）封堵剂的治理措施，使得高温区域钻孔内co浓度从 100160 ppm0.004 50.007 I mol/rn3）降至10pprn0.000 45 mol/m3），有效地降低了煤巷温度，为矿 井防灭火提供了依据。 关键词．煤炭自燃；高温探测；红外热成像；MEA 中图分类号P631文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2014.04.020 Detection and analysis of high temperature area of coal near roadway by infrared thermal imaging 2 I 3 QfNRuxing气TAOYuan , HE Zongli-, CHEN Kai （］泣’hoofa/Energy and Sc扩ety,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. Key Laborato1J of Mine Safety and Highly Efficient M川ngjointly built by Anhui Province and the M川stryof Ed11ca1ion, School of Energy and Saj句，AnhuiUniversity of Science and Technology, Huainan 23200 l, Chi月a; 3. I啦，lI Mine, Pingdingshαn Coal lnduslfy Group, Pingdingshan 467000, China Abstract As the basic work of fire prevention and control in coal mines, detecting and finding out the high temperature area are one of the preconditions of making fire prevention plan. In this paper, the temperature field of coal wall in roadway is tested by infrared thermal imaging, and the high temperature area of the coal is checked out compared with airflow temperature. The result shows that the high temperature area is mainly concentrated nearby a fault zone, from which it can be known that the crushed coal and air leakage are the m句orcauses to induce spontaneous combustion. According to this finding, the measures of injecting MEA into the high temperature area have bcen taken, making CO content decrease from l 00160 ppm tolO ppm. Key words coal spontaneous combustion; detection of high temperature area; infrared thermal imaging; MEA 常温下，煤与氧气接触会发生缓慢氧化，放出热 量。当产生的热量大于散热时，煤体升品加速氧化进 程，促使泪度进一步升高，甚至达到燃点发生自燃。 研究认为，煤炭泪度达到60～70℃后，自燃发展会很 迅猛。因此，在煤炭自热初期准确找1/-1高温点，并采 取有效措施是矿井火灾防治下作的重点。 煤矿井下高温点的探测，主要有温度探测法、 气体探测法、电础探视J、电阻探视｜｜和数理解算等技 术［Iη。电磁、电阻探测受煤矿井下干扰因素的影响 大，精度有待提高；数理解算过程复杂难以推广；视J 温法和气体探测因其操作方便，应用较多。气体探测 主要依据自燃气体产物的种类和推度判断自燃地点 收稿日期2013-02-15 和自燃程度，但受漏风路径和自燃煤体数量的不确定 性的影响，气体探测很难准确判断井下高温点位置和 自热程度。 煤炭自热过程中，放出的热量会引起高温点周围 煤体，甚至风流的温度升高，通过测试煤体或煤体周 围巷道风流温度的变化，可以预测煤炭自热发展阶 段，为预防煤炭自燃提供依据。测温主要有测温传感 器和红外探测。测温受传感器布置位置、范围和数量 的限制［町，而红外探测成为了国内外探索研究的主要 方面。红外探测仪器主要有红外测温仪和红外成像 仪。红外成像仪能测试矿井巷道表面温度场，以此判 断近巷煤体中的高温点位置。 基金项目国家自然科学基金项目（50974003）；安徽高校省级自然科学基金项目（KJ20l 3a096 作者简介秦汝祥（1975 ），男，江苏高邮人．博士，副教授．从事煤矿通风安全方面的教学与研究 ChaoXing 第4期秦汝祥等近巷煤体高温区域红外成像探测与分析 91 1 红外探测原理 红外线是从物质内部发射出来的一种电磁辐射； 其热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度。煤 炭自燃后，红外辐射能量增强［町，但这种趋势在一些 波段内较强，在另一些波段内不够明显。通常将红外 辐射能量变化较大的区域称为可探测波段。煤炭自燃 可探测波段主要在8.0～15.1m。 依据斯蒂芬一披尔兹曼辐射定律，任何物体只要 处于绝对零度（0K）以上，就会产生分子振动和晶格 振动，都会向外发射红外电磁波，并形成红外辐射场。 辐射场与幅度之间具有下式所示关系 E ＆αT4 1 式中E为辐射通量密度，W/m2;＆为辐射系数；α 为斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.671012W /m2K4; T 为泪度。 由式1）可知，红外辐射通量密度与温度成四次 方的关系，温度变化可引起辐射通量密度较明显的变 化。因此，测试煤体红外辐射通量能较为精确地反演 煤体的温度值。煤矿用红外探测仪主要有红外测温仪 和红外成像仪。红外成像仪能直观表现高温区域与背 景温度之间的差值，其应用前景更为广阔。 2 煤巷高温区域探测 测试地点为某矿下分层工作面巷道。由于煤层顶 板为细中砂岩，胶结程度低，下分层工作面回采期间 在工作面机、风巷之间形成漏风，导致下分层上部煤 体尤其是巷壁煤体氧化自热。 