采空區隱蔽火源探測及聲學法煤溫感知新技術探討*

郭 軍，李 帥，蔡國斌，李睿涵，金 彥

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.國家礦山應急救援(西安)研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭是重要的工業原料，目前依然是最重要的能源資源。在煤炭開采、儲存和運輸過程中，煤自燃是可能發生的較嚴重的事故類型[1-3]，是世界范圍內亟需解決的重要問題之一，若處置不當，可能會造成社會和生態失衡[4-5]。在中國、美國、捷克、西班牙、德國、澳大利亞、印度、波蘭等主要產煤國，地下煤火問題對環境造成嚴重破壞[6-7]。采空區面積隨著煤炭開采深度和強度的增加不斷擴大，煤自燃危險也越來越嚴重[8]。尤其在高瓦斯礦井中，煤自燃災害極易導致瓦斯或煤塵爆炸等次生災害發生[9]。

煤自燃是煤和氧自發反應放熱所致，其形成和發展是通過自發的、緩慢的、動態變化的放熱、聚熱、升溫導致快速反應，最終引起燃燒的非線性動態過程[10-11]。煤氧復合反應越到后期，反應速度越快，煤體升溫也更快，導致防控難度呈指數增長，因此煤自燃災害的早期精確預警是煤自燃高效防控的關鍵[11-12]。然而，由于漏風通道的多源多匯與非穩態強度，使得采空區的松散煤體長期暴露在有氧環境下，導致煤自燃高溫點具有位置隨機、燃燒狀態不明等隱蔽特征，影響煤火高溫點的準確判定及高效防控，威脅煤礦的安全高效生產[13-14]。因此，精準定位采空區煤體的自燃區域以及井下煤自燃危險區域的溫度場實時監測，對采空區等地下隱蔽火區煤自燃的早期預警與精準防控具有重要的現實意義。

目前，尚未研發出快速準確定位煤自燃高溫區域并監測其溫度場演變的成熟技術方法。采空區等地下隱蔽火源現有的測溫方法受限于采空區復雜環境和技術瓶頸，多數探測技術均難以精確判定采空區等地下隱蔽火區自燃火源的位置或范圍。采空區煤自燃高溫點的精準判定一直以來都是世界性難題。近年來，聲學法測溫技術在糧倉等領域廣泛應用[15]，相較于其他測溫方式，聲學法測量溫度場具有測溫區域廣、量程大、精度高、非接觸、實時連續和操作便捷等顯著優點[16]。從測溫原理上，聲學法能夠滿足地面煤堆自燃高溫點的探測要求，有望成為采空區等地下隱蔽火源位置精準探測和發展前景良好的方法。

本文總結和分析現有煤自燃測溫技術的研究進展和技術瓶頸，結合聲學測溫技術在其他領域的應用原理和技術實現方式，探討聲學測溫技術在采空區松散煤體溫度反演探測領域應用的可能性，并分析在測定煤溫時應用最小二乘法原理與Multiquadric插值法進行分層建模的可行性，為聲學測溫技術在煤層測溫領域提供新的思路。

1 煤溫探測感知技術現狀

目前較為主流的溫度測量方式包括接觸式與非接觸式2類。接觸式是指感溫元件與介質直接進行接觸測量，如液體膨脹式溫度計、熱電偶溫度計等；非接觸式溫度計則不需要感溫器件與被測物體直接接觸，但存在測溫滯后的現象，如光學高溫計、聲學測溫等。因介質接觸測溫元件時可能出現部分破壞[17]，現代測溫技術的應用更偏重于非接觸測溫的方式。

煤層測溫與其他領域測溫不同，因地下的煤層地質情況和采空區漏風復雜，且無法詳盡獲得煤層的內部信息，又因其空間大、地質構造、煤巖熱導性差，故目前大多采用非接觸式溫度測量方法，如紅外探測技術、光纖探測技術、指標氣體測溫技術，熱電偶測溫技術、同位素測氡法等。

1.1 紅外探測技術

依據自然界中物體輻射出紅外線波長的不同，將紅外線分為近、中、遠、極遠紅外線4類。紅外探測技術的原理是將紅外探測器捕捉的紅外線轉化成為電信號，經過一系列數據處理，在顯示屏上得到相應的熱像圖。

