CN108087027A - 地下煤火监测预警信息采集与预警方法 - Google Patents

地下煤火监测预警信息采集与预警方法 Download PDF

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CN108087027A CN201710192731.4A CN201710192731A CN108087027A CN 108087027 A CN108087027 A CN 108087027A CN 201710192731 A CN201710192731 A CN 201710192731A CN 108087027 A CN108087027 A CN 108087027A
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Abstract

本发明属于地下煤火灾害监测预警技术领域，特别是地下煤火监测预警信息采集与预警方法，步骤⑴采用适用的数值软件构建火区地质力学模型；步骤⑵通过相应的公式运算得出等效透气率、煤火火区火风压、单位时间火区宏观热源强度、单元火区对流散热量、单元火区对流散热量、对流传热系数、火区地表热辐射散热量及火区烟气逸出的传质散热等；步骤⑶按周期获取有关火区状况的数据；步骤⑷将火区温度强度变化与火区温度异常区面积变化两个参数作为预警参数，根据初始数据、在步骤⑶中获取的各期监测数据计算其温度、面积变化率，当达到阀值时即发出预警信息。本发明将地下煤火探测、监测与预警融合为一体，动态运行以达到精确探测、监测与早期预警的目的。

Description

地下煤火监测预警信息采集与预警方法
技术领域
本发明属于地下煤火灾害监测预警技术领域，特别是地下煤火监测预警信息采集与预警方法。
背景技术
地下煤火是伴生煤炭资源开发的煤自燃灾害，是煤炭在地下半封闭空间的持续燃烧，煤持续燃烧的热效应会使火区环境的相关属性发生改变，如地表植被分布异常、地表温度异常、地表烟气异常、地表沉陷及地表土壤物性参数异常等，这些异常是煤火热效应的宏观表现，其与煤火燃烧状态、火区区域气象因子等密切相关，可作为煤火探测、监测、预警参数指标，这也是本发明专利申请的出发点。
地下煤火探测即是对火区空间范围进行定量描述，目前普遍采用磁法、电法对地下煤火燃烧异常进行探测，结合钻探及煤层赋存确定火区深度，可一定程度解决煤火探测问题，但定量精度有限。
地下煤火监测即是对火区燃烧状态进行监测，目前主要通过埋设浅层观测孔，通过采集孔内气样监测分析O2、CO浓度来判断火区可能的燃烧状态；采用热电偶温度计测量孔内温度，其缺点是不能连续监测。
地下煤火预警即是通过对火区宏观异常的参数监测，选择敏感参数，建立阀值模型，一旦某参数达到阀值即进行预警。另外一种预警为远期预警，即在对宏观异常进行参数监测的基础上，通过煤火热动力演化模型分析其变化趋势，确定在某一时间点或某一空间位置煤火可能将达到预警阀值，通常考虑将温度变化幅度与火区面积变化幅度作为预警指标，目前尚未有关于该内容研究的文献报道。
基于有效治理煤火的需要，迫切需要对火区进行有效监测，并对其发展规模及趋势进行预测、预警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下煤火监测预警信息采集与预警方法，将地下煤火探测、监测与预警融合为一体，动态运行以达到精确探测、监测与早期预警的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种地下煤火监测预警信息采集与预警方法：
步骤⑴通过对火区地形、地表裂隙分布、地表温度场分布、地表烟气排放、火区煤层及覆岩柱状与岩性进行测量、分析，确定参数值作为边界条件，采用适用的数值软件(如FLAC3D、UDEC等)构建火区地质力学模型：火区地形采用三维激光测距仪进行测量构建模型，地表裂隙分布采用专用软件识别LIDAR矢量化测量数据，构建地表裂隙分布方位与尺寸，地表地形与裂隙分布数据作为火区地质力学模型的初始状态；在该初始状态基础上，根据火区地质勘探报告提供的火区煤层、覆岩产状与属性，完善火区地质力学模型；采用红外热成像仪获得火区地表温度场分布信息，采用土壤气室监测火区地表非裂隙区域烟气排放数据，采用便携式烟气分析仪监测火区地表裂隙区域的烟气排放数据，两种数据构建了火区地表烟气浓度场分布。将火区地表地形数据、地表裂隙场分布数据、地表温度场分布数据、地表排放烟气浓度场分布数据进行叠加构建其多场耦合模型，叠加火区煤层、覆岩力学参数至该耦合模型，即完成特定火区地质力学初始模型；
步骤⑵
①通过公式(1)运算得出等效透气率Ke：
在公式(1)中：L为火区空气/烟气进、出火区路径总长度；L1、L2、L3分别对应表示流体流经燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的长度；K1、K2、K3分别表示燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的透气率；
