煤矸石山表面及深部温度场分布特征研究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.055煤矸石山表面及深部温度场分布特征研究（1.山东省煤田地质局第二勘探队，山东 济宁 272000；2.山东丰源远航煤业有限公司北徐楼煤矿，山东 枣庄 277519）摘要 煤炭开采和洗选过程会产生大量煤矸石并在地面堆积形成矸石山，因煤矸石山内部氧化反应放热，容易引起自燃甚至气体爆炸事故，对矿区周围居民生命财产及生态环境造成严重威胁。及时监测并掌握煤矸石山温度分布特征，对于预测煤矸石山自燃灾害极为重要。以北徐楼煤矿煤矸石山为研究对象，采用无人机红外成像测温技术及深度温度监测得到了煤矸石山表面及深部温度场分布，并分析了温度分布特征。结果表明：从煤矸石表面温度场可以看到 9 个温度异常点，主要分布在南坡，最高温度可达 96.15 益；山体北部、西部及底部温度相对较低。从煤矸石山深部温度场分布看，山体顶部随高程变化温升速度较快；矸石山中部随深度增加内部温度先升高后降低；矸石山底部温度相对较低。矸石山内部温度场的此种分布规律与矸石山松散程度、氧气浓度、气体流通均相关。关键词 煤矸石自燃；表面温度场；深部温度场；分布特征中图分类号TD824.8文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0172蛳 040引言煤炭是我国主体能源，对国民经济发展具有重要推动作用。煤炭开采和洗选过程会产生大量煤矸石（约占原煤产量的 10%20%），因其含有较高硫、碳成分，在露天堆积条件下容易发生自燃甚至爆炸，严重影响矿区周围居民生命及财产安全咱员暂。同时，煤矸石燃烧过程还会释放大量 SO2、H2S 和 CO等有毒有害气体，对周围生态环境造成污染。温度是预测煤矸石自燃的重要指标，但由于煤矸石山堆积方式不同，其表面及温度分布具有非均匀性。因此，通过温度监测技术获取煤矸石山温度分布特征、确定煤矸石山高温区域对于预测煤矸石山自燃极为重要。前人对此进行了一定研究。杨娜等咱2暂监测得到了荫营煤矿矸石山不同深度的温度，并采用统计学方法分析得到了矸石山内部水平和竖直方向的温度分布规律；夏清等咱3暂研究了探测距离对热红外成像技术温度探测精度的影响，并提出了提高测温精度的针对性措施；王海娟等咱4暂对红外热像仪得到的表面温度和空间信息进行有效融合，并通过温度拟合实现了煤矸石山表面温度场显示；杜玉玺等咱5暂监测了煤矸石山内部不同深度的温度，实现了煤矸石山火源位置定位；余明高等咱6暂利用 ANSYS软件模拟得到了煤矸石山表面温度场分布云图及内部温度分布规律。可见，前人多基于表面或内部温度监测对煤矸石山温度场分布进行分析，缺乏表面和深部温度综合监测及结果分析。为此，本文以北徐楼煤矿煤矸石山为研究对象，采用无人机红外成像测温技术及深度温度监测获取了煤矸石山表面温度场及深部温度场分布，并对温度分布特征进行了深入分析。1现场监测概况1.1现场概况本次研究区域位于山东丰源远航煤业有限公司北徐楼煤矿矿区。该矿核定生产能力为 70 万 t/a。煤矸石堆放场位于工业广场西部，其南边为瓦渣河，北部和西部为耕地，东西走向长约 335.6 m，南北宽约 239.3 m。矸石山山坡陡峭，凹凸不平，整体呈不规则圆锥状，山顶离地最高处约 70 m。矸石山以原矸和洗矸为主，含硫量分别达到了 10.57%和12.89%，新鲜矸石的含碳量高达 38.88%。矸石中黄铁矿含量较多，一定条件下黄铁矿快速氧化并释放大量热量，促进煤的低温氧化过程。因此，煤矸石中较高含量的黄铁矿和具有自燃倾向性的煤是导致其自燃的内部因素。此外，该矿主要通过将煤矸石拉到矸石山最高处，再将其推至坡面自由滚落到山沟的方式排矸。此种堆积方式存在矸石堆积疏松、空隙率大、斜坡暴露面积大、供氧条件好等特点，是煤矸石山持续氧化并自燃的外部因素。