次声探测煤田火区机理研究

宋吾军+王自龙+吴响+张一真

摘 要：现有煤田火区探测方法由于受技术、经济等条件限制，存在一些不足。次声作为燃烧所共有的产物，可作为一种新的探测煤田火区的媒介，为煤田火区探测提供了新的理论与方法。文章探讨了通过定向接收次声信号判断是否发火的可行性。首先提出地下煤层燃烧次声发生机理，推导煤火次声频率特性表征方法，然后提出次声探测煤田火区的技术路线并总结关键问题。

关键词：次声；煤田火区；探测

煤田火区在世界主要产煤国均普遍存在，中国干旱少雨的西部省区尤为严重[1]。煤田火灾不仅直接烧毁大量的煤炭资源，而且对生态环境造成巨大破坏[2]。由于煤田火区存在于地下，为了高效的治理煤田火区，精准确定燃烧区域位置尤为关键。现有煤田火区探测方法由于受技术、经济等条件制约。大多采用对燃烧高温引起的间接异常进行探测，并非直接探测煤燃烧产物，易受环境干扰，造成对火区的遗漏与误判。而现有资料与研究成果表明，在物质燃烧过程中，会有超低频波段的次声声波产生，且是所有燃烧所共有现象。由于在次声频率范围内，日常杂音少，所以可以很大程度上避免环境噪声对探测结果的影响。所以可通过定向接收不同区域的次声波信号，判断是否存在煤田火区的存在。

1 煤田火区燃烧音频特征

1.1 煤田火区燃烧音频

煤田火灾的发生与其他燃烧一样，是一种剧烈的氧化还原反应，伴随着发光、发热、发声。燃烧的过程也是能量释放的过程，其中一部分能量以质量流（气体、烟颗粒、气溶胶等）形式释放出去，另一部分则以辐射（光、热、燃烧音）的形式表现出来[3]。燃烧音是能量辐射的一部分，燃烧音频谱的分析表明其频域成分很丰富，包括次声波段、可听波段和超声波段[4]。所以，若想有效探测到煤田火区发出的燃烧音，就要选择合适的波段，以最大限度的减少环境噪声的干扰，同时需保证煤田火区的燃烧音中包含有此波段的声音。在三个波段中，可听波段的燃烧音最易日常杂音干扰且难以剔除，不易获取有用信息。而在超声波段，虽然日常噪音相较于可听波段少，但是由于超声波段的声音容易被吸收，传播距离近，在地面不能保证接接收到地下煤层燃烧产生的燃烧音。而次声波段声音不仅日常噪声少[5]，而且由于次声波波长较长，不宜被吸收，传播距离远，所以很容易由地下火区传播到地表。且研究表明，所有燃烧均有次声波段的声音产生，仅声波频率不同。所以应采用次声波段声音作为探测煤田火区的媒介。

对于燃烧音的产生机理，通过对现有研究成果的总结，认为煤田火区燃烧音的产生机理有三种可能，分别是空气振动、分子碰撞和声发射。在煤田火区中，三种产生原因均有存在可能。

1.2 煤田燃烧次声特征频率

次声波的传播速度与普通声音一样，在20℃的大气中为334m/s。由于次声波长长，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡。并且次声波具有极强的穿透力，可以穿透大气、海水、土层、钢筋混凝土构件，还能穿过钢板、铁甲，甚至飞机机壳、舰艇、坦克等[6]。根据次声的特点，目前次声已在武器、监测、工业、医疗等众多领域发挥着重要作用。

对于次声在火灾探测领域中的应用，已有一些相关研究，但仅限于消防火灾。如William Grosshandler 等人[7]于1993年就开始对利用声学特性对火灾进行探测进行研究。而到1994年日本东京消防厅消防科学研究所[8]利用火灾的声学特性完成了燃烧音火灾探测系统样机的研制工作，并进行了技术改进以及新样机的实验验证。Alfred J. Bedard Jr等人[9]在对木材回收仓库的火灾进行监测时发现，燃烧最强烈时监测到的次声频率在1-2HZ之间，在燃烧后期，频率在1-4HZ之间。2012年东华大学硕士研究生蒋静学[4]对基于燃烧音的火灾探测系统进行了研究与设计工作，其燃烧实验也再次验证了次声波段燃烧音的存在。

对于煤田火区燃烧音的特征频率，根据徐伯乐[10]、Alfred J. Bedard Jr[11]等人研究成果，推测煤田火区稳定燃烧时的最强次声频率满足算式（1）：

