Research on Infrared Effective Detection Distance for Predicting Spontaneous Combustion of Goaf Residual Coal Based on Non-contact Mode
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摘要: 采空区遗煤自燃是造成煤矿井下火灾事故的重要原因，受井下采空区实际情况限制，现有探测手段无法直接获得遗煤蓄热自燃的真实情况。本文利用红外热成像仪的非接触测温特点，通过测温原理分析、实验系统设计和搭建的手段，开展了贴近井下采空区真实环境的FOTRIC348红外热成像仪有效探测距离的测定实验，并进行了井下工程验证。结果表明，区域测温模式、线测温模式和点测温模式中FOTRIC348的有效探测距离分别为8~12 m、10~13 m和9~13 m；井下试验时FOTRIC348的有效探测距离为10~12 m；对上述探测距离取交集，综合判断FOTRIC348红外热成像仪在判断工作面两顺槽采空区遗煤蓄热自燃阶段的有效探测距离为10~12 m。该值的确定可为采空区遗煤自燃防治措施的实施提供针对性的决策依据。Abstract: The spontaneous combustion of residual coal in a goaf is a major cause of underground fire accidents in coal mines. Owing to the actual situation of underground goafs, existing detection methods cannot directly determine the true situation of residual coal thermal storage and spontaneous combustion. This study utilized the non-contact temperature measurement characteristics of the infrared thermal imager, and through the analysis of temperature measurement principles, experimental system design, and construction methods, conducts an experiment to measure the effective detection distance of the FOTRIC348 infrared thermal imager close to the real environment of the underground goaf, and verifies it in underground engineering. The results show that the effective detection distances of the FOTRIC348 in the regional, line, and point temperature measurement modes were 8 m to 12 m, 10 m to 13 m, and 9 m to 13 m, respectively. The effective detection distance of FOTRIC348 during underground testing was 10 m to 12 m. Based on the intersection of the above detection distances, the effective detection distance of the FOTRIC348 infrared thermal imager for determining the thermal storage and spontaneous combustion stage of residual coal in the goaf of the two parallel grooves of the working face is 10 m to 12 m. Determining this value can provide a targeted decision-making basis for implementing prevention and control measures for spontaneous coal combustion in the goaf.
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0. 引言
我国作为煤炭生产强国和煤炭消耗大国，未来一段时间内对煤炭资源的依赖性依旧较强。我国境内的煤炭资源赋存丰富，分布广泛，但具有自燃倾向的煤层占比超过煤层总数的60%；目前在册的所有井工矿井中具有自然发火风险的矿井数量占比超过55%[1]。井下采空区遗煤自燃已成为制约煤矿安全生产的重要因素之一[2]。