1.2温度监测方案对煤矸石山的温度场监测分为表面温度场监能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41722023 年 8 月Aug.,2023测和深部温度场监测。1.2.1表面温度场监测煤矸石山表面温度场监测采用无人机红外成像测温技术，即利用无人机搭载热红外成像仪进行遥感监测。测温原理主要基于高于绝对零度的物体会发出红外辐射这一客观事实，通过红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统等主要部件将红外辐射转换为电信号，并进一步转换为温度。该技术既发挥了红外测温技术非接触、准确、灵敏度高的优势，又弥补了红外测温仪只能测量点温度、无法获取整个煤矸石山温度的缺点。监测方案设计如下：首先获取矸石山地理位置信息，规划无人机飞行方案，采用网格法在矸石山堆体布设地表温度监测点，监测点布置如图 1 所示；然后利用热红外成像仪对监测点温度进行实时监测，通过搭载热红外成像仪的无人机对矸石山堆体及周围区域进行扫描，以获取该地表的光谱图像以及对应的热量分布图，并通过光谱图像以及对应的热量分布图获得被扫描区域地表的温度分布。图 1矸石山表面温度监测点布置1.2.2深部温度场监测基于现场勘察结果，在煤矸石山表面划定温度监测点。设定煤矸石山内部温度监测方案如下：利用温度探测器首先监测选定位置的表面温度，之后打孔进行深部温度监测。每隔 1 m 打孔 1 次，并将温度传感器放入孔内指定位置，等待一定时间待传感器温度基本不再变化时进行数据读取，并现场记录距离煤矸石山表面不同深度的温度值。同时，利用 GPS 获取每一个采样点处的坐标值。2煤矸石山温度场分布特征分析2.1表面温度场分布特征2.1.1煤矸石山热红外影像利用热红外影像推算煤矸石山表面温度的主要步骤为：辐射定标、几何校正和大气纠正、地表比辐射率计算和温度反演。（1）辐射定标。根据数据信息，求取热红外波段可见光、近红外波段的大气顶层的辐射亮度。计算公式为：LRadiance=Gain伊DN+Offset（1）式中：LRadiance为大气顶层的辐射亮度；Gain 为传感器增益值；DN 为遥感图像的灰度值；Offset 为偏移量。（2）几何校正和大气纠正。几何校正主要为建立煤矸石山表面测点像素坐标和空间坐标的转换关系，主要通过 GPS 实测点数据对红外影像各波段进行校正。大气校正主要为获取环境辐射、程辐射以及大气透过率等相关大气参数，主要通过ODTRAN4 大气辐射传输模型对热红外各波段进行纠正确定。（3）地表比辐射率计算。地表物体发射率计算采用 Valor 提出的方法。该方法要求研究区域有植被覆盖。北徐楼煤矸石山区域林地和农田分布较多，符合该方法使用条件。其计算公式为：着=着vPv+着g（1-Pv）+4d着（1-Pv）（2）Pv=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin蓘蓡（3）式中：着v和 着g均表示比辐射率，但前者为全植被覆盖时数值，后者为全裸土覆盖时数值；Pv表示植被覆盖度，为植被冠层垂直投影面积与地表总面积之比；d着表示修正项，取值范围为 00.02；NDVI为图像灰度值。利用无人机红外成像反演得到的煤矸石山热红外遥感影像如图 2 所示。图 2 中不同的颜色代表不同温度。图 2研究区热红外遥感影像从图 2 可以看到，煤矸石山不同位置其温度分布存在差异：山体南部表层温度较高，且在南面坡存在自燃点，最高温度达 96.15；北部与西部温度相对较低，山体底部温度也较低。同时，从图 2 中还可以看到 9 个表面温度异常点（72）。