张付现;朱应;韩志飞;郭燕伟
【摘 要】石康军通过论述矸石山预警指标基础参数及其形成原理,推断出矸石山表面温度测试衍生参数和计算需要的经验特性参数.采用热成像仪和间隔一定时期进行一次测试的方法分别对矸石山表面温度进行测量,得到矸石山表面温度分布图和反映矸石山动态变化特性的自热发展速度及发展趋势.测试研究表明,在矸石山易燃部位插入少量热管或者金属棒,测得温度参数预警指标,可以实现有效地进行危险预测的目标.
【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(029)003
【总页数】5页(P312-315,325)
【关键词】矸石山;表面温度;预警管理
【作 者】张付现;朱应;韩志飞;郭燕伟
【作者单位】河南煤矿安全监察局,豫南监察分局,河南,平顶山,467000;中国矿业大学(北京),北京,100083;焦作市和兴化学工业有限公司,河南,焦作,454000;中国矿业大学(北京),北京,100083
【正文语种】中 文
【中图分类】TD76
0 引 言
构建矸石山灾害防范预警管理体系，需要对众多参数进行实际监测，有些参数还需要通过实验获得，或者通过实验参数和测量参数计算获得．直接参数测量的准确性、精确性和代表性，计算参数计算方法的科学性，对预警指标及其应用的可靠性有很大影响[1-3]．众所周知，一个好的预警模型，如果输进去的是错误数据，就不可能得到有用的信息，而据此决策带来的将是灾难性后果．但是如果采用非常精确却非常耗时的测量方法，及时预警预报也将成为一句空话[4-5]．因此，选择预警管理的参数测量方法十分关键．
1 矸石山表面温度的测试和相关参数的计算方法
矸石山自燃监测的主要参数(指标)是温度．由于矸石山体积巨大，深部温度监测只能在若干点(内部温度测试基地)进行，否则将花费过高的设备投资．表面温度测试可以快速进行，对于及时掌握矸石山自热(燃)的状态十分关键，是矸石山安全预警的关键基础参数之一．根据矸石山表面温度测试值和经验公式，还可以推断出矸石山的温度分布和变化特征．
1.1 矸石山表面温度测试
矸石山表面温度测试可以选用热成像仪．该设备可以在1 d内完成四五座矸石山的表面温度测试，从而得到矸石山的表面温度分布彩图．通过彩图和专用软件，可以计算出每座矸石山表面的最高温度，次高温度分布及温度值，各温度区平均温度，任意直线上温度的变化曲线等．图1、图2是热成像仪在平煤四矿矸石山测量获得的全山彩温度分布图及线测温度数据图(由于印刷所限，已处理成灰度图)，图3、图4是平煤三矿的数据．
1.2 预警管理的矸石山表面温度基础参数及其形成原理
矸石山表面温度的形成机制非常复杂．和土壤一样，由于受到太阳的直接辐射、大气辐射，同时又向大气环境散失热量，在1天和1年之内都存在温度周期性变化．对于无内部重要热源
的土壤来说，在日变化过程中，只有2个时刻经过土壤表面的热量等于0，即内部向环境散热量等于环境对土壤传递的热量，即热通量等于0．对于土壤来说，其它时间热流不是指向环境，就是指向土壤内部，土壤表面和内部温度随之发生变化．但是，对于温带和亚热带地区的一般性土壤，土壤温度的日变化(白天升温和夜间降温)深度仅能达到50 cm左右，年变化能够达到80～120 cm．
发生自热的矸石山，内部有强大的热流流向大气环境，情况相对简单，基本没有热流方向的变化．但表面层温度的日变化仍然很复杂，受多种因素影响，其中矸石山自热(燃)是表面温度形成和变化的关键因素．测得的矸石山表面温度虽然反映了矸石山内部氧化反应放热的情况，但必须排除太阳辐射和大气辐射等环境因素对表面温度的影响，才能真正作为反映矸石山内部自燃(热)状态的一个可用参数．
一个可行的方法就是采用矸石山实测表面温度减去同一地区同一坡度同种煤矸石没有发生自热和自燃现象的矸石山表面温度，其差值作为分析矸石山内部温度变化的基础参数．如果寻没有自热的矸石山区域有困难，可以用该矸石山测得的表面温度最低值替代该参考值[6-8]．
