矿山隐蔽火源气体太赫兹光谱及多孔围岩内辐射传输特性

矿山隐蔽火灾严重威胁我国矿业安全生产，为解决现有探测技术不能准确定位火源的重大问题，实现矿山火灾的有效定点治理，本项目采用理论分析、数值模拟、实验测量相结合的方法，针对自燃火灾不完全燃烧高温气体产物的太赫兹光谱特性、岩石土壤对太赫兹辐射的衰减作用及含火源多孔围岩介质内太赫兹辐射传播与响应特性进行系统研究，揭示矿山隐蔽火源太赫兹光谱吸收特性与火烧区典型岩土光谱衰减特性受温度、压力及孔隙结构等因素影响的变化规律，阐明太赫兹波在吸收、散射性多孔围岩介质内辐射传播机理及自燃火源的太赫兹探测光谱响应机制，结合太赫兹波特点提出一种非接触式检测矿山隐蔽火源的全新思路，为实现矿山火灾有效探测技术奠定理论基础和科学依据。

为解决地下自然发火煤层不能准确判断火源位置，不易有效定点扑灭的关键问题。本项目提出利用煤自燃产物的太赫兹特性辨识地下隐蔽火源的方法，达到对矿山灾害非接触式精确探测定位的目的。在项目执行期间，本课题组围绕煤自燃标志性气体及围岩介质的太赫兹光谱特性、煤火热动力发展过程中标志性气体运移规律及太赫兹波辐射传播与响应特性等关键科学问题开展了系统性研究工作。.本项目对煤矿隐蔽自燃火灾产生标志性气体的太赫兹吸收光谱特性开展了实验和理论研究。利用时域太赫兹光谱方法获得火灾气体产物在太赫兹频谱范围内的转动光谱，分析了标志性气体太赫兹光谱特性。以大气分子毫米波段光谱数据库为基础，根据原子分子量子力学和辐射吸收理论采用逐线计算及窄谱带统计方法建立了自燃火灾标志性气体的太赫兹光谱特性模型并分析其影响因素，设计了监测煤自燃标志性气体浓度的频域太赫兹装置，建立了煤自燃不同阶段标志性气体浓度的在线检测方法。利用太赫兹测量结合介质辐射理论获得了煤岩介质的太赫兹波辐射物性参数，分析了不同条件下松散围岩的光谱散射、衰减特性。多次在自燃发火煤矿开展现场调研，采用地球物理、化学探测等手段对地下大面积煤自燃火灾的发火位置、蔓延范围及动态发展趋势进行了实地测量，掌握了地下隐蔽煤火的特性及发火规律。考虑多孔介质内贫氧渗流、煤氧化、产气扩散等作用建立了采动后遗煤及围岩混合介质内有限化学反应及非稳态移动热源条件下的流动、传热、扩散多场耦合模型，获得了煤自燃火灾发展过程中标志性气体的产生及运移变化规律。考虑光学吸收、发射、散射作用分别采用球谐函数方法建立了非灰参与性多孔介质内太赫兹波辐射传输数值模拟方法，分析了煤自燃气体的太赫兹辐射在围岩介质中传播及衰减特性。设计了工作面灾变时期标志性气体井-地太赫兹监测系统，并研究了分布式探测单元最优化设计方法。.研究结果揭示了利用煤自燃标志性气体产物的太赫兹光谱特性实现浅藏自燃火源非接触式检测方法的可行性，为自燃发火煤层的有效探测和精确定位方法提供了理论基础和科学依据。在本项目的资助下，课题组发表国际期刊论文10篇，其中SCI源期刊论文9篇；出版学术专著1部，申请并授权国家发明专利2项，达到了课题预期的研究目的。.