基于声学信号的煤自燃早期温度异常识别研究

《Fuel》：Study on early temperature inversion identification of coal spontaneous combustion based on acoustic signals

　　

摘要

煤炭堆场的自燃会导致资源浪费、安全隐患和大气污染。因此，可靠地识别散煤床层内的起火点对于预防至关重要。本研究选用声波进行火源探测。以长焰煤、不粘煤、焦煤和瘦煤四种煤阶的煤炭作为实验材料。基于声学理论和多孔介质中的波传播理论，通过引入迂曲度参数和换算系数，建立了散煤的温度测量模型。搭建了声学测试系统，采集并分析了四种煤样在氧化加热过程中的信号。加热过程中，所有煤样周围的相对湿度均有所增加，范围为54.84%至92.78%。湿度对声速测量的影响大于大气压的影响。在环境温度高于30°C时，湿度引起的温度误差可达8°C，而大气压引起的误差低于1°C。利用所提出的模型，计算了四种煤样的声学温度。四种煤的声学温度与实测值的偏差最大分别为1.78、1.73、?2.36和?2.78°C，对应的最大相对误差分别为?6.62%、?5.19%、?7.32%和8.85%。这些误差主要源于半封闭环境中气体组成偏离空气假设、声波传播时间测量误差以及换算系数拟合中的残差。本研究结果可为煤堆中隐蔽燃烧区域的预警和空间定位提供理论基础和技术方法。

引言

煤炭仍然是中国的主导能源，支撑着电力生产、化工生产和冶金加工[1], [2]。据统计，煤炭消耗占全国能源结构的50%以上[3], [4]。为维持采矿、运输和利用环节中的生产活动，在储煤场和煤仓中储存了大量煤炭储备[5], [6], [7], [8]。然而，在储存过程中，煤炭与氧气发生低温氧化反应，导致内部热量逐渐积聚。当通风和散热条件受限时，积聚的热量可能引发自燃。这种自燃不仅浪费宝贵燃料，还会排放CO、SO₂和NO_x等有毒有害气体，造成环境污染和安全隐患[9], [10], [11], [12]。

煤堆温度检测已引起全球众多研究者的广泛关注。Green等[13]使用不锈钢热电偶对煤堆内部温度进行原位监测。Chen等[14]利用声学测温技术实现了对粮食传播时间的实时监测。Gu等[15]采用红外热成像技术对露天煤堆表面温度进行非接触式测量。Liang等[16]研究了指示气体（CO、C₂H₄等）之间的相关性。Niu等[17]通过程序升温实验获取了不同温度下的气体浓度特征。建立了三角形煤堆模型，评估了孔隙率和气流速率在自热起始中的作用[18]。Shi等[19]开发了基于BO-CNN-GRU的统一双重预警框架，实现煤炭自燃的精确温度预测和自动阶段分类。Dong等[20]应用COMSOL对自热过程中煤堆内起火点的偏移进行了建模。散煤高温点检测方法主要包括温度测量、气体分析和数值反演。虽然温度传感器方法具有较高的测温精度，但属于点测量，难以实现大规模温度场的连续监测[21]。红外测温技术只能获取煤体表面温度，无法穿透散煤检测内部热点[22]。气体分析法通过检测指示气体间接判断自燃程度，但存在滞后性，且无法准确确定高温区域的位置[23]。数值反演方法依赖于复杂的多场耦合模型，且显著受边界条件和参数不确定性的影响，在实际工程应用中存在局限。声学测温方法具有非接触、量程宽、响应速度快、连续监测和空间分辨率高等特点[24]。该方法已在多种场景中证明有效，如锅炉炉膛温度感知、粮库热场分析和空气质量监测[25]。鉴于现有测量技术的局限性，如表1所示，迫切需要一种能够穿透材料对散煤堆进行非接触、实时温度测量的技术。煤炭研究中的声学方法包括声发射监测和主动声波传输。Li等[26]分析了煤岩破裂过程中产生的声发射信号。Liu等[27]将声发射技术应用于岩-煤-岩复合结构的损伤演化评估。Zhang等[28]利用兰姆波和多传感器阵列实现了温度补偿定位。Peng等[29]建立了基于波有限元方法的理论框架，预测变宽度波导中的群延迟并精确定位缺陷位置。

然而，现有的声学测温模型主要是针对均匀连续介质建立的，不适用于煤中的非均匀多孔介质。因此，了解声波在煤中的传播至关重要，并建立适用于该多孔颗粒介质的声学测温模型。

本研究以散煤为实验对象。利用在煤中测量的声学信号，揭示了控制声速温度估计的主要因素。针对多孔煤介质中的声学测温，开发了包含迂曲度和换算系数的理论模型。通过氧化加热实验建立了不同煤种换算系数的温度依赖行为，同时验证了该方法的适用性。本研究结果有望为煤堆中地下热点的检测和燃烧灾害的早期预防提供理论支持。

章节摘要

煤样

选取了四种代表不同变质级别的煤样（陕西袁子沟煤矿）、不粘煤（宁夏宏柳煤矿）、焦煤（山西新智煤矿）和瘦煤（山西张村煤矿）作为测试对象。经破碎和筛分后，将样品混合成六个粒度范围（<0.9 mm，0.9–3 mm，3–5 mm，5–7 mm，7–10 mm，>10 mm）。使用工业分析仪（型号5E-MAG6700）对这四个制备好的煤样进行了工业分析测试。

煤氧化加热过程中的湿度变化

为评估水分对声学测量的影响，测量了加热过程中四种煤样的相对湿度，如图8所示。

如图8所示，加热过程中四种煤样的湿度均随温度升高而逐步增加。环境湿度变化范围分别为55.99%–91.23%、58.92%–92.36%、54.84%–83.96%和63.80%–92.78%。工业分析表明，四种煤样均含有一定

结论

本研究基于声学理论和多孔介质的声波传播特性，建立了适用于散煤的声学测温数学模型。通过实验，系统分析了煤氧化加热过程中湿度、大气压和换算系数对测温结果的影响。验证了声学方法在散煤煤层温度检测中的可行性和可靠性。

作者贡献声明

任帅景：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。张林：撰写—初稿，可视化，方法论，形式化分析，概念构思。邓军：验证，软件。王彩萍：方法论，经费获取。肖阳：监督，资源。王金瑞：监督。康福儒：数据整理。李青伟：验证。曲高阳：方法论。李海建：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究受以下项目资助：青年高校教师科研与创新能力支持项目（编号：SRICSPYF-BS2025030），陕西省重点研发计划（2025GH-YBXM-054），国家自然科学基金（编号：52204239），以及中国科协青年拔尖人才支持计划（编号：2023QNRC001）。

任帅景|张林|邓军|王彩萍|肖阳|王金瑞|康福儒|李青伟|曲高阳|李海建

西安科技大学安全科学与工程学院，陕西省西安市雁塔中路58号，邮编710054，中国