②通过公式(2)运算得出煤火火区火风压Pf：
在公式(2)中：n0为火区烟气热状况系数，Qh为单位为KJ/s的烟气热释放率，n1为烟气热释放率指数，n2为火区与环境地形高差指数，Δh为单位为m的火区与环境地形高差，为单位为m/s的覆盖层表面烟气平均风速，Qv为实际排烟率，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度；t∞为单位为℃的火区大气环境温度，T∞＝273.15+t∞，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，g为重力常数9.8，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，tf为单位为℃的火区火源温度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下箱体烟气柱平均密度；
③通过公式(3)运算得出单位时间火区宏观热源强度q放热量：
在公式(3)中：0.032为单位为kg/mol的氧气摩尔质量，0.0224为单位为m3/mol的氧气摩尔体积，Ke为单位为m2的火区控制体等效透气率，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，g为重力常数9.8，C0为单位为％的火区环境大气氧气浓度，为单位为％的火区逸散烟气氧气浓度，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，ΔZ为单位为m的火区地面热空气柱作用高度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下区域烟气柱平均密度，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度，tf为单位为℃的火源温度，Har为单位为％的煤中氢元素含量，Car为煤中碳元素含量，Oar为单位为％的煤中氧元素含量，Sar为单位为％的煤中硫元素含量，Ts为单位为K的裂隙烟气平均绝对温度，Ts＝ts+273.15，μ为烟气的动力黏度系数，L为空气/烟气进、出火区路径总长度；
④通过公式(4)-1运算得出偏微分方程解：
在公式(4)-1中：q放热量为单位时间火区宏观热源强度，λf为火区介质的复合导热系数，λf＝f(x,y,z)；
通过公式(4)-2运算得出单元火区对流散热量q对流：
q对流＝h对流(tc-t∞) (4)-2
在公式(4)-2中：h对流为单位为W/m2·℃的对流传热系数，tc为单位为℃的火区地表温度，t∞为单位为℃的火区环境大气温度；
通过公式(4)-3运算得出对流传热系数h对流：
在公式(4)-3中：λa为膜温下空气的导热系数，L0为单位为m的特征尺寸，对于火区不规则表面，L0＝Sf/P，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，P为单位为m的不规则火区表面周长，Nu为Nusselt准数，Nu与(4)-3-1雷诺数Re有关：
公式(4)-3-1中：ρa为单位为kg/m3的火区空气密度，Ua为单位为m/s的火区空气流速，L为空气/烟气进、出火区路径总长度，μa为单位为Pa.s的火区空气在膜温下的动力粘度；当Re<2300时流体呈稳定层流状态，当Re>104时流体呈紊流状态，当2300<Re>104时流体为呈过度流状态；对于煤火而言，其地表对流可被视为掠平板对流换热方式，当Re<6×104时流体呈稳定层流状态，当Re>5×105时流体呈紊流状态；
当Re<5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-1计算：
当Re>5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-2计算：：
在公式(4)-3-1-1与公式(4)-3-1-2中，Pr为普朗特准数，对于各种气体，Pr为0.6-0.7；
⑤通过公式(5)-1运算得出火区地表热辐射散热量q辐射：
在公式(5)-1中：εs为火区与环境大气间的系统黑度，tc为火区地表温度，t∞为火区大气环境温度；
通过公式(5)-2运算得出火区烟气逸出的传质散热q传质：
q传质＝MsCps(ts-t∞) (5)-2
在公式(5)-2中：Ms为单位为kg/s的火区逸出烟气的质量流量，Ms＝Qsρs，Qs为单位为m3/s的烟气的流量；ρs为单位为kg/m3的烟气的平均密度，Cps为单位为KJ/kg.K的烟气的定压比热，ts为单位为℃的烟气的温度，t∞为火区大气环境温度；
