2024-04-09
采空区高温点识别与探测技术作为保障矿井安全的“前哨站”，其针对温度信息的早期探测和准确识别是煤火灾害防控的关键。为此，本文梳理了煤自燃高温点的形成演化规律研究；探讨了各类探测技术的优势和局限性，同时强调了未来极具潜力的技术发展方向，为采空区高温点探测技术发展开拓新的途径；同时积极探索了一种多方法融合的精准探测系统，为构建数字孪生煤矿提供更为科学有效的思路。整体而言，采空区煤自燃高温点识别与探测技术发展应以“精确识别、智能应对”为基本思想，后续重点应开展以下研究：（1）煤自燃与高温点演化机理深化研究：包括煤的物理化学反应过程与采空区环境条件的交互作用以及与其他相伴变量的关系，在实验与数值模拟相结合基础上，展开多规模的高温点运移规律研究等内容。（2）识别探测技术的综合革新与升级：不断加强学科融合性探测新技术发展，深入探索声波感温探测技术，基于量子技术的火源探测技术及毫米波雷达火源探测等新兴技术；研制声、电、磁等多物理参数集合式的主、被动源综合探测与成像智能化仪器设备，为矿井的安全生产提供更加精确、快速和高效的探测手段。（3）采空区高温点智能化探测系统建设：深度开发依托于数字孪生技术的火源探测系统，并与掘进采煤机械等设备相结合，建设一体化的识别预测监控体系，对开采活动中的隐蔽火源等多种灾害源因素进行信息采集，形成一个完整的、协同工作的生态系统。（4）全生命周期矿井开采生产平台构建：基于数字孪生技术，进行采空区高温点综合智能化探测系统平台建设，形成集识别、探测、监控、预测、应急响应等功能于一体的多灾源判识防控体系。研究矿井典型灾害风险智能识别大模型与交互生成式深度学习算法，结合知识图谱技术与专家决策交互式系统反馈，开发煤矿典型灾害风险智能预测AI大模型，最终实现异常事件的预警描述与专家建议反馈，完成井下多场景中异常事件的多模态预警决策工作。
作者：邓 军1, 2 ， 王津睿1 ， 任帅京1, 2 ， 王彩萍1, 2 ， 屈高阳1 ， 马 砺1, 2单位：1. 西安科技大学 安全科学与工程学院; 2. 陕西省煤火灾害防治重点实验室煤炭作为中国能源保供的压舱石，对能源安全起着至关重要的作用。在全球碳中和的背景下，虽然传统能源体系正面临转型，但富煤仍是中国能源禀赋的主要特点之一，据国家统计局数据显示，2022年全国规模以上工业原煤产量45亿t，占全国能源消费总量56.2%，再次证明其在国内能源体系的核心地位。然而，随着开采活动不断进行，采空区的煤自燃火灾问题日益突出，已成为煤矿五大灾害中不可忽视的一大严重问题。我国煤矿的开采模式和矿井的地质结构造成采空区环境复杂，使得采空区煤自燃高温点的形成和演变过程难以掌控。统计数据表明，由采空区煤自燃引发的火灾事故在矿井火灾中的所占比例正呈现多态式增长趋势。为确保煤炭资源的安全高效开采，关键在于防止煤层自燃导致的高温点产生及其扩散，同时确保监测和防火措施不出现延迟或失效。近年来许多学者致力于采空区煤自燃机理、采空区高温运移规律及隐蔽高温点探测技术等方面的研究，旨在揭示煤自燃的化学动力学过程同时，实现采空区高温隐蔽火源的精准探测。然而，受限于采空区的多变性，上述关键领域的研究仍然面临挑战。特别是高温点的定量分析、早期预警机制以及实时监控策略等方面。采空区高温点识别与探测技术作为保障矿井安全的“前哨站”，其针对温度信息的早期探测和准确识别是煤火灾害防控的关键。笔者梳理了煤自燃高温点的形成演化规律研究；探讨了各类探测技术的优势和局限性，同时强调了未来极具潜力的技术发展方向，为采空区高温点探测技术发展开拓新的途径；积极探索了一种多方法融合的精准探测系统，为构建数字孪生煤矿提供更为科学有效的思路。同时也为后续智能化矿井建设提供理论和技术框架支持。我国因采煤活动造成的采空区总量大、范围广，针对采空区煤自燃高温点的有效识别与探测是煤矿安全生产的重要保障。从采空区煤自燃发生过程、高温点的形成运移特点概述了采空区高温点的生成演化特性，为采空区煤自燃高温点的有效识别与探测提供基础理论支撑。围绕地下直探技术、地表及空天探测技术的基本原理、研究进展以及现场实际应用效果，从可靠性、稳定性等方面进行多元比较，剖析现有煤自燃高温点识别探测技术的适用性。
针对探测中存在的实际难点，拓展分析了矿井声波温度信息探测、基于量子技术的热源探测、毫米雷达波探测技术等新兴技术的研究现状和应用潜力，进一步推动采空区隐蔽火源精细化探测技术发展创新。通过对现有技术的综合性研判及新兴技术的前瞻性思考，展望了煤自燃隐蔽火源探测技术的未来发展趋势，结合当前物探技术和多元信息融合理论的发展趋势，提出了采空区高温点动态运移智能可视化系统构想，从“空−天−地−孔”的综合化分时分区多维探测模式应用、“特征获取−场景仿真规划−动态决策”逐级时空演化数字孪生模型两方面阐述了矿井开采全生命周期平台建设的现实意义。通过该构想的逐步实施，为实现采空区隐蔽火源的高效识别预测和矿井智能化建设提供新的决策思路。
图 1 采空区煤自燃机理代表性学说研究进程及测试分析手段研究
图 2 部分煤自燃气体指标类型及指标形式
图 3 矿井高温火源探测技术
图 4 声波隐蔽火源探测过程
图 5 基于量子技术的火源探测过程构想
图 6 毫米波雷达火源探测技术
图 7 矿井火灾技术装备发展阶段化发展
图 8 数字孪生工作面动态监测推进平台构建设想
图 9 全生命周期矿井开采生产平台化构想
邓军，男，1970年6月生，四川大竹人，现任西安科技大学副校长，博士，教授，博士生导师，安全科学与工程学科评议组成员、全国先进工作者，科技部中青年科技创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴，国家“万人计划”科技创新领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选，中国青年科技奖获得者，教育部新世纪优秀人才。西部煤矿安全教育部工程中心主任、安全科学与工程国家重点学科带头人、教育部创新团队带头人、兼任中国煤炭工业协会防灭火专业委员会委员、中国煤炭工业劳动保护科学技术学会火灾防治专业委员会副主任委员等。先后在奥地利格拉兹技术大学（2003）、德国弗莱贝格矿业大学（2008）和美国西弗吉尼亚大学（2014）做高级访问学者。
研究方向
主要从事煤火灾害防治理论与技术的研究与应用
主要成果
针对煤自然发火实质、煤自燃特征信息识别以及煤火灾害防控等科学问题，取得了一系列的成果。先后承担或完成了国家自然科学基金重点项目、面上项目、“973”前期研究专项、中澳国际科技合作、“十一五”国家科技支撑子课题等国家级项目10余项，陕西省“13115”重大科技专项、陕西省国际合作等省部级项目10余项,以及30多项横向课题。获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖8项，二等奖10余项，国家发明专利20余项，出版专著5部，发表论文150余篇。
来源：
邓军，王津睿，任帅京，等. 采空区煤自燃高温点识别与探测技术研究与展望[J]. 煤炭学报，2024，49(2):
885−901.
责任编辑：宫在芹
