矿井煤炭自燃高温火源电区域的探测实践.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 矿井煤炭自燃高温火源点区域的探测实践 山东矿业学院 程卫民 陈 平 兖州矿业集团 崔洪义 王振平 张迎弟 王春耀 中国科学院遥感应用研究所 崔承禹 摘 要 对国内外煤炭自燃火源点区域的探测方法进行了较详细的分析,并提出了适于井下煤 炭自燃高温火源点≤100℃区域的探测方法。 关键词 自燃 高温点 区域 探测 1 概 述 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 211 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。 212 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。 213 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 4 第27卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 1999年11月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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。 21311 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。 21312 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。 214 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。 215 煤炭自燃温度探测法 21511 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。 21512 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012℃ 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 Eε αT41 式中 ε 辐射系数,其值为0 ε 1,岩石和 煤体一般为017～0198,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2玻尔兹曼常数,516710 - 12 cm2K 4 ; 5 第27卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 1999年11月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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362 K 89℃至207 K - 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 2tan2518 0197 m 水平方 向 , 2 tan1915 0171 m 垂直方向 , 在0197 m 0171 m内又有320240个像点,每个像点的面 积为218 mm218 mm ,就是说只要有7184 mm2面 积的热异常大于0115℃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 种 类IRC- 160STPV - 320JadeTVS- 2000MⅡTVS- 600HR - 2 致冷方式液氮无致冷闭循环斯特林致冷无致冷液氮 探测器类型InSb焦平面-MCT面阵InSb或MCTSi∶Ga面阵- 光谱范围315～515μm2～14μm8～12μm 3～514μm或 8～12μm 8～14μm8～14μm 扫描速度--50帧/ s30帧/ s1帧/ 30s1帧/ 5s 温度分辨率0102 K012℃0103 K011℃011℃011 K 精 度--014 -014 - 视 场911 618-17 1715 152518 191512 12 瞬时视场110 mrad--212 mrad114 mrad210 mrad 焦距范围50 ,150 mm25 ,100 mm25 ,100 mm20 cm～∞20 cm～∞012 m～∞ 可显示像元160120320240320240256200320240256256 模/数转换12 bit-12 bit12 bit12 bit8 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 VG A ,NTSC, PAL RS- 70B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。 参 考 文 献 1 祁明星,万兆昌 1 陕北煤田火区磁探工作方法及效果 1 物探与 化探, 1987 8 2 煤炭科学研究总院抚顺分院情报室 1 利用磁感应及远距离测定 作出煤层火灾区域地图 1 国外煤矿安全信息, 1996 7 3 N1B1 潘菲若娃 1 确定矿体内因火灾的中心位置 1 国外煤矿安全 信息 11995 6 4 煤炭科学研究总院抚顺分院情报室 1 探寻煤炭自燃位置的方法. 国外煤矿安全信息, 1996 1 5 罗的光 1 红外遥感探测井下煤体自燃的研究 1 广西煤炭, 1993 4 6 崔承禹,支毅乔,张晋开,等 1 红外遥感用于地震预报的基础 实验研究 1 见遥感科学新进展.北京科学出版社, 1995 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。 收稿日期 1999 - 04 - 28;责任编辑曾康生 上接第12页 结段井筒快速施工。 3在冻结壁强度满足要求、冻结壁未发生 脆性破坏的条件下,采用清水置换盐水,停止内圈 孔工作,保持冻结壁稳定的措施,避免了位于危险 区的内圈孔冻结管断裂造成盐水泄漏融蚀破坏冻结 壁。 4采用地面预注浆,在煤层中形成注浆帷 幕,加固了煤层,封闭了瓦斯源,减少了井筒内瓦 斯释放量,改善了瓦斯抽排泄压的条件。 5采用FJD - 6型伞钻施工泄压钻孔,解决 了打钻设备防爆问题,确保了安全施工。 参 考 文 献 1 路耀华,崔增祁主编 1 中国煤矿建井技术 1 徐州中国矿业大 学出版社, 1995 2 蒲加力1 立井地面预注浆与揭穿突出煤层1 淮煤科技, 1998 3 作者简介 袁 亮 1960年生,高级工程师, 1982年毕业于 淮南矿业学院采矿系,工学学士,现在淮南矿业集团有限责任 公司从事采矿工程研究和煤矿企业技术管理工作。地址安徽省淮 南市,邮码 232001。 收稿日期 1999 - 06 - 10;责任编辑王承源 7 第27卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 1999年11月