Du等[18]將紅外線探測技術原理應用在煤層測溫中，將煤堆孔隙中輻射出的紅外能量進行捕捉，利用相似模型在紅外探測器上得到溫度的分布情況，結合多種測溫手段預測煤層自燃信息；文虎等[19]依據煤層自燃的規律與煤層條件，建立運用紅外技術探測隱蔽火源的實驗模型，提出采空區隱蔽火源反演識別和煤自燃發火隱患探測與識別在紅外領域的應用技術。紅外成像測溫技術在某礦密閉墻處的應用如圖1所示，其中，圖1(a)顯示密閉墻漏風處溫度高達20.18 ℃，圖1(b)顯示回風巷道煤柱破碎區溫度高達46.81 ℃，圖1(c)顯示工作面架后及架頂處最高煤溫分別達到36.95 ℃和34.25 ℃。

紅外測溫技術目前通常只能探測煤體表面或反映淺表層的煤溫，而煤自燃高溫點通常分布在一定深度的煤層內部，故紅外測溫技術在煤自燃溫度探測領域有一定的局限性。

1.2 光纖測溫技術

光纖中傳播光脈沖時會產生拉曼散射、布里淵散射與瑞利散射。目前主要采用拉曼散射測量溫度場，即利用光脈沖在光纖中拉曼散射的斯托克斯光(Stokes)與反斯托克斯光(Anti-Stokes)之比進行反演，求解溫度的變化。

Yuan等[20]介紹光纖測溫技術的原理，提出利用實用新型光纖測溫技術實現采空區的高溫判定，依據光纖測溫結果與氧氣含量相比對，精準判定“三帶”位置；Saiied等[21]基于拉曼散射的光纜測溫技術原理，采用DTS(分布式溫度傳感)系統與NS(Nova-Sina數字溫度計數字溫度計)，對昆士蘭大學實驗礦井的環境溫度進行實時監測，且使用OTDR(光時域反射儀)技術在單項模式下測量，降低系統的使用成本，提升測溫的精準性與信號接收的穩定性。

在礦下復雜的環境中，分布式光纜容易老化損壞，可能存在局部放電問題，且圍巖放熱對光纖測溫也存在一定影響。老化損壞光纜因存在維護困難等缺陷使光纖測溫存在諸多不確定性。此外，由于煤的導熱性差[22]，若測溫光纖未能布置在高溫點時，很難真實反映采空區的煤溫。

1.3 指標氣體測溫技術

指標氣體測溫技術是在模擬煤自燃過程中，收集并測定此過程產生的氣體，依據指標氣體的濃度來反演煤溫。該技術相對成熟，已在煤礦現場進行大量應用，并取得較好的效果。

西安科技大學防滅火團隊將煤自燃反應特征溫度進一步細分為潛伏、復合、自熱、臨界、熱解、裂變、燃燒7個階段，如圖2所示。在煤溫的不同階段選取預測煤自燃的指標氣體為CO，O2，C2H4，ΔCO/ΔO2，C2H4/C2H6等，且依據指標氣體的濃度來判斷煤自燃的危險程度[22-23]。Wang等[24]利用Fluent軟件對3205采空區遺煤自燃進行數值模擬，明確劃分采空區“三帶”區域，利用管束對采空區瓦斯數據進行檢測，比對模擬數據，從而預判采空區域的發火程度。

圖2 煤自燃7階段精細劃分示意

指標氣體測溫技術的氣體采集裝置目前還存在采空區布點困難、抽氣裝置的氣體傳輸距離長、管路易漏氣、檢測周期長、成本高等問題。

1.4 熱電偶測溫技術

熱電偶測溫技術基于塞貝克效應進行測溫，將A,B 2種不同的導體或非導體進行焊接，使之形成1個閉合回路，當2種材料存在溫差時，在回路中便形成感生電動勢，從而生成電流，利用電流的大小標定溫度。

申文斌等[25]利用熱電偶的冷熱端溫度變化產生的電壓關系，對屯蘭礦采空區域的溫度變化進行具體分析，并對某工作面的采空區“三帶”進行劃分，熱電偶測定溫度時，具有精確度較高、性能穩定、成本較低等優點，但應用于礦下時，需要鋪設較長的線路；電線分壓對測量值有影響，且后期的維護不便，線路絕緣皮老化漏電對測定結果也有干擾；此外，也存在與光纖測溫技術同樣的難題，即難以將測點布設在高溫點，故所測溫度較難準確反映真實煤溫。