步骤⑶按周期获取有关火区状况的数据：1)至少在每年获取一次火区地表地形、地表裂隙分布定期动态监测数据；2)至少在每年获取四次火区地表温度场同期监测数据；3)至少在每年获取四次火区地表烟气浓度场同期监测数据；4)实时获取火区气象参数在线；5)至少在每年获取一次火区磁电物理场变化定期监测；
步骤⑷将火区温度强度变化与火区温度异常区面积变化两个参数作为预警参数，设定温度变化速率及面积变化速率为预警指标，对其设定相应阀值，根据初始数据、在步骤⑶中获取的各期监测数据计算其温度、面积变化率，当达到阀值时即发出预警信息。
本发明将地下煤火探测、监测与预警融合为一体，动态运行以达到精确探测、监测与早期预警的目的。
说明书附图
图1为简化的火区控制体模型示意图；
图2-a为灭火施工前的火区烟气流动模型示意图；
图2-b为地面黄图覆盖后前的火区烟气流动模型示意图；
图3为火区传热模型示意图；
图4火区空气渗入/烟气逸出分区工作流程示意图；
图5为地下煤火监测预警系统预警结构原理示意图。
具体实施方式
一种地下煤火监测预警信息采集与预警方法：
步骤⑴通过对火区地形、地表裂隙分布、地表温度场分布、地表烟气排放、火区煤层及覆岩柱状与岩性进行测量、分析，确定参数值作为边界条件，采用适用的数值软件(如FLAC3D、UDEC等)构建火区地质力学模型：火区地形采用三维激光测距仪进行测量构建模型，地表裂隙分布采用专用软件识别LIDAR矢量化测量数据，构建地表裂隙分布方位与尺寸，地表地形与裂隙分布数据作为火区地质力学模型的初始状态；在该初始状态基础上，根据火区地质勘探报告提供的火区煤层、覆岩产状与属性，完善火区地质力学模型；采用红外热成像仪获得火区地表温度场分布信息，采用土壤气室监测火区地表非裂隙区域烟气排放数据，采用便携式烟气分析仪监测火区地表裂隙区域的烟气排放数据，两种数据构建了火区地表烟气浓度场分布。将火区地表地形数据、地表裂隙场分布数据、地表温度场分布数据、地表排放烟气浓度场分布数据进行叠加构建其多场耦合模型，叠加火区煤层、覆岩力学参数至该耦合模型，即完成特定火区地质力学初始模型；
步骤⑵
①通过公式(1)运算得出等效透气率Ke：
在公式(1)中：L为火区空气/烟气进、出火区总长度；L1、L2、L3分别对应表示流体流经燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的长度；K1、K2、K3分别表示燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的透气率；
②通过公式(2)运算得出煤火火区火风压Pf：
在公式(2)中：n0为火区烟气热状况系数，Qh为单位为KJ/s的烟气热释放率，n1为烟气热释放率指数，n2为火区与环境地形高差指数，Δh为单位为m的火区与环境地形高差，为单位为m/s的覆盖层表面烟气平均风速，Qv为实际排烟率，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度；t∞为单位为℃的火区大气环境温度，T∞＝273.15+t∞，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，g为重力常数9.8，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，tf为单位为℃的火区火源温度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下箱体烟气柱平均密度；
③通过公式(3)运算得出单位时间火区宏观热源强度q放热量：
在公式(3)中：0.032为单位为kg/mol的氧气摩尔质量，0.0224为单位为m3/mol的氧气摩尔体积，Ke为单位为m2的火区控制体等效透气率，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，g为重力常数9.8，C0为单位为％的火区环境大气氧气浓度，为单位为％的火区逸散烟气氧气浓度，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，ΔZ为单位为m的火区地面热空气柱作用高度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下区域烟气柱平均密度，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度，tf为单位为℃的火源温度，Har为单位为％的煤中氢元素含量，Car为煤中碳元素含量，Oar为单位为％的煤中氧元素含量，Sar为单位为％的煤中硫元素含量，Ts为单位为K的裂隙烟气平均绝对温度，Ts＝ts+273.15，μ为烟气的动力黏度系数，L为空气/烟气进、出火区路径总长度；
④通过公式(4)-1运算得出偏微分方程解：
在公式(4)-1中：q放热量为单位时间火区宏观热源强度，λf为火区介质的复合导热系数，λf＝f(x,y,z)；
