硫化矿石自燃火源探测的红外热成像方法
刘辉，吴超，阳富强，潘伟，李明
(中南大学 资源与安全工程学院，国家金属矿安全科学技术研究中心，湖南 长沙，410083)
摘要：为了快速确定硫化矿石自燃火源的准确位置，提出利用红外热成像技术探测矿石自燃火源的方法。基于IRI-1011红外热像仪平台，建立硫化矿石堆自燃火源探测系统，并针对系统误差，制造温度查找表，对系统温度重新标定。研究结果表明：在硫化矿石爆堆中，距离矿堆表面10 m的范围内，由于矿石自燃火源存在而导致矿堆表面1.76 m×1.76 m探测区的温差为0.01 ℃，达到现有热像仪的探测精度，采用红外热像技术应用于井下矿石自燃火源的探测具有可行性；采用热像仪扫描硫化矿石堆表面找出最高温度位置是自燃火源定位的关键。因此，应用红外热成像技术可以探测井下硫化矿石堆自燃火源的位置，从而达到开发新的自燃火源探测系统的目的。
关键词：
中图分类号：TD75 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)05-1425-07
Detection of spontaneous combustion of sulfide ores with infrared thermal imaging method
LIU Hui, WU Chao, YANG Fu-qiang, PAN Wei, LI Ming
(National Research Center of Science and Technology for Metal Mines, School of Resources & Safety Engineering,
Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: In order to find out accurately position of the fire source of spontaneous combustion in mine, the infrared imaging method for rapidly detecting sulfide ores of spontaneous ignition was proposed. Firstly, based on the heat exchange and thermal equilibrium theory, a mathematic model for simulating the temperature distribution of surface of sulfide ores dump above the fire source of spontaneous combustion was established. Then, a detection system of the fire source of spontaneous combustion was studied on the basis of IRI-1011 thermal infrared imager, and temperature calibration was carried out by making temperature lookup table to make up for systematic residuals. The results show that within 10 m of fire source and surface sulfide ores, the temperature differences among different points of surface sulfide ores in detectable range of about 1.76 m×1.76 m reach 0.01 ℃, due to spontaneous combustion of sulfide ores. The infrared imaging method used to detect fire source in mine is feasible. Moreover, it is found that the maximum temperature point by scanning the surface of sulfide ores dump with thermal infrared imager is key to locating fire source. Therefore, infrared thermal imaging method can be used to detect the fire source of spontaneous combustion of sulfide ores underground mine, and the detecting method can be applied to invent a new detection system of the fire source of spontaneous combustion.