1.5 同位素測氡法

氡是1種可在煤層裂縫中傳播的放射性惰性氣體，氡的析出受溫度、壓力、構造等影響，故可通過收集氡氣或測量其子體釋放的α射線進行煤溫的反演。常用方法包括瞬時測量法與累計測量法。

Wen等[26]結合同位素測氡法的理論及試驗研究，針對采空區火源溫度及位置提出1種探測深部礦井采空區隱蔽火源的方法，得出煤自燃距風口位置、自燃煤體溫度與氡析出量的變化關系。

同位素測氡法是目前應用較廣的1種礦井火災防治技術，但運用累計法和瞬時值法進行探測時發現2種方法測量結果存在差別大、工作量大、周期長、經濟成本高等缺點。

此外，在煤層測溫中還借助磁法、地質雷達等物探法[27-28]對火源位置進行探測，但其對于施工條件要求嚴苛且探測成本較高。

2 聲學法測溫技術現狀

2.1 聲學測溫原理

聲學測溫法的原理是基于聲波傳播速度與介質溫度之間的單值函數關系，根據聲波在介質傳播過程中聲速或聲波頻率的改變受到傳播介質溫度的影響，來反演溫度場問題，即利用發射特定頻率的聲波，測算聲波飛行的時間及聲波傳播的距離，以計算聲速，進而反演出溫度并重構溫度場，或是通過采集分析物質燃燒產生的燃燒音來判斷火災信息，其原理如圖3所示。聲波測溫探火計算具有測量精度高、時延性小、測量溫度范圍寬、可測空間大、實時連續等特性[16]。

圖3 聲學法測溫探火技術

在應用聲學法進行溫度探測領域，Shen等[29]運用最小二乘法與徑向基函數插值改善經典算法下重建結果在邊界區域的溫度缺失問題，結合二者的優勢，提高經典算法的溫度場重建的效果；李言欽等[30]利用comsol軟件與波動方程建立聲波在溫度場中的傳播模型，運用合理的模擬聲源來優化實驗中的脈沖聲信號，利用不同的邊界條件探究爐膛對聲速和聲音傳播過程中的影響。在模擬結果中將脈沖聲波轉變為聲波波陣，在爐膛內部火山口與單峰狀斷面的二維溫度場條件下，傳播路徑與波陣面均可視化。

2.2 聲學測溫模擬方法

1)最小二乘法

最小二乘法又稱為最小平方法，是1種尋求數據最佳函數匹配的數學手段，將數據的誤差平方達到最小[31]。因其具有操作簡單、計算方便快速的特點，在各類研究中被廣泛采用[32]，也是目前溫度場重建中最常應用的經典算法，其優勢主要體現在：1)方便從大量雜亂無章的實驗測量數據中發現其內在的規律；2)著重擬合能夠表述數據走向規律與發展趨勢的曲線或函數，削減局部擾動對整體的影響；3)確保求解的結果與實際數據間的誤差平方達到最小，依靠數據間的趨勢與規律，根據先驗數據得出未知數據。文獻[33]在研究聲波傳播過程中存在的衰減特性時提出利用最小二乘法重建溫度場，并將待測區域劃分為若干小塊，形成有效聲波傳播路徑，利用矩陣法對其進行求解。但最小二乘法無法處理邊界值的溫度。

2)SVD算法

SVD(奇異值分解)算法的數學基礎為矩陣的奇異值分解理論[34]，某些病態的稀疏矩陣會致使結果中存在諸多趨近于零的奇異點，如果奇異值的高頻分量存在噪聲，會使得此部分噪聲放大，而正則化處理包含吉洪諾夫(Tikhonov)正則化與截斷奇異值分解(TSVD)正則化2類。吉洪諾夫正則化在處理過程中為阻尼噪聲加入1個濾波因子，奇異值截斷正則化是將噪聲源截取去除后進行求解。在三維溫度場中當噪聲嚴重時，使用截斷奇異值求解更為快速和有效。