据不完全统计，煤矿井下火灾90%源于采空区遗煤自燃。因此，加强对采空区遗煤自燃的预测预报工作极为重要，并且国内外学者从温度和特征气体的角度入手开展了大量的研究。张广杰[3]等根据沿空留巷和工作面通风特点，建立采空区遗煤自然发火模型，结合数值模拟技术对未留巷、留巷未采取防漏风措施和留巷采取防漏风措施等工况下的采空区遗煤自燃特征，从温度控制的角度提出了沿空留巷分级防控防灭火技术体系；杨胜强[4]等通过对漳村煤矿2603和2601工作面新老采空区现场测温取样分析得出了采动影响下的隔离煤柱两侧采空区的氧气浓度分布，揭示了采空区遗煤二次氧化特点；柳博聪[5]构建了采空区遗煤自燃模拟实验系统，通过特征元素——氡的浓度变化判断采空区遗煤自燃发展状态；张欣[6]以CO作为指标气体，以数值模拟和物理实验相结合的方法展开了高效复合泡沫对采空区遗煤自燃防控效果的研究；朱红青[7]等利用CO、C2H6和C2H4等煤低温氧化阶段产生的标志性气体判断火区燃烧状态和发展方向。此外，郑学召[8]等综述了目前煤田火灾常用监测技术的发展现状和应用效果，主要包括磁探法、电阻率法、无线电波法、地质雷达法、气体测量法、同位素测氡法、温度法、遥感法等，提出了无人机挂载红外热成像仪的低空遥感技术是煤田火灾探测的发展方向；杨永辰[9-10]等，秦汝祥[11]等利用红外热成像开展了不同参数和工矿条件下的巷帮高温煤体的成像效果及探测精准度的试验研究。非接触式探测效果示例如图 1中所示。
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图 1 煤层露头位置红外热成像探测示例Figure 1. Example of infrared thermal imaging detection of coal seam outcrop position前述学者从多角度开展的遗煤自燃探测取得了丰富的研究成果，但对于空区遗煤自燃的发展程度均处于间接预测阶段，没有直接的观测数据进行说明；而作业人员不能进入采空区进行直接探测的现实情况使得非接触式测温方式的出现备受关注。该种方式使得作业人员可以在工作面端头位置采用红外热成像仪对两顺槽后方的采空区遗煤进行直接扫描，从而快速捕捉扫描范围内的高温点及其位置，进而采取更具有针对性的防治措施。目前，已有学者对不同粒径、含水率以及热源深度条件下的红外探测效果进行了研究[12-13]，但是基于红外探测距离的遗煤自燃预测效果及其准确性的研究鲜见报道。因此，本文在0~13 m的范围内，以步距0.5 m和1.0 m开展了两组不同粒径煤样的采空区遗煤堆自然发火高温点探测实验并进行了井下试验。
1. 不同探测距离的红外模拟实验
1.1 实验原理
红外线是自然界中最常见的电磁波，波长范围为0.76~100 μm，根据波长可分为近红外线、中红外线、远红外线和极远红外线四种类型。处于绝对零度以上的物体内部均会发生分子或者原子之间的无规则碰撞，红外探测就是对物体辐射出的热量进行捕捉和电信号转化，经放大处理、转换或标准视频信号通过显示屏显示红外热像图[13-16]。如图 2所示，在固定的扫描角度下，探测距离不同时，红外热成像仪与物体之间扫描范围不同，进入热成像镜头的红外光线随着探测距离的增加而增多，对目标物体探测准确性的影响因素越多[17-19]。因此，本实验通过改变探测距离，将成像结果中目标物体的最高温度、最低温度和平均温度与物体表面实际温度值进行对比，得出井下工况时采空区遗煤自燃的最佳探测距离。
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图 2 红外热成像仪探测原理示意图Figure 2. Schematic diagram of the detection principle of infrared thermal imager理论上，排除环境因素及人为操作原因对探测结果准确性的影响后，探测距离的计算公式如式(1)所示：
$$ \left\{ \begin{gathered} l = \frac{{Y \cdot F}}{{N \cdot a}} \hfill \\ F = b \cdot m \hfill \\ \end{gathered} \right. $$ (1) 式中：l为红外热成像仪的探测距离，m；Y为目标物体短边的长度尺寸，m；F为b与m的乘积；N为可探测目标的光轴截面短边成像所占的像素个数；a为像元间距，μm；b为红外热成像仪镜头与目标物体短边之间的距离，m；m为镜头焦距，m。
1.2 实验系统
本次实验采用的实验仪器包括FOTRIC348红外热成像仪、预埋式恒温煤体加热器、碎煤机、标准振筛机、远红外高低温自动焊条烘箱，主要设备实物如图 3所示，实验系统搭建如图 4所示，各设备的主要参数如下所示：
