（安全技术及工程专业论文）松散煤体有源温度场实验和数值模拟研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo ne x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r e f i e l do fh e a tr e s e r v o i rl o o s ec o a l s p e c i a l t y ：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e ：l im i n g m i n g i n s t r u c t o r ：d e n gj u n a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u t h eh i d d e nh e a tp l a c ed e t e c t i o no fc o a lm i l l eh a sb e e nap r o b l e mw h i c ho b s e s s e sc h i n a s p r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l u s i n gi n f r a r e dt h e r m o g r a p h yt o d e t e c ta n da n a l y s i st h ec h a n g ea n di n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ef i e l do fh e a tr e s e r v o i rl o o s ec o a l q u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e ，r e a l i z i n ga n dm a s t e r i n gh e a tt r a n s f e rr e g u l a r i t yo fi t h a s i m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e rs t u d i e dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h eh e a tr e s e r v o i rl o o s ec o a lu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n a l y s i st h e o r y , e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s to fa l l ， d e s i g na n dp u tu pe x p e r i m e n t a lt a b l eo fh e a tr e s e r v o i rl o o s ec o a l i nt h ee x p e r i m e n t ，u s i n ga l i n e a rh e a t i n gs t i c ka si n n e rh e a tr e s e r v o i r , u s i n gi n f r a r e dt h e r m o g r a p h yt og e ts u r f a c ei n f r a r e d i m a g e s ，a n a l y s i ss u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l da n di t sc h a n g e t h ee x p e r i m e n tr e f l e c tt h ec h a n g e o fw h o l es u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l dp r e f e r a b l y f r o mt h ei m a g e st h ep o s i t i o no fh e a tr e s e r v o i r c a nb er o u g h l yf o u n d i ts h o w e dt h a ti n f r a r e dt h e r m o g r a p h yh a sm a n ya d v a n t a g e si nh i d d e n f i r ed e t e c t i o no fc o a lm i n e s t h ep a p e rp r o p o s e dj u d g i n gt h et i m el e n g t ho fh e a tr e s e r v o i r e x i s t e n c e 谢t l lc h a n g er a t eo ft e m p e r a t u r e t h e n , s e tu pa p h y s i c a lm o d e lo fl o o s ec o a l 、i t l l i n n e rh e a tr e s