红外热成像技术在矸石山治理中的应用_韩秀清.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2022-03-15修回日期：2022-03-17第一作者简介：韩秀清（1989-），男（汉族），山西运城人，工程师，现从事工程地质测绘方面的工作。红外热成像技术在矸石山治理中的应用韩秀清*，朱瑞杰，李凯（陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安 710000）摘要：自燃期矸石山发火区与潜在蓄热区识别是矸石山针对性治理的重点工作，对矸石山四区三阶段的识别划分对自燃期矸石山针对性治理具有重要作用。基于红外热成像技术，在对矸石山温度异常区识别的基础上，辅以人工钻探测温，结合该区域地质环境条件，得出矸石山自燃的原因为矸石堆载方式不合理，加之该区域独特的地形结构，为矸石自燃提供了充足的氧气；划定矸石山自燃区范围为面积1.75hm2；基于探测结果，建议对着火区进行钻孔注浆灭火，并设置注浆帷幕阻隔的方法进行治理。关键词：矸石山自燃；红外热成像技术；温度探测；自燃分区中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0141-03煤矸石在长期堆放过程中，在黄铁矿、硫铁矿等遇氧反应、矸石表面的氧化活性、矸石粒径及矸石山上密下疏的独特堆载结构等多因素影响，极易发生矸石山内部升温、自燃的情况。温度则是矸石山潜伏自热、加速氧化升温和稳定燃烧的三个阶段及防控区、临界区、蓄热区、发火区四个分区的关键划分指标与矸石山针对性防控治理的重要依据1-2。但矸石山不同区域的温度数据的获取则是在煤矸石山自燃期治理的难点，众多学者也针对矸石山自燃机理及温度监测等方面进行了大量研究。梁铁山、位蓓蕾等3-4针对矸石山整体升温变化规律和影响因素进行了大量分析，对矸石山温度监测和治理方式提供了一定理论基础。在温度监测方面，红外热成像技术（Infrared thermography）作为非接触式无损感测手段，在森林防火5、电器设备故障监测6以及防水工程渗漏监测7-8等方面具有扫描识别温度异常已发挥重要作用。同时在煤矸石山治理方面也有一定的研究9。本文以红外热成像技术在陕西某自燃期矸石山调查中的应用为背景，阐述了该技术对矸石山温度识别与四个分区划分的作用，以期对自燃期矸石山灭火治理或矸石山温度监测方面提供一定借鉴意义。1IRT技术基本原理在自然界，任何物体若自身温度大于绝对零度时，该物体将向外辐射能量，这是热辐射理论的重要基础。基于此理论基础，红外辐射理论逐渐发展，衍生出基尔霍夫定律、普朗克定律及斯蒂芬玻尔兹曼定律。基尔霍夫定律是指物体辐射强度与吸收能力比值与物体性质无关；普朗克定律则是在热辐射理论的基础上提出了量子理论，即绝对黑体的温度为T，对应波长为，则黑体作为接受体所受到的热辐射强度与波长和温度呈函数关系：斯蒂芬玻尔兹曼定律则提出绝对黑体向半球空间发射热辐射强度同温度之间的函数关系。因此，在电磁辐射与热力学关系的基础上，考虑到同种物体的发射率变化较小，利用红外探测设备则可对物体的辐射能进行收集，通过换算得到与辐射能相似的温度场，将换算得到的温度场映射至颜色空间，则可得到该物体或某一发热源的红外热图像。2项目概况2.1矸石山概况项目矸石山位于陕西关中地区，该矸石山整体占地面积4.30hm2，标高介于1270.001300.00m，顶底高差约30m。该矸石山在堆积后削坡整平、覆土30cm，坡顶撒播紫花苜蓿、修建截排水设施，渣堆底部砌筑挡渣墙。经过2年后，矸石山现状主地表温度异常、上覆草本植被开始陆续死亡、地表局部裸露与周边环境不协调。大量的矸石堆积造成场地地质环境问题逐步显露。矸石山平剖面图见图1、图2。1412023年第2期西部探矿工程2.2地质环境条件概况2.2.1气象、水文勘查区内多年平均气温8.5，最高气温为35.4；多年平均降水量为 775.2mm，多年平均蒸发量为1472.0mm，降水量年内分配也极不均匀，夏季降水集中，占全年降水量的51%。2.2.2地层岩性勘查区自上而下地层主要为第四系杂填土（Q4ml）、第四系人工填矸（Q4ml）及第四系冲洪积物（Q4al+pl）。其中，杂填土层主要为矸石堆积体顶部平台及坡面覆土，厚度0.82m；填矸层矸石粒径1050cm不等，矸石厚度1630m。