3)迭代法

迭代法[35]是目前快速求解大型線性方程組的方法之一，近年來，最優化與有效化求解使得迭代法在大型線性方程組中廣泛應用。求解過程中僅借助一階倒數，使計算過程收斂迅速，且繞過計算與儲存海塞矩陣逆矩陣的缺點，使得求解更加迅速，減少計算的響應時間。但在求解大型不適定方程組問題方面還有待研究。此外，經典的迭代法算法還包含ART(代數迭代重建)算法與SIRT(尺度不變特征變換)算法。ART算法與SIRT算法是2種并行的CT迭代算法，ART迭代算法技術被Hounsfield應用于醫學CT中后在該領域中得到廣泛發展，SIRT在此基礎之上發展而來，具有一定的抗干擾能力，對誤差信息敏感性較差[36]。

2.3 聲波測煤溫技術應用現狀分析

1)聲學測溫技術應用

目前聲波測溫技術已經廣泛應用于爐膛測溫，用于檢測爐膛出口氣體溫度，Shen等[29]應用最小二乘法與Multiquadric插值法改進溫度場的重建算法，提高經典算法的溫度場重建的效果；鄧喆等[37]利用最小二乘法與BP神經元模型進行分層建模，提高整個系統的自適應性，使得誤差范圍更小；文獻[38]借鑒爐膛等聲學測溫技術，開展基于聲學法倉儲糧食溫度場檢測的研究工作，探討在聲學CT溫度場重建過程中聲波接收器與發射器的布局位置對其結果的影響，并利用不同的方式對重建后的溫度場質量進行評價。

Bramanti等[39]依據聲學測溫系統重建的鍋爐溫度二維分布圖象，提出2種新型重建算法，但由于當時技術條件限制，先驗信息難以獲取，且對溫度場重建過程有較大影響，使得測算結果的邊界值存在趨于零的奇異點；Lu等[40]研究表明聲波在非均勻的溫度場中并非沿直線傳播，而是發生折射現象，傳播路徑彎曲。由此提出聲波的“彎曲效應”概念，將最小二乘法與迭代法相結合彌補彎曲效應所帶來的影響，但存在迭代計算時間延遲及最小二乘法的計算精度有限等問題。國內外關于聲學測溫的理論經過幾十年的研究，已逐步趨于成熟，典型的有美國SEI公司開發的Biolerwatch系統及Entertechnix公司推出的Pyrometrix系統，但由于實時的環境模擬過于簡單、聲波的延估誤差較大等原因，使得溫度場重建仍存在較大的提升空間。

2)聲學法煤層測溫技術應用前景分析

隨著計算機技術和聲學理論研究的不斷發展，因聲學測溫技術表現出的測溫區域廣、量程大、精度高、非接觸、實時連續和操作便捷等顯著優點，其已廣泛應用于大氣空間、湖海水下、鍋爐爐膛、顆粒糧食倉儲等場景的溫度探測及火災信號探測領域。

基于聲學測溫和火災探測技術原理，煤火發生演化過程中也會有相應溫度信號產生，而且煤體的力學性質、采空區內松散煤體形成的多孔介質等特征與倉儲顆粒糧食類似。基于現有糧倉、爐膛的聲學測溫技術測定煤層溫度，并在建模時應用最小二乘法原理與Multiquadric插值法進行分層建模，可解決采空區域大量硬邊界溫度數據丟失問題；此外，BP神經網絡的深度學習系統根據實際的情況，可進行深度學習并不斷調整目標函數，使得輸出結果的數值更加貼近實際情況，從而更優顯示井下采空區域的溫度分布情況。將所建模的新系統實際應用于工程問題中，結合煤層溫度狀況，收集并建立實驗數據庫，并利用BP神經算法使系統深度學習，使得建模系統更加適應實際環境，以達到測量煤層溫度的目的。

綜上，如解決了松散煤體聲學測溫過程中各種算法及探測技術問題，聲學法可滿足采空區煤自燃高溫點的探測要求，有望成為井下采空區隱蔽火源位置精準探測發展前景良好的1種方法。

3 結論

1)受限于煤層賦存及開采方式等煤礦現場的實際情況，可準確反演、精確定位采空區等隱蔽火源高溫點及位置的探測方法和裝備技術有待進一步發展。

2)綜合考量聲學測溫技術原理和實現過程說明，該技術適用于采空區松散煤體自燃火區的環境特征，有望成為采空區隱蔽火源位置精準探測發展前景良好的1種探測方法。

3)聲學法探測松散煤體自燃溫度的基本原理、傳播衰減規律、溫度場重構模型及其關鍵特征參量的準確獲取等還需深入研究，最終為煤自燃隱蔽火源精準探測領域提供1個新的技術方法。