王 剛

（1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

測氡法和紅外熱成像法在小窯區(qū)火源位置探測的綜合應用

王 剛1，2

（1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

為了研究紅外熱成像法和測氡法聯(lián)合探測技術在探測上覆煤層小窯區(qū)自然發(fā)火火源位置的應用效果。采用理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，首先，分析了2種方法在實踐應用中的優(yōu)缺點；其次，研究了自燃煤層釋放氡在裂隙巖體中的運移和擴散規(guī)律，同時建立了自燃火源傳熱模型，分析了紅外熱成像法的探測機理；最后，以公烏素煤業(yè)有限責任公司1604工作面上覆9#煤層小窯火區(qū)為現(xiàn)場探測對象，綜合采用RAD7專業(yè)電子測氡儀和T335型紅外成像儀對火源位置及其范圍進行了探測。研究表明：在測氡法中，裂隙巖體中任意位置處的氡氣濃度均可由巖體表面氡氣濃度通過理論計算得出，但氡的擴散系數(shù)及衰減常數(shù)等參數(shù)受地形變化影響差異很大，不易確定；而紅外熱成像探測深度一般為10 m左右，火源位置越深，探測難度越大；現(xiàn)場氡氣濃度測試及紅外熱成像方法探測結(jié)果顯示在1604工作面上部地表存在2個氡異常區(qū)域，且兩區(qū)域的位置與紅外熱成像探測結(jié)果相符?？傮w而言，紅外熱成像法和測氡法聯(lián)合使用可以互補缺陷，可確?；鹪次恢玫倪M一步精確定位，對火區(qū)的治理方案提供科學依據(jù)。

測氡法；紅外熱成像法；煤層自燃；滅火

0 引 言

自燃煤層火源的探測技術的有效性及實用性一直是煤礦安全領域極為重視的課題，經(jīng)過大量的研究及實踐，多種探測技術取得不錯的應用效果，像測氡法、紅外熱成像法及激光極化法等[1-3]。

但是每種方法都有一定的局限性，在不同的地質(zhì)條件及火源情況下，探測精度都不能很好地保證，因此，多種探測技術聯(lián)合，逐漸成為火源探測普遍采用的方法。

根據(jù)2010年3月中煤科工集團的鑒定資料，公烏素煤業(yè)7#，9#和16#煤層屬于自燃煤層，煤層自然發(fā)火傾向性為Ⅱ型，其中9#煤層的最短自然發(fā)火期為70 d，因此，煤層的自燃是危害煤礦生產(chǎn)的最大因素，目前探測火源位置普遍采用同位素測氡法[4]，但由于地質(zhì)條件復雜，采用單一的探測技術存在一定的測量誤差，會影響滅火工作的進行，故在實際探測中，以公烏素煤業(yè)有限責任公司1604工作面上覆9#煤層小窯火區(qū)為探測對象，綜合使用測氡法和紅外熱成像法聯(lián)合探測技術進行火源區(qū)的探測[5-7]。

1 火源探測技術原理

煤自燃火源位置探測技術種類較多，像測氡法、紅外熱成像法、激光極化法等方法都有很廣泛的實用性，但各自都有一定的應用局限性。因此，多種方法結(jié)合使用，即彌補各自的不足，又重復發(fā)揮各自優(yōu)勢，是目前煤礦煤自燃火源采用較多的辦法。文中結(jié)合測氡法和紅外熱成像法技術對火源位置進行探測，這里首先對2種方法的工作原理進行研究。