2.1 探测方案 探测断面分巷道左帮、右帮和顶帮3个区域探 测；巷道径向，每隔4～Sm布置一个测站，当植度异 常时，测点间距缩短至2～3m，实现全面排查。 2.2 测试结果及分析 采用枫特公司生产的YRH250矿用本质安全型 红外热成像仪，对下分层工作面机巷和风巷的巷道壁 面进行了探测，测试结果如图l一图4所示。 1.6 1.2 E t主0.8 凶 。司 0.4 0.4 0.8 1.2 I .6 肌肉’Im 佟Jt 风巷距外口门00m处下帮热像罔 Fig. I Infrared thermogram of downside at l l 00 m from tailgate 1.2 . 0.8 任运主 0.4 。 。0.4 0.8 1.2 出1禹Im 1.6 图2风巷距外口门42m处上前红外热像罔 Fig.2 Infrared thermogram of upside at l 142 m from tailgate 1.6 1.2 E 在主0.8 B司 0.4 0.4 0.8 1.2 1.6 的i禹Im 图3机巷距离外口863m处上市红外热像陕｜ Fig.3 Infrared thermogram of upside at 863 m from maingatc 1.6 1.2 E 区0.8 崖 0.4 0.4 0.8 1.2 1.6 的；ti耳Im 罔4机巷距离外仁I725 m处顶板红外热像罔 Fig.4 Infrared thermogram of roof at 725 m from maingate 由图l和图2可知，距风巷外仁ll 100 m处的下 帮局部地点温度达38.25℃，比i支点的巷蓝风流温度高 出了约5℃（图5）。距风巷外口l142 m处存在明显的 大面积高温区域，最高点泪度37C，高「H巷道风流氓 度约3℃。对比罔5结果．风苍白温区域主要集中 65432 u r气怅－E 。］一」ι..l.-......1-- 369币89/.19 940 I 093 I 383 I 444 I 541 I 638 因』民lIf外门出』t询Im ｜零15风巷煤壁最高泪度与风温差 Fig.5 Temperature difference between airflow and the highest temperature of coal wall in tailgate ChaoXing 92 煤田地质与勘探第42卷 在风巷距离外口720～740m、940～l120 m和I550 I 660 m芝个区段内。实际上．这飞个高温区域均是断 层带，煤体破碎，易于氧化。 罔3和图4是机巷局地红外专辑像测试结果图。其 中最高点温度达到39.94℃，机巷距离外口950m以 里，温差在5℃度以上，局部区域（1030l 100 m）温 差在8C以上（罔6）。从图6的温度变化趋势看，距离 机巷外口950m位置巷壁煤体开始出现自热现象，约距 外口I200 m以里，温差下降，说明从1200 m以里煤 壁氧化自热诚小。对煤厚度变化的调查表明，950～l200m 范围内煤层变厚，高出平均煤厚约2m，上分层开采 后，该位置留有大量遗煤，受采动影响，裂隙发育， 通风供氧充分，氧化蓄热出现局部高温。 JO 8 ξ6 it ;,] 4 2 0 410454 818 916 950103811501 159140114511467 llE机往外llll{i禹Im 罔6机巷煤壁最高泪度与风温差 Fig.6 Temperature difference between airflow and the highest temperature of coal wall in maingate 3 高温点治理措施 为了控制高温区域的进一步的发展．对探测的高 温区域打钻压注MEA。压注系统由软管、铁管、泥 浆泵（流量100m3/h，压力1.5-6MPa）组成，根据矿 井的实际情况选择TBW50/15型泥浆泵，6分软管及 6分铁管。喷注前将软管、铁管和泥浆泵及铁箱连接 好，使用自行研究制作的铁罐容器（铁油桶，侧面剪 出一个400mm500 mm长方形）．按lt 7j配10kg MEA封堵剂的比例将MEA封堵剂溶于水中、利用 注浆泵通过钻孔压注到高温区域。 为了考察注MEA封堵剂的效果，在高温区域设置 了观测钻孔，测试高温区域的气体浓度。其中l l号观测 孔和14号观测孔的气体现测结果（图7和图8）显示压注 MEA封堵剂后，钻孔气体浓度有了明显地下降，co气 体浓度由最初的100～160ppm 0.004 5-0.007 I mol/m3）降 至IOppm0.000 45 moνmJ）左右。 4结论 a.红外成像仪能够同时测试高温点及其周围区 120 一一’一CH,/ CO/ 100 80 运60 f 40 20 0 4/17 4/19 4/21 4/23 4/25 4/27 4/29 5/1 日期 一「－co/ppm 5/3 5/5 517 图7风巷ll号观测点气体浓度变化情况 Fig. 7 Gas content of 11 observation point ∞ω却 mMW 气，＆’ l‘『 阳出挺斗｝ 旷 一－＋－CH COJ 一「－co/ppm 0 4/19 4/21 4/23 4/25 4/27 4/29 5/1 5/3 5/5 517 口期 图8风巷14号观测点气体浓度变化情况 Fig.8 Gas content of 14 observation point 域的温度，能较为直观判断高温点与周围煤体之间的 温差，增加了判断结果的可靠性。 b.根据红外成像仪的测试结果，经注入队在EA封堵 剂处理，co气体浓度能由最初的100～160ppm 0.0045 0.0071 mol/m3）快速降至IOppm 0.000 45 mol/m3）左 右。可见，借助红外成像测试结果，可为防灭火工作 提供依据。 参考文献 川王振平．程E民，辛篱．等煤巷近距离自燃火源位置的红外 探测与反演[J）.煤炭学报，2003. 286 603-607 2）刘辉，吴超，阳富强，等硫化矿石自燃火源探测的红外热成 像方法［J）.中南大学学报.2011, 425 1425-1431. 3）黄群．综合物探方法在煤矿火烧区探测中的应用［J）.山西科 技，2011.262 81-83. 4）刘福强．谢军红外探测技术在煤层自然发火早期预报中的应 用［J）.煤矿现代化.2006, 756 13- 4 5）邬剑明．高尚青煤层自燃火区温度检测技术的研究与应用[J]. 中同安全科学学报.2004. 1410 109-112. [6）余明高．岳超平采空区火源位置探视11技术现状及发展方向（J]. 中国安全科学学报，1998.85 14一18. [7）鲜学桶．王宏图．姜德义，等，我国煤矿矿井防灭火技术研究 综述[J］.中罔工程科学.2001 , 312 28- 32. [8）究矿集团有限公司煤炭自燃早期预测预报与火源探视11技 术［M］.北京煤炭工业出版社.2002 ChaoXing