分析原因主要由内部煤矸石自燃导致，但处于何种自燃阶段并不确定，可能处于“自我发热”阶段，也可能处于“燃王同华，等煤矸石山表面及深部温度场分布特征研究地表温度/0 to 44.0 to 13.4913.49 to 22.9922.99 to 32.4932.49 to 41.9941.99 to 51.4851.48 to 60.9860.98 to 70.4870.48 to 79.9879.98 to 89.4789.47 to 98.971732023 年 8 月Aug.,2023烧阶段”。处于“燃烧阶段”的煤矸石释放热量要多于“自我发热”阶段，在相同深度下引起的温差更大。2.1.2煤矸石山表面温度场以上热红外遥感影像主要反映了煤矸石山区域温度分布，但对于空间信息细节反映并不细致。为此，需要将空间信息与热红外影像温度信息进行融合。主要步骤为：将热红外影像按照像素大小进行网格划分，每个网格点的像素坐标和温度已知。此外，通过无人机摄影测量可提取温度特征点的空间坐标（X，Y，Z），由此可以获得温度特征点的坐标（包括像素坐标和空间坐标）和温度信息。利用德洛内三角网表征温度特征点间关系，通过双线性插值获取三角网中各点的空间坐标，并将三角网中各点空间坐标记录到初始划分的网格中，可以得到各网格点的全部坐标和温度信息。煤矸石山表面温度场分布（包括四维分布图和俯视图）如图 3 所示。（a）表面温度场四维图（b）表面温度场俯视图图 3煤矸石山表面温度场分布从图 3 可以看出，山体顶部及南部温度偏高，局部地区已达自燃临界温度，主要位于距离山体底部5070 m 位置，应对该区域进行灭火降温。此结果与红外热影像反映的基本一致，但要比红外热影像对空间位置的反映更为直观和细致。这也为煤矸石山自燃情况动态四维监测提供了技术途径。2.2深部温度场分布特征通过温度监测得到煤矸石山不同深度温度，并对不同深度温度进行拟合，结果如表 1 所示。由表1 可知：山体顶部高程 6070 m：当深度为 100 cm时，温度即高达 107，这一温度值已经高于矸石自燃的临界温度，随着深度的增加，温度将进一步升高；当深度为 700 cm 左右时，温度已高达 1 000。该区域温度较高且温升速率较快，引起矸石山表面温度也较高。这也是表面温度场反映高程 6070 m区域温度较高的原因。山体中部 5055 m：当深度为 100 cm 时，温度为 57，略高于矸石自燃的临界温度；在深度 300 cm 处，温度最高约为 191，温度值已经高于矸石自燃的临界温度，之后随着深度的增加，温度值降低。山体下部 47 m 高程以下区域：当深度为 100 cm 时，温度为 35，且温度随着深度的增加变化不明显，温度值均低于矸石自燃的临界温度，不存在自燃风险。由此可见，矸石山温度随高程变化呈显著的空间异质性。究其原因：山体顶部地处氧化带，又有新鲜矸石不断运送至此，矸石层疏松，气体流通顺畅，较大的孔隙给外界氧气提供了良好的通道，随着热量的聚积内部温度逐渐升高，而温度升高又会引起氧化放热加速，因此温升速率较快。对于山体中部区域，该地区矸石堆体孔隙相对较小，气体流通较慢，特别是氧气浓度较低，较高温度可能因与上部热传递导致，但是该区域相当于窒息带，一旦上部堆体被开挖，大量水汽、氧气涌入仍具有较高的自燃或者爆炸风险。对于山体下部 47 m 高程以下区域，该区域矸石堆积年份相对较长，堆积初期已经燃烧，同时堆体孔隙小、矸石体紧实、气体流通较慢，很难达到燃烧条件，这是该地区内部温度较低的原因。表 1堆体内部温度随深度变化拟合方程单位：拟合模型R2不同深度温度预测深 100 cm 深 200 cm 深 300 cm 深 400 cm 深 500 cm 深 600 cm 深 700 cmy=0.001 1 x2+0.607 1 x+35.477 9（顶部高程 6070 m）0.991072003164546147961 000y=-0.000 9 x2+0.309 8 x+17.407 1（中部 5055 m）0.9857115191285397527675y=-0.000 1 x2+0.000 7 x+34.407 1（下部 47 m）0.9535384350597184温度/10080604034908070605040302010温度/y/m9080706050403020108765432134363840424446483结论（1）融合热红外遥感影像和煤矸石山空间位置信息，通过插值计算实现了煤矸石山表面温度场四维分布显示；通过深部温度监测得到了煤矸石山内部温度场分布。