【摘 要】 煤矸石是煤矿开采和选煤过程中产生的固体废弃物，含有有机物和黄铁矿（FeS2），可被空气中的氧气氧化并释放热量，随着热量的积聚，矸石会发生自燃及爆炸现象。煤矸石山温度场的准确测量是预防煤矸石山自燃或爆炸的重要前提，本文确立了煤矸石山表面温度场测量方法，并在现场应用测量中得到准确的数据。
【关键词】 煤矸石山；温度场；红外热像仪；测量测绘
【中图分类号】 TD75 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0053-03
随着社会经济的快速发展和人们安全环保意识的不断加强，煤矸石山已经越来越成为环保部门关注的焦点和煤炭企业面临的棘手问题。我国煤矸石的总积存量已达到了80亿吨大关，并且煤矸石总量还在以1亿吨每年的速度增长，形了1100多座煤矸石山，占地11万多公顷。煤矸石山自燃及爆炸等危险事故的频繁发生，给企业的安全生产和职工的健康带来了巨大的威胁。
1煤矸石山的内部产热与散热平衡
温度是衡量煤矸石山爆炸的重要指标，为此，分析煤矸石山内部产热及其是否达到散热平衡是控制事故发生的重要标准。当煤矸石山达到一定的体量，内部矸石的有机物和黄铁矿（FeS2）开始氧化并释放热量，并且向外散热，并达到平衡，如果热量积聚，矸石温度升高至矸石燃点，即会发生自燃或爆炸。
煤矸石内部产热的计算方法即煤矸石的放热强度由煤矸石包含的残煤煤屑的放热强度来计算，我们参照煤矿煤层的煤放热强度和温度的关系，利用回归分析方程可得温度与放热强度的关系，基本可分为三段线性关系q=a+bT（a，b取值見表1），其中q为放热强度，T为温度。
2煤矸石山的灾害控制及温度场的测量方法
预防煤矸石山的自燃问题是重要课题，国内外对煤燃烧和硫化矿石燃烧的研究表明：燃烧主要表征参数是温度，因此，利用温度的探测确定着火点的位置是合适的，所以，煤矸石山表面和深部温度场的监测就成为自燃煤矸石山治理的基础和关键。掌握煤矸石山温度场的有效数据，尤其是在煤矸石山形成一定规模的情况下，根据煤矸石山的内部传热规律，掌握煤矸石山的表面温度场测量方法，对煤矸石山自燃灾害的预防和治理有着重要的意义。
对矸石山表面各温度点的空间位置确定主要采用地形图测绘技术，煤矸石山表面温度场测量的难题在于：红外热像仪测量煤矸石山表面温度时的测点布设及测点数确定；红外热像仪与空间信息获取的测绘技术的耦合；煤矸石山地貌特征，尤其是难以到达区域的空间信息的获取；红外热像仪的平面像片与煤矸石山表面曲面的耦合，任意温度点的空间信息求取。为解决上述难题，研究煤矸石山表面温度场测量方法，将全站仪地形测绘技术和热红外成像技术耦合，其中全站仪地形测绘方式可以建立更加精确的三围立体坐标，并有效地保证在测绘过程中的准确性，热红外成像技术可根据所研究目标及其背景各部分之间的温度差或热辐射差来发现目标，从而实现煤矸石表面温度的快速测量及温度场空间位置的准确定位。
3煤矸石山表面温度场测算方法使用与评测
山东某煤矿井位于兖州煤田中部的东面，设计年生产能力为400万吨。该矿东北部煤矸石山已初具规模，对煤矿生产及环境造成影响并产生隐患。将全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法应用于本矿煤矸石山，测量过程如下：
区域和像幅划分：进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，根据红外热像仪像幅的大小，将煤矸石划分为若干区域，每个区域对应红外热像仪的一个像幅，由此可计算出矸石山区域数和红外成像的像幅数。为保证精度，各像幅之间的边缘重合，保证重合率为像幅面积的5%-10%的重合率。
