熱電偶測溫技術(shù)在礦井防滅火中的應(yīng)用

摘要:礦業(yè)分公司所開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(qū)的防火管理,對采空區(qū)自然氧化情況及時正確做出分析判斷,在1019工作面的采空區(qū)運用熱電偶技術(shù)進行溫度監(jiān)測,得到了工作面后方采空區(qū)溫度變化的基本規(guī)律并將研究成果應(yīng)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,同時出現(xiàn)了20多次火災(zāi)事故隱患。為了有效減少與控制煤層自然火災(zāi)的發(fā)生,林南倉礦與華北科技學院合作,利用熱電偶技術(shù)對林南倉礦1019工作面采空區(qū)進行溫度變化的觀測,得到了采空區(qū)溫度變化規(guī)律,并依此對采空區(qū)的三帶進行劃分，為林南倉礦采空區(qū)預(yù)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(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來,構(gòu)成一一個閉合回路,如圖1所示。當導(dǎo)體，A和B的兩個點之間存在溫差時,兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
        簡單的熱電偶測溫系統(tǒng)如圖1所示。它由熱電偶(感溫元件)1毫伏測量儀表或電位差計2以及連接熱電偶和測量電路的導(dǎo)線(銅線及補償導(dǎo)線)所組成。

       熱電偶是由二根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成。焊接的一端稱作熱電偶的端(或工作端);和導(dǎo)線連接的--端稱作冷端。把熱電偶的熱端插入需要測溫的煤體內(nèi),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,冷端溫度為To)，則在熱電偶的回路中便會產(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,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(shù),我們測得E的數(shù)值后,就可知道被測溫度的大小。
2熱電偶的標定
       所謂標定,就是通過試驗找出熱電偶的參考(冷)端為0℃時,其工作端所感受的溫度t與其產(chǎn)生的電動勢E之間的對應(yīng)關(guān)系,即得出E-t關(guān)系式或E-t關(guān)系表。根據(jù)E-t關(guān)系式(或關(guān)系表)在檢測煤溫時由電動勢即可反求出煤的溫度?？紤]到測試地點在井下,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勢。標定系統(tǒng)如圖2所示。

       在精度要求不高,在一定的溫度范圍內(nèi),可將E-t關(guān)系近似地認為是直線關(guān)系。如果測溫范圍較寬,則可分段進行線性回歸。在參考端為環(huán)境溫度時,對標定的數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,可得出各熱電偶的線性回歸方程如下
t=A=tg+BV
式中:t一測定溫度，℃;
A、B一系數(shù);
tg一環(huán)境(參考端)溫度,℃;
V一毫伏表讀數(shù),mV。
       一般要求回歸方程的相關(guān)系數(shù)在0.999以上,才符合試驗要求。在要求精度高時應(yīng)采用分段回歸。
31019工作面測溫布置方案
       根據(jù)林南倉礦的生產(chǎn)條件,測溫工作面選定在1019工作面,該工作面長度50m~60m，走向程度250m。根據(jù)1019工作面條件,確定布置5個測點測量工作面采空區(qū)的溫度變化規(guī)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-一個測點,其余三個測點布置在工作面中部。

       按照上述布置方案，1號熱電偶長100m,布置在工作面下端頭,2號熱電偶長112m,3號熱電偶長127m,4號熱電偶長115m,2.3、4三根熱電偶布置在工作面中部,5號熱電偶長100m,布置在工作面上端頭。各熱電偶導(dǎo)線甩入工作面順槽程度約100m。.
      根據(jù)前面所述的熱電偶標定原理,對所用熱電偶進行了實驗室標定。經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的回歸分析,得到5個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
各個方程式中,x表示萬用表所測電壓,y表示計算出的測點溫度。
41019工作面采空區(qū)溫度變化研究
4.1工作面中部采空區(qū)溫度變化觀測過程及數(shù)據(jù)
      在1019工作面推進50多米后,將標定好的5根熱電偶及導(dǎo)線連同保護管埋入1019工作面后方的采空區(qū)中,對采空區(qū)溫度的變化,用萬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(jù)標定結(jié)果計算出采空區(qū)中的溫度變化。整個觀測從7月15日開始,8月底結(jié)束,整個過程歷時一個半月。觀測長度80多米。
4.2觀測數(shù)據(jù)處理
      根據(jù)熱電偶標定結(jié)果,將觀測的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為溫度，為了更清楚的表示采空區(qū)的溫度變化規(guī)律,將各測點的溫度數(shù)據(jù)用數(shù)學軟件處理后以圖的形式表示出來，見圖4、圖5。

4.3工作面采空區(qū)溫度變化分析
      根據(jù)1019工作面采空區(qū)溫度測量結(jié)果，對1019工作面采空區(qū)溫度變化規(guī)律分析如下:
1)1019工作面采空區(qū)沿傾斜方向溫度分布
      根據(jù)工作面各測點溫度分布以及圖4、圖5的測點溫度比較可知,在工作面剛推過12m左右范圍內(nèi)，各測點溫度變化不大,工作面溫度呈現(xiàn)兩頭高,中間低的分布。隨著工作面的繼續(xù)推進,1、2兩個測點溫度變化仍然不大,但其余3個測點的溫度產(chǎn)生了很大的變化,結(jié)果形成工作面上半部分的溫度明顯高于下半部分。
在整個觀測過程中,工作面中部的3號測點溫度變化明顯，從工作面推進14.3m直至觀測結(jié)束,其溫度一直超過35℃,最高溫度達到60℃。4號測點最高溫度達到52℃,5號測點最高溫度達到43℃，而靠近工作面進風巷的1、2兩個測點的溫度在觀測過程中幾乎沒有變化。
2)1019工作面采空區(qū)沿走向溫度變化
      分析觀測過程中5個熱電偶的溫度變化規(guī)律可知,在工作面推進到12.1m之前,5個熱電偶的溫度幾乎保持不變,而且橫向比較可以發(fā)現(xiàn),，沿工作面方向,溫度呈現(xiàn)中間低,兩個端頭方向溫度高的一-種變化趨勢，分析其原因,由于這個地帶靠近工作面,在工作面漏風的作用下，這一地帶的溫度不但沒有升高,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(qū)的散熱帶。
      在工作面推進到14m左右的時候,3.4、5三個測點的溫度發(fā)生明顯的變化。3號測點7月22日在工作面推進14.3m時,溫度上升到55℃,7月23日溫度又上升至60℃,在此之后,隨著工作面的推進,溫度逐漸”下降,直至觀測結(jié)束,該測點溫度仍然達到36℃。根據(jù)該測點溫度變化規(guī)律,同時參考4.5兩個觀測點的溫度變化規(guī)律,推算當工作面推進到85m~90m時,該測點溫度應(yīng)趨于正常。
4號測點溫度變化開始于7月23日,此時工作面推進了17.6m,7月23日,該測點溫度達到52℃。隨著工作面的推進,該測點溫度逐漸下降。8月16日以后,即工作面推進56.6m之后,該測點溫度趨于正常。
5號測點溫度變化也開始于7月23日,此時工作面推進了17.6m,7月23日,該測點溫度達到35℃。7月29日,工作面推進28.6m時,該測點溫度達到最高的43.3℃。隨著工作面的推進，該測點溫度_上下反復(fù)。8月16日以后,即工作面推進56.6m之后,該測點溫度趨于正常。