熱電偶測溫技術(shù)在礦井防滅火中的應用

摘要:礦業(yè)分公司所開(kāi)采的各煤層均屬自然發(fā)火煤層,為加強工作面后方采空區的防火管理,對采空區自然氧化情況及時(shí)正確做出分析判斷,在1019工作面的采空區運用熱電偶技術(shù)進(jìn)行溫度監測,得到了工作面后方采空區溫度變化的基本規律并將研究成果應用于礦井安全生產(chǎn),取得良好效果。
        礦業(yè)公司自1985年投產(chǎn)到2001年8月,先后發(fā)生8次煤層自燃發(fā)火事故,同時(shí)出現了20多次火災事故隱患。為了有效減少與控制煤層自然火災的發(fā)生,林南倉礦與華北科技學(xué)院合作,利用熱電偶技術(shù)對林南倉礦1019工作面采空區進(jìn)行溫度變化的觀(guān)測,得到了采空區溫度變化規律,并依此對采空區的三帶進(jìn)行劃分，為林南倉礦采空區預防自然發(fā)火,合理安排安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。
1熱電偶測溫基本原理
        將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來(lái),構成一一個(gè)閉合回路,如圖1所示。當導體，A和B的兩個(gè)點(diǎn)之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢,因而在回路中形成一一個(gè)大小的電流,這種現象稱(chēng)為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來(lái)工作的。
        簡(jiǎn)單的熱電偶測溫系統如圖1所示。它由熱電偶(感溫元件)1毫伏測量?jì)x表或電位差計2以及連接熱電偶和測量電路的導線(xiàn)(銅線(xiàn)及補償導線(xiàn))所組成。

       熱電偶是由二根不同的導體或半導體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱(chēng)作熱電偶的端(或工作端);和導線(xiàn)連接的--端稱(chēng)作冷端。把熱電偶的熱端插入需要測溫的煤體內,冷端置于外面，如果兩端所處的溫度不同(譬如,熱端溫度為T(mén),冷端溫度為T(mén)o)，則在熱電偶的回路中便會(huì )產(chǎn)生熱電勢E。該熱電勢E與熱電偶兩端的溫度T和To均有關(guān)，如果保持To不變，則熱電勢只和T有關(guān)。也就是說(shuō),在熱電偶材料已定的情況下,它的熱電勢E只是被測溫度T的函數,我們測得E的數值后,就可知道被測溫度的大小。
2熱電偶的標定
       所謂標定,就是通過(guò)試驗找出熱電偶的參考(冷)端為0℃時(shí),其工作端所感受的溫度t與其產(chǎn)生的電動(dòng)勢E之間的對應關(guān)系,即得出E-t關(guān)系式或E-t關(guān)系表。根據E-t關(guān)系式(或關(guān)系表)在檢測煤溫時(shí)由電動(dòng)勢即可反求出煤的溫度?？紤]到測試地點(diǎn)在井下,制冰、攜帶和使用冰瓶不方便,因此，參考(冷)端一般放在空氣中。標定的方法采用比較法,使用精度高的水銀溫度計作為標準溫度計,使用電位差計測量電動(dòng)勢。標定系統如圖2所示。

       在精度要求不高,在一定的溫度范圍內,可將E-t關(guān)系近似地認為是直線(xiàn)關(guān)系。如果測溫范圍較寬,則可分段進(jìn)行線(xiàn)性回歸。在參考端為環(huán)境溫度時(shí),對標定的數據進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,可得出各熱電偶的線(xiàn)性回歸方程如下
t=A=tg+BV
式中:t一測定溫度，℃;
A、B一系數;
tg一環(huán)境(參考端)溫度,℃;
V一毫伏表讀數,mV。
       一般要求回歸方程的相關(guān)系數在0.999以上,才符合試驗要求。在要求精度高時(shí)應采用分段回歸。
31019工作面測溫布置方案
       根據林南倉礦的生產(chǎn)條件,測溫工作面選定在1019工作面,該工作面長(cháng)度50m~60m，走向程度250m。根據1019工作面條件,確定布置5個(gè)測點(diǎn)測量工作面采空區的溫度變化規律,考慮到工作面上、下端頭容易發(fā)火,在工作面上、下端頭各布置-一個(gè)測點(diǎn),其余三個(gè)測點(diǎn)布置在工作面中部。

