熱動力災(zāi)變時期井巷環(huán)境紅外光場特性分析

王雁鳴+李印+呂鑫+王文正

摘 要：礦井熱動力災(zāi)害嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)及職業(yè)健康?；诠鈱W(xué)在線監(jiān)測方法，文章建立了受限空間內(nèi)非灰參與性介質(zhì)紅外輻射傳輸模型，分析了災(zāi)變時期井巷環(huán)境的紅外光譜選擇特性。根據(jù)紅外光場特征信息設(shè)計了礦井熱動力災(zāi)變光學(xué)預(yù)警波段。

關(guān)鍵詞：熱動力災(zāi)害；光學(xué)監(jiān)測；紅外特性

中圖分類號：O434.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0013-03

Abstract： Mine thermal power disaster is a serious threat to the safety of production and occupational health. Based on the optical on-line monitoring method， the infrared radiation transfer model of non-gray participatory medium in confined space is established， and the infrared spectrum selection characteristics of the environment in the disaster period are analyzed. According to the characteristic information of infrared light field， the optical warning band of mine thermal power disaster is designed.

Keywords： thermal disaster； optical monitoring； infrared characteristics

引言

隨著礦井機械化水平的提高以及開采深度的增加，礦井火災(zāi)、瓦斯等熱動力災(zāi)害產(chǎn)生的有毒有害氣體以及煙塵粒子等大量彌散于巷道內(nèi)并污染通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)及職業(yè)健康[1]。熱動力災(zāi)害時期，災(zāi)變源向井巷中釋放大量毒煙塵，主要包括瓦斯、一氧化氮、氨氣、一氧化碳、二氧化硫等氣體，并隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)逐漸污染整個作業(yè)環(huán)境[2-4]。同時煤礦井下在采煤、掘進、運輸?shù)壬a(chǎn)過程中也會不斷產(chǎn)生大量的礦塵粒子，并隨著井下通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)擴散到整個大氣環(huán)境中。煤礦井下大氣環(huán)境中的有毒有害氣體和礦塵粒子嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)和工人的生命健康。當(dāng)?shù)V井中的有毒有害氣體濃度過高時，可直接造成井下作業(yè)工人的死亡。瓦斯氣體伴隨煤塵粒子，在適宜的氧氣濃度以及點火源的條件下可導(dǎo)致瓦斯爆炸和瓦斯煤塵爆炸事故的發(fā)生[5]。

目前，國家能源戰(zhàn)略已將“煤礦災(zāi)害”的防控列入公共安全中的科技重大戰(zhàn)略需求內(nèi)容，要求“提高早期發(fā)現(xiàn)與防范能力”和“增強應(yīng)急救護綜合能力”，并將“重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援”列入了公共安全領(lǐng)域的優(yōu)先主題。因此，開展煤礦井下災(zāi)害早期識別與預(yù)警方法的基礎(chǔ)研究，在礦井重污染環(huán)境背景中實現(xiàn)熱動力災(zāi)害的監(jiān)測識別具有重要的現(xiàn)實意義，是落實堅持安全發(fā)展和有效遏制重特大安全事故的迫切需求。本文從光學(xué)監(jiān)測識別礦井災(zāi)害的角度出發(fā)，針對災(zāi)變時期井巷環(huán)境的紅外光學(xué)信息演化特性進行模型分析。

1 熱動力災(zāi)害煙氣的紅外吸收特性

對于熱動力災(zāi)害釋放毒煙氣（如CH4、CO等）的輻射特性計算，逐線計算法是目前最為準(zhǔn)確的方法，但不適合于工程應(yīng)用，而窄譜帶模型是一種廣泛應(yīng)用于工程計算中的簡化模式[6]。針對煤礦典型災(zāi)害氣體（CH4、CO等）的吸收特性，本文以HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)[7]，采用Young數(shù)值平均方法計算譜帶模型參數(shù)：

針對典型熱動力災(zāi)害毒煙氣，分別對CH4、CO在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（1atm，300K）下400-4000cm-1波段內(nèi)的光譜吸收特性進行了比較分析。

從圖1可以看出CH4氣體在標(biāo)況下的吸收系數(shù)在400-4000cm-1光譜范圍內(nèi)存在兩個明顯的吸收譜帶。其中第一個吸收譜帶出現(xiàn)在1225-1335cm-1波段，整個吸收譜帶內(nèi)存在三個明顯的吸收峰并在1332cm-1處達到最大值7.34m-1。CH4氣體的第二個吸收譜帶出現(xiàn)在2850-3130cm-1波段內(nèi)，本吸收譜帶在3015cm-1處存在一個強烈的吸收峰且其吸收系數(shù)達到了19.7m-1，而其他相對較小的吸收峰基本保持在7m-1以內(nèi)。

從圖2中可以看出CO氣體在標(biāo)況下在400-4000cm-1波段范圍內(nèi)僅在2050-2200cm-1波段存在明顯的吸收譜帶。整個吸收譜帶在2110cm-1處達到最大值17.65m-1，并且分別在2212cm-1、2173cm-1、2125cm-1、2080cm-1處存在弱吸收峰，其峰值均穩(wěn)定在5m-1以下。

2 熱動力災(zāi)變井巷紅外特性

考慮粉塵粒子的衰減散射作用和氣體的輻射熱吸收作用，為獲得礦井含塵大氣環(huán)境的輻射傳輸特性，采用離散坐標(biāo)法在一維方向上求解[8，9]。對于非灰發(fā)射-吸收-散射介質(zhì)，輻射傳輸方程可表述為：

假設(shè)粉塵粒子是非灰表面介質(zhì)，輻射邊界條件可以定義為：

對于有限坐標(biāo)方向上，輻射傳輸方程可以由離散方程組代替，如下：

考慮熱動力災(zāi)害涌出CO、CH4、烴類等毒煙氣及其紅外輻射特性，應(yīng)用上述模型數(shù)值計算獲得了災(zāi)變時期礦井環(huán)境的紅外透過特性，結(jié)果如圖3、4所示。

當(dāng)?shù)V井含塵大氣中同時存在CO和CH4氣體時，礦井大氣的紅外輻射光譜在400-4000cm-1范圍內(nèi)同時存在三個吸收譜帶。其中第一個和第三個吸收譜帶是CH4氣體的吸收譜帶，第二個是CO的吸收譜帶，同時CO和CH4氣體的吸收譜帶不存在譜帶重合。在400-4000cm-1尺度范圍內(nèi)CO氣體在2050-2200cm-1譜帶內(nèi)有明顯的吸收譜帶，并且在2095cm-1存在吸收峰。其他譜帶內(nèi)礦井含塵大氣的輻射透過光譜僅受到粉塵粒子衰減散射作用。endprint