通过公式(4)-2运算得出单元火区对流散热量q对流：
q对流＝h对流(tc-t∞) (4)-2
在公式(4)-2中：h对流为单位为W/m2·℃的对流传热系数，tc为单位为℃的火区地表温度，t∞为单位为℃的火区环境大气温度；
通过公式(4)-3运算得出对流传热系数h对流：
在公式(4)-3中：λa为膜温下空气的导热系数，L0为单位为m的特征尺寸，对于火区不规则表面，L0＝Sf/P，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，P为单位为m的不规则火区表面周长，Nu为Nusselt准数，Nu与(4)-3-1雷诺数Re有关：
公式(4)-3-1中：ρa为单位为kg/m3的火区空气密度，Ua为单位为m/s的火区空气流速，L为空气/烟气进、出火区路径总长度，μa为单位为Pa.s的火区空气在膜温下的动力粘度；当Re<2300时流体呈稳定层流状态，当Re>104时流体呈紊流状态，当2300<Re>104时流体为呈过度流状态；对于煤火而言，其地表对流可被视为掠平板对流换热方式，当Re<6×104时流体呈稳定层流状态，当Re>5×105时流体呈紊流状态；
当Re<5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-1计算：
当Re>5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-2计算：：
在公式(4)-3-1-1与公式(4)-3-1-2中，Pr为普朗特准数，对于各种气体，Pr为0.6-0.7；
⑤通过公式(5)-1运算得出火区地表热辐射散热量q辐射：
在公式(5)-1中：εs为火区与环境大气间的系统黑度，tc为火区地表温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度；
通过公式(5)-2运算得出火区烟气逸出的传质散热q传质：
q传质＝MsCps(ts-t∞) (5)-2
在公式(5)-2中：Ms为单位为kg/s的火区逸出烟气的质量流量，Ms＝Qsρs，Qs为单位为m3/s的烟气的流量；ρs为单位为kg/m3的烟气的平均密度，Cps为单位为KJ/kg.K的烟气的定压比热，ts为单位为℃的烟气的温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度；；
步骤⑶按周期获取有关火区状况的数据：1)至少在每年获取一次火区地表地形、地表裂隙分布定期动态监测数据；2)至少在每年获取四次火区地表温度场同期监测数据；3)至少在每年获取四次火区地表烟气浓度场同期监测数据；4)实时获取火区气象参数在线；5)至少在每年获取一次火区磁电物理场变化定期监测；
步骤⑷将火区温度强度变化与火区温度异常区面积变化两个参数作为预警参数，设定温度变化速率及面积变化速率为预警指标，对其设定相应阀值，根据初始数据、在步骤⑶中获取的各期监测数据计算其温度、面积变化率，当达到阀值时即发出预警信息。
本发明总体由地下煤火地质力学模块、燃烧系统模块、信息系统模块、预警模块4大模块融合组成：
1、地下煤火监测预警系统地质力学模块：
主要通过对火区地形、地表裂隙分布、地表温度场分布、地表烟气排放、火区煤层及覆岩柱状与岩性进行测量、分析，确定参数值作为边界条件，采用适用的数值软件(如FLAC3D、UDEC等)构建火区地质力学模型，该模型是火区分析预测的基础。
其中火区地形采用三维激光测距仪(LIDAR)进行测量构建模型，地表裂隙分布采用专用软件识别LIDAR矢量化测量数据，构建地表裂隙分布方位与尺寸，地表地形与裂隙分布数据作为火区地质力学模型的初始状态。在该初始状态基础上，根据火区地质勘探报告提供的火区煤层、覆岩产状与属性，完善火区地质力学模型。
除火区地表地形、裂隙分布数据外，与火区动态演化密切相关的有火区地表温度场异常区分布及火区烟气排放区域分布。采用红外热成像仪获得火区地表温度场分布信息，采用土壤气室监测火区地表非裂隙区域烟气排放数据，采用便携式烟气分析仪监测火区地表裂隙区域的烟气排放数据，两种数据构建了火区地表烟气浓度场分布。将火区地表地形数据、地表裂隙场分布数据、地表温度场分布数据、地表排放烟气浓度场分布数据进行叠加构建其多场耦合模型，叠加火区煤层、覆岩力学参数至该耦合模型，即完成特定火区地质力学初始模型(即当前参数值初始模型)。煤层及覆岩属性中，其岩石力学强度、煤层覆岩导热率、透气率是需要精确赋值的参数。简化的火区控制体模型如图1所示。
2、地下煤火监测预警系统燃烧系统模块：
地下煤火燃烧系统涉及火区控制体属性特征(透气率)、火区煤持续燃烧供氧动力-火风压(即热浮力)、火区热源强度、火区与外部的热量传递过程等，具体如下：
1)火区控制体属性特征
