采空區(qū)熱源溫度紅外測(cè)定試驗(yàn)研究

沈亞楠，張嘉勇,2

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

采空區(qū)遺煤自燃是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在的風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前傳統(tǒng)技術(shù)難以對(duì)采空區(qū)火源進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致采空區(qū)火源有充分發(fā)育時(shí)間，且不能及時(shí)治理，影響礦井正常生產(chǎn)[2-3]。監(jiān)測(cè)及分析采空區(qū)火源溫度變化規(guī)律對(duì)于采空區(qū)火源的精準(zhǔn)定位具有重要意義。

采空區(qū)內(nèi)部實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)熱源的精準(zhǔn)定位，采用數(shù)值模擬、相似實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等諸多手段對(duì)采空區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置自主設(shè)計(jì)采空區(qū)相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了采空區(qū)高溫區(qū)域溫度的變化規(guī)律，驗(yàn)證了遺留煤體氧化升溫特征的合理性；李品等[12]通過(guò)分析動(dòng)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(guò)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(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，多采用熱電偶[14]和分布式光纖[15]等測(cè)溫裝置及氣體監(jiān)測(cè)裝置[16]對(duì)工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，繪制采空區(qū)溫度場(chǎng)分布圖。曹鏡清[17]、章飛[18]等通過(guò)分析實(shí)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(xiǎn)區(qū)域。非接觸式紅外測(cè)溫傳感器在高溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了信息高效傳輸處理[19]，但環(huán)境因素對(duì)設(shè)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(cè)量的準(zhǔn)確度[20]。筆者在采空區(qū)火源定位研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于紅外原理的采空區(qū)熱源溫度測(cè)定試驗(yàn)方案，分析高溫?zé)嵩礈囟葌鬟f規(guī)律，推導(dǎo)紅外測(cè)溫試驗(yàn)的溫度修正公式，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化紅外傳感器測(cè)量精度的目的。

1 熱源溫度紅外測(cè)定試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于采空區(qū)內(nèi)部實(shí)際條件復(fù)雜，不具備現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)溫的條件，因此設(shè)計(jì)井上熱源溫度紅外測(cè)定試驗(yàn)方案，研究紅外傳感器的測(cè)量距離、誤差范圍、溫度與距離對(duì)熱量傳遞規(guī)律的影響。對(duì)比分析動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱源條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)紅外測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，以提高紅外傳感器測(cè)溫的精確性。

1.2 試驗(yàn)裝置

模擬采空區(qū)環(huán)境的試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)裝置主要由溫控裝置、測(cè)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(cè)溫裝置采用KST04A3R紅外測(cè)溫儀，包括非接觸式紅外測(cè)溫傳感器；溫度記錄裝置為無(wú)紙記錄儀，用于數(shù)據(jù)的讀取、分析與記錄，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱源的溫度變化情況。

1.3 試驗(yàn)方案

以可調(diào)溫電熱板為模擬熱源，利用測(cè)距儀在距熱源3、5、7、10、12、15 m處分別設(shè)置紅外傳感器測(cè)點(diǎn)，研究熱源升溫過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律，分析不同熱源溫度、不同測(cè)量距離對(duì)紅外傳感器測(cè)量精度的影響。紅外測(cè)點(diǎn)與熱源布置如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)溫傳感器測(cè)點(diǎn)和熱源布置圖

1)依次設(shè)置熱源溫度為80、140、200、260 ℃，當(dāng)測(cè)定溫度波動(dòng)不超過(guò)1 ℃/min時(shí)，對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。為減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)設(shè)定溫度點(diǎn)記錄 5組數(shù)據(jù)，取其平均值作為最終結(jié)果。

2)設(shè)置模擬熱源升溫區(qū)間為0～260 ℃，利用布置的紅外測(cè)溫傳感器對(duì)熱源溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究測(cè)點(diǎn)距離對(duì)熱源升溫規(guī)律的影響。

在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，假定環(huán)境中無(wú)其他外在因素影響。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，需將紅外測(cè)溫儀器充分預(yù)熱，使其處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，以減小儀器波動(dòng)造成的測(cè)量誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)熱源影響下測(cè)點(diǎn)溫度變化

穩(wěn)態(tài)熱源條件下，記錄不同距離測(cè)點(diǎn)傳感器對(duì)熱源溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測(cè)溫度與測(cè)點(diǎn)距離的關(guān)系，得到不同距離測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

由圖2可以看出，在每個(gè)階段穩(wěn)定的熱源溫度狀態(tài)下，紅外測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)的溫度值隨測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)距離增加至一定程度，紅外測(cè)溫傳感器接收的溫度值趨于穩(wěn)定，接近測(cè)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(shuō)明熱源溫度越高，溫度趨于穩(wěn)定的距離越長(zhǎng)，熱量傳遞范圍越大。

對(duì)比不同溫度熱源條件下，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，研究熱源本身對(duì)熱量傳遞規(guī)律的影響及隨著監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)溫度初期上升較快，后逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)比擬合結(jié)果可知，溫度變化整體更接近二次項(xiàng)曲線規(guī)律。

由圖4可知，隨著測(cè)點(diǎn)距離的增加，測(cè)點(diǎn)的溫度接收效率迅速降低。且熱源溫度越高，溫降趨勢(shì)越明顯。這說(shuō)明高溫?zé)嵩聪啾扔诘蜏責(zé)嵩?，與周圍環(huán)境溫差更大，傳播過(guò)程中的熱量損耗越大，導(dǎo)致同一測(cè)點(diǎn)溫度的增幅減小。