1.1 同位素測氡技術原理

鈾、釷、錒是自燃界中存在著的3大天然放射系，由于其半衰期很長的特點，其常作為母體核素廣泛賦存于巖體、土壤、煤層等巖土介質(zhì)中，這導致了煤系地層中放射性同位素含量較高，鈾、釷、錒三者發(fā)生衰變后均產(chǎn)生氡子體，在地質(zhì)條件相同的條件下，當煤層發(fā)生自燃時，其內(nèi)部及周圍巖層中富含的氡會大量的解析，通過離子交換的作用而反映到地面的放射性異常，通過一定的探測儀器可以檢測到這種異常的變化，然后經(jīng)過計算機的計算分析，便可以知道火區(qū)的位置及其范圍。目前廣泛運用的測氡法有很高的適用性，通常能夠測到800～1 200 m深度的火源。

氡的析出和運移受礦物顆粒度、巖性、地應力、地下水、巖層的裂隙程度、通風狀態(tài)、溫度等因素影響，其中溫度對氡生成量的影響很大，這也是測氡法探測火源的基礎，對于溫度對氡析出量的影響，太原理工大學鄔劍明教授和曾對此進行過研究，認為溫度越高，氡氣的析出量增大，具體的氡析出量與溫度的變化曲線，如圖1所示。

圖1 氡解析量隨溫度變化圖Fig.1 Variation of amount of radon analysis with time

1.2 氡在裂隙巖體中的擴散機理

測氡法是目前探測火源位置最有效的方法之一，但是對于氡在覆巖巖體中的擴散機理研究較少，這也關系著測氡法的準確性，文中建立了氡在覆巖巖體中的擴散機理，這對于掌握氡的準確擴散位置有一定的理論價值。

1.2.1 基本假設

1）假設氡在巖體中的擴散方向一直向上；

2）巖體中的孔裂隙分布均勻；

3）巖體所受的壓力在某一時段內(nèi)保持不變；

4）只考慮氡的擴散運輸。

基于上面假設，則氡在巖體中的擴散機理可表述為

（1）

其中 C（x）為距離巖體表面x處的氡的濃度，Bq/m3；D為氡的擴散系數(shù)，cm2·s-1；λ為氡的衰減常數(shù)，s-1；α為氡的自由析出速率，Bq/m2·s；η為巖體的孔隙度，%.

如果巖體中氡的濃度分布均勻，即不隨時間的變化，則式（1）可變?yōu)?/p>

（2）

位于所測巖體的高度為L；則式（2）的邊界條件可表述為

x=0，C（0）=C0，

因此可以求得巖體中任意位置處的氡的濃度為

（3）

1.3 紅外熱成像技術原理

自燃界中任何溫度高于絕對零度（-273 ℃）的物體，其都會輻射出紅外線，溫度的高低會導致物體的熱分布場的不同，因此，以這一特性為基礎，利用光電紅外探測器將物體發(fā)熱所輻射紅外線信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)過處理，成像裝置就可以根據(jù)物體的熱分布場將物體表面溫度的空間分布轉(zhuǎn)化為熱圖像視頻信號，從而就可得到物體的熱圖像。

具有自燃傾向的煤層向外輻射能量的同時，會把自燃信息以能量場的方式反饋到外表面，紅外熱成像法就是通過探測煤層表面的溫度場變化，識別其內(nèi)是否存在火源及火源的具體位置，從而達到探測的目的。自燃煤層在自燃過程中，會與周圍礦體進行熱交換，當火源到達礦體表面而出現(xiàn)溫度場的差異時，便可用熱像儀進行探測，熱交換過程如圖2所示。

圖2 自燃火源探測及熱交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of detection of spontaneous combustion and heat exchangers

1.3.1 自燃火源傳熱模型建立

為了進一步分析紅外熱成像法的理論機理，須根據(jù)自燃火源的熱平衡，建立火源的傳熱模型，從而分析火源表面的溫度差異變化。

小窯火區(qū)的自然發(fā)火是一個及其復雜的過程，其自燃程度隨發(fā)火位置、持續(xù)時間的不同而變化，但總體來說，整個過程還是滿足熱平衡的方程。假設火源的位置如圖2所示，其熱量的傳遞假設滿足下面2個條件。