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图 4 不同探测距离的采空区煤自燃红外热成像预测效果实验系统Figure 4. Experimental system for infrared thermal imaging prediction of coal spontaneous combustion in goaf with different detection distances① Ambient temperature detector; ② Environmental wind speed and humidity detectors; ③ Power supply; ④ Power supply line for embedded constant temperature coal body heater; ⑤ T-shaped ruler; ⑥ Simulated goaf residual coal pile; ⑦ High temperature resistance test bench; ⑧ FOTRIC348 infrared thermal imager; ⑨ Movable sliding rod; ⑩ Concave movable slide rail; ⑪ Position card1）FOTRIC348红外热成像仪：红外分辨率：640×480；热灵敏度：＜0.07℃；视场角：25°×|9°；最小成像距离：0.25 m；测量距离：0~50 m；测温范围：－20~120℃/0~650℃/200~1200℃；测量精度：±2℃或±2%（取大值）；测温模式：4个点/4个区域/1条线。
2）预埋式恒温煤体加热器：功率：200 W；供电电压：220 V；温度范围：0~150℃；
3）碎煤机：额定功率：3000 W；供电电压：380 V；转速：1430 r/min；
4）标准振筛机：额定功率：370 W；供电电压：380 V；
5）远红外高低温自动焊条烘箱：额定功率：3000 W；供电电压：380 V；温度范围：0~500℃。
1.3 煤样制备及实验流程
为了更加真实地模拟采空区遗煤堆积储热自燃的状态，且为了避免实验结果的偶然性，本实验中使用井下采集的新鲜块煤进行破碎和筛分，选择粒径＞30 mm和20~30 mm的煤样进行锥状堆积，煤样工业参数及筛分结果如表 1所示。
表 1 煤样工业参数及筛分结果统计Table 1. Statistics of industrial parameters and screening results of coal samplesParticle size/mm Moisture content/% Ash content/% Volatile/% Sulfur content/% Density/(g/cm3) Quality/g Uniformity ＞30 0.82 25.98 17.90 0.38 6.75 5300 even 20~30 3.50 5500 实验流程具体如下：
1）煤体破碎。将井下采集的块煤破碎后放入碎煤机，反复操作几次，使破碎后的煤样块度均匀；
2）煤样筛分。将振筛机滤网按照30 mm、20 mm和10 mm的顺序自上而下排列，把破碎后的煤样均匀慢速倒入最上层的滤网，反复操作几次，确保筛分出的煤样粒径分明，筛分完成后不同粒径的煤样做好标记后分类摆放；
3）预埋加热器。将预埋式恒温煤体加热器埋置于遗煤堆中间位置，然后利用T型尺控制锥形遗煤堆的高度，实验开始前提前供电使其快速达150℃；
4）红外热成像仪参数设置。实验开始前先打开机器预热10 min，为尽可能模拟井下实际环境，设置环境温度30℃，湿度60%，辐射率设置为0.95，镜头调焦7.5 mm，风速设置为0 m/s。
5）调整探测距离。实验开始时，调整滑杆高度，使红外热成像仪的镜头中心与遗煤堆中心处于同一高度，将固定在可移动滑杆上的红外热成像仪分别置于中凹式可移动滑轨的不同刻度处，分别选用区域测温、线测温和点测温3种模式进行。0~6 m范围内测试步距为0.5 m，6~13 m范围内测试步距为1 m。
1.4 实验结果分析
实验过程中为避免结果的偶然性，选择了不同粒径组成的遗煤堆进行两组实验，如图 5所示，在遗煤堆表面中间和底部设置两条回水平固定测线（红色水平线），沿竖向从上至下设置3个固定测点（黄色线圈）。利用区域测温、线测温和点测温3种模式进行探测。
1.4.1 区域测温模式探测结果
实验对区域测温模式中遗煤堆表面温度的最大值和平均值进行了统计分析，并得出了温度值随探测距离的变化趋势，如图 6所示。在图(a)中，粒径＞30 mm时，遗煤堆的堆比重达到6.75，表明该遗煤堆中孔隙度较大，聚热效果一般，故遗煤堆表面温度最高值整体较低，随着探测距离的增加，遗煤堆表面的最高温度值的波动程度逐渐减小，当探测距离为0~8 m时，最高温在51.1~54.6℃范围内波动，探测距离为8~12 m时温度值降幅和波动范围均较小；粒径为20~30 mm时，由于堆比重较小，遗煤堆蓄热效果较好，表面温度值整体较高，其随着探测距离的变化趋势与粒径＞30 mm时的规律相近，探测距离为7~11 m时温度值波动范围较小。在图(b)中，不同粒径时的遗煤堆表面温度平均值变化规律相近，遗煤堆表面温度平均值表现出整体降低趋势。粒径＞30 mm时，温度值在8~12 m内波动较小，粒径为20~30 mm时，温度值在9~12 m内波动较小。
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图 6 区域测温模式中遗煤堆表面温度最高值与平均值随探测距离的变化趋势Figure 6. The variation trend of the highest and average surface temperature values of residual coal piles with detection distance in regional temperature measurement mode由此，根据区域测温模式中的红外探测结果可知，遗煤堆表面最高温度值稳定后的探测距离为7~12 m，温度平均值稳定后的探测距离为8~12 m。
