《煤自燃隐蔽火源声学探测理论与技术》系统阐述了煤自燃隐蔽火源声学探测的基础理论与关键技术，围绕采空区松散煤体自燃高温点精准探测难题，深入分析了声波在松散煤体中的传播规律、温度响应特性与感温机制。《煤自燃隐蔽火源声学探测理论与技术》从松散煤体基础特性出发，构建了声波测温理论模型，优选了适用于松散煤体测温的声源信号，提出了基于小波抑噪的信号提取与温度场重建方法，*终实现了松散煤体自燃温度场的声学重建与精准探测。《煤自燃隐蔽火源声学探测理论与技术》突出多学科交叉融合特点，兼具理论深度与实践指导性，可为我国煤矿隐蔽火源探测提供新的技术途径与理论支撑。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 松散煤体自燃高温点探测技术 2
1.2.2 声波在不同介质中的传播特性 5
1.2.3 声学法测温理论和技术的发展 7
1.2.4 声学法测温的应用 8
1.2.5 存在的问题 10
1.3 本书主要内容 11
第2章 松散煤体基础特性研究 13
2.1 工业分析 13
2.1.1 实验方法 13
2.1.2 实验结果分析 14
2.2 松散煤体的空隙特征 14
2.2.1 工业CT实验设备 14
2.2.2 工业CT技术原理 15
2.2.3 样品制备与实验方法 16
2.2.4 松散煤体CT图像结果分析 17
2.3 煤的热物理特性 24
2.3.1 样品制备及实验条件 25
2.3.2 测试仪器及原理 25
2.3.3 实验结果分析 27
2.4 本章小结 31
第3章 松散煤体中声波传播路径研究 32
3.1 松散煤体级配特性 32
3.2 煤的力学特性 33
3.2.1 实验方法 33
3.2.2 三种煤样的力学特性 33
3.3 松散煤体饱和气体条件下声波飞渡时间 36
3.3.1 实验装置及测试过程 36
3.3.2 基于互相关法的声波飞渡时间计算 37
3.3.3 声波飞渡时间分析 38
3.4 松散煤体中声波传播路径 41
3.5 本章小结 41
第4章 松散煤体声波测温理论模型构建 43
4.1 声波测温基本原理 43
4.2 松散煤体声波测温模型建立 47
4.2.1 声波在松散煤体中的传播模型 47
4.2.2 声学法松散煤体测温模型 54
4.3 松散煤体声波测温影响因素分析 55
4.3.1 相对湿度对声波测温的影响 55
4.3.2 大气压对声波测温的影响 56
4.3.3 气体介质组分对声波测温的影响 57
4.4 本章小结 58
第5章 松散煤体声波测温声源信号优选 59
5.1 煤样吸声特性研究 59
5.1.1 吸声系数测试系统 59
5.1.2 实验测试过程及方法 62
5.1.3 不同煤样吸声性能对比 68
5.1.4 粒径对煤样吸声性能的影响 70
5.1.5 堆积厚度对煤样吸声性能的影响 72
5.2 松散煤体中声波衰减特性研究 75
5.2.1 声波衰减系数测试原理及方法 75
5.2.2 实验测试过程 78
5.2.3 不同煤样和粒径条件下声波衰减特性 80
5.2.4 温度对声波衰减特性的影响 81
5.3 声源信号发生形式优选 83
5.3.1 典型声源信号分析 83
5.3.2 扫频信号频带选择 87
5.3.3 不同信号长度对比 91
5.4 本章小结 92
第6章 基于优选信号的松散煤体温度测量 94
6.1 转换因子影响因素分析 94
6.2 声波传播时间测量方法 96
6.2.1 时延估计方法 96
6.2.2 信号的小波抑噪 101
6.2.3 基于小波抑噪的互相关算法 105
6.3 松散煤体声波测温实验 105
6.3.1 声波测温实验测试过程 105
6.3.2 松散煤体声波测温方法 106
6.3.3 环境相对湿度的变化 108
6.3.4 煤样转换因子的确定 110
6.3.5 不同煤样的声波测温结果 111
6.4 本章小结 113
第7章 松散煤体自燃温度场重建 115
7.1 声学法温度场重建基础理论 115
7.2 温度场重建常用算法 117
7.2.1 声学CT 算法 117
7.2.2 广义逆矩阵 120
7.2.3 Tikhonov正则化算法 121
7.2.4 代数重建算法 122