1）老窯自燃煤層內(nèi)部向表面的傳熱量與煤層表面向下位探測煤層中的散熱量相等；

2）自燃煤層的產(chǎn)熱量與煤層向下位探測煤層中的傳熱量相等。

然后通過熱量傳輸平衡條件，利用紅外熱成像探測儀測量表面溫度，然后通過計算可以得出煤層自燃火源的位置。

這里，設巖層導熱、自燃煤層表面的對流換熱熱阻分別為R1和R2

（4）

（5）

總的傳熱熱阻等于巖層導熱與自燃煤層表面對流換熱熱阻之和，即

（6）

式中 d0為火源的直徑，m；di為火源中心到探測位置某一點i的距離，m；tf0為火源溫度，℃；tfi為探測點某點i的溫度，℃；tfl為探測位置周邊的環(huán)境溫度，℃；λ為巖層的導熱系數(shù)，W/（m·℃）；a為巖層的對流換熱系數(shù)，W/（m·℃）；l為火源長度，m.

由式（4）和（5）得傳熱量為

（7）

探測位置表面溫度分布及溫差分別由式（6）和（7）獲得

（8）

（9）

1.3.2 火源位置反演有效性辨識

紅外熱成像法即是根據(jù)自燃火源表面的特征溫差來進行探測辨識[9-10]。但其探測的有效性須進一步研究探討。

假設煤層表面溫度大于大于 60 ℃后，便臨近自燃期[11]。由式（7）可知，火源透過巖層傳導巖層表面會在其表面形成溫差，導致巖體表面的溫度場發(fā)生變化。假設井下的條件，取tf1=29 ℃；通風風速v為0.3m/s，對流換熱系數(shù)取經(jīng)驗值，為a=7W/（m2·℃）。對導熱系數(shù)取平均值，λ=0.000 5（tf0+tfi）+0.33；火源的范圍為d= 0.4m；經(jīng)過計算分析可知，當自燃火源位置位于不同深度時，巖層表面的溫差越小，當火源位置在10m左右時，可探測范圍內(nèi)溫差達0.01 ℃，如圖3所示。

圖3 不同火源深度時探測深度與礦堆表面中心溫度的關系Fig.3 Relationship between detecting depth and temperature of ores surface with different depths of fire source

因此，通過上面分析可知，對于不同的火源溫度，自燃火源的位置越深，探測精度越小，只有提高紅外熱成像的探測精度才可實現(xiàn)對礦石自燃火源的探測。

2 礦區(qū)9#煤層自燃情況

2.1 實驗情況

通過對9#煤層取樣進行煤層自燃特性實驗，測得其煤樣吸氧量為0.45cm3/g（干煤），其自燃傾向性屬于Ⅱ型，然后對煤樣進行升溫氧化實驗，采用最短自燃發(fā)火期模型計算得出其最短自燃發(fā)火期為70d.

2.2 1604工作面上覆9#煤層自燃危險性分析

1604工作面位于16#煤層，走向長1 678m，工作面長度為300m，采厚平均為8.5m，采用放頂煤工藝開采，采放比為1∶2.5，井下標高+1 100m，地面標高約為+1 230m，埋深較淺，煤層頂板堅硬，上覆與其相距67m賦存有9#煤層，屬于自燃傾向性煤層，受放頂煤開采工藝影響，工作面采動造成其上覆巖層垮落帶和斷裂帶高度較大，極易和9#煤層形成裂隙貫通，再加上1604工作面長度較長，斷面面積小，通風阻力很大，使得漏風嚴重，由于工作面月推進長度為30m，而9#煤層的最短自燃發(fā)火期為70d，增加了1604工作面采空區(qū)上覆9#煤層小窯采空區(qū)的煤層自燃的危險性。

