煤炭自燃高溫火源（≤100℃）區(qū)域的探測(cè)一直是煤礦安全生產(chǎn)中的重大難題之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和煤炭生產(chǎn)、科研單位對(duì)此都十分重視，近若干年來(lái)對(duì)相關(guān)課題開展了大量的研究。但由于這一問(wèn)題的復(fù)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(cè)技術(shù)手段和途徑不成熟，所采用的各種技術(shù)手段都無(wú)法確定高溫火源點(diǎn)區(qū)域及其內(nèi)部溫度；二是井下條件復(fù)雜，影響因素多，給準(zhǔn)確探測(cè)井下火源區(qū)域帶來(lái)很多困難；三是目前對(duì)這一問(wèn)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(jìn)展，但并未揭示問(wèn)題的實(shí)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(guó)內(nèi)外煤炭自燃火源區(qū)域探測(cè)法分析

　　現(xiàn)將國(guó)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(cè)法^［1，2］
　　磁探測(cè)法的實(shí)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(shí)，上覆巖石受到高溫烘烤，其中鐵質(zhì)成分發(fā)生物理化學(xué)變化，形成磁性物質(zhì)，并且保留有較強(qiáng)的磁性。烘烤后的上覆巖石的磁性隨自燃溫度升高而增強(qiáng)。早在60年代我國(guó)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(zāi)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(shí)質(zhì)和目前應(yīng)用的情況看， 磁探測(cè)法主要用于煤田火區(qū)，而對(duì)于生產(chǎn)礦井自燃高溫的探測(cè)應(yīng)用較少，這主要是因?yàn)椋孩佼?dāng)自燃火源溫度小于400℃時(shí)和烘烤時(shí)間短時(shí)，上覆巖石或煤層中就不能形成較高的磁性；且對(duì)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(shí)間短，這樣用磁法探測(cè)的效果并不理想；②對(duì)于生產(chǎn)礦井，井下高溫區(qū)域周圍鐵性物質(zhì)多,磁探測(cè)法則無(wú)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(cè)法探測(cè)自燃火區(qū)帶來(lái)一定困難。
　　2.2　電阻率探測(cè)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(dāng)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(huì)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(cè)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(cè)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(cè)法的探測(cè)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(cè)比較困難，目前國(guó)內(nèi)外多用于露天開采和煤層露頭自燃火源的探測(cè)。
　　2.3　氣體探測(cè)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(jìn)行。
　　2.3.1　井下氣體探測(cè)法
　　通常稱為氣體分析法，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。對(duì)某礦當(dāng)煤質(zhì)一定時(shí)，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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(wú)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(fēng)因素的影響。
　　2.3.2　地面氣體探測(cè)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(kuò)散，使自燃火源向地面有著氣體流動(dòng)，而在地表層中產(chǎn)生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點(diǎn)垂直方向放射的，據(jù)此在地面可布置測(cè)點(diǎn)測(cè)量，來(lái)判斷火源點(diǎn)大致位置。這種方法對(duì)于煤層埋藏較深，氣體不能擴(kuò)散至地面，且氣體向上運(yùn)移發(fā)生物理化學(xué)變化時(shí)，就無(wú)法使用。
　　2.4　氡氣探測(cè)法
　　氡氣探測(cè)是一種放射性探測(cè)方法，它兼有物探和化探的特點(diǎn)。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(cè)點(diǎn)，應(yīng)用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并測(cè)量氡氣濃度，依此判斷火區(qū)位置。國(guó)內(nèi)山西礦業(yè)學(xué)院用此法在地面探測(cè)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(jìn)行了成功應(yīng)用，從應(yīng)用情況來(lái)看，這種方法目前只在地面使用，自燃溫度一般超過(guò)200 ℃；且用氡氣量值也無(wú)法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
　　2.5　煤炭自燃溫度探測(cè)法
　　2.5.1　測(cè)溫儀表與測(cè)溫傳感器聯(lián)合測(cè)溫法
　　這是目前國(guó)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(cè)量煤溫。據(jù)探測(cè)地點(diǎn)不同分為地面探測(cè)和井下探測(cè)。
　?。?）地面探測(cè)法^［3］。在自燃火區(qū)的上部利用儀器探測(cè)熱流量或利用布置在測(cè)溫鉆孔內(nèi)的傳感器測(cè)定溫度，根據(jù)測(cè)取的溫度場(chǎng)用溫度反演法來(lái)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(zhǎng)時(shí)間的火區(qū)。波蘭、俄羅斯曾應(yīng)用此法探測(cè)煤層露頭的自燃火區(qū)范圍，探測(cè)深度在30～50 m。
　?。?） 井下探測(cè)法^［4］。此種方法是把測(cè)溫傳感器預(yù)埋或通過(guò)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(lái)確定高溫點(diǎn)的位置、發(fā)展變化速度，這種方法受外界干擾少，測(cè)定準(zhǔn)確，煤溫只要升高，傳感器位置合適，就能有效探測(cè)。這是目前井下準(zhǔn)確的探測(cè)方法。山東礦業(yè)學(xué)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(dòng)監(jiān)控）電腦型測(cè)溫儀，此儀器的最大特點(diǎn)是測(cè)定準(zhǔn)確，和測(cè)定距離長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。東灘煤礦應(yīng)用此法在井下進(jìn)行了成功的探測(cè)。由于測(cè)溫及時(shí)、準(zhǔn)確，為高溫點(diǎn)的消除起到了積極的作用。
