次聲探測煤田火區機理研究

摘 要：現有煤田火區探測方法由于受技術、經濟等條件限制，存在一些不足。次聲作為燃燒所共有的產物，可作為一種新的探測煤田火區的媒介，為煤田火區探測提供了新的理論與方法。文章探討了通過定向接收次聲信號判斷是否發火的可行性。首先提出地下煤層燃燒次聲發生機理，推導煤火次聲頻率特性表征方法，然后提出次聲探測煤田火區的技術路線并總結關鍵問題。

關鍵詞：次聲；煤田火區；探測

煤田火區在世界主要產煤國均普遍存在，中國干旱少雨的西部省區尤為嚴重[1]。煤田火災不僅直接燒毀大量的煤炭資源，而且對生態環境造成巨大破壞[2]。由于煤田火區存在于地下，為了高效的治理煤田火區，精準確定燃燒區域位置尤為關鍵。現有煤田火區探測方法由于受技術、經濟等條件制約。大多采用對燃燒高溫引起的間接異常進行探測，并非直接探測煤燃燒產物，易受環境干擾，造成對火區的遺漏與誤判。而現有資料與研究成果表明，在物質燃燒過程中，會有超低頻波段的次聲聲波產生，且是所有燃燒所共有現象。由于在次聲頻率范圍內，日常雜音少，所以可以很大程度上避免環境噪聲對探測結果的影響。所以可通過定向接收不同區域的次聲波信號，判斷是否存在煤田火區的存在。

1 煤田火區燃燒音頻特征

1.1 煤田火區燃燒音頻

煤田火災的發生與其他燃燒一樣，是一種劇烈的氧化還原反應，伴隨著發光、發熱、發聲。燃燒的過程也是能量釋放的過程，其中一部分能量以質量流（氣體、煙顆粒、氣溶膠等）形式釋放出去，另一部分則以輻射（光、熱、燃燒音）的形式表現出來[3]。燃燒音是能量輻射的一部分，燃燒音頻譜的分析表明其頻域成分很豐富，包括次聲波段、可聽波段和超聲波段[4]。所以，若想有效探測到煤田火區發出的燃燒音，就要選擇合適的波段，以最大限度的減少環境噪聲的干擾，同時需保證煤田火區的燃燒音中包含有此波段的聲音。在三個波段中，可聽波段的燃燒音最易日常雜音干擾且難以剔除，不易獲取有用信息。而在超聲波段，雖然日常噪音相較于可聽波段少，但是由于超聲波段的聲音容易被吸收，傳播距離近，在地面不能保證接接收到地下煤層燃燒產生的燃燒音。而次聲波段聲音不僅日常噪聲少[5]，而且由于次聲波波長較長，不宜被吸收，傳播距離遠，所以很容易由地下火區傳播到地表。且研究表明，所有燃燒均有次聲波段的聲音產生，僅聲波頻率不同。所以應采用次聲波段聲音作為探測煤田火區的媒介。

對于燃燒音的產生機理，通過對現有研究成果的總結，認為煤田火區燃燒音的產生機理有三種可能，分別是空氣振動、分子碰撞和聲發射。在煤田火區中，三種產生原因均有存在可能。

1.2 煤田燃燒次聲特征頻率

次聲波的傳播速度與普通聲音一樣，在20℃的大氣中為334m/s。由于次聲波長長，容易發生衍射，在傳播過程中遇到障礙物很難被阻擋。并且次聲波具有極強的穿透力，可以穿透大氣、海水、土層、鋼筋混凝土構件，還能穿過鋼板、鐵甲，甚至飛機機殼、艦艇、坦克等[6]。根據次聲的特點，目前次聲已在武器、監測、工業、醫療等眾多領域發揮著重要作用。

對于次聲在火災探測領域中的應用，已有一些相關研究，但僅限于消防火災。如William Grosshandler 等人[7]于1993年就開始對利用聲學特性對火災進行探測進行研究。而到1994年日本東京消防廳消防科學研究所[8]利用火災的聲學特性完成了燃燒音火災探測系統樣機的研制工作，并進行了技術改進以及新樣機的實驗驗證。Alfred J. Bedard Jr等人[9]在對木材回收倉庫的火災進行監測時發現，燃燒最強烈時監測到的次聲頻率在1-2HZ之間，在燃燒后期，頻率在1-4HZ之間。2012年東華大學碩士研究生蔣靜學[4]對基于燃燒音的火災探測系統進行了研究與設計工作，其燃燒實驗也再次驗證了次聲波段燃燒音的存在。