7.2.5 径向基函数算法 123
7.3 温度场重建补偿算法 126
7.3.1 速度场的补偿 126
7.3.2 温度场的补偿 129
7.3.3 温度场重建的补偿 131
7.4 空气条件下温度场重建 133
7.4.1 实验装置及条件 133
7.4.2 单峰温度场重建结果 134
7.4.3 双峰温度场重建结果 141
7.4.4 三峰温度场重建结果 146
7.4.5 空气温度场重建误差 151
7.5 松散煤体温度场重建 155
7.5.1 实验条件及过程 155
7.5.2 转换因子的确定 155
7.5.3 气体介质常数的确定 157
7.5.4 松散煤体温度场重建结果 158
7.5.5 松散煤体温度场重建误差分析 160
7.6 本章小结 161
参考文献 162

第1章 绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　煤炭是我国主体能源和重要的工业原料。国家统计局发布《中华人民共和国2025年国民经济和社会发展统计公报》显示，2025年全国原煤产量48.5亿t，比上年增长1.4%，煤炭消费量增长0.1%。虽然在“双碳”目标的影响下，能源结构不断优化调整，但是鉴于我国富煤、贫油、少气的能源禀赋，以煤炭为主的能源结构短期内难以根本改变[1，2]。相关研究表明，到2030年、2050年我国煤炭消费占比仍将维持在50%、40%左右[3，4]。因此，煤炭依旧是支撑我国经济、社会高速发展和保障国家能源安全的压舱石与稳定器，承担着能源保供与支撑新能源稳定发展的重要使命。
　　煤炭在各个领域都发挥着极其重要的作用，化工、冶金及电力等行业对煤炭需求的增加，使得煤炭的开采强度和深度不断加深。然而，我国煤层赋存地质条件复杂多变，易自燃煤层分布广泛，加之煤炭自身显著的低温氧化特性，导致煤炭在开采过程中自燃火灾事故频发。煤炭自燃不仅造成宝贵资源的巨大浪费[5，6]，而且自燃过程中会产生大量有毒有害气体，包括一氧化碳、二氧化碳、含硫气体及一系列含氮气体，其中多数成分属于温室气体范畴，会带来大气污染、酸雨增多、气候变暖等严重的环境问题[7-9]，同时还会引发瓦斯和煤尘爆炸等重特大事故，严重危及井下人员的生命安全(2013年吉林八宝煤矿“3 29”事故，由采空区煤自燃引发多次瓦斯爆炸事故，造成36人遇难)。煤自燃现象，本质上是在煤与氧气发生化学反应并持续释放热量的过程。这一过程主要受三个因素制约：煤的低温氧化特性、漏风供氧条件与蓄热环境[10，11]。煤自燃高温点往往产生于采空区内部，煤岩体的导热性较差，导致煤自燃发火过程具有较强的隐蔽性。因此，松散煤体高温点的精准判定是有效防治煤自燃灾害的关键。现有的温度探测法、地质雷达法、气体分析法、电阻率法、测氡法、电磁法等探测方法，限于自燃环境复杂和监测技术瓶颈等因素，均难以快速准确地判定松散煤体自燃高温区域的位置或范围，因此煤自燃隐蔽火源的精准探测至今仍是一个亟待解决的难题。为此，亟须探索一种新的用于解决松散煤体自燃高温点精准探测的方法。
　　声学温度探测技术作为一种基于声波传播特性的新型测温手段，其核心原理在于通过解析声波在介质中传播速度与温度之间的关系来实现温度场的测量。该技术具有非侵入性、分辨率高及适用于复杂环境等显著优点[12-14]，已被成功应用于粮仓、工业锅炉、堆积物料等领域的温度监测，也为采空区隐蔽火源的精准探测提供了新方法。然而，采空区垮落带由遗煤、碎块岩体等多种松散介质混杂组成，介质粒径分布不均且孔隙结构随机多变，导致声波在传播过程中发生多路径反射、散射及能量衰减，传播规律较均匀介质更为复杂；同时，现有声学温度场重建方法多基于均匀介质假设构建，难以适配采空区非均质、多界面的介质特性，无法满足煤自燃高温点精准探测的需求，这些问题严重制约了声学温度探测技术在煤自燃防治领域的实际应用。
　　因此，开展松散煤体自燃隐患声波感温探测基础研究，既是对声学法温度场重建技术应用领域的拓展，又是非接触式松散煤体隐蔽火源探测新途径的一种探索。研究成果能够为采空区自燃高温点精准探测提供科学依据和技术支撑，对提升矿井煤自燃灾害防治技术水平有着十分重要的理论价值和现实意义。