       按照上述布置方案，1號熱電偶長(cháng)100m,布置在工作面下端頭,2號熱電偶長(cháng)112m,3號熱電偶長(cháng)127m,4號熱電偶長(cháng)115m,2.3、4三根熱電偶布置在工作面中部,5號熱電偶長(cháng)100m,布置在工作面上端頭。各熱電偶導線(xiàn)甩入工作面順槽程度約100m。.
      根據前面所述的熱電偶標定原理,對所用熱電偶進(jìn)行了實(shí)驗室標定。經(jīng)過(guò)對實(shí)驗數據的回歸分析,得到5個(gè)熱電偶溫度與電壓之間的關(guān)系式:
1號:y=22.92162x+20.21732
2號:y=23.60230x+19.56206
3號:y=23.79812x+18.50322
4號:y=23.45752x+22.72022
5號:y=23.16580x+22.74170
各個(gè)方程式中,x表示萬(wàn)用表所測電壓,y表示計算出的測點(diǎn)溫度。
41019工作面采空區溫度變化研究
4.1工作面中部采空區溫度變化觀(guān)測過(guò)程及數據
      在1019工作面推進(jìn)50多米后,將標定好的5根熱電偶及導線(xiàn)連同保護管埋入1019工作面后方的采空區中,對采空區溫度的變化,用萬(wàn)用表測量冷熱端因溫度變化而產(chǎn)生的毫伏級電壓,然.后根據標定結果計算出采空區中的溫度變化。整個(gè)觀(guān)測從7月15日開(kāi)始,8月底結束,整個(gè)過(guò)程歷時(shí)一個(gè)半月。觀(guān)測長(cháng)度80多米。
4.2觀(guān)測數據處理
      根據熱電偶標定結果,將觀(guān)測的電壓數據轉換成為溫度，為了更清楚的表示采空區的溫度變化規律,將各測點(diǎn)的溫度數據用數學(xué)軟件處理后以圖的形式表示出來(lái)，見(jiàn)圖4、圖5。

4.3工作面采空區溫度變化分析
      根據1019工作面采空區溫度測量結果，對1019工作面采空區溫度變化規律分析如下:
1)1019工作面采空區沿傾斜方向溫度分布
      根據工作面各測點(diǎn)溫度分布以及圖4、圖5的測點(diǎn)溫度比較可知,在工作面剛推過(guò)12m左右范圍內，各測點(diǎn)溫度變化不大,工作面溫度呈現兩頭高,中間低的分布。隨著(zhù)工作面的繼續推進(jìn),1、2兩個(gè)測點(diǎn)溫度變化仍然不大,但其余3個(gè)測點(diǎn)的溫度產(chǎn)生了很大的變化,結果形成工作面上半部分的溫度明顯高于下半部分。
在整個(gè)觀(guān)測過(guò)程中,工作面中部的3號測點(diǎn)溫度變化明顯，從工作面推進(jìn)14.3m直至觀(guān)測結束,其溫度一直超過(guò)35℃,最高溫度達到60℃。4號測點(diǎn)最高溫度達到52℃,5號測點(diǎn)最高溫度達到43℃，而靠近工作面進(jìn)風(fēng)巷的1、2兩個(gè)測點(diǎn)的溫度在觀(guān)測過(guò)程中幾乎沒(méi)有變化。
2)1019工作面采空區沿走向溫度變化
      分析觀(guān)測過(guò)程中5個(gè)熱電偶的溫度變化規律可知,在工作面推進(jìn)到12.1m之前,5個(gè)熱電偶的溫度幾乎保持不變,而且橫向比較可以發(fā)現,，沿工作面方向,溫度呈現中間低,兩個(gè)端頭方向溫度高的一-種變化趨勢，分析其原因,由于這個(gè)地帶靠近工作面,在工作面漏風(fēng)的作用下，這一地帶的溫度不但沒(méi)有升高,而且局部溫度還有所下降。因此,可以認為這--地帶屬于采空區的散熱帶。
      在工作面推進(jìn)到14m左右的時(shí)候,3.4、5三個(gè)測點(diǎn)的溫度發(fā)生明顯的變化。3號測點(diǎn)7月22日在工作面推進(jìn)14.3m時(shí),溫度上升到55℃,7月23日溫度又上升至60℃,在此之后,隨著(zhù)工作面的推進(jìn),溫度逐漸”下降,直至觀(guān)測結束,該測點(diǎn)溫度仍然達到36℃。根據該測點(diǎn)溫度變化規律,同時(shí)參考4.5兩個(gè)觀(guān)測點(diǎn)的溫度變化規律,推算當工作面推進(jìn)到85m~90m時(shí),該測點(diǎn)溫度應趨于正常。
4號測點(diǎn)溫度變化開(kāi)始于7月23日,此時(shí)工作面推進(jìn)了17.6m,7月23日,該測點(diǎn)溫度達到52℃。隨著(zhù)工作面的推進(jìn),該測點(diǎn)溫度逐漸下降。8月16日以后,即工作面推進(jìn)56.6m之后,該測點(diǎn)溫度趨于正常。
5號測點(diǎn)溫度變化也開(kāi)始于7月23日,此時(shí)工作面推進(jìn)了17.6m,7月23日,該測點(diǎn)溫度達到35℃。7月29日,工作面推進(jìn)28.6m時(shí),該測點(diǎn)溫度達到最高的43.3℃。隨著(zhù)工作面的推進(jìn)，該測點(diǎn)溫度_上下反復。8月16日以后,即工作面推進(jìn)56.6m之后,該測點(diǎn)溫度趨于正常。