第四系冲洪积层粒径一般为2040mm，最大粒径可达 300mm，中粗砂、粉土填充，局部含漂石。厚度1.52.5m。2.3矸石山温度探测方案2.3.1IRT探测方案本 次 矸 石 山 温 度 探 测 采 用 大 疆 经 纬 测 绘M300RTK无人机搭载大疆禅思ZenmuseH20激光测距热成像镜头对排矸场进行扫描拍照、摄像以及测绘，建立红外正摄影像及红外三维模型。采用DJI Thermal Analysis Tool对拍摄红外照片解译，对拍摄照片解译。2.3.2人工探测方案在为了进一步验证划定自燃区范围以及矸石山自燃深度，基于红外热成像探测结果，对热成像圈定以外区域，采用DPP100汽车钻进行钻探成孔，利用非接触式红外测温仪、多功能气体监测仪、优利德数字测温仪以及便携式泵吸气体检测仪对钻孔内温度及各种气体浓度（CO、SO2）进行探测。共布设钻孔 20 个，进深9.0m，累计进尺180m。3探测结果与分析3.1IRT探测结果根据 煤矸石堆场生态恢复治理技术规范11，矸石堆场内部温度70为矸石自燃的临界温度，考虑到该矸石山排矸活动中未碾压，矸石内部较为松散且孔内CO气体浓度较高，结合本次钻探勘查，取62.98等温线、391.87ppmCO浓度等值线及2.52ppmSO2浓度等值线的综合界限划定排矸场自燃区域。解译结果见图3、解译后自燃区分布见图4。由图3、图4根据解译结果，可发现矸石山温度异常区呈亮黄色，全区域呈暗红色。初步划定排矸场表面高温异常区为排矸场东侧、南侧边坡及下部一平台。1422023年第2期西部探矿工程3.2人工温度探测结果通过对不同深度人工测温得到数据，利用Arcgis克里金插值法对获取数据进行插值计算，获得探测区不同深度温度及各气体浓度分布情况（见图5、图6）。根据人工探测结果，可见矸石山表面温度自西向东逐渐升高，整体温度介于26.369.4。9.0m处温度介于31.878.4，与表层温度相比温度梯度规律变化不大，同样呈自西向东逐渐升高的趋势，但矸石山温度异常区面积增大，增大部分面积说明受自燃区影响，该部分煤矸石处于矸石蓄热区。结合红外热成像技术探测数据，综合划定自燃区面积1.75hm2（正投）。3.3探测结果分析根据红外热成像技术及人工探测结果，该矸石山自燃原因主要是由于该矸石山在矸石堆放过程中未经压实，矸石堆积呈上密下疏结构。同时，由于矸石边坡受雨水冲刷，坡面覆土流失，矸石暴露于空气中，导致矸石与氧气充分接触，该矸石山整体呈现“烟囱状”结构。同时，由于该矸石山处于沟谷地区且四季风量充足，矸石山东侧为迎风坡，加剧了东侧矸石的自燃情况，温度异常属于自燃区。西侧温度较低属防控区与临界区，中部则为蓄热区。4结论本文通过对自燃期矸石山进行红外热成像技术与人工探测相结合的矸石山自燃区调查，得到以下几点结论：（1）基于红外热成像技术，可对矸石山温度异常区进行初步划定为矸石山东侧、南侧边坡及下部一平台。（2）在红外热成像的基础上，通过人工探测可知矸石山表面温度自西向东逐渐升高，整体温度介于26.369.4。9.0m处温度介于31.878.4，与表层温度相比温度梯度规律变化不大。（3）通过红外热成像技术探测数据，综合划定自燃矸石自燃区面积1.75hm2。建议对自燃区采取钻探注浆进行治理。参考文献：1辛亚,王晓军,陈文英,等.屯兰自燃煤矸石山火情系统诊断研究J.洁净煤技术,2015,21(6):114.2王亚文,王晓军,王兵,等.基于系统测温的矸石山自燃状况评估方法J.煤矿安全,2017,48(9):167-169.3梁铁山,谷明川.矸石山自燃整体升温现象及其理论解释J.中国矿业,2009,18(4):93-95.4位蓓蕾,胡振琪,王晓军,等.矸石山的自燃规律与综合治理工程措施研究J.矿业安全与环保,2016,43(1):92-95.5余阳,赵海龙,韩来君.基于红外热成像的山火识别技术研究J.现代电子技术,2017,40(24):77-79.6云艳.红外热成像测温系统在神东选煤厂的应用J.装备应用与研究,2020,11(26):23-24.7周仁练,苏怀智,刘明凯,等.基于被动红外热成像的土石堤坝渗漏探测试验研究J.水利学报,2020,53(S):1-5.8彭波,张得煊.利用红外热像技术探测土石坝集中渗漏的研究J.科学技术与工程,2016,16(11):93-98.9曾凡宇,田云福,芦根玲,等.西曲煤矿矸石山自燃火区探测及治理技术J.煤炭科学技术,2012,40(6):41-43.143