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 松散煤体自燃高温点探测技术
　　采空区高温火源精准探测是煤自燃灾害防控的关键，也一直是亟待解决的难题。长期以来，围绕煤自燃信息特征，基于不同的探测原理，已形成并应用的煤自燃火源探测技术主要有测温法、气体分析法及智能数值计算法等[15-18]。
　　1.测温法
　　在煤低温氧化过程中，温度是判定煤是否具有自燃趋势的*直接、*可靠的指标，得知煤体温度场分布就可以确定内部高温点的位置，煤自燃高温点探测方法主要有温度传感器测温法[19]、光纤测温法[20]、红外测温法[21]、无线传感器测温法[22]。
　　温度传感器测温法是通过将常用的温度传感器(热电偶、热电阻等)埋入煤体中，通过连续监测内部温度的变化，根据传感器采集到的温度进一步确定煤自燃的危险程度及高温点的位置[23]。
　　光纤测温法是通过光源发出散射光信号，经放大后由光纤传输至远端的热敏传感器，受温度的影响反射回携带温度信息的脉冲光信号，从而实现远端温度的测量[24，25]。该技术抗干扰能力强，能够精准探测变化不定的温度，通过在松散煤体内部提前放置光纤温度传感器进行实时监测，可以对煤自燃危险区域进行测温，从而确定煤堆内自燃高温点的位置及温度。陈文科等[26]采用光纤温度传感器作为测温探头，同时利用单片机与LabVIEW平台相结合的软件系统，实现了松散煤体内部温度的实时监测。马恒等[27]通过在煤仓埋入温度传感器，利用单片机进行温度数据采集，对其温度场分布实现了实时显示。白永强[28]介绍了分布式光纤测温技术原理，针对储煤场的分布特征，提出了一种煤堆温度智能监测方案。伦利等[29]、吴迪等[30]通过对现场实际情况进行分析，开发了针对松散煤体的分布式光纤测温系统，实现了温度的实时连续检测。Green等[31]通过将不锈钢管插入煤堆内部，分别使用不锈钢热电偶和抽气装置对煤堆内部温度和气体进行了监测。曹现刚等[32]以K型铠装热电偶作为温度传感器，采用Advantech WebAccess软件构建了温度监测系统，实现了对储煤仓内松散煤体温度的实时监测。吴文臻等[33]针对封闭式煤仓经常发生自燃的情况，提出了一种可以连续监测松散煤体内部热点温度、位置及区域的系统(Senkox HSD？101)。Viveiros等[34，35]利用光纤传感系统对煤矸石堆的温度和气体进行了连续监测，从而确定煤矸石堆自燃过程的动态变化。张屹华等[36]针对储煤仓内粉煤堆的自燃状况，发明了一种粉煤堆内部温度监测装置，提高了温度监测的效率。
　　温度传感器测温法和光纤测温法都是直接用于测量煤体温度的方法，应用*多的是通过提前预埋温度传感器或光纤传感器，直接获取松散煤体的温度[37]。这种方法虽然具有稳定性强、测温精度高、可连续监测，能够实现原位探测，测量温度可以直接反应松散煤体的自燃状态等优点，但是由于测温前需要提前进行监测点传感器的布放，传感器探头所测的温度范围很小，要实现全区域温度分布监测十分困难。因此，该方法在测温可靠性和高温定位上存在不可避免的局限性。
　　红外测温法是通过应用红外探测仪和红外热成像仪吸收被测物体发出的红外辐射来测定物体表面温度。该测温技术监测范围大，能够连续快速监测煤体表面温度范围。同时，国内外部分学者利用红外测温技术，以传热学和煤自燃理论为基础，反演隐蔽火源的强度和位置，从而实现煤自燃隐患的识别[38-40]。谷红伟等[41]针对露天煤垛，设计了一种非接触式红外成像温度在线监测系统，实现了多煤垛温度同步监测，有效防止煤自燃事故的发生。朱向东等[42]探讨了传统煤自燃监测手段与红外热成像技术的优缺点，阐述了红外成像技术的基本原理，研究了红外成像技术在港口煤堆自燃监测中的应用。裘丛杰等[43]通过分析煤场中煤体发生自燃的原因以及煤场监测的关键点和难点，提出了应用红外热成像技术对煤场进行监测的方法，构建了一套煤场自燃监测系统。李四清等[44]利用红外热像仪非接触式测温的特点，将人工智能与红外热成像监测技术相结合，构建了煤自燃在线监测预警系统，实现了煤自燃的早期发现和灭火控制。黄超等[45]基于现有煤自燃监控装置存在的不足，发明了一种能够实时监测煤体温度的智能化红外温度监测系统。