e r v o i r ，u s i n gf l u e n tt os i m u l a t e ，c o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u l ta n de x p e r i m e n t a l s i m u l a t e ，v e r i f ye f f e c t i v e n e s so ft h em o d e l i tp r o v e dt h em o d e lr e f l e c tt h ec h a n g eo fw h o l e s u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l dp r e f e r a b l y t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r sh a sb e e nc h a n g e di nt h em o d e l t oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fh e a tc o n d u c t i v i t ya n dh e a td e p t h i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e m a i n l yi n f l u e n c eo fl o o s ec o a lh e a tc o n d u c t i v i t yw a ss u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l da n dd e v e l o p i n g r a t eo fh e a tr e s e r v o i r ，t h ei n f l u e n c eo fi n n e rt e m p e r a t u r ef i e l di sl i t t l e t h ei n f l u e n c eo fl o o s e h e a td e p t hw a ss u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d ，i n n e rt e m p e r a t u r ef i e l da n dd e v e l o p i n gr a t eo fh e a t r e s e r v o i r s m a l lh e a tc o n d u c t i v i t ya n db i gh e a td e p t hw a st h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n so fh e a t r e s e r v o i rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：i n f r a r e dt h e r m o g r a p h yl o o s ec o a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s e x p e r i m e n tt e m p e r a t u r ef i e l d 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：詹埘孵峙日期：知弦z r 心 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，i l p 研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：套憾惧 指导教师t 形 6 月f 口日 1 绪论 1 绪论 煤自燃是自然界的一种客观现象，已经存在了数百万年。譬如大同侏罗纪煤最早在 第四纪早更新世，即距今约二百万年前就开始自燃，仅在雁岩3 3 号和1 1 号煤层古火区 就已烧毁大约2 0 0 0 万t 煤，燃烧特征十分明显。据统计，仅我国北方7 省露头着火面积 达7 2 0 0 k i n 2 ，累计烧毁煤量4 2 亿t 以上，并以2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 万吨年的速度增加，而受其 影响造成的呆滞资源储量超过2 亿t 年，每年直接经济损失高达数十亿元i l 】。我国国有 重点煤矿中存在自燃发火危险的矿井约占5 1 3 ，由于自燃引起的火灾占总火灾数的 9 0 以上。我国5 6 的矿井开采的是易燃煤层，全国各类矿井百万吨发火率据不完全统 计为7 4 7 ，国有统配煤矿近年虽然有所下降，但仍然居于1 左右，残存的火区数至 今仍然超过3 0 0 处，冻结煤量5 0 0 0 万吨有余，与世界几个产煤大国情况相比，差距十 分巨大 2 1 。 尤为堪忧的是由矿井自燃火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸事故时有发生，严重地威胁着人 民的生命财产安全，阻碍了煤炭工业的可持续发展。并由此造成巨大的间接损失，诸如 土地资源、大气污染、自然生态环境和人文活动等受到的影响更是难以估计。