宋吾軍+王自龍+吳響+張一真

摘 要：現(xiàn)有煤田火區(qū)探測方法由于受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件限制，存在一些不足。次聲作為燃燒所共有的產(chǎn)物，可作為一種新的探測煤田火區(qū)的媒介，為煤田火區(qū)探測提供了新的理論與方法。文章探討了通過定向接收次聲信號判斷是否發(fā)火的可行性。首先提出地下煤層燃燒次聲發(fā)生機(jī)理，推導(dǎo)煤火次聲頻率特性表征方法，然后提出次聲探測煤田火區(qū)的技術(shù)路線并總結(jié)關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：次聲；煤田火區(qū)；探測

煤田火區(qū)在世界主要產(chǎn)煤國均普遍存在，中國干旱少雨的西部省區(qū)尤為嚴(yán)重[1]。煤田火災(zāi)不僅直接燒毀大量的煤炭資源，而且對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞[2]。由于煤田火區(qū)存在于地下，為了高效的治理煤田火區(qū)，精準(zhǔn)確定燃燒區(qū)域位置尤為關(guān)鍵。現(xiàn)有煤田火區(qū)探測方法由于受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件制約。大多采用對燃燒高溫引起的間接異常進(jìn)行探測，并非直接探測煤燃燒產(chǎn)物，易受環(huán)境干擾，造成對火區(qū)的遺漏與誤判。而現(xiàn)有資料與研究成果表明，在物質(zhì)燃燒過程中，會有超低頻波段的次聲聲波產(chǎn)生，且是所有燃燒所共有現(xiàn)象。由于在次聲頻率范圍內(nèi)，日常雜音少，所以可以很大程度上避免環(huán)境噪聲對探測結(jié)果的影響。所以可通過定向接收不同區(qū)域的次聲波信號，判斷是否存在煤田火區(qū)的存在。

1 煤田火區(qū)燃燒音頻特征

1.1 煤田火區(qū)燃燒音頻

煤田火災(zāi)的發(fā)生與其他燃燒一樣，是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，伴隨著發(fā)光、發(fā)熱、發(fā)聲。燃燒的過程也是能量釋放的過程，其中一部分能量以質(zhì)量流（氣體、煙顆粒、氣溶膠等）形式釋放出去，另一部分則以輻射（光、熱、燃燒音）的形式表現(xiàn)出來[3]。燃燒音是能量輻射的一部分，燃燒音頻譜的分析表明其頻域成分很豐富，包括次聲波段、可聽波段和超聲波段[4]。所以，若想有效探測到煤田火區(qū)發(fā)出的燃燒音，就要選擇合適的波段，以最大限度的減少環(huán)境噪聲的干擾，同時需保證煤田火區(qū)的燃燒音中包含有此波段的聲音。在三個波段中，可聽波段的燃燒音最易日常雜音干擾且難以剔除，不易獲取有用信息。而在超聲波段，雖然日常噪音相較于可聽波段少，但是由于超聲波段的聲音容易被吸收，傳播距離近，在地面不能保證接接收到地下煤層燃燒產(chǎn)生的燃燒音。而次聲波段聲音不僅日常噪聲少[5]，而且由于次聲波波長較長，不宜被吸收，傳播距離遠(yuǎn)，所以很容易由地下火區(qū)傳播到地表。且研究表明，所有燃燒均有次聲波段的聲音產(chǎn)生，僅聲波頻率不同。所以應(yīng)采用次聲波段聲音作為探測煤田火區(qū)的媒介。

對于燃燒音的產(chǎn)生機(jī)理，通過對現(xiàn)有研究成果的總結(jié)，認(rèn)為煤田火區(qū)燃燒音的產(chǎn)生機(jī)理有三種可能，分別是空氣振動、分子碰撞和聲發(fā)射。在煤田火區(qū)中，三種產(chǎn)生原因均有存在可能。

1.2 煤田燃燒次聲特征頻率

次聲波的傳播速度與普通聲音一樣，在20℃的大氣中為334m/s。由于次聲波長長，容易發(fā)生衍射，在傳播過程中遇到障礙物很難被阻擋。并且次聲波具有極強(qiáng)的穿透力，可以穿透大氣、海水、土層、鋼筋混凝土構(gòu)件，還能穿過鋼板、鐵甲，甚至飛機(jī)機(jī)殼、艦艇、坦克等[6]。根據(jù)次聲的特點，目前次聲已在武器、監(jiān)測、工業(yè)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