区域标志点布设：在划分好的区域内布设区域标志点，每个区域设立至少5-6个标志点，用来确定像幅空间坐标信息。区域标志点设立要求：在区域4角各1个，区域中间1-2个。另外，根据地形适当增加区域标志点个数。增加区域标志点的设立要求：在区域内地形起伏的高点和低点增加1-5标志点。根据像幅与区域的对应关系，利用投影原理，将区域内布设的区域标志点投影到像幅内的相应位置，称作为像幅标志点。
图根控制网建立：在区域标志点设立的同时，建立图根控制网。根据煤矸石山的地形特点选取多个野外测量时仪器的架设点作为图根控制点，并使每个像幅中至少有一个图根控制点；利用已知控制点（煤矸石山所在地区的已知空间坐标信息的点）使用全站仪获取图根控制点空间坐标信息。所有图根控制点及其坐标信息组成图根控制网。同时进行野外观测，以获取区域内标志点的空间坐标信息。
数据处理：以上内容主要为野外作业，在野外作业的基础上需要室内数据处理，以期获得煤矸石山表面温度场信息，主要是在热红外图像上选取15-30个表面温度特征点，表面温度特征点包括已经获得空间坐标信息的标志点和表面温度起伏的高点和低点，如图1所示，包括：图中标示▲的a、b、c、d、e、f6个红外图像上与该像幅对应区域的像幅标志点；标示●的20个表面温度起伏的高点和低点。在热红外图像上获取所有表面温度特征点的表面温度信息，同时利用像幅对应区域内标志点的空间坐标信息，通过插值法获取所有表面温度起伏的高点和低点的空间坐标信息；最后利用各表面温度特征点的表面温度和空间坐标信息绘制煤矸石山表面温度场。
表面温度特征点空间坐标信息求取：如图2所示的区域内6个标志点的空间坐标信息通过测量直接获得；20个表面温度起伏的高点和低点的空间坐标位置根据这些点与像幅标志点位置的相互关系，结合像幅标志点对应的区域标志点的空间坐标信息，利用插值法得到像幅中任意表面温度特征点的空间坐标信息。如图1所示。
P点为区域内需要求取空间坐标位置的20个表面温度起伏的高点和低点中的一点，p为P对应在热红外图像上的点。计算过程如下：p、a、b、c、d、e、f为像幅内表面温度特征点，分别对应区域内点P、A、B、C、D、E、F。表面温度特征点的平面坐标信息（x，y）可以通过红外热像仪中的图像处理程序得到，说明如下：p为需要求取空间坐标信息的表面温度特征点。p包含在由a、d、e像幅标志点组成的三角形内，按照对应关系，P包含在区域标志点A、D、E组成的三角形内。像幅标志点a、d、e和p点的平面坐标信息（x，y）和区域标志点A、D、E的空间坐标信息（X，Y，Z）已知，根据三点确定一个平面的原理，由公式可以计算出区域内P点的平面坐标信息（XP，YP），同时计算出P点的高程ZP，最终获得P点的空间坐标信息（XP，YP，ZP）。其他各表面温度的高低起伏点的空间坐标位置按上述相同原理得到。使用该方法对该矿矸石山的实际情况进行测量，下表2为实际测量得出的温度值，图3为利用以上技术对测点在三维上的相对位置的温度表现。
通过现场测量与新技术应用对比，分析数据结果可以看出在利用全站仪地形测绘技术和热红外成像技术对煤矸石山温度场进行探测时，实测值测得的范围值与热红外测得的基本吻合，误差相对较小，接近真实的温度值，可以满足煤矸石山温度监测的需求。由此可以看出全站仪和红外热像仪在煤矸石山表面温度场测量方法中的应用具有快速测量煤矸石山表面温度场的特点，其地形测绘中的图根控制点布置与红外热像仪温度测量的需要相结合，不同于一般地形测量控制点的布设方法，在温度测量的同时利用全站仪测量标志点空间信息。首次实现煤矸石山表面温度场的监测，为发现矸石山着火点和潜在着火点以及有效治理矸石山提供基础信息。
4结论
煤矸石山温度场的准确测量是预防煤矸石山自燃或爆炸的重要前提，针对目前测量方法弊端明显问题而提出的全新煤矸石山表面温度场测量方法，对于实現煤矸石山温度场的高效准确测量有重要的参考价值，随着测量测绘技术的发展，今后还将在这些方面做更加深入的研究。
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