另外，煤 炭行业每年都要投入巨额资金用于火灾治理。因此我国政府在“2 1 世纪议程”中已将煤炭 自燃列为重大自然灾害类型之一【3 】。毋庸置疑，自燃火灾依然是困扰我国煤矿安全生产 的一大突出问题，防治工作则更是不容忽视，必须常抓不懈，尤其是防治技术，更应作 为重中之重的大事，促进它的不断改进、提高和拓展，寻求创新技术途径，从根本上提 高我国煤矿的火灾防治。 1 1 问题的提出 煤的自燃发火，9 5 以上在采空区并为人们不能直视或到达的地点。采空区内的火 源位置通常是残煤堆积集中，供氧充足，风速适中的区域，处于采空区可能自燃带内的 遗弃浮煤呈松散状态，导热性差，导热损失小；当漏风量小时，对流散热少，但还能供 给氧化反应所需氧气；煤温不高时，热辐射小。这种环境即为煤氧化、贮热最佳条件【4 j 。 因此火源位置仅仅是采空区一个微小的局部区域，范围仅几平方米，采空区自燃发火初 期，一般温度为3 0 0 - - - 4 0 0 。c 。由于井下地质条件及采空区等处特殊条件的限制，迄今， 各种探测原理的仪器均难以准确、快速的确定这种隐蔽火源的位置和范围，也就难以采 取灭火措施，只能用大包围的办法灭火，消耗大量人力、物力，还难以奏效。所以，井 下隐蔽火源位置探测技术，正是各国竞相探索的重点。 目前，根据检测原理，用于探测煤矿井下白燃火区的主要方法有以下几种：温度探 测澍硒】、磁探测法、电阻率探测法、氡探测法、气体探测法【7 - 8 】等方法。各种探测法都 西安科技大学硕士学位论文 有自己的优、缺点和使用范围，磁探测法、电阻率探测法、氡探测法主要对于封闭火区 且高温点温度较高准确性较好，而对于井下出现的高温区域( 大于1 0 0 * c ) 则无能为力。 气体探测法能预测高温区域温度，但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并且 受井下通风压力、风量的影响较大。实践证明，上述方法都不能对煤层早期的自燃发火 做出预报。红外测温法是煤炭自燃高温区域探测的发展方向，其中包括红外探测法和热 红外成像法，红外探测仪和红外热像仪测取的是能量场，通过能量场综合判断煤的自燃 区域。由于红外探测法具有操作简单、迅速，费用少，重量轻等优点，目前已应用于井 下探测煤自燃区域。然而红外热像仪相对于红外探测仪具有许多优点： ( 1 ) 测量精度高，现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到l o 刁k 级。 ( 2 ) 红外探测仪探测到的是被测点的温度，而热像仪可以直接地显示目标表面的 温度场分布，可以知道表面每个点的温度。 ( 3 ) 显示方式灵活多样，温度场的图像可以采用伪彩色显示，也可以通过数字化 处理，采用数字显示各点的温度值。 ( 4 ) 能与计算机进行数据交换，便于储存。 因此，应用红外热像仪进行煤矿井下隐蔽高温区域探测具有比红外探测仪更好的发 展前景。目前应用此法的最主要问题是根据测取的能量场如何诊断煤体内是否存在高温 区域，通过实验和数值模拟对煤内部热量传递过程进行研究，揭示其内在规律，搞清煤 体内存在局部高温时，煤体内温度场发生、发展过程及各种因素对温度场的影响，从而 为判定实际条件下的隐蔽高温区域的存在及其动态发展变化的过程提供理论基础，并为 现场火源探测工作提供指导。 1 2 国内外研究成果综述 1 2 1 煤矿井下隐蔽火源探测方法 目前，根据检测原理，煤层自燃的火源探测大致分为几类方法：温度探测法。如 世界各国通用的直接测温法、热辐射测温法等【5 刊。气体探测法。如俄罗斯及我国山 西矿院研究的测氡法和现在应用较多的气体指标法【| 卜8 】等。磁力探测法。如我国陕西 煤田地勘公司用美国g 8 5 6 a 型磁力仪在陕北煤田探测露头火，测定露头火向下延烧范 围。数理解算法。如原苏联及中国矿大、阜新矿院等曾探测采空区周边气体成份及温 度变化，利用采场空气流场规律，进行数学推算，得到采空区各处温度分布，从而确定 高温点位置。电磁波探测。如西德、法国、原苏联都作过这方面的研究。电阻法。 以电极探测火源高温引起煤层顶、底板岩层电阻值变化，确定火源位置。井下隐蔽火源 位置探测还处于探索阶段，未获得根本性突破。一般认为，测磁法、电磁波法、电阻法 是比较有希望取得突破的技术方法。为了改变采空区煤自燃发火防治的被动局面，近年 2 1 绪论 来，国内外对采空区火源位置探测技术进行了一些研究，取得了一定的成效，但都因技 术或其它原因而难以推广应用 9 1 。 ( 1 ) 温度探测法 温度直接探测法 该方法是在地面或井下向采空区可能发生自燃的地方打钻，在钻孔中安设温度探测 器，根据测定的最高温度点来确定火源位置。 热辐射法 该方法是在煤( 岩) 体暴露面热辐射测量基础上研究确定火源位置的方法。其原理 为：用热辐射仪按非接触方式测量暴露面热辐射密度，并把具有最大辐射密度值的点作 为a 点，然后按相同方法把热辐射密度为最大值一半的点作为b 点，同时测出a 、b 两点间的距离a ，根据r = 1 3 a ( r 为暴露面至火源点间的法线距离) ，通过计算r 确定出 火源的位置。 预埋温度探头测温法 该方法的原理是：在工作面回采过程中，在采空区内按一定的走向、倾斜方向间距 布网，每一网格节上预埋一温度探头，由于所埋温度探头有电池及无线电信号发射装置， 故在其所在位置处的温度达到预先设定的温度报警点时，向外发射特定的无线电信号并 被安设于采区内的无线电接收装置接收，根据接收到的信号判断具体节点号，从而确定 出火源点的位置。 ( 2 ) 气体探测法 地面附近气体测量法 该法的原理如图1 1 所示。该方法包括：测量地表上方空气层风流2 的速度和风向 的装置1 ，测量空气中指标气体浓度的激光器3 ，检测线4 ( 布置在进风流侧) 和5 ( 布 置在回风流侧) ，与检测线垂直并划分成各相等线段的线6 ，指标气体浓度在各相等线段 上是不相同的。为了给发生在采空区中隐蔽火源定位，在采空区上方地表上用装置1 测 量风流2 的流速和方向。然后在地表上方空气层中位于检测线4 和5 的点上，用激光器 3 测量指标气体的浓度，各测量点的连线与风流方向垂直。把得到的测量结果用于计算 两个点之间指标气体浓度的增加量，这两个点位于检测线4 和5 与平行于风流方向的线 6 的交叉点上。把发现指标气体浓度有较大变化的各条线，例如线g ，划分为相等的线 段7 ，在线段7 的各段上，再测量各段的指标气体的增量。线段7 上指标气体增量最大 的那一段的下方即为火源的位置。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 。u ”。 ill ig ili llliili ifii g iii l iii iil 、 7 图1 1 地面附近气体测量法原理图 钻孔测气法 为确定采空区内自燃火源的位置，在地表附近层中打一系列钻孔，并测量孔中各可 燃性火灾气体如( c o 、h 2 ) 等浓度的总和。因火灾气体分子的扩散作用，向外扩散的 气流使钻孔中火灾气体浓度总和增加。通过测量火灾气体浓度总和的变化，就可确定出 附近层中火灾气体浓度异常的范围，所确定的范围垂直对应的采空区位置即为采空区内 火源点的位置。 指标气体法 长期以来的观测表明，当煤炭发生自燃后，可使附近区域的0 2 减少，c 0 2 增多， 并出现c o 及烷类、烯类气体，因此，分析可能有自燃火灾地区或工作面进、回风流中 的空气成份及其变化情况，就可判定是否发生自燃，能够反映煤炭自燃特征的气体，我 们称之为煤炭自燃火灾的指标气体，普遍选用的煤炭自燃火灾的指标气体有：一氧化碳 ( c 0 ) 、乙烯、烷烯比、链烷比( c 2 h 6 c h 4 、c 3 h s c h 4 、c 4 h 1 0 c h 4 、c 3 h 8 c 2 h 6 ) 。 测氡法 自然界及煤岩地层中，均含天然放射性系列元素铀、钍及锕铀等。这些元素的半衰 期均很长，在其衰变过程中，可衰变成其子元素射气元素氡，同时放出a 射线，通过 测量a 粒子的浓度，即可测定相应的氡气浓度值。由于地层岩性及地质构造不同，在同 一地区不同岩层或同一岩层的不同层位，放射性元素的含量亦大有差异，其衰变产物从 地下向上迁移的浓度及速率也大不一样。当地下存在热源时，由于地下火区所产生的温 度、湿度、压力等的变化，氡及其同位素向上迁移的速率，均比地质条件相近、地下无 热源时氡及其同位素迁移速率快。所以，采空区自燃区顶部的氡气浓度均高于无热源区 的氡气浓度。采取合适的方法测量氡气浓度变化，确定出异常变化区域，就可定出地下 4 i i 旦 2 l 二 二 1 绪论 采空区火源的位置。 ( 3 ) 磁力探测法 人工磁场探测法 该方法的原理为：在开采有自燃倾向的煤层时，用气体或液体向采空区输入预先磁 化好的铁磁性物质，随后就用安装在采空区上方的沿地表移动的测量装置，测量磁场强 度值。若有自燃火源时，位于火源点处的铁磁物质，在温度上升的情况下，其磁化率也 急剧上升，相应磁场强度增大。当达到其居里点时，其磁化率消失，相应的磁场强度为 零。所以，通过地面移动式测量仪器测定磁异常变化区域，就可确定采空区火源点的位 置。 天然磁场探测法 该法的原理与人工磁场测定法相似，只是铁磁性物质不是以人工方式向采空区布， 而是铁磁性物质本身存在于煤层或顶、底板岩层中。显然，这一方法只有在煤层或顶、 底板岩层中存在铁磁性物质时才能使用。 ( 4 ) 数理结算法 该法的原理是：在采空区周边测量与火源定位有关的参量，如温度、火灾气体浓度 等，以这些测定参量为边界条件并结合某一数学模型，如三维非线性流场理论、渗流理 论、有限元理论等，进行数学推导，从而确定出这些参量在采空区内达到最大值的点， 该点即为自燃火源点。 ( 5 ) 电磁波探测法 该方法在原西德、法国、原苏联等作过研究。其原理是：通过研究采空区内垮落岩 石和空气这两相介质构成的特殊性以及电磁波在这种特定条件下的传递及吸收的规律， 包括在发生自燃火灾时的传递及吸收的规律，从而确定火源位置。 ( 6 ) 电阻法 该法原理是：以电极探测火源高温引起煤层顶、底板岩层电阻值变化确定火源位置。 1 2 2 红外热像法的应用 外热像技术是在2 0 世纪发展起来的新兴技术，最先应用于军事领域1 0 也】，现在已 在世界各国的多个行业都有广泛的应用。日本应用红外热像技术最为广泛，除大量工业 上的应用外，甚至在赛马场上也应用了该技术【1 3 。1 5 】；美国在建筑业中大量应用红外热像 诊断【1 6 】；英国的玻璃制造业在1 9 6 9 年就开始使用红外热像技术；意大利将该技术用于 能量管理；加拿大用于定量测试表面热损耗等。他们都对红外热像技术给予了高度的评 价，该技术的应用正受到越来越多的重视，并且向更深、更广的方向发展。 国内工业领域最早使用红外热像检测技术是1 9 7 5 年由上海引进第一台a g a 红外热 像仪，为当时最先进的热像仪。