1.4.2 线测温模式探测结果
在线测温模式中，粒径＞30 mm的遗煤堆表面测线上的平均温度值总体上均小于粒径为20~30 mm的遗煤堆表面测线上的平均温度值，如图 7所示。粒径＞30 mm时，测线1中的温度值在0~13 m的范围内变化幅度较小，最大差值为0.7℃，探测数据较为准确；测线2中的温度值在0~3 m的范围内波动幅度较大，最大差值为3℃，在3~13 m的范围内波动幅度较小，最大差值为0.4℃。粒径为20~30 mm时，测线1中的温度在1~10 m的范围内波动较大，在10~13 m范围内变化较小；测线2中的温度在1~9 m的范围内波动较大，在9~13 m的范围内基本趋于稳定。根据测线1中温度平均值判断稳定后的探测距离为10~13 m，根据测线2中温度平均值判断稳定后的探测距离为9~13 m。由此，认为线测温模式中温度稳定后的探测距离为10~13 m。
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图 7 线测温模式中遗煤堆表面温度平均值随探测距离的变化趋势Figure 7. The variation trend of the average surface temperature of residual coal piles with detection distance in the line temperature measurement mode1.4.3 点测温模式探测结果
根据图 8所示的点测温结果，煤样粒径＞30 mm时，测点1的温度平均值在1~4 m范围内波动较大，在4~13 m范围内处于小幅度波动；测点2和测点3的温度平均值随着探测距离的增加变化基本趋于稳定。煤样粒径20~30 mm时，测点1的温度平均值在1~9 m范围内大幅度波动，在9~13 m范围内趋于稳定；测点2和测点3的温度平均值随着探测距离的增加波动幅度极小，基本趋于稳定。由此，根据测点温度变化可以得出，测点温度值稳定后的探测距离为9~13 m。
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图 8 点测温模式中测点温度最大值随探测距离的变化趋势Figure 8. The trend of the maximum temperature value of the measuring point in the point temperature measurement mode as a function of the detection distance综合上述，区域测温模式中温度最大值稳定后的探测距离为7~12 m，温度平均值稳定后的探测距离为8~12 m；线测温模式中温度稳定后的探测距离为10~13 m；点测温模式中温度稳定后的探测距离为9~13 m。据此判断，根据相交取值的原则，最终判定FOTRIC348红外热成像仪在采空区遗煤蓄热自燃的预测预报中的有效探测距离为10~12 m。
2. 工程验证
2.1 试验地点概况
本次工程验证选择在汾西瑞泰井矿正明煤业0409工作面进行，该工作面长130 m，平均采高5.25 m，煤层倾角9°~10°，顶板岩性为泥岩与细砂岩，底板为砂岩与泥岩，使用综采放顶煤的方式开采，采3 m放2.25 m[13]；采空区遗煤具有自燃倾向性，根据回采过程中对每日架后掉顶煤和留底煤情况进行统计可得出，遗煤呈无规则堆积状存在，该工作面进风顺槽和回风顺槽均为梯形，面积约为12 m2。
2.2 试验装置及试验流程
井下工程验证所用装置与图 4中所示的物理成像模拟测试系统原理相同，其示意图如图 9所示。
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图 9 采空区单滑轨深部红外探测系统示意图[13]1. 操作手柄；2. FOTRIC348红外热成像仪；3. 中空金属架（内穿防爆控制线缆）；4. 滑动卡具；5. 单滑轨道；6. 固位卡槽；7. 顶板垮落的夹杂遗煤的矸石Figure 9. Schematic diagram of single slide rail deep infrared detection system in goaf1. Operating handle; 2. FOTRIC348 infrared thermal imager; 3. Hollow metal frame (with explosion-proof control cables inside); 4. Sliding fixtures; 5. Single sliding track; 6. Fixed card slot; 7. Gangue mixed with coal residue due to roof collapse图 9所示的采空区单滑轨深部红外探测系统中，红外热像仪沿煤层走向来回滑动。图中1可控制红外热成像仪左右各旋转90°，上下旋转各30°；3可伸缩以调整红外热成像仪的高度；5位于巷道中线，长度可调节。
试验过程中可通过操作手柄控制红外热成像仪在单滑轨上的位置，同时金属杆体可在180°范围内旋转，扩大扇形扫描范围。