一天中，该差值也在不断变化．因此，存在一天中地表温度最高和最低时刻温差、日均温差、固定时刻测试温差的平均值等，表面温度最低时刻温差反映出的由热源引起的温差最大，而日均温差要`小一些，但测试任务很难实施．即使实施，也失去快速简便的优点．但可取数个时刻测试值的平均值．
除了表面温度差值外，还有另外一个基础参数．即不仅要了解矸石山自热状况，还需要了解矸石山自热发展速度和发展趋势，即矸石山动态变化特性．因此，间隔一定时期进行一次测试，一天中同一时刻同一地点的温度测试值，或者日均值，组成了一个时间数据系列．根据该系列数据，可以计算矸石山各部位表面的升温速度和变化趋势，这也是矸石山表面温度测试的基础参数之一．
需要指出，表面温度的形成因素十分复杂，上述参数忽略了一些较次要的影响因素，如不同内部温度和湿度，感热通量和潜热通量比例不同造成的表面温度差等．因此，上述差值是一个粗略指标，但温度逐日平均变动速度指标是比较准确的．
1.3 矸石山表面温度测试衍生参数和计算需要的经验特性参数
如果掌握了矸石山表面和内部热量交换的规律，以及矸石山散装物料的传热特性、热容量特性，可以根据表面测试温度估计和推算出一系列衍生参数．因为矸石山内部氧化放热反应，产生并向环境输送的热量远远大于环境向矸石山内部输送的热量，多数情况是矸石山向环境输送热量．
矸石山内部温度分布物理图像分成4种类型，简化后的温度分布曲线见图5.对于没有热源的土壤，如图5(a)，大气长波辐射加热的结果，多年日均温度是表面大于内部，大致为一条直线．其斜率取决于土壤综合导热系数和大气传输给土壤的年均热量、土壤的热容量、降水情况等．对于微弱发热的矸石山，如图5(b)，表层仍然是上高下低，但到一定深度后，多年日均温度逐渐随深度升高，待某点后又下降．由于氧气消耗不严重，深部放热现象仍存在，所以最高温度点较深．对于内部发热明显，如图5(c)，除表层处温度可能存在上高下低现象外，其余均是下高上低，直到最高温度层．稳定一段后，又出现上高下低现象．对于发生自燃，如图5(d)，上部下高上低与下部上高下低的斜率都远高于(c)，高温层深度加大，但略往上移动．因为氧气消耗加快，最大放热区域向上移动．
温度最高的区域位置和厚度，取决于煤矸石的氧化放热速度、矸石山的综合导热系数、矸石
山内部空隙率、氧气供应和消耗速度决定的内部氧气分布规律及对放热反应影响、自燃发生点位置及发展方向、发展历史、排矸方式和自燃发生前后排矸方式的变化等许多因素．一般来说，停止排放煤矸石后逐渐发生和发展的自燃区，最高温度层一般为2～4 m，且深度较浅．自燃后仍不停止排矸，自燃发生点和最高温度层要深得多，高温层也要厚一些．所以，一维导热模型估算的温度分布，对不同排矸方式和不同孔隙率矸石山区域，具有不同的有效深度．
利用热成像仪得到的表面温度测量值掌握内部温度变化还存在技术上的难题，即刚开始升温(在临界温度附近)时，只要自热最高温度区在矸石山表层1.5 m以下，表面温度升高只有1～2 ℃，很容易因为对照点温度测试误差或其它原因，检测不出异常温度变化，不能及时发现矸石山开始出现的不安全状态．解决的办法是在一般矸石山最容易发生自燃的部位，插入少量热管，或者其它金属棒，利用热管的等温性，或者金属材料的高导热性，测试矸石表面温度和热管或金属的温度差，可以较早发现异常[9-10]．图6是煤炭和矸石自燃模拟实验炉内插入的金属件热成像仪测试结果.
2 结 论
根据矸石山表面温度参数及其形成原理，测得矸石山的各部位表面的温度差值、升温速度和变化趋势，从而判别矸石山存在自燃危险的区域，及时进行治理．采用插入少量热管或者其它金属棒，利用热管的等温性或者金属材料的高导热性，测试矸石表面温度和热管或金属的温度差，可以较早发现矸石山温度异常，及时采取有效措施保证矸石山处于安全状态.
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