沈亞楠，張嘉勇,2

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

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

采空區(qū)內(nèi)部實際環(huán)境復雜，國內(nèi)外學者為實現(xiàn)采空區(qū)熱源的精準定位，采用數(shù)值模擬、相似實驗及現(xiàn)場監(jiān)測等諸多手段對采空區(qū)溫度場進行了深入研究[4-9]。劉振嶺[10]、周佩玲[11]等基于現(xiàn)有基礎(chǔ)理論和實驗裝置自主設計采空區(qū)相似模擬實驗，研究了采空區(qū)高溫區(qū)域溫度的變化規(guī)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(tài)影響下工作面遺煤自燃溫度的變化規(guī)律，確定了采空區(qū)內(nèi)氧化帶與高溫區(qū)域形成的關(guān)聯(lián)性；張海洋[13]通過紅外熱成像儀采集工作面溫度數(shù)據(jù)，研究分析得到工作面溫度分布情況和溫升規(guī)律。在現(xiàn)場監(jiān)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(jiān)測裝置[16]對工作面進行現(xiàn)場參數(shù)監(jiān)測，繪制采空區(qū)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(shù)與溫度演化規(guī)律的關(guān)系，判定了采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域。非接觸式紅外測溫傳感器在高溫實時監(jiān)測領(lǐng)域，實現(xiàn)了信息高效傳輸處理[19]，但環(huán)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(qū)火源定位研究成果的基礎(chǔ)上，設計基于紅外原理的采空區(qū)熱源溫度測定試驗方案，分析高溫熱源溫度傳遞規(guī)律，推導紅外測溫試驗的溫度修正公式，以實現(xiàn)優(yōu)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(qū)內(nèi)部實際條件復雜，不具備現(xiàn)場連續(xù)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(guī)律的影響。對比分析動態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱源條件下的試驗數(shù)據(jù)，對紅外測溫試驗結(jié)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(qū)環(huán)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(shù)據(jù)的讀取、分析與記錄，實時監(jiān)測熱源的溫度變化情況。

1.3 試驗方案

以可調(diào)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(guī)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(shù)據(jù)進行記錄。為減小試驗誤差，每個設定溫度點記錄 5組數(shù)據(jù)，取其平均值作為最終結(jié)果。

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

在試驗場地進行試驗時，假定環(huán)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(wěn)定狀態(tài)，以減小儀器波動造成的測量誤差。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)熱源影響下測點溫度變化

穩(wěn)態(tài)熱源條件下，記錄不同距離測點傳感器對熱源溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測溫度與測點距離的關(guān)系，得到不同距離測點溫度變化曲線，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)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(wěn)定的熱源溫度狀態(tài)下，紅外測溫傳感器監(jiān)測的溫度值隨測點距離的增加，呈二次函數(shù)形式降低，溫降速度逐漸減??；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(wěn)定，接近測試的環(huán)境溫度。在80、140、200、260 ℃不同熱源影響下，溫度趨于穩(wěn)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(wěn)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(guī)律的影響及隨著監(jiān)測距離的增加，熱量的衰減情況，結(jié)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(wěn)定。對比擬合結(jié)果可知，溫度變化整體更接近二次項曲線規(guī)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(huán)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(jiān)測溫度T1與熱源溫度T0、測點距離x的擬合關(guān)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(tài)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(jiān)測熱源升溫過程監(jiān)測點溫度的變化規(guī)律，分析熱源溫度動態(tài)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(nèi)逐漸升高，測點溫度隨時間呈指數(shù)函數(shù)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(fā)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(tài)條件下測點溫度與熱源穩(wěn)定時監(jiān)測到的溫度差值越小。這是由于傳熱介質(zhì)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(tài)的時間越短，從而快速映射多孔介質(zhì)空間內(nèi)的熱源溫度。動態(tài)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(tài)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(jiān)測的瞬時溫度T2、熱源溫度T0和測點距離x的擬合關(guān)系式如下：

(2)

公式(2)描述了測點溫度隨熱源溫度動態(tài)變化的關(guān)系。

3 誤差分析

受測試方法與試驗環(huán)境因素的影響，熱源溫度紅外測溫傳感器測定數(shù)據(jù)存在誤差，包括紅外測溫傳感器測定熱源溫度的系統(tǒng)誤差和數(shù)據(jù)處理的截斷誤差。

3.1 試驗過程系統(tǒng)誤差

熱源在動態(tài)升溫過程和穩(wěn)定狀態(tài)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(nèi)數(shù)據(jù)記錄的系統(tǒng)誤差ε1：

(3)

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

3.2 數(shù)據(jù)處理截斷誤差

數(shù)據(jù)擬合公式的溫度計算值與實測數(shù)據(jù)之差ε2：

(4)

式中Ti為紅外測溫傳感器實際監(jiān)測溫度值。

4 試驗精度與結(jié)果分析

計算得到紅外測定試驗溫度擬合結(jié)果T1與動態(tài)監(jiān)測瞬時溫度T2的系統(tǒng)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(shù)。

完善溫度曲線修正因子，確定T1與T的紅外溫度數(shù)據(jù)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(shù)。

由公式(5)與公式(6)聯(lián)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(shù)；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(nèi)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(wěn)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(guī)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(shù)據(jù)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(jiān)測熱源的溫度變化。

5 結(jié)論

1)通過熱源溫度紅外測定試驗，研究表明在測定穩(wěn)態(tài)熱源條件下，測點溫度隨監(jiān)測距離的增加呈二次函數(shù)規(guī)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(wěn)定。

2)動態(tài)升溫試驗結(jié)果表明，各測點溫度與熱源溫度溫升規(guī)律相同，均隨時間呈指數(shù)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(tài)條件下的測點溫度越接近穩(wěn)態(tài)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(tǒng)誤差與數(shù)據(jù)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。