王玉婷等[46]针对条形封闭煤场自燃的原因和特征，设计了一套红外热成像温度监测系统，实现了煤自燃的早期预警。Wang等[47]针对排土场中煤矸石堆自燃的问题，提出了将全球定位系统(GPS)与红外热像仪相结合的监测方法，详细研究了控制网的设置原则、热像图中提取空间坐标的方法及数据处理步骤。王艳春等[48]根据圆形储煤场的特点，研究了一种无死角红外测温技术，用于预防圆形储煤场火灾的发生。Carpentier等[49]根据煤矸石堆自燃的特点，利用地形、热像图和大气测量相结合的方法，开发了一种用于监测煤矸石堆自燃的红外热像监测系统。红外测温法主要用于探测物体表面的温度，它的测量取决于物体表面的物理结构、热辐射及化学成分等因素，同时要求红外测温仪器与被探测物体之间不能存在障碍物，所得的温度数据受外界环境影响较大[50-52]。因此，红外测温法无法实现对松散煤体内部温度的监测。
　　无线传感器测温法是在温度传感器测温法的基础上引入无线传感器自组网技术，将所测得的物理量转变为无线电波并使接收机接收，接收后的电信号被转换为用物理量表示的温度值[53]，以实现对煤体温度的实时监控，该方法具有很高的可靠性和适用性。为此，国内外已经将该技术应用于煤矸石堆火源定位监测、煤矿安全监测、煤炭储存温度场监测等方面，同时开展了相关技术的开发与研究[54，55]。Wang[56]和肖葵[57]采用无线传感器自组网技术，对储煤场中的煤堆内部温度进行监测，对预防煤自燃起到了至关重要的作用。Li等[58]设计了一个基于多层“紫蜂”(Zigbee)技术的无线传感器网络，通过该网络可以快速获得与煤自燃发火有关的实时温度等参数，并提出了一种高效的温度点云生成方法，从而很容易得到煤体的温度分布。Wasilewski[59]通过部署一个带有温度探头和气体收集器的无线监测系统，监测煤矸石堆温度和气体的变化，提出了一种用于监测大面积煤矸石山火灾危险性的有效方法。Cao等[60]开发了一套具有温度探测、高温感应、连续采集及远程操控等功能的无线传感器远程监测系统，实现了煤自燃火区的远程监控控制。蔡可健[61]针对露天煤堆发生自燃的情况，设计了一种多点无线温度监测系统，克服了有线测温的缺点，实现了多点式的循环测温，有效提升了煤炭存储的安全性。王建军等[62]通过对影响煤自燃的因素进行分析，结合煤仓中煤自燃的特征指标，设计了一种通过监测煤仓危险区域的特征信息从而判定煤自燃程度的无线监测方法，实现了煤自燃危险区域的实时监测预警。文虎等[63]针对电厂储煤仓存在的自燃问题，开发了一种用于监测温度和气体浓度异常的无线监测装置，从而实现了煤自燃危险程度的判定。朱成杰等[64]依据无线传感器网络技术，研制了一种用于监测煤仓内一氧化碳浓度的监测系统，能够实现储煤场所煤炭自燃的早期预防。无线传感器测温法具有应用灵活、可靠性和适用性强的特点，但是该装置的测温方式比较单一，由于煤的导热系数较低，高温点的位置若不在探测点的附近，很难判定出煤自燃危险程度。如果想要准确判定煤自燃高温点的位置，则需要大量布置无线感温传感器，但是多探点布置会导致安装及维护工作量大，同时探测精度还会受到无线发射信号的影响，不利于现场的实际应用。
　　2.气体分析法
　　美国、日本等国家*早开展气体分析法的研究，由于煤在自燃过程中煤氧反应会产生指标气体(CO、C？H？、C？H？、C？H？等)[65-67]，气体分析法通过分析这些气体浓度、产生速率和比值等特征参数，进而对煤自燃发展过程做出预报[68，69]。指标气体分析法可以分为两种：一种是根据自燃所产生指标气体的浓度直接进行预测预报，另一种是根据不同指标气体之间的比值或者指标气体组分的变化规律进行预测预报。周瑞强[70]通过对筒仓监测装置进行研究，设计出一套对煤自燃释放可燃气体的监测方案，从而实现筒仓煤自燃的早期预警。崔丕桓等[71]通过对筒仓储煤自燃因素敏感性分析，得出CO体积分数与储煤温度的相关性，从而根据筒仓保护监测装置检测到的CO浓度确定储煤自燃的危险程度。王敏等[72]利用程序升温装置测试了煤自燃全过程中各种指标气体的产生率，通过煤堆上的钻孔采集内部的指标气体，与温度信息进行对比分析，确定了煤自燃危险区域。Niu等[73]通过对煤样进行实验测试，获得了不同温度下的气体浓度，分析了各指标气体浓度