郭 軍，李 帥，蔡國斌，李睿涵，金 彥

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.國家礦山應(yīng)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(yè)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(fā)生的較嚴重的事故類型[1-3]，是世界范圍內(nèi)亟需解決的重要問題之一，若處置不當(dāng)，可能會造成社會和生態(tài)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(chǎn)煤國，地下煤火問題對環(huán)境造成嚴重破壞[6-7]。采空區(qū)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(zāi)害極易導(dǎo)致瓦斯或煤塵爆炸等次生災(zāi)害發(fā)生[9]。

煤自燃是煤和氧自發(fā)反應(yīng)放熱所致，其形成和發(fā)展是通過自發(fā)的、緩慢的、動態(tài)變化的放熱、聚熱、升溫導(dǎo)致快速反應(yīng)，最終引起燃燒的非線性動態(tài)過程[10-11]。煤氧復(fù)合反應(yīng)越到后期，反應(yīng)速度越快，煤體升溫也更快，導(dǎo)致防控難度呈指數(shù)增長，因此煤自燃災(zāi)害的早期精確預(yù)警是煤自燃高效防控的關(guān)鍵[11-12]。然而，由于漏風(fēng)通道的多源多匯與非穩(wěn)態(tài)強度，使得采空區(qū)的松散煤體長期暴露在有氧環(huán)境下，導(dǎo)致煤自燃高溫點具有位置隨機、燃燒狀態(tài)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(chǎn)[13-14]。因此，精準定位采空區(qū)煤體的自燃區(qū)域以及井下煤自燃危險區(qū)域的溫度場實時監(jiān)測，對采空區(qū)等地下隱蔽火區(qū)煤自燃的早期預(yù)警與精準防控具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，尚未研發(fā)出快速準確定位煤自燃高溫區(qū)域并監(jiān)測其溫度場演變的成熟技術(shù)方法。采空區(qū)等地下隱蔽火源現(xiàn)有的測溫方法受限于采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境和技術(shù)瓶頸，多數(shù)探測技術(shù)均難以精確判定采空區(qū)等地下隱蔽火區(qū)自燃火源的位置或范圍。采空區(qū)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(xué)法測溫技術(shù)在糧倉等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[15]，相較于其他測溫方式，聲學(xué)法測量溫度場具有測溫區(qū)域廣、量程大、精度高、非接觸、實時連續(xù)和操作便捷等顯著優(yōu)點[16]。從測溫原理上，聲學(xué)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(qū)等地下隱蔽火源位置精準探測和發(fā)展前景良好的方法。

本文總結(jié)和分析現(xiàn)有煤自燃測溫技術(shù)的研究進展和技術(shù)瓶頸，結(jié)合聲學(xué)測溫技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用原理和技術(shù)實現(xiàn)方式，探討聲學(xué)測溫技術(shù)在采空區(qū)松散煤體溫度反演探測領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，并分析在測定煤溫時應(yīng)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(xué)測溫技術(shù)在煤層測溫領(lǐng)域提供新的思路。

1 煤溫探測感知技術(shù)現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)象，如光學(xué)高溫計、聲學(xué)測溫等。因介質(zhì)接觸測溫元件時可能出現(xiàn)部分破壞[17]，現(xiàn)代測溫技術(shù)的應(yīng)用更偏重于非接觸測溫的方式。

煤層測溫與其他領(lǐng)域測溫不同，因地下的煤層地質(zhì)情況和采空區(qū)漏風(fēng)復(fù)雜，且無法詳盡獲得煤層的內(nèi)部信息，又因其空間大、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖熱導(dǎo)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(shù)、光纖探測技術(shù)、指標氣體測溫技術(shù)，熱電偶測溫技術(shù)、同位素測氡法等。

1.1 紅外探測技術(shù)

依據(jù)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(shù)的原理是將紅外探測器捕捉的紅外線轉(zhuǎn)化成為電信號，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理，在顯示屏上得到相應(yīng)的熱像圖。

Du等[18]將紅外線探測技術(shù)原理應(yīng)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(jié)合多種測溫手段預(yù)測煤層自燃信息；文虎等[19]依據(jù)煤層自燃的規(guī)律與煤層條件，建立運用紅外技術(shù)探測隱蔽火源的實驗?zāi)Ｐ停岢霾煽諈^(qū)隱蔽火源反演識別和煤自燃發(fā)火隱患探測與識別在紅外領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。紅外成像測溫技術(shù)在某礦密閉墻處的應(yīng)用如圖1所示，其中，圖1(a)顯示密閉墻漏風(fēng)處溫度高達20.18 ℃，圖1(b)顯示回風(fēng)巷道煤柱破碎區(qū)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(shù)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(nèi)部，故紅外測溫技術(shù)在煤自燃溫度探測領(lǐng)域有一定的局限性。