由此实现了煤矸石山表面和内部温能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41742023 年 8 月Aug.,20233结论该超前支护液压支架在长平矿 5308 工作面安装使用，试运行 7 个月，总计回采长度约 475 m，运行效果良好，体现在如下方面：（1）通过试验，完成了支架升降、支护等动作，较好地适应现场巷道。（2）推进速度快，8 min 可完成 1 次移架。（3）降低劳动强度，提高支护质量，进一步保障了煤矿的安全生产。参考文献1崔志鹏.超前支护液压支架在综采工作面的应用研究 J.机械管理开发，2022，37（3）：184-185.2原波.综放工作面超前支护液压支架的研发与应用 J.机械管理开发，2021，36（10）：45-46.3王亚鹏.综放工作面超前支护液压支架的优化研究 J.矿业装备，2021（5）：258-259.4任永强，奂光润.综采面自移单元式巷道液压支架超前支护的研究与应用 J.能源与环保，2020（9）：192-195.5薛振江.浅谈超前支护支架在综采工作面使用的优势 J.科技风，2015（21）：49.作者简介许长江（1993-），男，助理工程师，毕业于河南理工大学万方科技学院电气工程及其自动化专业，主要从事机电技术管理工作。收稿日期：2022-12-14图 13控制阀设置在 2 号架超前支护液压支架液压原理1 号架2 号架前立柱后立柱推移千斤挑梁千斤前顶梁调架后顶梁调架片式换向阀FHD400/31.S（4）片式换向阀FHD200/31.S（3）（上接第 77 页）为了防止故障，特设置 1 片备用阀片。度的综合监测。（2）从煤矸石山表面温度场分布看：煤矸石山有 9 个温度异常点，表面温度异常点主要分布在南坡，最高温度可达 96.15；山体北部、西部及底部温度相对较低。在开采时应注意对煤矸石山上部、南部进行灭火降温。（3）从煤矸石山深部温度场分布看：山体顶部随高程变化温升速度较快，煤矸石山中部随深度增加内部温度呈先升高后降低趋势，煤矸石山底部温度相对较低。煤矸石山内部温度场的此种分布规律与煤矸石山松散程度、氧气浓度、气体流通均相关。参考文献1何骞，肖旸，杨蒙，等.矸石山自燃防治技术及综合治理模式发展趋势 J.煤矿安全，2020，51（8）：220-226.2 杨娜，张永波，牛金荣.荫营煤矿自燃矸石山温度场分布及深部温度拟合 J.矿业安全与环保，2021，48（4）：23-27.3 夏清，胡振琪，许立江，等.远距离煤矸石山温度场探测及因素分析 J.矿业研究与开发，2014（7）：82-84.4 王海娟，胡振琪，王晓军，等.自燃煤矸石山表面温度场红外三维模型构建 J.中国煤炭，2015，41（8）：131-135.5 杜玉玺，苏未曰，吴媛婧，等.自燃煤矸石山内部温度拟合与可视化研究 J.矿业安全与环保，2018，45（5）：32-36.6 余明高，段玉龙，郝强，等.自燃煤矸石山温度场的有限元分析 J.中国安全科学学报，2007，17（7）：14-19.作者简介王同华（1978-），男，高级工程师，毕业于山东农业大学水文与水资源工程专业，长期从事水文地质、工程地质与环境地质工作。收稿日期：2022-11-10能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4175