煤炭自燃高溫火源（≤100℃）區(qū)域的探測一直是煤礦安全生產(chǎn)中的重大難題之一。國內(nèi)外許多學者和煤炭生產(chǎn)、科研單位對此都十分重視，近若干年來對相關(guān)課題開展了大量的研究。但由于這一問題的復雜性，至今仍沒有得到很好的解決。其主要原因有三：一是探測技術(shù)手段和途徑不成熟，所采用的各種技術(shù)手段都無法確定高溫火源點區(qū)域及其內(nèi)部溫度；二是井下條件復雜，影響因素多，給準確探測井下火源區(qū)域帶來很多困難；三是目前對這一問題的研究還不夠深入，雖然許多相關(guān)課題的研究都取得了一定的進展，但并未揭示問題的實質(zhì)，從而未得出有關(guān)規(guī)律性的、可直接應(yīng)用的技術(shù)成果。

　　2　國內(nèi)外煤炭自燃火源區(qū)域探測法分析

　　現(xiàn)將國內(nèi)外目前所采取的一些主要方法分析敘述如下：
　　2.1　磁探測法^{［1，2］}
　　磁探測法的實質(zhì)是，煤層上覆巖石中一般含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結(jié)核，煤層自燃時，上覆巖石受到高溫烘烤，其中鐵質(zhì)成分發(fā)生物理化學變化，形成磁性物質(zhì)，并且保留有較強的磁性。烘烤后的上覆巖石的磁性隨自燃溫度升高而增強。早在60年代我國西北各省就用磁法結(jié)合電法勘探煤田火區(qū)，取得了一定成果。印度也利用此法確定Jharia煤田的自燃火災區(qū)域范圍，得到了十分滿意的效果。俄羅斯、烏克蘭也曾用此法確定煤田自燃火區(qū)范圍。從這一方法的實質(zhì)和目前應(yīng)用的情況看， 磁探測法主要用于煤田火區(qū)，而對于生產(chǎn)礦井自燃高溫的探測應(yīng)用較少，這主要是因為：①當自燃火源溫度小于400℃時和烘烤時間短時，上覆巖石或煤層中就不能形成較高的磁性；且對于生產(chǎn)礦井而言，要處理的是煤自燃高溫區(qū)域，自燃煤溫較低和烘烤時間短，這樣用磁法探測的效果并不理想；②對于生產(chǎn)礦井，井下高溫區(qū)域周圍鐵性物質(zhì)多,磁探測法則無法有效使用。③煤層頂?shù)装搴兔褐蟹植嫉蔫F質(zhì)結(jié)核不均勻，給磁測法探測自燃火區(qū)帶來一定困難。
　　2.2　電阻率探測法^［2］
　　正常情況下，埋藏于地下的煤層，沿走向（或其它方向）因其結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水性變化不大，電阻率基本保持不變。但當煤炭自然發(fā)火后，煤層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水性發(fā)生較大變化，從而引起煤層和周圍巖石電阻率的變化。在自燃的初期，電阻率會下降；在自燃后期，由于煤較充分燃燒，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生較大變化，水分基本蒸發(fā)掉，表現(xiàn)為較高的電阻率。因此，可根據(jù)觀測結(jié)果比較未自燃區(qū)和自燃區(qū)的變化情況，判斷自燃區(qū)域的位置，這就是電阻率法探測自燃發(fā)火區(qū)域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤電阻率的變化不明顯，致使電阻率探測法的探測精度受限；加之井下雜散電流多，用于井下高溫區(qū)域的探測比較困難，目前國內(nèi)外多用于露天開采和煤層露頭自燃火源的探測。
　　2.3　氣體探測法
　　煤自燃在不同的溫度，其產(chǎn)生的氣體種類和濃度是不同的；故根據(jù)氣體種類和濃度，依次判斷煤的自燃溫度，并據(jù)氣體濃度梯度大致確定高溫區(qū)域的范圍。氣體確定高溫區(qū)域范圍可在井下或地面進行。
　　2.3.1　井下氣體探測法
　　通常稱為氣體分析法，是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的煤炭自燃的預測預報方法。對某礦當煤質(zhì)一定時，其煤自燃生成的氣體組分與溫度有一定規(guī)律，用儀器或束管監(jiān)測系統(tǒng)檢測煤自燃釋放的氣體，以確定煤的氧化溫度和煤炭自燃區(qū)域的可能范圍，但它無法知道煤炭自燃的位置和發(fā)展變化速度，并且易受井下通風因素的影響。
　　2.3.2　地面氣體探測法
　　由于煤炭自燃火源區(qū)域與地面存在一定的壓差和分子擴散，使自燃火源向地面有著氣體流動，而在地表層中產(chǎn)生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點垂直方向放射的，據(jù)此在地面可布置測點測量，來判斷火源點大致位置。這種方法對于煤層埋藏較深，氣體不能擴散至地面，且氣體向上運移發(fā)生物理化學變化時，就無法使用。
　　2.4　氡氣探測法
　　氡氣探測是一種放射性探測方法，它兼有物探和化探的特點。它的原理是煤層自燃后，隨煤溫升高，氡氣濃度上升，在地面布置觀測點，應(yīng)用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并測量氡氣濃度，依此判斷火區(qū)位置。國內(nèi)山西礦業(yè)學院用此法在地面探測煤礦地下火源，并在古交北溝礦、潞安礦務(wù)局石圪節(jié)礦進行了成功應(yīng)用，從應(yīng)用情況來看，這種方法目前只在地面使用，自燃溫度一般超過200 ℃；且用氡氣量值也無法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
　　2.5　煤炭自燃溫度探測法
　　2.5.1　測溫儀表與測溫傳感器聯(lián)合測溫法
　　這是目前國內(nèi)外最為廣泛應(yīng)用的一種方法，兗州礦區(qū)東灘煤礦也采用此法測量煤溫。據(jù)探測地點不同分為地面探測和井下探測。