探测流程为：①调整单滑轨长度，使其前端抵至垮落的矸石堆表面，根据0409工作面顶板垮落的实际情况，长度设置为44 m；因该工作面的采空区自燃三带中氧化升温带滞后工作面31~54 m，故可探测到整个氧化升温带长度内的遗煤温度；②红外热成像仪和滑动卡具供电，设置风速、湿度、测温范围、测温模式（区域测温）、拍摄方式、辐射率、自动调焦等参数，仪器预热10 min；③通过操作控制手柄，调动中空金属架和滑动卡具，使红外热成像仪在滞后工作面液压支架36~44 m处对采空区遗煤进行温度探测，步距1 m，采用设定帧数定时拍摄；④对拍摄的红外成像结果进行分析，得出高温点位置及温度值，判断该处遗煤所处的自燃阶段，进而采取针对性的防治措施。
2.3 试验结果分析
本次井下试验时，FOTRIC348红外热成像仪选择点测温模式，直接探寻扫描范围内的高温点的温度值，为避免测试结果的偶然性，选择不同时间段进行两次测试并对比探测结果，结果如图 10所示。
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图 10 最高温度值随探测距离的变化Figure 10. The variation of maximum temperature value with detection distance此外，在试验进行过程中，根据矿方提供的0409工作面进风顺槽监测束管埋管温度数据进行分析，与红外探测数据进行对比，以验证井下试验结果的正确性。束管埋管监测数据如图 10中所示。
图 10中展现了由进风顺槽埋设的束管监测得到的采空区氧化升温带内的实际温度值，以及两次试验测试得到的温度值的对比。当滞后回采工作面38 m时，束管埋管监测温度值呈现小范围波动，温度范围为48.2~51.5℃，其中滞后回采工作面42~44 m范围内的温度值波动范围为0.8℃。通过图 11中(a)、(b)可以看到，随着探测距离的缩短，红外成像效果逐渐清晰；与图 10中对应的探测距离为13~17 m时，探测范围内的最高温度值波动较大，第一次测试温度值波动范围达到了33.1~60.7℃，第二次测试温度值波动范围达到了28.6~57.3℃，探测数值可信度较差；与图 10中相对应的探测距离为10~12 m时，第一次测试结果中温度值的最大波动幅度为0.9℃，第二次测试结果中温度值的最大波动幅度为1.0℃；由此可知10~12 m的探测距离内测得的温度数值最为接近真实井下温度数值。此外，根据煤自燃三阶段的温度划分，可知此时0409工作面回风顺槽侧的采空区内遗煤处于自热期（35~70℃），应针对性地采取注液态CO2惰化降温、喷洒阻化剂隔绝氧气等措施，避免采空区遗煤温度继续升高进入燃烧期。
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图 11 不同探测距离处的红外成像结果Figure 11. Infrared imaging results at different detection distances经过综合分析井下试验结果，认为FOTRIC348红外热成像仪的有效探测距离为10~12 m，验证了物理模拟实验结果的准确性。
3. 结语
1）本文通过分析红外探测原理，自主设计了不同探测距离的采空区煤自燃红外热成像预测效果实验系统，模拟了井下采空区遗煤蓄热自燃的非接触式测温方式。
2）基于自主设计的非接触式测温实验系统，开展了模拟井下环境移动式有效探测距离测定实验，综合区域测温模式、线测温模式和点测温模式的实验结果，以遗煤堆表面温度稳定变化为评判原则，综合判断FOTRIC348红外热成像仪的有效探测距离为10~12 m。此外，在汾西瑞泰井矿正明煤业0409工作面进行了井下试验，验证了物理模拟实验结果的准确性。该范围的确定有助于煤矿井下利用红外热成像仪器探测工作面两顺槽形成的采空区中遗煤堆蓄热自燃阶段的准确判断，为采空区遗煤自燃防治措施的实施提供决策依据。
3）本文中的实验研究只考虑了工作面两顺槽范围内形成的采空区易自燃区域，未考虑支架后方区域，如何利用红外探测技术有效预测预报整个工作面后方采空区中遗煤堆蓄热自燃的阶段也是我们后续研究工作的重点。
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图 1 煤层露头位置红外热成像探测示例
Figure 1. Example of infrared thermal imaging detection of coal seam outcrop position
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图 2 红外热成像仪探测原理示意图
Figure 2. Schematic diagram of the detection principle of infrared thermal imager
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图 4 不同探测距离的采空区煤自燃红外热成像预测效果实验系统
Figure 4. Experimental system for infrared thermal imaging prediction of coal spontaneous combustion in goaf with different detection distances