3 技術實施方案

3.1 測氡法技術方案

本次測氡采用RAD7專業(yè)電子測氡儀和GPS定位儀，測點布置選擇點距為10m×10m，測點范圍為目前剝離坑以南100m和以東50m范圍內(nèi)，總體呈“L”型，通過GPS在地面定位測點后，用導氣管將采樣測頭和測氡儀連接起來，采樣測頭由半徑為φ10mm的不銹鋼管材料制成，用手電鉆在地表相應測點處鉆孔深為400～500mm的鉆孔，采樣測頭插入孔內(nèi)用土埋實進行采氣，采得的氣體直接通入α離子探測器進行測試，每個測點的采樣周期選為3個，時間定為5min一個測試周期。如果有測量數(shù)據(jù)異常，則須增補測點進行補測，將測得數(shù)據(jù)用Winsurf進行處理，得出火源探測結(jié)果的三維立體圖、平面圖及趨勢圖。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行分析，給出火源探測結(jié)果分析報告。

3.2 紅外熱成像法技術方案

根據(jù)小窯區(qū)火源的自燃規(guī)律，采用輕巧、高性能的T335型紅外成像儀對火源的溫度場進行二維監(jiān)測，探測火源的準確位置、自燃的溫度及發(fā)火范圍。

監(jiān)測地點為下層16#煤1604工作面的運輸巷、軌道巷、以及井下剝挖坑底及邊幫，選擇巷道壁面破碎嚴重，錨桿失穩(wěn)的地點進行重點監(jiān)測，因為這樣容易造成漏風嚴重，引發(fā)上覆煤的自然發(fā)火。

探測時間為10月中旬，井下環(huán)境溫度為27 ℃，風速為0.3m/s，首先利用熱成像儀對巷道、邊幫、剝挖坑底進行全方位的探測，確定出高溫分布區(qū)域，然后對該區(qū)域進行掃描采集圖像。

3.3 探測結(jié)果及分析

3.3.1 測氡法探測結(jié)果

根據(jù)地表氡氣濃度測定結(jié)果，結(jié)合測點位置坐標，以233號點為（0，0）點，沿233，244～337連線作為X軸，沿233，211～198連線作為Y軸，氡值濃度的大小為Z軸，分別做出氡氣濃度表面圖4和氡氣濃度等值線圖5。

圖4 氡氣濃度線框圖Fig.4 Wireframe of radon concentration

圖5 氡氣濃度等值線圖Fig.5 Equivalent wireframe of radon concentration

從圖中可明顯看出，探區(qū)范圍內(nèi)存在的氡濃度異常值的大小和所在區(qū)域范圍，取濃度值大于4倍中值點作為氡值濃度異常點，可以看出，圖中存在多個高濃度的測點，最大峰值坐標值為（4 355 680，36 408 920），氡氣濃度為700Bq/m3，另外1604工作面上部火區(qū)剝離坑西南和東南方向100m范圍內(nèi)存在較多高濃度點。

綜合氡氣濃度數(shù)據(jù)和氡氣濃度各個等值線圖形，高于200Bq/m3測點存在2個區(qū)域，分別位于剝挖坑的東南和西南側(cè)，2個區(qū)域內(nèi)氡氣濃度大于400Bq/m3共9個測點，它們的坐標分別為（4 355 670，36 408 930），（4 355 600，36 408 920），（4 355 610，36 408 920），（4 355 680，36 408 920），（4 355 620，36 409 040），（4 355 610，35 409 070），（4 355 630，36 409 070），（4 355 610，36 409 080），（4 355 630，36 409 090），其中西南方向4個，東南方向5個，如圖6所示。

圖6 隱蔽火源探測結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of detection results of hidden fire

3.3.2 紅外熱成像探測結(jié)果

通過紅外熱成像儀對探測區(qū)域的全方位掃描，從圖7可以看出，井下溫度普遍為21.5 ℃，所探測區(qū)域內(nèi)有2個高溫區(qū)域（圖中白點所示），經(jīng)過溫度標定后很明顯可以看出該區(qū)域A點和B點處溫度最高，接近150 ℃，明顯高于周圍的區(qū)域，初步判斷這2點為火源所在區(qū)域的中心點，位于剝離坑的東南和西南兩側(cè)（圖中向上為正北方向）。