8 0 年代平武电力工程引进三台a g a 红外热像仪，大大 5 西安科技大学硕士学位论文 提高我国电力设备诊断水平【1 7 五o l 。8 0 年代中期红外热像检测技术开始在我国电力、冶金、 石油等工业部门广泛应用。目前，大多数电力实验研究部门、电力和供电部门配置了红 外热像仪，这些热象仪既包括各种类型的进口型号，又有各种国产的热像仪。由于红外 热像检测技术在电力系统的广泛应用，并逐渐成为主要的电力故障诊断技术，1 8 9 8 年国 家制定了电力红外诊断导则。特别是在2 0 0 3 年的“非典”疫情中，红外热像检测技术在 识别人群中较高温度者的实时测试中发挥了不可替代的作用，大大促进了红外热像检测 技术在我国的应用。“非典”疫情过后，国家有关部门迅速组织各方面专家，制定并公布 了我国第一个红外热像仪的国家标准，使我国红外热像检测技术突破多年的发展“胶着” 状态，向着标准化监测与诊断迈出了坚实的第一步【2 1 】。 近年来，红外技术在军事领域和民用工程中都得到了广泛应用【2 2 。2 6 1 。在军事领域大 体分为： ( 1 ) 侦查、搜索和预警； ( 2 ) 探测和跟踪； ( 3 ) 全天候前视和夜视； ( 4 ) 武器瞄准； ( 5 ) 红外制导导弹； ( 6 ) 红外成像相机； ( 7 ) 水下探潜、探雷技术。 在民用工程领域大体分为： ( 1 ) 在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用； ( 2 ) 在地下矿井测温和测气中的应用； ( 3 ) 在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾预报中的应用2 7 1 。许多专家学者应 用红外热像仪进行工程计算，并取得了良好的效果1 2 8 3 1 1 。 1 3 本文的研究思路和内容 本论文以煤的热传导理论为基础，以红外热像观测为手段，通过实验及理论分析， 研究存在内热源时，煤热量传递过程和表面温度场的变化，根据传热学理论建立松散煤 体有源数学模型，并通过f l u e n t 软件进行数值模拟。 本文的研究内容主要有： ( 1 ) 松散煤体有源温度场实验：在松散煤体中间加入热源，任其自然传热，摄取 松散煤体表面红外图像，分析图像温度场变化规律，以及表面特殊线上温度变化规律。 ( 2 ) 建立松散煤体有内部热源时的传热模型，对模型进行f l u e n t 模拟，分析模拟 结果中温度场的变化规律，将模拟结果和实验结果进行比较。 ( 3 ) 改变模型导热系数和热源深度，分析松散煤体导热系数和热源深度对松散煤 6 l 绪论 体温度场变化的影响。 1 4 技术路线和研究方法 本研究采用理论研究、实验模拟与数值模拟相结合的研究方法。 拟采用技术路线如图1 2 所示。 图1 2 技术路线示意图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 红外热成像理论和热传导理论 2 1 热辐射的基础理论 2 1 1 红外辐射的物理特性 自然界存在各种辐射，如红外线、微波、无线电波等，1 9 世纪以来，人们对各类辐 射进行了卓有成效的研究，并把这些辐射按其波长( 或频率) 的次序排成如图2 1 所示 从) ，射线到无线电波的连续波谱图。其中具有热效益的红外线是1 8 0 0 年由英国天文学 家赫谢耳( h e r s c h e l ) 在研究太阳七色光的热效应时发现的。他用分光棱镜将太阳光分 解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现：当水银温度计移 到红光边界以外，人眼看不见有任何光线的黑暗区时，温度反而比红光区域高。反复实 验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称之为“红外线”。 波 频 y 射线x 射线紫外线 红外线 无线电波 m k ：m 缈1 0 i 。3 灿1 0 灿- 6 。：e 0 5 可见光j 近红外 i 中红外 i 远红外l 极远红外 波长0 40 8l 图2 1 电磁波谱图 红外线存在于自然界的任何一个角落。事实上，一切温度高于绝对零度的有生命和 无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线。从微观上讲它是基于任何物体在常温下 都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的 运动愈剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量愈小。物体的表面温度与其辐射出的 热红外能量密切相关。 红外辐射从可见光的红光边界开始，一直扩展到电子学中的微波区边界。红外辐射 的波长范围是o 7 5 1 0 0 0l x r n ，是个相当宽的区域。在光谱学中，根据红外辐射产生的机 理不同，红外辐射按波长分为三个区域【3 2 】： 近红外线：0 7 5 2 5l x m ，对应原子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带； 8 2 红外热成像理论和热传导理论 中红外线：2 5 2 5l a i n ，对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁； 远红外线：2 5 1 0 0 0 岬，对应分子转动能级之间的跃迁。 