　?。?）地面探測法^［3］。在自燃火區(qū)的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鉆孔內(nèi)的傳感器測定溫度，根據(jù)測取的溫度場用溫度反演法來確定自燃火區(qū)火源的位置。這種方法常用于火源埋藏深度淺、火源溫度高，已燃燒較長時間的火區(qū)。波蘭、俄羅斯曾應(yīng)用此法探測煤層露頭的自燃火區(qū)范圍，探測深度在30～50 m。
　?。?） 井下探測法^［4］。此種方法是把測溫傳感器預埋或通過鉆孔布置在易自燃發(fā)火區(qū)域(采空區(qū)和煤層內(nèi))，根據(jù)傳感器的溫度變化來確定高溫點的位置、發(fā)展變化速度，這種方法受外界干擾少，測定準確，煤溫只要升高，傳感器位置合適，就能有效探測。這是目前井下準確的探測方法。山東礦業(yè)學院已成功地開發(fā)了適于井下應(yīng)用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自動監(jiān)控）電腦型測溫儀，此儀器的最大特點是測定準確，和測定距離長度無關(guān)。東灘煤礦應(yīng)用此法在井下進行了成功的探測。由于測溫及時、準確，為高溫點的消除起到了積極的作用。
　?。?） 測溫儀表與測溫傳感器聯(lián)合測溫法的缺陷。盡管此種探測法測定準確、可靠，彌補了上述一些探測方法的不足，但它本身也存在一些問題值得研究：①傳感器的布置是探測自燃高溫區(qū)域的關(guān)鍵，數(shù)量、位置準確，就能有效控制自然區(qū)域高溫點；但這些布置參數(shù)受煤體溫度場傳導速度的限制，由于煤的導溫系數(shù)較小，要想測取煤體溫度，控制自燃位置，就要布置一定數(shù)量的傳感器；②測溫鉆孔：要測取煤體溫度，就必須在煤體內(nèi)布置測溫傳感器，因而就需要測溫鉆孔，增加了工作量。
　　2.5.2　紅外探測法^{［5，6］}
　　在國內(nèi)外這一方法已較廣泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探測。探測儀器有紅外測溫儀和紅外熱成像儀，應(yīng)用最多的是紅外測溫儀。俄羅斯采用紅外測溫儀，美國采用紅外測溫儀和熱成像儀探測煤壁和煤柱自燃溫度；國內(nèi)兗州、開灤、徐州等礦區(qū)采用紅外測溫儀測定井下煤壁溫度。紅外測溫儀是測取點溫，紅外成像儀是掃描成像測取溫度。在國內(nèi)，紅外熱成像儀井下沒見應(yīng)用，而在煤田地質(zhì)調(diào)查、地震預報、地下水探測、巖突、巖爆等方面得到了應(yīng)用。隧道和巷道內(nèi)由巖石的應(yīng)力引起的表面0.2 ℃左右的溫度變化就可被測到，從而可分析引起災害的程度。
　　紅外探測法的實質(zhì)是自然界的任何物體只要處于絕對零度(0 K)之上，都會自行向外發(fā)射紅外線。其發(fā)射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　ε——輻射系數(shù)，其值為0＜ε＜1，巖石和煤體一般為0.7～0.98，輻射系數(shù)受物體化學組　　　　　分、表面狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水量、孔隙度等影響；
　　　α——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10^-12 cm^2.K⁴；
　　　T——物體的絕對溫度，K。
　　從式(1)可看出，物體的溫度越高，輻射能量就越大，紅外測溫儀器接受輻射量而轉(zhuǎn)換的輻射溫度就越高，因此就可利用紅外測溫儀器對溫度的高分辨率來探測井下巷道自燃位置。
　　在通常情況下，自然界的紅外輻射區(qū)域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波長在8～14 μm的大氣窗口區(qū)域內(nèi)。 紅外技術(shù)是探測物體表面的紅外輻射溫度，它不同于物理溫度，物體表面的紅外輻射溫度取決于物體表面物理溫度及其物體的物質(zhì)成分、含水量、表面粗糙度、顆粒大小、孔隙度、熱慣量(比熱、熱傳導率、比重)等諸多因素；這些因素的任一項微小變化，都會引起紅外輻射溫度的變化。因此，在排除干擾因素后，提取同種物質(zhì)的溫度變化異常信息是至關(guān)重要的。
　　紅外熱成像儀類似于攝像機,它將鏡頭視場內(nèi)景物的紅外輻射溫度場(25°×20°的景物)，通過鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上(單點掃描式、線陣或面陣排列),轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電路放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、記錄并顯示，當然還得有一套復雜的處理軟件，其結(jié)果通常將其視為景物的溫度圖像，現(xiàn)以TVS-600熱像儀為例，在熱像儀距景物2 m時，攝得景物面積為：2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向)，在0.97 m×0.71 m內(nèi)又有320×240個像點，每個像點的面積為2.8 mm×2.8 mm，就是說只要有7.84 mm²面積的熱異常(大于0.15℃)就能被發(fā)現(xiàn)。而煤壁總有一些微裂隙，微氣孔的熱傳導、熱對流和熱擴散，使表面局部產(chǎn)生溫度變化，從而觀測到紅外輻射溫度異常，故利用紅外熱成像儀準確探測自燃高溫區(qū)域成為可能。關(guān)鍵在于如何通過溫度異常來診斷自燃高溫點。
　　另外，非致冷的面陣探測器(紅外敏感元件)是當今紅外科學發(fā)展的新貢獻，它給行業(yè)使用帶來了方便，就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機(小型循環(huán)致冷)，同時減少了噪聲、耗電量和重量。
　　目前，紅外熱成像儀的種類較多，現(xiàn)國防、電力、醫(yī)學、工業(yè)生產(chǎn)線有較多應(yīng)用。這里就適于煤礦應(yīng)用的紅外熱成像儀介紹如表1。