由图1火区控制体，可整体将火区控制体烟气流动过程如图2-a及图2-b所示。I为燃烧火源区，II区为燃烧空区及垮落区，III区为燃烧空区影响区，H为火源深度，D为覆盖层厚度，ΔZ为灭火施工前地图热空气柱作用高度，ΔZ’为覆盖后地面热空气柱作用高度，Sin为火区空气渗入通道截面积，Sout为火区延期逸出通道截面积。
如图1所示，火区覆盖前新鲜空气及火灾烟气流经路径为III区→I区→II区；覆盖后新鲜空气及火灾烟气流经路径为地面覆盖层→III区→I区→II区→地面覆盖层。火区烟气整体符合达西流动，根据孔隙介质流动理论，通过单位火区的烟气流量可按下式计算：
式中：qs为单位火区烟气流量，m3/s；Ke为单元火区流场等效透气率，m2；Sf为单位火区烟气流过的截面积，即火区面积，m2；L为烟气流经界面1至界面2的距离(即III区、I区、II区长度之合)，m；Pf为界面1、界面2间的流体压差，即火风压。
对于单元火区，烟气为定常流，单位时间内流经各区域的流量相等，由(1)式可得：
式中：K1、K2、K3分别表示I区、II区、III区透气率，m2；Sf1、Sf2、Sf3分别表示流体流经I区、II区、III区的截面积，m2；L1、L2、L3分别表示流体流经I区、II区、III区的长度，与冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的高度有关，m；μ为动力黏度系数；Pf1、Pf2、Pf3分别表示作用在I区、II区、III区的火风压，可根据火区分段温度等参数计算，Pa。
由式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)，可得：
烟气流动模型，截面如对于图2-a、图2-b所示。1、2截面积与I区、II区、III区截面积相等，即Sf＝Sf1＝Sf2＝Sf3，则式(7)可变换为：
该式即为等效透气率Ke计算模型。
2)火区煤持续燃烧供氧动力-火风压
火区一般燃烧时间长，火区围岩与大气环境处于一种相对的热平衡状态，围岩温度升降有个滞后过程。火区覆盖(不考虑注水等降温措施)后一定时间，火区地表温度变化可忽略。
覆盖后地面裂隙被封堵，地下区域近似为一箱体。地面、地下区域火风压作用原理相同，均由空气柱体密度差产生重力差引起。但地下箱体区域明显存在烟气的膨胀效应。地面、地下箱体区域空气/烟气重力作用之和可近似视为该单元火区火风压。
由上述分析，煤火火区火风压Pf可用下式表示：
Pf＝Pf地面+Pf地下 (9)
根据矿井火灾灾变通风理论，Pf地面可按下式计算：
式中：ΔZ：单元火区地面热空气柱作用高度，m。ΔZ可按下式计算：
n0：火区烟气热状况系数，取值与烟气热释放率Qh有关；
Qh：烟气热释放率，KJ/s；
n1：烟气热释放率指数，取值与烟气热释放率Qh有关；
n2：火区与环境地形高差指数，取值与烟气热释放率Qh有关；
Δh：火区与环境地形高差，m；
P∞：环境大气压力，hPa；
Qv：实际排烟率，可由监测得到；
ts：火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度，℃；
t∞：火区大气环境温度，℃，T∞＝273.15+t∞；
ρ地面：火区地面热空气柱平均密度，kg/m3；
g：重力常数，g＝9.8；
覆盖层表面烟气平均风速，m/s；可由气象监测统计资料获得。
Pf地下的确定：
火区地下区域可近似看做一个固定容量的箱体。空气在箱体孔隙/裂隙中运移，其进入→逸出为一复杂的多变过程。火区治理前，火区内烟气以流动为主，其烟气流动模型如图2-a所示。以火源区域为分界线，假设单位时间经区域III进入该分界线的新鲜空气的体积流量为V1，单位时间经区域II逸出的烟气的体积流量为Vs。火区处于相对稳定的热平衡状态，火区中各点烟气流的压力不随时间而改变(即dp/dt＝0)。由不可压缩流体的连续性，烟气在火区控制体内的流动可近似为一等压过程，则单位时间渗入/逸出火区的烟气状态变化可近似表示为：
式中：V1、V2：单位时间火区烟气体积流量在渗入火区、逸出火区时的体积，m3；T∞、Ts单位时间火区烟气体积流量在渗入火区、逸出火区时的绝对温度，K。
火区治理后，即地面完成覆盖工程，这时火区控制体内烟气存在两个效应：即扩散导致的膨胀效应和流动产生的对流效应。
膨胀效应：主要表现为烟气在火区控制体相对封闭箱体内体积的膨胀。这时可近似视其在箱体内的变化为一等容过程，其状态方程为：
式中：Ps：覆盖后箱体内烟气绝对压力，Pa；
Ts：覆盖后箱体内烟气温度，K；
P∞：覆盖后火区环境大气压力，Pa；
T∞：覆盖后火区环境温度，K。
覆盖层上下界面压力差可近似按下式计算：
考虑覆盖后火区地下箱体区域实际存在烟气进、出，其ΔP数值可按下式计算：
式中：C为反映火区状态的系数，其值与火区烟气进、出状况、火区温度有关，这里称为火区状态系数，取值在0-1间变化，随灭火工程的实施而动态变化。
对流效应：地面覆盖后，火区箱体内烟气仍存在一定逸出现象。在箱体空间高度上存在着渗入空气与逸出烟气的密度差，从而引起对流效应产生火风压。参照式(10)，Pf地下可按下式计算：