式中，D为火源的等效直径（m），k为影响因子。

通过以上的总结发现，虽然次声在很多领域已有成功应用，但是在火灾探测领域的基础研究与现场应用均比较溃泛。而在煤田火灾探测领域的研究尚属空白。鉴于次声探测的优点，值得对次声在煤田火灾探测领域进行深入研究。

2 次声探测煤田火区研究技术路线

为了准确有效利用次声探测煤田火区，尚有许多工作需要完成。首先需要研究清楚煤在地下不同状态下燃烧产生次声波的频率域，然后是如何排除无关噪声提取出有用信息，最后是对煤田火区的圈定。所以若需达到通过次声探测煤田火区的目的，主要有以下三部分工作需要完成：

（1）了解地下火区燃烧产生次声波频率域，这样需要实验环境需要尽量接近地下火区燃烧条件。以免实验结果与现场接收频率域不一致，造成遗漏。

（2）由于燃烧次声向各个方向传播，所以采用开放式次声传感器也会接收到来自各个方向的次声信号，这样就达不到定位火源位置的目的。所以需要采用指向性次声接收装置，仅接受特定方向的次声信号。

（3）为了滤除噪声干扰，鉴于只采用特定次声传感器进行滤波可能不能完全达到理想效果，还需采用低通滤波器进一步辅助排除噪声干扰。

根据以上研究内容，建立技术路线图为：实验采集分析开放空间煤燃烧次声信号→实验采集分析受限空间煤燃烧次声信号→实验模拟地下煤燃烧环境，并采集分析次声信号→设计煤田火区次声信号探测系统→煤田火区现场应用。

截至目前，我们已初步设计了接地型煤田火区次声探测系统，图1为探测系统装置连接图。次声接收装置采用内部抽真空的两半球组成，次声信号传感器3位于球心偏上，这样不仅可以完全隔绝地上半空间次声信号干扰，还可以对地下次声信号起到一定程度的增强作用。次声信号经过前置放大器的信号放大后经由低通滤波器的处理存储到存储介质，最终经过专业软件处理分析，判断测点下方是否存在煤层燃烧。

3 结束语

现存的煤田火区主要有直接方法和间接方法两大类，直接方法通过对煤燃烧直接产物如CO、SO、CO2或热辐射进行探测，此方法具有直接的特点，但是特征气体易受裂隙等干扰，而钻孔测温无法大面积实现。间接方法通过测定煤层燃烧引起的围岩体电、磁等异常，判定是否有火区的存在，此方法易受探测地点地质条件的干扰，造成误判或者漏判。

次声信号作为燃烧所共有的特征，是燃烧的直接产物，且可以在地表被探测到，在煤田火区探测方面具有巨大潜力。但是同时也存在很多尚未解决的问题。煤田火区燃烧次声的频率域、信号的接收、处理、以及判定条件，都需要一一研究解决。

参考文献

[1]Song Z Y， Kuenzer Claudia. Coal fires in China over the last decade： A comprehensive review[J].International Journal of Coal Geology，2014，133：72-99.

[2]Kuenzer Claudia， Zhang J Z， Tetzlaff Anke， et al. uncontrolled coal fires and their environmental impacts： Investigating two arid mining regions in north-central China[J].Applied Geography，2007，5/06（2007）：64-65.

[3]程晓舫，王瑞芳，张维农，等.火灾探测的原理和方法（上）[J].中国安全科学学报，1999，9（2）：1-5.

[4]蒋静学.基于燃烧音识别的火灾探测系统的研究与设计[D].东华大学，2012.

[5]程晓舫，王瑞芳，张维农，等.火灾探测的原理和方法（下）[J].中国安全科学学报，1999，9（1）：1-5.

[6]童娜.次声的特点及其应用[J].声学技术，2003，22（3）：199-202.

[7]Grosshandler W. Braun E. Early detection of room fires through acoustic emission[J].Fire Safety Science，1994，4：773-784.

[8]王瑞芳，程晓舫.燃烧音火灾探测器[J].消防技术与产品信息，1997（8）.

[9]Bedard Jr Alfred J.， Nishiyama Randall T. Infrasound generation by large fires： experimental results and a review of an analytical model predicting dominant frequencies： Geoscience and Remote Sensing Symposium，2002. IGARSS02. 2002 IEEE International， 2002[C].IEEE.

[10]徐伯乐，李元洲，毛少华，等.西藏高原环境下油池火的燃烧速率和振荡频率[J].燃烧科学与技术，2011，17（3）：231-236.

[11]Jr A J B， Georges T M. Atmospheric Infrasound[J].Physics Today，2007，53（3）：32-37.

作者简介：宋吾军，硕士研究生，研究方向：地下煤田火区探测。