① Ambient temperature detector; ② Environmental wind speed and humidity detectors; ③ Power supply; ④ Power supply line for embedded constant temperature coal body heater; ⑤ T-shaped ruler; ⑥ Simulated goaf residual coal pile; ⑦ High temperature resistance test bench; ⑧ FOTRIC348 infrared thermal imager; ⑨ Movable sliding rod; ⑩ Concave movable slide rail; ⑪ Position card
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图 6 区域测温模式中遗煤堆表面温度最高值与平均值随探测距离的变化趋势
Figure 6. The variation trend of the highest and average surface temperature values of residual coal piles with detection distance in regional temperature measurement mode
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图 7 线测温模式中遗煤堆表面温度平均值随探测距离的变化趋势
Figure 7. The variation trend of the average surface temperature of residual coal piles with detection distance in the line temperature measurement mode
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图 8 点测温模式中测点温度最大值随探测距离的变化趋势
Figure 8. The trend of the maximum temperature value of the measuring point in the point temperature measurement mode as a function of the detection distance
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图 9 采空区单滑轨深部红外探测系统示意图[13]
1. 操作手柄；2. FOTRIC348红外热成像仪；3. 中空金属架（内穿防爆控制线缆）；4. 滑动卡具；5. 单滑轨道；6. 固位卡槽；7. 顶板垮落的夹杂遗煤的矸石
Figure 9. Schematic diagram of single slide rail deep infrared detection system in goaf
1. Operating handle; 2. FOTRIC348 infrared thermal imager; 3. Hollow metal frame (with explosion-proof control cables inside); 4. Sliding fixtures; 5. Single sliding track; 6. Fixed card slot; 7. Gangue mixed with coal residue due to roof collapse
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图 10 最高温度值随探测距离的变化
Figure 10. The variation of maximum temperature value with detection distance
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图 11 不同探测距离处的红外成像结果
Figure 11. Infrared imaging results at different detection distances
表 1 煤样工业参数及筛分结果统计
Table 1 Statistics of industrial parameters and screening results of coal samples
Particle size/mm Moisture content/% Ash content/% Volatile/% Sulfur content/% Density/(g/cm3) Quality/g Uniformity ＞30 0.82 25.98 17.90 0.38 6.75 5300 even 20~30 3.50 5500 
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