2 1 2 热辐射的四大定律 ( 1 ) 基尔霍夫定律 通常，一个物体向周围放出辐射能的同时，也吸收周围物体所放出的辐射能。基尔 霍夫定律确定了这种发射与吸收的关系。它可以描述为：物体的发射本领与吸收本领的 比值与物体的性质无关，它们是温度和波长的普适函数，用数学表达式为： 二竺：e ( 五，丁) ( 2 1 ) 以r 。 式中，f 队t ) 任何物体的辐射出射度； a ( k t ) 物体的吸收率； e ( k t ) 同一温度下黑体的辐射出射度。 基尔霍夫定律表明，吸收能力强的物体其发射能力也强。黑体的吸收率为1 ，其发 射能力也最大。我们只要知道一物体的吸收光谱，其辐射光谱也就立刻得以确定。通常 将物体的比辐射率与相同温度下黑体的辐射出射度的比值，称为物体的比辐射率，它是 物体发射本领的表征。 ( 2 ) 普朗克定律 绝对黑体的辐射光谱对于一切物体的辐射规律具有根本的意义。1 9 0 0 年普朗克引入 量子的概念，将辐射当作不连续的量子发射，成功地从理论上得出了与实验精确符合的 绝对黑体辐射出射度随波长和温度的分布函数，被称为普朗克定律，它是热辐射中最重 要的定律。其形式为： e ( 埘) = 丁2 n h c 2 万b ( 2 2 ) 式中，m d 绝对黑体辐射出射度，w ( m 2 r a n ) ； c 光速，e = 2 9 9 7 9 3 x 1 0 5m s ； h 普朗克常数，其值为6 6 2 6 x1 0 0 4j - s ； 后波尔兹曼常数，其值为1 3 8 0 6 x 1 0 彩j k ； 丁黑体的绝对温度，k ； a 波长，岬。 ( 3 ) 维恩位移定律 1 8 9 3 年维恩从热力学理论推导出黑体光辐射的极大值对应的波长为： 允= 二 ( 2 2 3 一) 九瞰2i l ) 9 西安科技大学硕士学位论文 式中，b 为一个常数，等于2 8 9 7 8 岬k 。 对于t = 6 0 0 0k 的黑体，a m 觚= 0 4 8 31 t m ( 蓝色光) ，对于t = 3 0 0k 的黑体， a m 。x - 9 6 6 1 l t m ( 远红外) 。 ( 4 ) 斯蒂一波尔兹曼定律 根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，辐射强度与物体的辐射率及分子运动的绝对温度的4 次方成正比，即 f = le ( 名) 以= 6 c r t 4 ( 2 4 ) 由 式中，f 温度t 时在所有波段上的总体辐射强度，w m 2 ； 五辐射波波长，l a i n ； 础) 光谱辐射度，w ( m 2 l x m ) ； s 辐射系数，指灰体与黑体( 理想辐射源，= 1 ) 辐射能量之比，0 e l ： 煤体的辐射系数见表2 1 、表2 2 。 盯斯蒂芬一波尔兹曼常数，其值为5 6 6 9 6 x 1 0 8w ( m 2 k 4 ) ； 丁物体的绝对温度，k 。 表2 1 物体的辐射系数表 由斯蒂芬一波尔兹曼定律可以看出，温度变化会引起辐射通量密度的变化，且很小 的温度变化会引起很大的变化，例如：辐射系数为0 9 的物体，当处于室温3 0 0 k ( 即 2 7 ) 时，其所有波段辐射值总和约为4 1 3 3w m 2 ；温度升高1 k 时，辐射值增加约 5 6 w 3 引。 煤体的辐射率和表面温度的变化多是煤体性质差异的表现，它的辐射率主要取决于 表面状态和物理性质，如煤成分、粒度、表面粗糙度、空隙率和含水量、热惯量( 比热、 热传导率、密度) 等，一般表面粗糙的煤具有较高的辐射率，表面光滑的煤具有较低的 辐射率。煤体的表面温度主要取决于其自身的热学性质，如热传导率、热扩散率等【3 4 弓5 1 。 1 0 2 红外热成像理论和热传导理论 2 2 红外成像仪 2 2 1 红外成像仪的基本原理 红外热像仪成像的基本原理就是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统 ( 目前先进的焦平面技术已省去了光机扫描系统) 接收被测目标的红外辐射信号，一般 是由光学系统收集被测目标的红外辐射能，经过光谱滤波、空间滤波使聚焦的红外辐射 能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间有一个光机 扫描机构( 焦平面热像仪无此机构) 对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或 多元探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理转换成标准视频信号， 通过电视屏或监测器显示红外热像图【3 6 】。 2 2 2 红外热像仪的优点 ( 1 ) 被动式：不需要配置辐射源，完全可以利用目标自身的热辐射来成像。 ( 2 ) 全天候：既可以在白天工作，又能在夜间工作。 ( 3 ) 实时性：可以动态、实时获得目标的红外图像。利用这一特点可以跟踪和监 测动态目标的行踪。 ( 4 ) 全场性：不同于一般的温度测定方法，热像仪可以直接地显示目标表面的温 度场分布，并以图像的形式显示，非常直观，这使得它在现代无损检测技术中占有重要 地位，同时也使得热应力技术成为可能。 ( 5 ) 能与计算机进行数据交换，便于储存。 ( 6 ) 较高的温度分辨率：现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到1 0 。3 k 级。 ( 7 ) 显示方式灵活多样，温度场的图像可以采用伪彩色显示，也可以通过数字化 处理，采用数字显示各点的温度值。 2 3 红外成像检测原理 红外热像技术是利用红外探测器将不可见的红外辐射转换成可见图像的一种技术。 红外热像检测技术是利用红外图像对设备表面温度场进行测定，进而评估其状态的一种 技术。热像图反映了目标红外辐射的强弱，而红外辐射直接与温度有关，因而可以利用 热像仪测量物体的温度【3 7 3 9 1 。 红外检测的基本理论是基于热辐射的普朗克定律和斯蒂芬一波尔兹曼定律，即利用 物体的辐射能与温度的关系进行检测的一种方法。它通过扫描、记录被测试件表面上由 于缺陷和材料不同的热特性而引起的温度变化来进行红外检测。由斯蒂芬一波尔兹曼定 律可知，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四次方成正比。 西安科技大学硕士学位论文 因此，对物体辐射功率的探测，实际上就形成了对物体表面温度的探测【4 0 删。 温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探 测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应 地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表 面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态成像和测温， 并对被测物体的状态进行分析判断。 红外无损检测是测量通过物体的热量和热流的传递，当物体内部存在裂缝或者其它 缺陷时，它将改变物体的热传导，或者内部有局部高温点时，会使物体表面温度分布出 现差异或不均匀变化，利用这些差异或不均匀的变化图像，可直观地查出物体的缺陷位 置【4 5 4 7 】。从广义上讲，有隐蔽火源煤层的红外监测( 检测) 也属于材料的无损检测范畴。 只是一般的无损检测的主要目的是检测材料内部是否存在缺陷，而本论文所做的研究是 对有隐蔽火源的煤层进行的红外观测，其主要研究目的建立内部温度与红外辐射强度之 间的模型。 红外成像检测技术的特点是：红外线的探测器焦距在理论上为2 0 m m 到无穷大，因 而适用于非接触性、广域、视域面积大的无损检测。只要被测物的温度在绝对温度零度 ( - 2 7 3 ) 以上，探测器就能响应。红外成像不仅能在白天进行拍摄，而且在黑夜中也 可以正常进行探测。 2 4 松散煤体热传导理论 2 4 1 导热微分方程 对于任何材料任意一时刻温度场可用三维热传导方程来描述1 4 8 】： 要：擘+ 孽+ 擘圯。棚， 眨6 ， 西苏加瑟 ” 一7 式中：p 材料密度 c 材料比热 r 时间 g v 均匀内热源的发热率 此方程是热量平衡方程。式中第一项是微元体升温需要的热量，第2 、3 、4 项是由 x 、y 和z 方向传入微体的热量；最后一项是微元体内热源产生的热量。微分方程表明： 微元体升温所需的热量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量平衡。 当物体的热物性参数p 、c 、和a 为常量时，式( 2 6 ) 可以简化为 1 2 2 红外热成像理论和热传导理论 a r ，a 2 r a 2 丁 a 2 r 、， 百2 口( 矿+ 矿+ 可) + g v 7 p c 或写成 i a t ：坍2 t + 吼 ( 2 7 ) 式中，v 2 丁是温度于的拉普拉斯运算符。 口= 名伊导温系数或热扩散率，单位是m 2 s ，它是物质的物性参数。 导温系数a 对非稳态热过程是很重要的。由式( 2 7 ) 可见，物体内任意一点的温度 随时间的变化率芸正比于导温系数a ，亦即a 愈大，物体内任意一点温度变化的速度 o t 也愈快。因此，在其他条件相同时，具有较大导温系数的物体中，空间各点温度也较快 地趋于均匀一致。所以说，导温系数仅表征物体内各部分温度趋于均匀一致的能力，它 是物体热惯量的度量。 物体的热物性参数为常量且无内热源 式( 2 7 ) 还可以进一步简化为 a t ：四2 r 一= ，z v ， 研 ( 2 8 ) 稳态温度场 i c g t = 0 ，式( 2 7 ) 可简化为 坍2 t + q ，p c = 0 ( 2 9 ) 无内热源的稳态温度场 坍2 r = 窘+ 窘+ 窘= 。 c 2 加， 苏2加2七2 2 4 2 导热过程的单值条件 导热微分方程是描写导热过程共性的通用表达式，适用于任何导热过程，然而每一 个具体的导热过程总是在特定条件下进行的，具有区别于其他导热过程的特点( 即该过 程的个性) 。因此，对于某一特定的导热过程，除了用表征导热过程共性的导热微分方 程来描述外，还需要有表达该过程的补充说明条件。这些补充说明条件总称为单值条件。 从数学角度来看，求解导热微分方程式可获得方程式的通解。然而就特定的导热过程而 言，不仅要得到这种通解，而且要得到既满足导热微分方程，又满足该过程补充说明条 1 3 西安科技大学硕士学位论文 件的特解即唯一解。这种确定唯一解的补充说明条件就是上述的单值条件，数学上称为 定解条件。所以，对于一个具体的导热过程，完整的数学描写应包括两部分：导热微分 方程和单值性条件。 