式中：H：火区地下箱体空间高度，即火源深度，m；
tf：火区火源温度，℃；
ρ地下：火区地下箱体烟气柱平均密度，kg/m3。
故由(9)、(10)、(17)式得煤火持续供氧动力-火风压计算模型：
3)火区热源强度
火区宏观热源强度模型：地下煤火面积大，燃烧状态复杂，难以清晰描述地下煤火的燃烧过程，采用微观方法计算火区煤燃烧放热量具有一定困难。根据煤氧反应原理，可以通过火区氧气消耗量结合单位质量煤燃烧需氧量估算火区煤燃烧放热强度，也即整体火区热源强度。假设火区煤层完全燃烧，即其所含碳、氢、硫、氧等元素完全参与燃烧反应，则单位质量煤燃烧需要氧气量为：
Or＝0.08(Car/3+Har)+0.01Sar-0.01Oar (19)
式中：Or为单位质量煤燃烧需氧量，kg/kg；Car为煤中碳元素含量，％；Har为煤中氢元素含量，％；Sar为煤中硫元素含量，％；Oar为煤中氧元素含量，％。
单位质量煤燃烧放热量：
动态平衡时火区煤燃烧放热量与火区耗氧量有关，耗氧量又与进入、逸出火区烟气的流量有关。结合达西定律和煤田火区火风压研究成果，理论上火区烟气流量qs近似按式(21)计算。
式中Ke为火区控制体等效透气率，m2；Sf为火区烟气流过的截面积，即火区面积，m2；L为烟气流经界面1至界面2的距离(即III区、I区、II区长度之合)，m；μ为烟气的动力黏度系数，N·s/m2；ρ地面为火区地面热空气柱平均密度，kg/m3；g为重力常数，g＝9.8；ΔZ为火区地面热空气柱作用高度，m；ρ地下为火区地下区域烟气柱平均密度，kg/m3；H为火区地下箱体空间高度，即火源深度，m；ts为火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度，℃；tf为火源温度，℃；t∞为火区大气环境温度，℃；T∞＝273.15+t∞。条件具备时，qs也可通过现场实际监测获得。
结合火区烟气状态方程，考虑火区地表大气压与环境大气压变化不大(即等压过程)，火区单位时间耗氧量(体积流量)可按式(22)计算。
ΔO＝(C0-C0')qs·T∞/Ts (22)
式中：C0为火区环境大气氧气浓度，％；为火区逸散烟气氧气浓度，％；T∞为火区大气环境绝对温度，K；Ts为裂隙烟气平均绝对温度，K，Ts＝ts+273.15。
由式(19)～(22)得单位时间火区宏观热源强度计算式为：
式中0.032为氧气摩尔质量，kg/mol；0.0224为氧气摩尔体积，m3/mol。
实际中，火区烟气流量可通过现场监测近似获得，则式(23)可写为：
4)火区与外部的热量传递
基于火区控制体模型的火区传热模型如图3所示。火区控制体热量传递方式包括火区内围岩的热传导、火区地表与空气的对流传热、火区地表的辐射传热以及火区烟气的传质传热。
由传热学基本原理，单元火区热量传递的基本方程可描述如下：
火区内围岩的热传导：
火区控制体内主要存在孔隙介质的热传导(即围岩内的热传递)和烟气与孔隙基质(围岩)的对流换热。单元火区导热微分方程为：
式中：q放热量为火区控制体内热源单位时间的发热量，即火区控制体内单位时间煤氧化燃烧放热量；λf为火区介质的复合导热系数，λf＝f(x,y,z)，与火区空间位置与岩性有关。
火区地表对流散热：
q对流＝h对流(tc-t∞) (26)
式中：q对流为单元火区对流散热量，W；h对流为对流传热系数，W/m2·℃；tc为火区地表温度，℃；t∞为火区环境大气温度，℃。
通常对流传热系数h对流可用下式计算：
式中：λa为膜温下空气的导热系数，L为特征尺寸，m，对于火区不规则表面，L＝Sf/P，P为不规则火区表面周长，m；Nu为Nusselt准数，其计算式与流体的状态(即雷诺数Re)有关：
式中：ρa为火区空气密度，kg/m3；Ua为火区空气流速，m/s；μa为火区空气在膜温下的动力粘度，Pa.s。通常当Re<2300为稳定的层流，Re>104为紊流，2300<Re>104为过度流。对于煤火而言，其地表对流可看做外掠平板对流换热方式，在Re<6×104为稳定的层流，Re>5×105为紊流。
Re<5×105时，Nusselt准数可按下式计算：
Re>5×105时，Nusselt准数可按下式计算：
式中Pr为普朗特准数，对于各种气体，Pr取值在0.6-0.7之间。
火区地表热辐射散热：
式中：εs为火区与环境大气间的系统黑度，与火区地表特性和环境大气参数有关。
火区烟气逸出的传质散热：
q传质＝MsCps(ts-t∞) (32)
式中：Ms为火区逸出烟气的质量流量，kg/s，Ms＝Qsρs，Qs为烟气的流量，m3/s，可通过实际监测获得，或可通过火风压Pf、等效透气率Ke按Darcy公式求得；ρs为烟气的平均密度，kg/m3；Cps为烟气的定压比热，KJ/kg.K；ts为烟气的温度，℃。
3、地下煤火监测预警系统信息模块：
