采空區熱源溫度紅外測定試驗研究

沈亞楠，張嘉勇,2

(1.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210； 2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210)

采空區遺煤自燃是煤炭生產過程中普遍存在的風險[1]。目前傳統技術難以對采空區火源進行實時有效監測，導致采空區火源有充分發育時間，且不能及時治理，影響礦井正常生產[2-3]。監測及分析采空區火源溫度變化規律對于采空區火源的精準定位具有重要意義。

采空區內部實際環境復雜，國內外學者為實現采空區熱源的精準定位，采用數值模擬、相似實驗及現場監測等諸多手段對采空區溫度場進行了深入研究[4-9]。劉振嶺[10]、周佩玲[11]等基于現有基礎理論和實驗裝置自主設計采空區相似模擬實驗，研究了采空區高溫區域溫度的變化規律，驗證了遺留煤體氧化升溫特征的合理性；李品等[12]通過分析動態影響下工作面遺煤自燃溫度的變化規律，確定了采空區內氧化帶與高溫區域形成的關聯性；張海洋[13]通過紅外熱成像儀采集工作面溫度數據，研究分析得到工作面溫度分布情況和溫升規律。在現場監測方面，多采用熱電偶[14]和分布式光纖[15]等測溫裝置及氣體監測裝置[16]對工作面進行現場參數監測，繪制采空區溫度場分布圖。曹鏡清[17]、章飛[18]等通過分析實際條件下煤自燃參數與溫度演化規律的關系，判定了采空區自然發火危險區域。非接觸式紅外測溫傳感器在高溫實時監測領域，實現了信息高效傳輸處理[19]，但環境因素對設備精度的影響不容忽視，確定紅外傳感器合理的修正因子，可提高溫度測量的準確度[20]。筆者在采空區火源定位研究成果的基礎上，設計基于紅外原理的采空區熱源溫度測定試驗方案，分析高溫熱源溫度傳遞規律，推導紅外測溫試驗的溫度修正公式，以實現優化紅外傳感器測量精度的目的。

1 熱源溫度紅外測定試驗方案設計

1.1 試驗目的

由于采空區內部實際條件復雜，不具備現場連續測溫的條件，因此設計井上熱源溫度紅外測定試驗方案，研究紅外傳感器的測量距離、誤差范圍、溫度與距離對熱量傳遞規律的影響。對比分析動態與穩態熱源條件下的試驗數據，對紅外測溫試驗結果進行修正，以提高紅外傳感器測溫的精確性。

1.2 試驗裝置

模擬采空區環境的試驗場地，試驗裝置主要由溫控裝置、測溫裝置及溫度記錄裝置組成。溫控裝置包括熱源和溫控箱，溫控箱控制熱源的升溫程序；測溫裝置采用KST04A3R紅外測溫儀，包括非接觸式紅外測溫傳感器；溫度記錄裝置為無紙記錄儀，用于數據的讀取、分析與記錄，實時監測熱源的溫度變化情況。

1.3 試驗方案

以可調溫電熱板為模擬熱源，利用測距儀在距熱源3、5、7、10、12、15 m處分別設置紅外傳感器測點，研究熱源升溫過程中各測點的溫度變化規律，分析不同熱源溫度、不同測量距離對紅外傳感器測量精度的影響。紅外測點與熱源布置如圖1所示。

圖1 紅外測溫傳感器測點和熱源布置圖

1)依次設置熱源溫度為80、140、200、260 ℃，當測定溫度波動不超過1 ℃/min時，對測點溫度數據進行記錄。為減小試驗誤差，每個設定溫度點記錄 5組數據，取其平均值作為最終結果。

2)設置模擬熱源升溫區間為0～260 ℃，利用布置的紅外測溫傳感器對熱源溫度進行監測，研究測點距離對熱源升溫規律的影響。

在試驗場地進行試驗時，假定環境中無其他外在因素影響。試驗開始時，需將紅外測溫儀器充分預熱，使其處于熱穩定狀態，以減小儀器波動造成的測量誤差。

2 試驗結果與分析

2.1 穩態熱源影響下測點溫度變化

穩態熱源條件下，記錄不同距離測點傳感器對熱源溫度的監測數據，分析監測溫度與測點距離的關系，得到不同距離測點溫度變化曲線，如圖2所示。

圖2 穩態熱源條件下不同距離測點溫度變化曲線

由圖2可以看出，在每個階段穩定的熱源溫度狀態下，紅外測溫傳感器監測的溫度值隨測點距離的增加，呈二次函數形式降低，溫降速度逐漸減小；隨著測點距離增加至一定程度，紅外測溫傳感器接收的溫度值趨于穩定，接近測試的環境溫度。在80、140、200、260 ℃不同熱源影響下，溫度趨于穩定的距離分別為18.4、19.0、21.5、21.7 m，這說明熱源溫度越高，溫度趨于穩定的距離越長，熱量傳遞范圍越大。