一般来说，单值性条件包括几何条件、物理条件、时间条件和边界条件四项。 几何条件：说明参与导热过程的物体的几何形状和大小。 物理条件：说明参与导热过程的物体的物理特征。诸如，物体的热物性参数p 、c 、 和a 等的值，它们是否随温度变化，物体内是否有内热源，它的大小及分布情况。 时间条件：给出过程开始时刻物体内分布规律，可以表示为t = 0 ，t = f ( x ，弘力。 因此，时间条件又称初始条件。最简单的初始条件是物体内初始温度均匀分布，即： ，= 0 ，t = f ( x ，y ，力= 常量。 可见，稳态导热时，初始条件无意义，只有非稳态导热才有初始条件。 边界条件：给出导热边界上的温度或换热情况，体现着“外因”对物体温度场的内在 规律性( 内因) 的影响。 导热物体常见边界条件可归纳为以下三类： ( 1 ) 第一类边界条件，给出任何时刻物体边界上的温度分布，可表示为 t = t o ( 在厂l 边界上)( 2 1 1 ) 式中，t o = t o r ) 一n 边界上给定的温度。 ( 2 ) 第二类边界条件，给出任何时刻物体边界上热流密度分布，即 兄( 娶n x + a 丁n r + 娶，z ：) ： ( 在乃边界上) (212)-l-7旯( ii ，z ：) = ( 征迈界上) ( 2 啜 哕n 眈 q 1 2 式中，q = q f ) 一乃边界上给定的热流量 x ，n v ，甩广边界外法线的方向余弦 ( 3 ) 第三类边界条件，给出与物体边界面直接接触的流体温度t f 及边界面与流体 之对流换热系数h 。由牛顿冷却公式q = h a ( t - t f ) ，物体边界面单位面积与周围流体间 的对流换热量可表达为 q = h ( t r e ) ( 2 1 3 a ) 根据能量守恒定律，单位时间由于对流换热，从物体单位表面积上带走的热量，应 等于单位时间内由于导热，从物体内部传导给单位表面积的热量，即 h ( t - 驴力豢珂 于是，第三类边界条件可表示为 2 、 c a 盘t n x + i c o t n y + 罢吃) ：h ( t 一弓) ( 在厂l 边界上) ( 2 1 3 b ) 1 4 2 红外热成像理论和热传导理论 式中：h 熟系数 t f = t f 以f ) 在自然对流条件下，是外界环境温度； 在强迫对流条件下，是边界层的绝热壁温度。 q 域的全部边界厂应满足 厂l + 乃+ f a = 厂 ( 2 1 3 e ) 第一类边界条件是强制边界条件，第二、三类边界条件是自然边界条件。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 3 松散煤体有源温度场实验研究 在现场实际中，松散煤体温度升高的实际情况是：大量松散煤体同时接受漏风供氧， 一起发生氧化放热，靠近围岩和漏风边界的煤体散热条件好，不易造成热量积聚；由于 煤体不断消耗氧气，风流渗透离漏风边界较远的深部时，气流中的氧浓度已很小，煤自 身的氧化放热强度小，也不易产生热量积聚；在距漏风边界一定距离的范围内，氧气浓 度合适，蓄热条件好，热量易于积聚，造成煤体自热升温。在时间较短，煤体松散度较 小，漏风量少的情况下，若松散煤体的内部存在局部高温时，可忽略煤的氧化自热和其 他形式的的热传递方式，而只考虑煤的热传导，即高温部分煤体主要以热传导的方式不 断向周围煤体传递热量 4 9 - 5 2 】。 3 1 实验设计 3 1 1 实验原理 实验的目的是观测有内热源的松散煤体表面温度场的变化，基本原理是：在松散煤 体内部人为添加热源，给内热源输入恒定的电流，使其产生持续的热量，该热量传导到 与内热源接触的松散煤体上，这部分煤又不断向周围的煤层传递热量，煤体内部温度场 发生变化，表面温度也会不断发生变化，根据红外成像仪的温度探测功能，能直观地显 示出煤层表面的温度场分布及变化过程。 3 1 2 仪器设备及其作用 本次实验使用武汉高德红外技术有限公司生产的t h e n n o p r o t m t p 8 红外热像仪观 测煤层表面红外辐射温度场及其变化过程。其探测器为锑化锌( i n s b ) ，红外热像仪的 主要技术指标见表3 1 。 1 6 3j r z - 散煤体有源温度场实验研究 表3 1t p 8 红外热像仪主要技术参数 名称参数 探测器类型 波长范围 温度分辨率 视场 调焦 电子变倍 内置数字视频 液晶屏 目镜 视频输出 测温范围 测温精度 辐射率校正 存储类型 文件格式 语音注释 文本注释 操作温度 湿度 接口 传统方式 触摸屏 自动语音识别 非致冷焦平面探测器，3 8 4 x 2 8 8 ，3 5 t t m 8 - 1 4 1 咀m 0 0 8 a t 3 0 2 2 0 x1 6 0 3 5 m m 自动手动 1 - 1 0 倍连续变焦( 以0 1 为步长) c m o ss e n s o r ，6 4 0 x 4 8 0 像素，2 1 5 色 3 5 寸彩色l c d ，6 4 0 x 4 8 0 像素 0 6 寸o l e d ，6 4 0 x 4 8 0 像素 v g a p a l n t s c 。 第一档：2 0 1 2 - + 2 5 0 ，第二档：+ 1 0 0 - + 8 0 0 ( 至+ 2 0 0 0 可选) 第一档：士l 或读数的士l ，第二档：士2 或读数的士2 0 0 1 1 0 0 辐射率可调 可移动2 g bs d 卡( 约1 0 0 0 幅图像) ，内置存储器(