地下煤火信息包括火区地质力学模块、火区燃烧系统模块涵盖的动态信息数据。特定火区监测预警系统初始构建时，胡群殴地质力学模块、火区燃烧系统模块涵盖的信息作为初始数据导入信息模块。系统运行过程的动态监测信息包括以下内容：
1)火区地表地形、地表裂隙分布定期动态监测数据(设计1年1次)；
2)火区地表温度场同期监测数据(设计1年4次，遥感反演与实地在线测量结合，目前可采用预埋温度传感器实现无线监测)；
3)火区地表烟气浓度场同期监测数据(设计1年4次，实地同期抽检为主，目前可实现氧浓度在线实时监测)；
4)火区气象参数在线实时监测；
5)火区磁电物理场变化定期监测(设计1年1次)。
其相关物理场耦合关系如图4所示。
4、地下煤火监测预警系统预警模块
本系统将火区温度强度变化与火区温度异常区面积变化2个参数作为预警参数，即设定1)温度变化速率；3)面积变化速率为预警指标，设定相应阀值，由系统根据初始数据、各期监测数据计算其温度、面积变化率，达到阀值即发出预警信息。
本发明具体流程如图5所示。

Claims (1)

1.一种地下煤火监测预警信息采集与预警方法，其特征是：
步骤⑴通过对火区地形、地表裂隙分布、地表温度场分布、地表烟气排放、火区煤层及覆岩柱状与岩性进行测量、分析，确定参数值作为边界条件，采用适用的数值软件构建火区地质力学模型：火区地形采用三维激光测距仪进行测量构建模型，地表裂隙分布采用专用软件识别LIDAR矢量化测量数据，构建地表裂隙分布方位与尺寸，地表地形与裂隙分布数据作为火区地质力学模型的初始状态；在该初始状态基础上，根据火区地质勘探报告提供的火区煤层、覆岩产状与属性，完善火区地质力学模型；采用红外热成像仪获得火区地表温度场分布信息，采用土壤气室监测火区地表非裂隙区域烟气排放数据，采用便携式烟气分析仪监测火区地表裂隙区域的烟气排放数据，两种数据构建了火区地表烟气浓度场分布。将火区地表地形数据、地表裂隙场分布数据、地表温度场分布数据、地表排放烟气浓度场分布数据进行叠加构建其多场耦合模型，叠加火区煤层、覆岩力学参数至该耦合模型，即完成特定火区地质力学初始模型；
步骤⑵
①通过公式(1)运算得出等效透气率Ke：
<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>K</mi> <mi>e</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
在公式(1)中：L为空气/烟气进、出火区路径总长度；L1、L2、L3分别对应表示流体流经燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的长度；K1、K2、K3分别表示燃烧火源区、燃烧空区及垮落区、燃烧火区影响区的透气率；
②通过公式(2)运算得出煤火火区火风压Pf：
在公式(2)中：n0为火区烟气热状况系数，Qh为单位为KJ/s的烟气热释放率，n1为烟气热释放率指数，n2为火区与环境地形高差指数，Δh为单位为m的火区与环境地形高差，为单位为m/s的覆盖层表面烟气平均风速，Qv为实际排烟率，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度；t∞为单位为℃的火区大气环境温度，T∞＝273.15+t∞，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，g为重力常数9.8，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，tf为单位为℃的火区火源温度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下箱体烟气柱平均密度；
③通过公式(3)运算得出单位时间火区宏观热源强度q放热量：
在公式(3)中：0.032为单位为kg/mol的氧气摩尔质量，0.0224为单位为m3/mol的氧气摩尔体积，Ke为单位为m2的火区控制体等效透气率，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，g为重力常数9.8，C0为单位为％的火区环境大气氧气浓度，C′0为单位为％的火区逸散烟气氧气浓度，ρ地面为单位为kg/m3的火区地面热空气柱平均密度，ΔZ为单位为m的火区地面热空气柱作用高度，ρ地下为单位为kg/m3的火区地下区域烟气柱平均密度，H为单位为m的火区地下箱体空间高度，ts为单位为℃的火区地表裂隙/孔隙逸出烟气温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度，tf为单位为℃的火源温度，Har为单位为％的煤中氢元素含量，Car为煤中碳元素含量，Oar为单位为％的煤中氧元素含量，Sar为单位为％的煤中硫元素含量，Ts为单位为K的裂隙烟气平均绝对温度，Ts＝ts+273.15，μ为烟气的动力黏度系数，L为空气/烟气进、出火区路径总长度；