Key words: sulfide ores; spontaneous combustion; detection of fire source; infrared thermal imaging
堆积的硫化矿石与空气接触时会发生氧化反应而放出热量，若氧化生成的热量大于其向周围散发的 热量，则该矿石堆能自行增高其温度，加速氧化进程。在一定的外界条件下，局部的热量积聚，致使其达到着火温度，从而引发自燃火灾。硫化矿石自燃是长期以来影响矿山安全生产的问题，已成为硫化矿床开采经常遇到的重大灾害之一。迄今，国内外学者对硫化矿石的自燃机理、自然倾向性、预防以及控制方法等方面进行了大量研究[1-9]，而对硫化矿石自燃火源探测的研究较少，方法也不尽相同。由于井下条件复 杂，影响因素多，自燃火源具有较强的隐蔽性[10]，以及探测技术手段和途径的不成熟等各方面条件的限制，准确、快速确定井下火源的位置及自燃程度一直是困扰矿山安全的难题。为了解决硫化矿石自燃火源的问题，急需研究一种井下自燃火源的探测技术。目前，国内外常用于自燃火源探测的方法主要有指标气体法、磁探法、电阻率法、遥感法、同位素测氡法、数值模拟法、红外探测法以及矿岩预埋管测温法 等[10-14]。指标气体探测法、磁探法、电阻率法、数值模拟法等均是间接探测法，即在探测火源时，通过测定气体成分、磁场强度以及电参数(电阻、电磁波频率)等的变化来确定火源位置，因此，具有工作量小、测定时间短、投资少等优点，但又存在探测误差大的弱点。测温法的最大优点是直接、可靠、定位准确，但无论是直接测温还是间接测温，其工作量都很大且测定时间长。特别是采用采空区预埋温度探头法时要预先埋设大量探头，才能准确圈定火源点；而红外测温技术是根据需要在巷道内横向和纵向布置一系列测点，根据探测点的位置，通过仪器内的激光照准器瞄准探测目标，测得该点的温度。该项技术在煤矿得到了有效的应用[10-12]，但其缺点是探测范围有限，通常需要每平方米布置100多个测点，因此，耗时、费力。近年来，随着红外热像技术的发展以及各种红外探测器的研制成功，现有的热像仪已能分辨0.01 ℃甚至更小的温差，为开发新的自燃火源探测方法提供了条件。在此，本文作者提出了利用红外热像技术探测硫化矿石自燃火源的新方法，以期为开发新的井下自燃火源探测方法提供技术支持。
1 红外热成像探测原理
红外热成像测温是辐射式测温的一种，是利用物体的热辐射现象来测量物体温度。在自然界中，当物体的温度高于绝对零度(-273.15 ℃)时，由于其内部分子或原子无规则热运动，会不断地向空间辐射电磁波，其中波长位于0.76~1 000 μm的为红外辐射，按波长分为4个波段，见表1[15]。物体的温度越高，辐射特性越好，红外辐射的能量越强。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体表面的热辐射能量为
(1)
式中：M为辐射单元的热辐射能量；
为辐射单元表面发射率；
为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8(W/m2·K4)；T为辐射单元表面热力学温度，K。由于物体表面由许多单元组成，均存在一个热辐射能量场，所以，相应地有一个温度分布场。红外热像仪就是利用对物体表面红外辐射进行探测而呈现出物体表面形状轮廓及分布情况，以便人眼观察的仪器，其结构如图1所示[15]。当一个物体表面的发射率不变 时，该物体的辐射功率与其温度的4次方成正比。因此，对物体辐射功率的探测实际上就是对其表面温度进行探测。
具有自燃倾向性的硫化矿石松散爆堆在向外辐射能量的同时，必然会把矿堆内的自燃信息以能量场的形式反馈到矿堆表面。红外热成像火源探测就是通过
表1 红外线分类
Table 1 Classification of infrared ray
图1 红外热像仪结构图
Fig.1 Structure of infrared thermal imager
红外热像仪探测矿石堆表面的温度场分布，获取其表面下的温度场信息，然后，根据温度场的异常分布情况来识别矿堆内是否存在火源及深度，以此达到火源探测的目的。
2 自燃火源传热模型建立与分析
2.1 自燃矿石堆的热平衡
硫化矿石自燃的产生和发展是一个极其复杂的过程，虽然矿石发生自燃的部位、自燃持续时间和自燃程度等不同，但仍然满足热平衡方程。由热平衡理论可知，矿石自燃部位(如图2所示)的热量传输均满足2个平衡条件：(1) 矿堆内部向矿堆表面的传热量和矿堆表面向空气中的散热量相等；(2) 矿堆内部产热量和矿堆内部向矿石表面的传热量相等[16]。通过热量传输平衡条件，利用红外热像仪探测矿堆表面温度，进而推算出矿石自燃的位置。