1.2 光纖測溫技術(shù)

光纖中傳播光脈沖時會產(chǎn)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(shù)的原理，提出利用實用新型光纖測溫技術(shù)實現(xiàn)采空區(qū)的高溫判定，依據(jù)光纖測溫結(jié)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(shù)原理，采用DTS(分布式溫度傳感)系統(tǒng)與NS(Nova-Sina數(shù)字溫度計數(shù)字溫度計)，對昆士蘭大學(xué)實驗礦井的環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測，且使用OTDR(光時域反射儀)技術(shù)在單項模式下測量，降低系統(tǒng)的使用成本，提升測溫的精準性與信號接收的穩(wěn)定性。

在礦下復(fù)雜的環(huán)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(dǎo)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(qū)的煤溫。

1.3 指標氣體測溫技術(shù)

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

西安科技大學(xué)防滅火團隊將煤自燃反應(yīng)特征溫度進一步細分為潛伏、復(fù)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(yù)測煤自燃的指標氣體為CO，O2，C2H4，ΔCO/ΔO2，C2H4/C2H6等，且依據(jù)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(qū)遺煤自燃進行數(shù)值模擬，明確劃分采空區(qū)“三帶”區(qū)域，利用管束對采空區(qū)瓦斯數(shù)據(jù)進行檢測，比對模擬數(shù)據(jù)，從而預(yù)判采空區(qū)域的發(fā)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(shù)的氣體采集裝置目前還存在采空區(qū)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(shù)

熱電偶測溫技術(shù)基于塞貝克效應(yīng)進行測溫，將A,B 2種不同的導(dǎo)體或非導(dǎo)體進行焊接，使之形成1個閉合回路，當(dāng)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(chǎn)生的電壓關(guān)系，對屯蘭礦采空區(qū)域的溫度變化進行具體分析，并對某工作面的采空區(qū)“三帶”進行劃分，熱電偶測定溫度時，具有精確度較高、性能穩(wěn)定、成本較低等優(yōu)點，但應(yīng)用于礦下時，需要鋪設(shè)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(jié)果也有干擾；此外，也存在與光纖測溫技術(shù)同樣的難題，即難以將測點布設(shè)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(gòu)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(jié)合同位素測氡法的理論及試驗研究，針對采空區(qū)火源溫度及位置提出1種探測深部礦井采空區(qū)隱蔽火源的方法，得出煤自燃距風(fēng)口位置、自燃煤體溫度與氡析出量的變化關(guān)系。

同位素測氡法是目前應(yīng)用較廣的1種礦井火災(zāi)防治技術(shù)，但運用累計法和瞬時值法進行探測時發(fā)現(xiàn)2種方法測量結(jié)果存在差別大、工作量大、周期長、經(jīng)濟成本高等缺點。

此外，在煤層測溫中還借助磁法、地質(zhì)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(xué)法測溫技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 聲學(xué)測溫原理

聲學(xué)測溫法的原理是基于聲波傳播速度與介質(zhì)溫度之間的單值函數(shù)關(guān)系，根據(jù)聲波在介質(zhì)傳播過程中聲速或聲波頻率的改變受到傳播介質(zhì)溫度的影響，來反演溫度場問題，即利用發(fā)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(gòu)溫度場，或是通過采集分析物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的燃燒音來判斷火災(zāi)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(xù)等特性[16]。

圖3 聲學(xué)法測溫探火技術(shù)