④通过公式(4)-1运算得出偏微分方程解：
在公式(4)-1中：q放热量为单位时间火区宏观热源强度，λf为火区介质的复合导热系数，λf＝f(x,y,z)；
通过公式(4)-2运算得出单元火区对流散热量q对流：
q对流＝h对流(tc-t∞) (4)-2
在公式(4)-2中：h对流为单位为W/m2·℃的对流传热系数，tc为单位为℃的火区地表温度，t∞为单位为℃的火区环境大气温度；
通过公式(4)-3运算得出对流传热系数h对流：
在公式(4)-3中：λa为膜温下空气的导热系数，L0为单位为m的特征尺寸，对于火区不规则表面，L0＝Sf/P，Sf为单位m2的火区烟气流过的截面积，P为单位为m的不规则火区表面周长，Nu为Nusselt准数，Nu与(4)-3-1雷诺数Re有关：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>a</mi> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>a</mi> </msub> <mi>L</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>a</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>
公式(4)-3-1中：ρa为单位为kg/m3的火区空气密度，Ua为单位为m/s的火区空气流速，L为空气/烟气进、出火区路径总长度，μa为单位为Pa.s的火区空气在膜温下的动力粘度；当Re<2300时流体呈稳定层流状态，当Re>104时流体呈紊流状态，当2300<Re>104时流体为呈过度流状态；对于煤火而言，其地表对流可被视为掠平板对流换热方式，当Re<6×104时流体呈稳定层流状态，当Re>5×105时流体呈紊流状态；
当Re<5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-1计算：
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.664</mn> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>e</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>
当Re>5×105时，Nusselt准数按公式(4)-3-1-2计算：：
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.037</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>e</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mo>/</mo> <mn>5</mn> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>871</mn> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow>
在公式(4)-3-1-1与公式(4)-3-1-2中，Pr为普朗特准数，对于各种气体，Pr为0.6-0.7；
⑤通过公式(5)-1运算得出火区地表热辐射散热量q辐射：
在公式(5)-1中：εs为火区与环境大气间的系统黑度，tc为火区地表温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度；
通过公式(5)-2运算得出火区烟气逸出的传质散热q传质：
q传质＝MsCps(ts-t∞) (5)-2
在公式(5)-2中：Ms为单位为kg/s的火区逸出烟气的质量流量，Ms＝Qsρs，Qs为单位为m3/s的烟气的流量；ρs为单位为kg/m3的烟气的平均密度，Cps为单位为KJ/kg.K的烟气的定压比热，ts为单位为℃的烟气的温度，t∞为单位为℃的火区大气环境温度；
步骤⑶按周期获取有关火区状况的数据：1)至少在每年获取一次火区地表地形、地表裂隙分布定期动态监测数据；2)至少在每年获取四次火区地表温度场同期监测数据；3)至少在每年获取四次火区地表烟气浓度场同期监测数据；4)实时获取火区气象参数在线；5)至少在每年获取一次火区磁电物理场变化定期监测；
步骤⑷将火区温度强度变化与火区温度异常区面积变化两个参数作为预警参数，设定温度变化速率及面积变化速率为预警指标，对其设定相应阀值，根据初始数据、在步骤⑶中获取的各期监测数据计算其温度、面积变化率，当达到阀值时即发出预警信息。
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