表1　適于煤礦應(yīng)用的紅外熱成像儀

　　各種探測法都有自己的優(yōu)、缺點和使用范圍，磁探測法、電阻率探測法、氡探測法主要適用于封閉火區(qū)且火源溫度較高，準確性較好，而對于井下出現(xiàn)的高溫區(qū)域（≤100℃）則無能為力。氣體探測法能預測高溫區(qū)域溫度，但不能準確確定高溫區(qū)域位置和發(fā)展變化速度，并受井下通風壓力、風量的影響。探測煤的自燃溫度來確定自燃位置，是一種可靠的手段，關(guān)鍵是用那種方法探測出隱蔽的高溫區(qū)域及其自燃溫度。測溫儀表與測溫傳感器聯(lián)合測溫法，是一種實用的方法，但它受測溫傳感器布置數(shù)量和測溫鉆孔施工的影響；還受煤導熱性能的影響。在紅外探測法中，紅外測溫儀測的是點溫，無法綜合準確判斷煤的自燃區(qū)域，但它可找出整個巷道溫度異常的大致范圍；而紅外熱像儀，是通過掃描成像測取溫度，能在一個面上判斷煤自燃高溫區(qū)域；測溫又簡單、迅速、精確；紅外熱像儀測溫又是目前測溫領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備，故應(yīng)用熱像儀來探測煤自燃區(qū)域是可能的，它是煤炭自燃高溫火源點區(qū)域探測的發(fā)展方向，但它也受到探測深度和煤炭自燃溫度的限制。目前應(yīng)用此法的最主要問題是根據(jù)測取的溫度如何診斷煤體內(nèi)是否存在高溫區(qū)域。

　　4　結(jié)　　語

　　根據(jù)上述高溫區(qū)域探測方法的分析可知，目前仍沒有一種可靠的探測方法能一勞永逸地解決井下煤炭自燃高溫點區(qū)域探測問題，故在現(xiàn)階段以測溫儀表與測溫傳感器聯(lián)合測溫法和氣體探測法為主來探測井下煤炭高溫區(qū)域，并開展井下紅外熱成像儀測溫法探測的研究工作。

來源：煤炭科學技術(shù)
原作者：程衛(wèi)民　陳　平　崔洪義　王振平　張迎弟　王春耀　崔承禹
作者簡介：程衛(wèi)民　1966年生，博士，副教授，1988年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院采礦系，獲碩士學位，1997年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學北京校區(qū)，獲博士學位。主要從事礦井安全評價、智能信息管理及礦井降溫空調(diào)和礦井防滅火的教學與研究工作，主持和參與項目10余項，其中2項獲部科技進步獎；發(fā)表論文20余篇。地址：山東省泰安市，郵碼：271019。