在應(yīng)用聲學(xué)法進行溫度探測領(lǐng)域，Shen等[29]運用最小二乘法與徑向基函數(shù)插值改善經(jīng)典算法下重建結(jié)果在邊界區(qū)域的溫度缺失問題，結(jié)合二者的優(yōu)勢，提高經(jīng)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(yōu)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(jié)果中將脈沖聲波轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú?，在爐膛內(nèi)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(xué)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(shù)據(jù)最佳函數(shù)匹配的數(shù)學(xué)手段，將數(shù)據(jù)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(yīng)用的經(jīng)典算法，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1)方便從大量雜亂無章的實驗測量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律；2)著重擬合能夠表述數(shù)據(jù)走向規(guī)律與發(fā)展趨勢的曲線或函數(shù)，削減局部擾動對整體的影響；3)確保求解的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)間的誤差平方達到最小，依靠數(shù)據(jù)間的趨勢與規(guī)律，根據(jù)先驗數(shù)據(jù)得出未知數(shù)據(jù)。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(qū)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(shù)學(xué)基礎(chǔ)為矩陣的奇異值分解理論[34]，某些病態(tài)的稀疏矩陣會致使結(jié)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(dāng)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(yōu)化與有效化求解使得迭代法在大型線性方程組中廣泛應(yīng)用。求解過程中僅借助一階倒數(shù)，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(yīng)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(jīng)典的迭代法算法還包含ART(代數(shù)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(shù)被Hounsfield應(yīng)用于醫(yī)學(xué)CT中后在該領(lǐng)域中得到廣泛發(fā)展，SIRT在此基礎(chǔ)之上發(fā)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(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1)聲學(xué)測溫技術(shù)應(yīng)用

目前聲波測溫技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于爐膛測溫，用于檢測爐膛出口氣體溫度，Shen等[29]應(yīng)用最小二乘法與Multiquadric插值法改進溫度場的重建算法，提高經(jīng)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(jīng)元模型進行分層建模，提高整個系統(tǒng)的自適應(yīng)性，使得誤差范圍更??；文獻[38]借鑒爐膛等聲學(xué)測溫技術(shù)，開展基于聲學(xué)法倉儲糧食溫度場檢測的研究工作，探討在聲學(xué)CT溫度場重建過程中聲波接收器與發(fā)射器的布局位置對其結(jié)果的影響，并利用不同的方式對重建后的溫度場質(zhì)量進行評價。

Bramanti等[39]依據(jù)聲學(xué)測溫系統(tǒng)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(dāng)時技術(shù)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(jié)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(fā)生折射現(xiàn)象，傳播路徑彎曲。由此提出聲波的“彎曲效應(yīng)”概念，將最小二乘法與迭代法相結(jié)合彌補彎曲效應(yīng)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(nèi)外關(guān)于聲學(xué)測溫的理論經(jīng)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(fā)的Biolerwatch系統(tǒng)及Entertechnix公司推出的Pyrometrix系統(tǒng)，但由于實時的環(huán)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(xué)法煤層測溫技術(shù)應(yīng)用前景分析

隨著計算機技術(shù)和聲學(xué)理論研究的不斷發(fā)展，因聲學(xué)測溫技術(shù)表現(xiàn)出的測溫區(qū)域廣、量程大、精度高、非接觸、實時連續(xù)和操作便捷等顯著優(yōu)點，其已廣泛應(yīng)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(zāi)信號探測領(lǐng)域。

基于聲學(xué)測溫和火災(zāi)探測技術(shù)原理，煤火發(fā)生演化過程中也會有相應(yīng)溫度信號產(chǎn)生，而且煤體的力學(xué)性質(zhì)、采空區(qū)內(nèi)松散煤體形成的多孔介質(zhì)等特征與倉儲顆粒糧食類似?；诂F(xiàn)有糧倉、爐膛的聲學(xué)測溫技術(shù)測定煤層溫度，并在建模時應(yīng)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(qū)域大量硬邊界溫度數(shù)據(jù)丟失問題；此外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)實際的情況，可進行深度學(xué)習(xí)并不斷調(diào)整目標函數(shù)，使得輸出結(jié)果的數(shù)值更加貼近實際情況，從而更優(yōu)顯示井下采空區(qū)域的溫度分布情況。將所建模的新系統(tǒng)實際應(yīng)用于工程問題中，結(jié)合煤層溫度狀況，收集并建立實驗數(shù)據(jù)庫，并利用BP神經(jīng)算法使系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)，使得建模系統(tǒng)更加適應(yīng)實際環(huán)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(xué)測溫過程中各種算法及探測技術(shù)問題，聲學(xué)法可滿足采空區(qū)煤自燃高溫點的探測要求，有望成為井下采空區(qū)隱蔽火源位置精準探測發(fā)展前景良好的1種方法。

3 結(jié)論

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

2)綜合考量聲學(xué)測溫技術(shù)原理和實現(xiàn)過程說明，該技術(shù)適用于采空區(qū)松散煤體自燃火區(qū)的環(huán)境特征，有望成為采空區(qū)隱蔽火源位置精準探測發(fā)展前景良好的1種探測方法。

3)聲學(xué)法探測松散煤體自燃溫度的基本原理、傳播衰減規(guī)律、溫度場重構(gòu)模型及其關(guān)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(lǐng)域提供1個新的技術(shù)方法。