发展煤炭地下气化是世界煤炭开采的研究方向之一,是从根本上解决传统开采方法存在一系列技术和环境问题的重要途径。采用先进的煤炭地下气化技术来达到煤炭的清洁高效利用,可以保障我国能源供应,协调解决煤炭利用效率和生态环境问题。在煤炭地下气化时必须了解地下气化炉的燃烧状态,才能对地下煤的燃烧进行控制。如何监测地下气化炉的变化以及发展趋势,对气化过程中保证出产煤气质量、维持地下气化炉温度、避免燃空区覆岩层掉落与地面塌陷等方面是一个关键问题。因此,使用一种有效可行的获取地下气化炉温度场分布的测量技术,对煤炭地下气化的稳定控制有着至关重要的作用。本论文以国家自然科学基金项目“气化采煤中气化炉温度场获取壤中氡方法研究”(41204133)为依托,在对国内外煤炭地下气化温度获取方法和系统调研的前提下,基于地下气化炉燃烧区上方壤氡异常形成模型,研制了一套多参数壤氡静电累积法α能谱实时测量系统,设计了一套地下气化炉温度场获取壤氡方法,根据这一壤氡方法的工作流程,在内蒙古乌兰察布煤炭地下气化基地内进行了现场应用。论文最终取得了如下主要研究成果:1、通过氡释放模拟试验和氡运移模型推导相结合的方式建立地下气化炉燃烧区上方壤氡异常形成模型。该模型对煤炭地下气化引起地表壤氡异常的正演过程进行了论述,解释了地下气化炉温度场获取壤氡测量的可行性,并得到煤炭地下气化燃烧区地表测氡试验的验证。发现了地下气化炉温度与地表壤氡异常的一些相关规律,为地下气化炉温度场获取壤氡测量技术提供了理论依据和实践基础。2、提出采用基于物联网的多参数阵列式多测点同步壤氡静电累积α能谱实时测量的方法来研究地下气化炉的燃烧状态。根据地下煤气化开采过程中壤氡测量需要实时连续高灵敏度等特点,研制出基于物联网的反映异常能力实时性强、稳定性好、灵敏度高、阵列式多测点同步测量的多参数壤氡静电累积法α能谱实时测量系统。该系统具有以下特点:1)阵列式多测点同步测量,有利于增加不同测点测量数据的可比性;2)壤氡静电累积法,有利于增加测量信息量,降低放射性统计涨落的影响,同时能够实时监控壤氡变化,便于对地下煤气化炉的燃烧过程实时监控;3)α能谱测量,提高实时反映异常能力,更容易反映氡异常滞后地下煤层温度变化相关信息,同时也能得到氡及其子体的信息,从而识别异常是否来源于地下深部;4)多参数实时测量,可修正多种因素对壤氡测量值造成的影响,提高了后期分析数据的质量;5)通过物联网技术将多个传感器信息组网融合,达到对气化炉状态参数的实时管理;6)提出基于静电累积法测氡的温湿度自动修正方法。利用实时测量到的各测点壤中温湿度,对相应的实时壤氡测量值进行自动修正。3、设计了一套地下气化炉温度场获取壤氡方法。该方法流程包括地表壤氡异常分布获取、壤氡相对变化率时间序列滤波、测氡数据时间校正、确定地表壤氡与地下气化炉温度之间的关系、地下气化炉温度场的反演等一系列过程。这一方法流程具有以下创新点:1)在模拟试验的基础上,针对煤炭地下气化工作的特殊性,提出了基于趋势面分析的壤氡相对变化率提取法。2)借鉴了小波滤波方法在伽玛能谱处理的应用情况,将小波滤波方法应用于壤氡相对变化率时间序列的滤波上。3)针对煤炭地下气化,提出对壤氡测量进行时间校正,真正做到壤氡数据实时测量,为确定气化采煤进程中壤氡异常实时变化规律,进而为得到在不同时间地下气化炉的温度场创造条件。4)利用结合主成分分析法的神经网络方法,确定地表壤氡与地下气化炉温度的关系,并以此关系实现了煤炭地下气化温度场的反演。在测量数据特征信息提取方面,采用主成分分析法提取特征值构建特征向量,构成阵列式壤氡多参数测量值的特征信息矩阵,增强了弱异常信息的提取能力。综上所述,论文完成了地下气化炉温度场获取壤氡测量技术的深入研究,设计和实现了一套多参数壤氡静电累积法α能谱实时测量系统,对地下气化炉温度场获取壤氡方法进行了研究,设计出一套地下气化炉温度场获取壤氡方法流程,实现了地下气化炉温度场实时、稳定、灵敏、多点同步监测,为煤炭地下气化过程的稳定控制提供了技术支持和科学依据。