热电偶测温技术在矿井防灭火中的应用

摘要:矿业分公司所开采的各煤层均属自然发火煤层,为加强工作面后方采空区的防火管理,对采空区自然氧化情况及时正确做出分析判断,在1019工作面的采空区运用热电偶技术进行温度监测,得到了工作面后方采空区温度变化的基本规律并将研究成果应用于矿井安全生产,取得良好效果。
        矿业公司自1985年投产到2001年8月,先后发生8次煤层自燃发火事故,同时出现了20多次火灾事故隐患。为了有效减少与控制煤层自然火灾的发生,林南仓矿与华北科技学院合作,利用热电偶技术对林南仓矿1019工作面采空区进行温度变化的观测,得到了采空区温度变化规律,并依此对采空区的三带进行划分，为林南仓矿采空区预防自然发火,合理安排安全生产提供了技术支持。
1热电偶测温基本原理
        将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一一个闭合回路,如图1所示。当导体，A和B的两个点之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
        简单的热电偶测温系统如图1所示。它由热电偶(感温元件)1毫伏测量仪表或电位差计2以及连接热电偶和测量电路的导线(铜线及补偿导线)所组成。

       热电偶是由二根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成。焊接的一端称作热电偶的端(或工作端);和导线连接的--端称作冷端。把热电偶的热端插入需要测温的煤体内,冷端置于外面，如果两端所处的温度不同(譬如,热端温度为T,冷端温度为To)，则在热电偶的回路中便会产生热电势E。该热电势E与热电偶两端的温度T和To均有关，如果保持To不变，则热电势只和T有关。也就是说,在热电偶材料已定的情况下,它的热电势E只是被测温度T的函数,我们测得E的数值后,就可知道被测温度的大小。
2热电偶的标定
       所谓标定,就是通过试验找出热电偶的参考(冷)端为0℃时,其工作端所感受的温度t与其产生的电动势E之间的对应关系,即得出E-t关系式或E-t关系表。根据E-t关系式(或关系表)在检测煤温时由电动势即可反求出煤的温度。考虑到测试地点在井下,制冰、携带和使用冰瓶不方便,因此，参考(冷)端一般放在空气中。标定的方法采用比较法,使用精度高的水银温度计作为标准温度计,使用电位差计测量电动势。标定系统如图2所示。

       在精度要求不高,在一定的温度范围内,可将E-t关系近似地认为是直线关系。如果测温范围较宽,则可分段进行线性回归。在参考端为环境温度时,对标定的数据进行线性回归分析,可得出各热电偶的线性回归方程如下
t=A=tg+BV
式中:t一测定温度，℃;
A、B一系数;
tg一环境(参考端)温度,℃;
V一毫伏表读数,mV。
       一般要求回归方程的相关系数在0.999以上,才符合试验要求。在要求精度高时应采用分段回归。
31019工作面测温布置方案
       根据林南仓矿的生产条件,测温工作面选定在1019工作面,该工作面长度50m~60m，走向程度250m。根据1019工作面条件,确定布置5个测点测量工作面采空区的温度变化规律,考虑到工作面上、下端头容易发火,在工作面上、下端头各布置-一个测点,其余三个测点布置在工作面中部。

       按照上述布置方案，1号热电偶长100m,布置在工作面下端头,2号热电偶长112m,3号热电偶长127m,4号热电偶长115m,2.3、4三根热电偶布置在工作面中部,5号热电偶长100m,布置在工作面上端头。各热电偶导线甩入工作面顺槽程度约100m。.
      根据前面所述的热电偶标定原理,对所用热电偶进行了实验室标定。经过对实验数据的回归分析,得到5个热电偶温度与电压之间的关系式:
1号:y=22.92162x+20.21732
2号:y=23.60230x+19.56206
3号:y=23.79812x+18.50322
4号:y=23.45752x+22.72022
5号:y=23.16580x+22.74170
各个方程式中,x表示万用表所测电压,y表示计算出的测点温度。
41019工作面采空区温度变化研究
4.1工作面中部采空区温度变化观测过程及数据
      在1019工作面推进50多米后,将标定好的5根热电偶及导线连同保护管埋入1019工作面后方的采空区中,对采空区温度的变化,用万用表测量冷热端因温度变化而产生的毫伏级电压,然.后根据标定结果计算出采空区中的温度变化。整个观测从7月15日开始,8月底结束,整个过程历时一个半月。观测长度80多米。
4.2观测数据处理
      根据热电偶标定结果,将观测的电压数据转换成为温度，为了更清楚的表示采空区的温度变化规律,将各测点的温度数据用数学软件处理后以图的形式表示出来，见图4、图5。

4.3工作面采空区温度变化分析
      根据1019工作面采空区温度测量结果，对1019工作面采空区温度变化规律分析如下:
1)1019工作面采空区沿倾斜方向温度分布
      根据工作面各测点温度分布以及图4、图5的测点温度比较可知,在工作面刚推过12m左右范围内，各测点温度变化不大,工作面温度呈现两头高,中间低的分布。随着工作面的继续推进,1、2两个测点温度变化仍然不大,但其余3个测点的温度产生了很大的变化,结果形成工作面上半部分的温度明显高于下半部分。
在整个观测过程中,工作面中部的3号测点温度变化明显，从工作面推进14.3m直至观测结束,其温度一直超过35℃,最高温度达到60℃。4号测点最高温度达到52℃,5号测点最高温度达到43℃，而靠近工作面进风巷的1、2两个测点的温度在观测过程中几乎没有变化。
2)1019工作面采空区沿走向温度变化
      分析观测过程中5个热电偶的温度变化规律可知,在工作面推进到12.1m之前,5个热电偶的温度几乎保持不变,而且横向比较可以发现,，沿工作面方向,温度呈现中间低,两个端头方向温度高的一-种变化趋势，分析其原因,由于这个地带靠近工作面,在工作面漏风的作用下，这一地带的温度不但没有升高,而且局部温度还有所下降。因此,可以认为这--地带属于采空区的散热带。
      在工作面推进到14m左右的时候,3.4、5三个测点的温度发生明显的变化。3号测点7月22日在工作面推进14.3m时,温度上升到55℃,7月23日温度又上升至60℃,在此之后,随着工作面的推进,温度逐渐”下降,直至观测结束,该测点温度仍然达到36℃。根据该测点温度变化规律,同时参考4.5两个观测点的温度变化规律,推算当工作面推进到85m~90m时,该测点温度应趋于正常。
4号测点温度变化开始于7月23日,此时工作面推进了17.6m,7月23日,该测点温度达到52℃。随着工作面的推进,该测点温度逐渐下降。8月16日以后,即工作面推进56.6m之后,该测点温度趋于正常。
5号测点温度变化也开始于7月23日,此时工作面推进了17.6m,7月23日,该测点温度达到35℃。7月29日,工作面推进28.6m时,该测点温度达到最高的43.3℃。随着工作面的推进，该测点温度_上下反复。8月16日以后,即工作面推进56.6m之后,该测点温度趋于正常。