圖7 紅外熱成像探測結(jié)果Fig.7 Detection results of infrared thermal imaging

結(jié)合測氡法探測結(jié)果，根據(jù)9#煤層巷道布置情況，剝挖坑周邊探測范圍內(nèi)存在2個氡異常區(qū)域，特別是剝挖坑的西南側(cè)9#煤層巷道布置及對應坑底已觀測到明火，充分驗證了西南側(cè)區(qū)域氡探測結(jié)果的正確性，分析紅外熱成像法探測結(jié)果，很明顯可以看出，這2個區(qū)域為高溫區(qū)域，存在明顯的火源，結(jié)果和測氡法相吻合，為下一步火區(qū)的治理和防滅火工作的開展提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）理論分析得出，在測氡法中，裂隙巖體中任意位置處的氡氣濃度均可由巖體表面氡氣濃度計算得出，但氡的擴散系數(shù)及衰減常數(shù)等參數(shù)受地形變化影響差異很大，不易確定；而紅外熱成像探測深度一般為10m左右，火源位置越深，探測難度越大；單獨使用一種方法極易造成探測結(jié)果偏差，影響火災的及時治理，因此，兩者相互結(jié)合可以互補缺陷，精確定位火源位置及范圍；

2）通過氡氣濃度測試得出，在1604工作面上部地表距剝挖坑西南方向100m，東南方向50m范圍內(nèi)存在2個氡異常區(qū)域；

3）通過紅外熱成像儀對探測區(qū)域的全方位掃描得出，井下溫度普遍為21.5 ℃，所探測區(qū)域內(nèi)有2個高溫區(qū)域，經(jīng)過溫度標定后很明顯可以看出該兩區(qū)域溫度接近150 ℃，明顯高于周圍的區(qū)域，初步判斷這2點為火源所在區(qū)域的的中心點，位于剝離坑的東南和西南兩側(cè)；

4）測氡法和紅外熱成像法探測結(jié)果共同顯示1604工作面上部存在2個氡濃度及溫度異常區(qū)，2種方法的探測結(jié)果相符，為火災的下一步治理提供了準確的依據(jù)。

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Application of radon measurement and infrared thermal imaging method in the detecting fire area of small coal Kiln

WANG Gang1，2

（1.CollegeofSafetyScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China； 2.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute，F(xiàn)ushun113122，China）

To research the application effects of united technologies combined with infrared themral imaging method（ITIM）and radon measurement method（RMM）in detecting the fire source of spontaneous combustion existed in the small kiln fire area of ovelying coal seam.Combining the methods of theoretical analysis and field measurement，firstly，analyse the merits and drawbacks of these two methods，and then study the migration and difusion rules of releasing radon through the fractured rock mass，and mathematic model for simulating the heat diffusion of spontaneous combusion was established，then the detection mechanism of ITIM was analysed.In the end，using the industrial instruments to detect the location and scope of fire source.Research shows that：The radon concentration at any position in the fractured rock mass can be calculated by the value at the surface，but the diffusion coefficient and attenuation coefficient were hard to determinated due to the topography variation；And the detection depth of ITIM is generally about 10m，the deeper of the fire source，the harder to detect；through the field data of RMM and ITIM，two areas have obviously radon concentration and temperature were detected，the results of the two methods were same.Overall，the ITIM and RMM can be combined used to ensure the further accurate positioning，providing a scientific basic to guide the conflagration treatment.

radon measurement；infrared thermal imaging method；spontaneous combustion of coal seam；outfire

2015-04-12 責任編輯：劉 潔

王 剛（1975-）,男，遼寧朝陽人，博士研究生，助理研究員，E-mail：wanggangdoctor@163.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0508

1672-9315（2015）05-0573-06

TD 823

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