2.2 矿堆内部与表面的热交换过程
自燃矿石在氧化自热至自燃过程中，会与周围矿石进行热交换，当火源经传热到达矿堆表面而使出现的温度场差异足够大时就能够利用热像仪探测。假定火源周围的矿石为均质、各向同性，可以认为火源与周边矿石的热交换分为火源与周边矿石之间的热传导及矿堆与大气之间的热对流2个过程，热交换示意图如图2所示。
图2 自燃火源探测及热交换示意图
Fig.2 Schematic of heat exchange and fire source of spontaneous ignition for detecting
矿石导热、矿堆表面对流换热热阻分别为R1和R2：
(2)
(3)
总传热热阻等于矿石导热与矿堆表面对流换热热阻之和，即：
(4)
式中：d0为火源的直径，m；di为火源中心到矿堆表面某点i的距离，m；tf0为火源温度，℃；tfi为矿堆表面某点i的温度，℃；tf1为矿堆周边环境温度，℃；λ为矿石导热系数，W/(m·℃)；a为空气的对流换热系数，W/(m2·℃)；l为火源长度，m。
由式(2)和(3)得传热量为：
(5)
矿堆表面温度分布及温差分别由式(6)和(7)获得：
(6)
(7)
2.3 矿石堆表面特征温差探测辨识
当矿石内部温度大于60 ℃后，矿石临近自燃 期[5]。由式(7)可知：火源传热到矿堆表面存在温差，能够导致矿堆表面温度场发生变化。模拟矿山井下条件，取tf1=27 ℃；井下采场常见风速v约为0.2 m/s，根据经验公式a =6.184+4.186v[8]，计算对流换热系数a=7 W/(m2·℃)。毛丹等[17]的研究表明：硫化矿石的导热系数λ为温度的函数，因此，对不同粒径下的导热系数取平均值，λ=0.000 5(tf0+tfi)+0.33；火源直径d0= 0.2 m；当火源位于不同深度时，探测深度与矿堆表面温度的关系如图3所示。60 ℃火源位于不同深度时矿堆表面温度的分布如图4所示。
从图3可以看出：火源温度越高，离其最近距离的矿石表面温度越高，并随着探测深度的增加，其表面的温差越小(探测深度为10 m时，可探测范围内温差达0.01 ℃)，这与实际情况相符，即火源位置越深，越具有隐蔽性，同时也增加了探测难度；从不同温度
图3 不同火源深度时探测深度与矿堆表面中心温度的关系
Fig.3 Relationship between detecting depth and temperature of surface sulfide ores with different depths of fire source
图4 60 ℃火源位于不同深度时矿堆表面温度的分布
Fig.4 Temperature distribution of surface of sulfide ores dump with different depths of fire source at 60 ℃
火源的温度变化曲线看，火源温度越高，变化越快；当探测深度达到10 m以上时，理论上还存在探测火源的可能，但对探测系统的要求更高。由于矿石发生自燃必须具备空气条件，自然空气很难渗透到深度10 m以上的矿堆中，因此，矿堆发生自燃的可能性不大。图4表明：存在自燃火源的矿石堆在其表面位置由中心到四周形成温差，临近自燃期(60 ℃)且火源深度为3 m时，其导致矿堆表面有效探测面积1.76 m×1.76 m范围内温差为0.08 ℃；而当火源深度为0.5 m时，该区域范围内温差达到5 ℃以上；火源深度越小，火源温度越高，有效探测面积内的温差就越大。理论推导和数值模拟结果表明：存在自燃火源的矿堆必然会在其表面产生特征温度场分布，只要所用的火源探测仪具有能够达到分辨矿石堆表面特征温差的探测精度，就能实现对矿石自燃火源的探测。
3 探测系统
3.1 系统设计
根据具有自然发火隐患矿山的实际情况及发火位置复杂多变的特点，自燃火源红外热像探测系统的硬件设计遵循便于携带、易于井下操作、实时成像等原则。其整体结构框架如图5所示。
光学系统将被测物体的红外辐射聚焦到红外探测器，经后端的数据采集与处理电路将原始图像信息通过RS232电缆(经USB转换器变换)传到计算机处理系统进行实时显示和图像处理。红外探测器是整个系统的核心部件[15]，它的性能参数的确定与选择决定红外热像探测系统的整体性能。IR主机采用英国IRISYS公司生产的IRI-1000系列红外探测器，将光学镜头、温感器、电子驱动组件、光学调变器以及电池等主要
图5 自燃火源探测系统结构框架
Fig.5 Structural frame of detection system for fire source
组件全部整合在高压成型的耐冲击塑模盒内，具有无须制冷、可实时成像、功耗低、工作寿命长、可靠性高、体积小、质量小、可操作性强的特点。其主要性能参数见表2。从表2可以看出：研究所用的IRI-1011红外热像仪，其理想的探测深度是在5 m以下，基本上能满足目前井下硫化矿石爆堆的火源探测要求。