　?。?） 測(cè)溫儀表與測(cè)溫傳感器聯(lián)合測(cè)溫法的缺陷。盡管此種探測(cè)法測(cè)定準(zhǔn)確、可靠，彌補(bǔ)了上述一些探測(cè)方法的不足，但它本身也存在一些問(wèn)題值得研究：①傳感器的布置是探測(cè)自燃高溫區(qū)域的關(guān)鍵，數(shù)量、位置準(zhǔn)確，就能有效控制自然區(qū)域高溫點(diǎn)；但這些布置參數(shù)受煤體溫度場(chǎng)傳導(dǎo)速度的限制，由于煤的導(dǎo)溫系數(shù)較小，要想測(cè)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(cè)溫鉆孔：要測(cè)取煤體溫度，就必須在煤體內(nèi)布置測(cè)溫傳感器，因而就需要測(cè)溫鉆孔，增加了工作量。
　　2.5.2　紅外探測(cè)法^{［5，6］}
　　在國(guó)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(cè)。探測(cè)儀器有紅外測(cè)溫儀和紅外熱成像儀，應(yīng)用最多的是紅外測(cè)溫儀。俄羅斯采用紅外測(cè)溫儀，美國(guó)采用紅外測(cè)溫儀和熱成像儀探測(cè)煤壁和煤柱自燃溫度；國(guó)內(nèi)兗州、開灤、徐州等礦區(qū)采用紅外測(cè)溫儀測(cè)定井下煤壁溫度。紅外測(cè)溫儀是測(cè)取點(diǎn)溫，紅外成像儀是掃描成像測(cè)取溫度。在國(guó)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(yù)報(bào)、地下水探測(cè)、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(cè)到，從而可分析引起災(zāi)害的程度。
　　紅外探測(cè)法的實(shí)質(zhì)是自然界的任何物體只要處于絕對(duì)零度(0 K)之上，都會(huì)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(xué)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(duì)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(cè)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(cè)溫儀器對(duì)溫度的高分辨率來(lái)探測(cè)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(zhǎng)在8～14 μm的大氣窗口區(qū)域內(nèi)。 紅外技術(shù)是探測(cè)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(dǎo)率、比重)等諸多因素；這些因素的任一項(xiàng)微小變化，都會(huì)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(jī),它將鏡頭視場(chǎng)內(nèi)景物的紅外輻射溫度場(chǎng)(25°×20°的景物)，通過(guò)鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上(單點(diǎn)掃描式、線陣或面陣排列),轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電路放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、記錄并顯示，當(dāng)然還得有一套復(fù)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(shí)，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(gè)像點(diǎn)，每個(gè)像點(diǎn)的面積為2.8 mm×2.8 mm，就是說(shuō)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(dǎo)、熱對(duì)流和熱擴(kuò)散，使表面局部產(chǎn)生溫度變化，從而觀測(cè)到紅外輻射溫度異常，故利用紅外熱成像儀準(zhǔn)確探測(cè)自燃高溫區(qū)域成為可能。關(guān)鍵在于如何通過(guò)溫度異常來(lái)診斷自燃高溫點(diǎn)。
　　另外，非致冷的面陣探測(cè)器(紅外敏感元件)是當(dāng)今紅外科學(xué)發(fā)展的新貢獻(xiàn)，它給行業(yè)使用帶來(lái)了方便，就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機(jī)(小型循環(huán)致冷)，同時(shí)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(guó)防、電力、醫(yī)學(xué)、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(cè)法都有自己的優(yōu)、缺點(diǎn)和使用范圍，磁探測(cè)法、電阻率探測(cè)法、氡探測(cè)法主要適用于封閉火區(qū)且火源溫度較高，準(zhǔn)確性較好，而對(duì)于井下出現(xiàn)的高溫區(qū)域（≤100℃）則無(wú)能為力。氣體探測(cè)法能預(yù)測(cè)高溫區(qū)域溫度，但不能準(zhǔn)確確定高溫區(qū)域位置和發(fā)展變化速度，并受井下通風(fēng)壓力、風(fēng)量的影響。探測(cè)煤的自燃溫度來(lái)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(cè)出隱蔽的高溫區(qū)域及其自燃溫度。測(cè)溫儀表與測(cè)溫傳感器聯(lián)合測(cè)溫法，是一種實(shí)用的方法，但它受測(cè)溫傳感器布置數(shù)量和測(cè)溫鉆孔施工的影響；還受煤導(dǎo)熱性能的影響。在紅外探測(cè)法中，紅外測(cè)溫儀測(cè)的是點(diǎn)溫，無(wú)法綜合準(zhǔn)確判斷煤的自燃區(qū)域，但它可找出整個(gè)巷道溫度異常的大致范圍；而紅外熱像儀，是通過(guò)掃描成像測(cè)取溫度，能在一個(gè)面上判斷煤自燃高溫區(qū)域；測(cè)溫又簡(jiǎn)單、迅速、精確；紅外熱像儀測(cè)溫又是目前測(cè)溫領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備，故應(yīng)用熱像儀來(lái)探測(cè)煤自燃區(qū)域是可能的，它是煤炭自燃高溫火源點(diǎn)區(qū)域探測(cè)的發(fā)展方向，但它也受到探測(cè)深度和煤炭自燃溫度的限制。目前應(yīng)用此法的最主要問(wèn)題是根據(jù)測(cè)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(yǔ)

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

來(lái)源：煤炭科學(xué)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(jiǎn)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(xué)院采礦系，獲碩士學(xué)位，1997年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)，獲博士學(xué)位。主要從事礦井安全評(píng)價(jià)、智能信息管理及礦井降溫空調(diào)和礦井防滅火的教學(xué)與研究工作，主持和參與項(xiàng)目10余項(xiàng)，其中2項(xiàng)獲部科技進(jìn)步獎(jiǎng)；發(fā)表論文20余篇。地址：山東省泰安市，郵碼：271019。