對于次聲在火災(zāi)探測領(lǐng)域中的應(yīng)用，已有一些相關(guān)研究，但僅限于消防火災(zāi)。如William Grosshandler 等人[7]于1993年就開始對利用聲學(xué)特性對火災(zāi)進(jìn)行探測進(jìn)行研究。而到1994年日本東京消防廳消防科學(xué)研究所[8]利用火災(zāi)的聲學(xué)特性完成了燃燒音火災(zāi)探測系統(tǒng)樣機(jī)的研制工作，并進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)以及新樣機(jī)的實驗驗證。Alfred J. Bedard Jr等人[9]在對木材回收倉庫的火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，燃燒最強(qiáng)烈時監(jiān)測到的次聲頻率在1-2HZ之間，在燃燒后期，頻率在1-4HZ之間。2012年東華大學(xué)碩士研究生蔣靜學(xué)[4]對基于燃燒音的火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計工作，其燃燒實驗也再次驗證了次聲波段燃燒音的存在。

對于煤田火區(qū)燃燒音的特征頻率，根據(jù)徐伯樂[10]、Alfred J. Bedard Jr[11]等人研究成果，推測煤田火區(qū)穩(wěn)定燃燒時的最強(qiáng)次聲頻率滿足算式（1）：

式中，D為火源的等效直徑（m），k為影響因子。

通過以上的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，雖然次聲在很多領(lǐng)域已有成功應(yīng)用，但是在火災(zāi)探測領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場應(yīng)用均比較潰泛。而在煤田火災(zāi)探測領(lǐng)域的研究尚屬空白。鑒于次聲探測的優(yōu)點，值得對次聲在煤田火災(zāi)探測領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

2 次聲探測煤田火區(qū)研究技術(shù)路線

為了準(zhǔn)確有效利用次聲探測煤田火區(qū)，尚有許多工作需要完成。首先需要研究清楚煤在地下不同狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生次聲波的頻率域，然后是如何排除無關(guān)噪聲提取出有用信息，最后是對煤田火區(qū)的圈定。所以若需達(dá)到通過次聲探測煤田火區(qū)的目的，主要有以下三部分工作需要完成：

（1）了解地下火區(qū)燃燒產(chǎn)生次聲波頻率域，這樣需要實驗環(huán)境需要盡量接近地下火區(qū)燃燒條件。以免實驗結(jié)果與現(xiàn)場接收頻率域不一致，造成遺漏。

（2）由于燃燒次聲向各個方向傳播，所以采用開放式次聲傳感器也會接收到來自各個方向的次聲信號，這樣就達(dá)不到定位火源位置的目的。所以需要采用指向性次聲接收裝置，僅接受特定方向的次聲信號。

（3）為了濾除噪聲干擾，鑒于只采用特定次聲傳感器進(jìn)行濾波可能不能完全達(dá)到理想效果，還需采用低通濾波器進(jìn)一步輔助排除噪聲干擾。

根據(jù)以上研究內(nèi)容，建立技術(shù)路線圖為：實驗采集分析開放空間煤燃燒次聲信號→實驗采集分析受限空間煤燃燒次聲信號→實驗?zāi)M地下煤燃燒環(huán)境，并采集分析次聲信號→設(shè)計煤田火區(qū)次聲信號探測系統(tǒng)→煤田火區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用。

截至目前，我們已初步設(shè)計了接地型煤田火區(qū)次聲探測系統(tǒng)，圖1為探測系統(tǒng)裝置連接圖。次聲接收裝置采用內(nèi)部抽真空的兩半球組成，次聲信號傳感器3位于球心偏上，這樣不僅可以完全隔絕地上半空間次聲信號干擾，還可以對地下次聲信號起到一定程度的增強(qiáng)作用。次聲信號經(jīng)過前置放大器的信號放大后經(jīng)由低通濾波器的處理存儲到存儲介質(zhì)，最終經(jīng)過專業(yè)軟件處理分析，判斷測點下方是否存在煤層燃燒。

3 結(jié)束語

現(xiàn)存的煤田火區(qū)主要有直接方法和間接方法兩大類，直接方法通過對煤燃燒直接產(chǎn)物如CO、SO、CO2或熱輻射進(jìn)行探測，此方法具有直接的特點，但是特征氣體易受裂隙等干擾，而鉆孔測溫?zé)o法大面積實現(xiàn)。間接方法通過測定煤層燃燒引起的圍巖體電、磁等異常，判定是否有火區(qū)的存在，此方法易受探測地點地質(zhì)條件的干擾，造成誤判或者漏判。

次聲信號作為燃燒所共有的特征，是燃燒的直接產(chǎn)物，且可以在地表被探測到，在煤田火區(qū)探測方面具有巨大潛力。但是同時也存在很多尚未解決的問題。煤田火區(qū)燃燒次聲的頻率域、信號的接收、處理、以及判定條件，都需要一一研究解決。

參考文獻(xiàn)

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[10]徐伯樂，李元洲，毛少華，等.西藏高原環(huán)境下油池火的燃燒速率和振蕩頻率[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（3）：231-236.

[11]Jr A J B， Georges T M. Atmospheric Infrasound[J].Physics Today，2007，53（3）：32-37.

作者簡介：宋吾軍，碩士研究生，研究方向：地下煤田火區(qū)探測。