對于煤田火區燃燒音的特征頻率，根據徐伯樂[10]、Alfred J. Bedard Jr[11]等人研究成果，推測煤田火區穩定燃燒時的最強次聲頻率滿足算式（1）：

式中，D為火源的等效直徑（m），k為影響因子。

通過以上的總結發現，雖然次聲在很多領域已有成功應用，但是在火災探測領域的基礎研究與現場應用均比較潰泛。而在煤田火災探測領域的研究尚屬空白。鑒于次聲探測的優點，值得對次聲在煤田火災探測領域進行深入研究。

2 次聲探測煤田火區研究技術路線

為了準確有效利用次聲探測煤田火區，尚有許多工作需要完成。首先需要研究清楚煤在地下不同狀態下燃燒產生次聲波的頻率域，然后是如何排除無關噪聲提取出有用信息，最后是對煤田火區的圈定。所以若需達到通過次聲探測煤田火區的目的，主要有以下三部分工作需要完成：

（1）了解地下火區燃燒產生次聲波頻率域，這樣需要實驗環境需要盡量接近地下火區燃燒條件。以免實驗結果與現場接收頻率域不一致，造成遺漏。

（2）由于燃燒次聲向各個方向傳播，所以采用開放式次聲傳感器也會接收到來自各個方向的次聲信號，這樣就達不到定位火源位置的目的。所以需要采用指向性次聲接收裝置，僅接受特定方向的次聲信號。

（3）為了濾除噪聲干擾，鑒于只采用特定次聲傳感器進行濾波可能不能完全達到理想效果，還需采用低通濾波器進一步輔助排除噪聲干擾。

根據以上研究內容，建立技術路線圖為：實驗采集分析開放空間煤燃燒次聲信號→實驗采集分析受限空間煤燃燒次聲信號→實驗模擬地下煤燃燒環境，并采集分析次聲信號→設計煤田火區次聲信號探測系統→煤田火區現場應用。

截至目前，我們已初步設計了接地型煤田火區次聲探測系統，圖1為探測系統裝置連接圖。次聲接收裝置采用內部抽真空的兩半球組成，次聲信號傳感器3位于球心偏上，這樣不僅可以完全隔絕地上半空間次聲信號干擾，還可以對地下次聲信號起到一定程度的增強作用。次聲信號經過前置放大器的信號放大后經由低通濾波器的處理存儲到存儲介質，最終經過專業軟件處理分析，判斷測點下方是否存在煤層燃燒。

3 結束語

現存的煤田火區主要有直接方法和間接方法兩大類，直接方法通過對煤燃燒直接產物如CO、SO、CO2或熱輻射進行探測，此方法具有直接的特點，但是特征氣體易受裂隙等干擾，而鉆孔測溫無法大面積實現。間接方法通過測定煤層燃燒引起的圍巖體電、磁等異常，判定是否有火區的存在，此方法易受探測地點地質條件的干擾，造成誤判或者漏判。

次聲信號作為燃燒所共有的特征，是燃燒的直接產物，且可以在地表被探測到，在煤田火區探測方面具有巨大潛力。但是同時也存在很多尚未解決的問題。煤田火區燃燒次聲的頻率域、信號的接收、處理、以及判定條件，都需要一一研究解決。

參考文獻

[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]程曉舫，王瑞芳，張維農，等.火災探測的原理和方法（上）[J].中國安全科學學報，1999，9（2）：1-5.

[4]蔣靜學.基于燃燒音識別的火災探測系統的研究與設計[D].東華大學，2012.

[5]程曉舫，王瑞芳，張維農，等.火災探測的原理和方法（下）[J].中國安全科學學報，1999，9（1）：1-5.

[6]童娜.次聲的特點及其應用[J].聲學技術，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，程曉舫.燃燒音火災探測器[J].消防技術與產品信息，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. IGARSS'02. 2002 IEEE International， 2002[C].IEEE.

[10]徐伯樂，李元洲，毛少華，等.西藏高原環境下油池火的燃燒速率和振蕩頻率[J].燃燒科學與技術，2011，17（3）：231-236.

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

作者簡介：宋吾軍，碩士研究生，研究方向：地下煤田火區探測。