表2 IRI-1011的技术参数
Table 2 Technical parameters of IRI-1011
计算机处理系统主要负责红外图像的实时显示、伪彩变换、图像存储与分析等功能。鉴于井下复杂的特点及在线监测的要求，在充分考虑整机的尺寸、质量以及图像处理速度等要求的前提下，选择Compaq Presario V3000笔记本电脑，通过RS232电缆接口及USB转换器将采集电路预处理过的热图数字信号传输到计算机，利用笔记本电脑强大的数据处理功能对图像进行各种算法的在线处理，改进图像质量；当发现可疑区域时，可以随时对图像进行存储，便于离线处理。
3.2 测温标定
由于受空气中水汽和二氧化碳等的影响，在不同的距离探测时，热像仪温度显示值略有不同，而且距离越远，温度越偏低，对探测结果影响越大。为了保证测量数据的准确性，对探测系统进行温度标定。标定的目的就是要对整个系统进行测试，用温度查找 表[18]找出标准温度与热像仪之间的关系，并用矩阵T[ ]表示。在实验条件下对矿样加热，采用已标定的热电偶温度感测器及热像仪同时对矿石测温，把测出的标准温度和图像上对应点的热像温度构成的一系列数据做成标定样本，则有：
(8)
由式(1)可知：温度和辐射度存在非线性关系，因此，要确定温度查找表，就要有足够多的标定样本。使用数据拟合技术以及标定样本，在计算机上建立完整的温度查找表，然后，根据这个查找表对目标温度进行精确计算。实际测量温度时，目标温度T由下式给出：
(9)
式中：ε为目标的辐射率，ε＜1；m为调节因子，用于调节如距离、粉尘、烟雾等因素对测温精度的影响。
3.3 火源定位方法
热力学第二定律指出，热能总是自发地、不可逆地从高温传向低温处。具有内热源的矿石堆由于发生氧化还原反应而导致自热、自燃，火源本身必然与周边矿石存在温差而发生传热作用。在不存在其他热源干扰的情况下，火源可以视为均匀地向周边矿石传递热量。由式(6)可知：当火源稳定时，矿堆表面温度随着其与火源距离的增加而减小。自燃火源定位示意图如图6所示，设存在一个假想的平面α为一矿石堆表面，点O为火源位置，点A为火源点在矿石堆表面的投影，点B为矿堆表面探测范围内的其他任意一点。令点O到A，B及AB的距离分别为dOA，dAB及dOB，根据直角三角形的性质，有：
(10)
利用热像仪对矿堆表面进行大范围扫描，拟确定高温点A，进而围绕点A在探测系统有效探测精度内确定另一测温点B。从图6可以看出，只要知道点A和B的间距及2点的温度，利用式(6)和(10)，就能确定火源的位置及其温度。
图6 自燃火源定位示意图
Fig.6 Schematic of fire source of spontaneous ignition for locating
4 现场试验
应用红外热像探测系统对某硫化矿采场一爆堆进行探测。该爆堆主要是胶状黄铁矿及黄铁矿，堆积形状如图2所示。探测时间为11月中旬，井下采场环境温度为27 ℃，风速为0.2 m/s。首先用热像仪对矿堆表面进行全方位扫描，确定高温区域，然后围绕该区域采集图像，结果如图7所示。从图7可以看出，红
图7 某硫化矿现场采集图像
Fig.7 Images collected in sulfide ore
外热像探测仪所探测区域有一高温区域，温度标定后该区域温度最高点(A点)显示为34.7 ℃，明显高于周围区域部分温度。初步断定A点为火源所在区域矿石堆表面中心点。由A与B间距dAB=0.45 m及B点显示温度34.0 ℃，并根据式(6)和式(10)建立方程组，经计算得火源温度为147.4 ℃，深度为1.21 m。计算结果表明：该爆堆已出现高温，这与其已有SO2气体放出吻合；采用充填料覆盖自燃矿石后火灾被熄灭。
5 结论
(1) 根据矿堆自燃火源的热平衡原理，建立了自燃矿堆内部火源与表面的传热模型，推导出火源温度与矿堆表面温度及火源深度的关系。理论推导和数值模拟计算表明：火源深度在10 m内时，探测效果较好；当火源深度达到10 m以上时，理论上还存在探测火源的可能，但对探测系统的要求更高。
(2) 受空气中水汽和二氧化碳及热像仪本身因素的影响，探测距离越远，温度越低。对探测系统进行了温度标定，并创建了标定样本。
(3) 提出了火源定位方法。确定矿堆表面最高区域温度位置是自燃火源定位的关键。
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收稿日期：2010-02-15；修回日期：2010-05-21
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK04B03)；湖南省研究生科研创新项目(CX2009B053)；中南大学优博扶植项目(2009ybfz08)
通信作者：刘辉(1978-)，男，江西高安人，博士研究生，从事矿山安全的研究；电话：0571-86914534；E-mail: liuhui2003@126.com