對比不同溫度熱源條件下，各測點的溫度變化情況，研究熱源本身對熱量傳遞規律的影響及隨著監測距離的增加，熱量的衰減情況，結果如圖3和圖4 所示。

圖3 不同熱源溫度條件下各測點溫度變化曲線

圖4 溫度接收效率隨距離的變化曲線

由圖3可知，隨著熱源溫度的升高，同一測點溫度初期上升較快，后逐漸趨于穩定。對比擬合結果可知，溫度變化整體更接近二次項曲線規律。

由圖4可知，隨著測點距離的增加，測點的溫度接收效率迅速降低。且熱源溫度越高，溫降趨勢越明顯。這說明高溫熱源相比于低溫熱源，與周圍環境溫差更大，傳播過程中的熱量損耗越大，導致同一測點溫度的增幅減小。

分析各測點溫度變化，紅外測溫傳感器監測溫度T1與熱源溫度T0、測點距離x的擬合關系式如下：

T1=(6.855+0.562T0)-(0.28+0.04T0)x+(0.052+0.03e(T0/147.248))x2

(1)

2.2 動態熱源影響下測點溫度變化

利用不同距離處的紅外測溫傳感器監測熱源升溫過程監測點溫度的變化規律，分析熱源溫度動態變化過程中各測點溫度的變化趨勢，熱源與測點的溫度隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 熱源與測點的溫度隨時間變化曲線

由圖5可知，設定熱源溫度在0～260 ℃范圍內逐漸升高，測點溫度隨時間呈指數函數形式增長。對比不同距離測點的溫升曲線可知，在熱源升溫初期，隨著測點距離的增大，測點溫度發生變化的時間稍有延后，且距離越遠，延后時間越長；在同一溫度熱源影響下，測點溫升速率隨測點距離的增大而逐漸變緩，但總體變化趨勢相同，且熱源溫度越高，動態條件下測點溫度與熱源穩定時監測到的溫度差值越小。這是由于傳熱介質比熱容隨溫度的升高而增大，熱源溫度越高時其與附近空氣達到熱平衡狀態的時間越短，從而快速映射多孔介質空間內的熱源溫度。動態熱源影響下不同距離測點的溫度變化云圖如圖6所示。

圖6 動態熱源影響下不同距離測點的溫度變化云圖

由圖6可知，紅外測溫傳感器監測的瞬時溫度T2、熱源溫度T0和測點距離x的擬合關系式如下：

(2)

公式(2)描述了測點溫度隨熱源溫度動態變化的關系。

3 誤差分析

受測試方法與試驗環境因素的影響，熱源溫度紅外測溫傳感器測定數據存在誤差，包括紅外測溫傳感器測定熱源溫度的系統誤差和數據處理的截斷誤差。

3.1 試驗過程系統誤差

熱源在動態升溫過程和穩定狀態下，紅外測溫傳感器測定同一溫度時會存在差異，將這種差異定義為一定時間內數據記錄的系統誤差ε1：

(3)

式中：m為測點距離；n為熱源升溫時間總步數；T2it為時間t時i米處的溫度監測值；T1i為i米處計算T1得到的溫度值。

3.2 數據處理截斷誤差

數據擬合公式的溫度計算值與實測數據之差ε2：

(4)

式中Ti為紅外測溫傳感器實際監測溫度值。

4 試驗精度與結果分析

計算得到紅外測定試驗溫度擬合結果T1與動態監測瞬時溫度T2的系統誤差修正公式為：

k1=?αdxdx+c1

(5)

式中α=-0.002 62，c1=1.063,均為試驗測定系數。

完善溫度曲線修正因子，確定T1與T的紅外溫度數據截斷誤差修正公式為：

k2=?βdxdx+c2

(6)

式中β=0.003，c2=1.073，均為試驗測定系數。

由公式(5)與公式(6)聯立，得到適用于本試驗合理的修正公式：

k=k1k2

(7)

(8)

式中：M為誤差總個數；Δ為溫度測量誤差；T為測量真實值。

對各測點修正溫度與紅外測溫傳感器實測溫度進行對比，得到測點修正溫度與實測溫度誤差如圖7所示。

圖7 測點修正溫度與實測溫度誤差圖

由圖7可知，熱源溫度升高導致紅外測溫設備的測量精度在一定范圍內波動，測點溫度修正值與實測值略有差異，但平均相對誤差值穩定在2.8%左右，低于5%，符合GB/T 13283—2008《儀器儀表精確度等級》中規定0.5級測溫傳感器的精度標準，具有較高的精度。因此，可將紅外測溫傳感器實測溫度數據代入所推導出的紅外試驗溫度修正公式，進而確定各測點位置，快速推導出高溫熱源溫度，實時監測熱源的溫度變化。

5 結論

1)通過熱源溫度紅外測定試驗，研究表明在測定穩態熱源條件下，測點溫度隨監測距離的增加呈二次函數規律逐漸衰減，當測點與熱源距離大于21.7 m時，測點溫度趨于穩定。

2)動態升溫試驗結果表明，各測點溫度與熱源溫度溫升規律相同，均隨時間呈指數形式增長，溫升速率隨測點距離的增大而逐漸變緩；熱源溫度越高，動態條件下的測點溫度越接近穩態溫度。

3)為了降低試驗本身對紅外測溫傳感器測量精度的影響，確定試驗系統誤差與數據處理截斷誤差修正公式，得到紅外測定試驗溫度修正公式。對比分析修正溫度與實測溫度，確定誤差值在2.8%左右，可為準確推導高溫熱源實際溫度提供參考。