分析各測(cè)點(diǎn)溫度變化，紅外測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)溫度T1與熱源溫度T0、測(cè)點(diǎn)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(dòng)態(tài)熱源影響下測(cè)點(diǎn)溫度變化

利用不同距離處的紅外測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)熱源升溫過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，分析熱源溫度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)，熱源與測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5 熱源與測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知，設(shè)定熱源溫度在0～260 ℃范圍內(nèi)逐漸升高，測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)。對(duì)比不同距離測(cè)點(diǎn)的溫升曲線可知，在熱源升溫初期，隨著測(cè)點(diǎn)距離的增大，測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生變化的時(shí)間稍有延后，且距離越遠(yuǎn)，延后時(shí)間越長(zhǎng)；在同一溫度熱源影響下，測(cè)點(diǎn)溫升速率隨測(cè)點(diǎn)距離的增大而逐漸變緩，但總體變化趨勢(shì)相同，且熱源溫度越高，動(dòng)態(tài)條件下測(cè)點(diǎn)溫度與熱源穩(wěn)定時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)其與附近空氣達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間越短，從而快速映射多孔介質(zhì)空間內(nèi)的熱源溫度。動(dòng)態(tài)熱源影響下不同距離測(cè)點(diǎn)的溫度變化云圖如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)熱源影響下不同距離測(cè)點(diǎn)的溫度變化云圖

由圖6可知，紅外測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)溫度T2、熱源溫度T0和測(cè)點(diǎn)距離x的擬合關(guān)系式如下：

(2)

公式(2)描述了測(cè)點(diǎn)溫度隨熱源溫度動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系。

3 誤差分析

受測(cè)試方法與試驗(yàn)環(huán)境因素的影響，熱源溫度紅外測(cè)溫傳感器測(cè)定數(shù)據(jù)存在誤差，包括紅外測(cè)溫傳感器測(cè)定熱源溫度的系統(tǒng)誤差和數(shù)據(jù)處理的截?cái)嗾`差。

3.1 試驗(yàn)過(guò)程系統(tǒng)誤差

熱源在動(dòng)態(tài)升溫過(guò)程和穩(wěn)定狀態(tài)下，紅外測(cè)溫傳感器測(cè)定同一溫度時(shí)會(huì)存在差異，將這種差異定義為一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)記錄的系統(tǒng)誤差ε1：

(3)

式中：m為測(cè)點(diǎn)距離；n為熱源升溫時(shí)間總步數(shù)；T2it為時(shí)間t時(shí)i米處的溫度監(jiān)測(cè)值；T1i為i米處計(jì)算T1得到的溫度值。

3.2 數(shù)據(jù)處理截?cái)嗾`差

數(shù)據(jù)擬合公式的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之差ε2：

(4)

式中Ti為紅外測(cè)溫傳感器實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度值。

4 試驗(yàn)精度與結(jié)果分析

計(jì)算得到紅外測(cè)定試驗(yàn)溫度擬合結(jié)果T1與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)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(yàn)測(cè)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?cái)嗾`差修正公式為：

k2=?βdxdx+c2

(6)

式中β=0.003，c2=1.073，均為試驗(yàn)測(cè)定系數(shù)。

由公式(5)與公式(6)聯(lián)立，得到適用于本試驗(yàn)合理的修正公式：

k=k1k2

(7)

(8)

式中：M為誤差總個(gè)數(shù)；Δ為溫度測(cè)量誤差；T為測(cè)量真實(shí)值。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)修正溫度與紅外測(cè)溫傳感器實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，得到測(cè)點(diǎn)修正溫度與實(shí)測(cè)溫度誤差如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)修正溫度與實(shí)測(cè)溫度誤差圖

由圖7可知，熱源溫度升高導(dǎo)致紅外測(cè)溫設(shè)備的測(cè)量精度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)溫度修正值與實(shí)測(cè)值略有差異，但平均相對(duì)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(jí)》中規(guī)定0.5級(jí)測(cè)溫傳感器的精度標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的精度。因此，可將紅外測(cè)溫傳感器實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)代入所推導(dǎo)出的紅外試驗(yàn)溫度修正公式，進(jìn)而確定各測(cè)點(diǎn)位置，快速推導(dǎo)出高溫?zé)嵩礈囟?，?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱源的溫度變化。

5 結(jié)論

1)通過(guò)熱源溫度紅外測(cè)定試驗(yàn)，研究表明在測(cè)定穩(wěn)態(tài)熱源條件下，測(cè)點(diǎn)溫度隨監(jiān)測(cè)距離的增加呈二次函數(shù)規(guī)律逐漸衰減，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與熱源距離大于21.7 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定。

2)動(dòng)態(tài)升溫試驗(yàn)結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)溫度與熱源溫度溫升規(guī)律相同，均隨時(shí)間呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，溫升速率隨測(cè)點(diǎn)距離的增大而逐漸變緩；熱源溫度越高，動(dòng)態(tài)條件下的測(cè)點(diǎn)溫度越接近穩(wěn)態(tài)溫度。

3)為了降低試驗(yàn)本身對(duì)紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量精度的影響，確定試驗(yàn)系統(tǒng)誤差與數(shù)據(jù)處理截?cái)嗾`差修正公式，得到紅外測(cè)定試驗(yàn)溫度修正公式。對(duì)比分析修正溫度與實(shí)測(cè)溫度，確定誤差值在2.8%左右，可為準(zhǔn)確推導(dǎo)高溫?zé)嵩磳?shí)際溫度提供參考。