CN105372699B - 一种确定煤田采空火区次声探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定煤田采空火区次声探测的装置及方法，装置包括：地下半空间次声收集与放大构件/组建、次声传感器、前置放大器、低通滤波器、数据记录仪、计算机、数据传输线。本发明通过内部抽成真空的双层半球装置屏蔽地上半空间信号，利用与地下半空间次声收集与放大构件/组建相连的次声传感器接收地下半空间次声信号。次声传感器输出信号经数据线传输至前置放大器处理后经数据线传输至低通滤波器，滤除20HZ以上音频信号，经过滤波的信号传输至数据记录仪，最后将数据记录仪中数据输入计算机通过软件计算分析，从而圈定煤田燃烧火区。其结构简单、操作方便、探测精度高。

Description

一种确定煤田采空火区次声探测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种煤田采空火区次声探测圈定装置及方法，属于煤田火区安全领域，尤其适用于对煤田采空火区的探测圈定。
背景技术
在我国新疆、内蒙古、山西、宁夏、甘肃、青海等省(自治区)存在大量的煤田火区。大量煤田火灾的存在不仅直接烧毁不可再生的煤炭资源，还间接造成数十倍的呆滞资源不能开采，并直接威胁煤矿的安全生产和当地的生态环境与地下水资源。据不完全统计，我国每年因煤火烧损煤量达1000万t，经济损失超过200亿。为实现煤火的高效治理，减少资源的损失和对环境的污染，对火区的有效探测是关键。
国内外用于煤田火区探测的方法主要有钻孔测温法、磁法、测氡法、气体测量法和遥感法等。钻孔测温法通过在火区施工钻孔后，采用热电偶、红外测温仪等测温仪器测试钻孔内温度，根据钻孔温度的高低来判别火区的分布与发展程度；该方法是一种最直接的方法，但由于煤岩的导热性较差，为实现火区的较准确探测，需在整个探测区密集施工钻孔(一般孔距小于10m)，其工作量大，成本高；磁法通过探测火区烧变岩生成的热剩磁来圈定火区边界，但烧变岩一般只有在温度高于400℃后才能产生显著热剩磁，对于400℃以下的区域由于其生成的热剩磁较低，导致探测精度较差；因此，该方法无法满足400℃以下区域的探测要求。测氡法通过对探测区氡元素的探测判别煤田火区的分布情况，认为氡元素的浓度越大火区发展程度越严重，但是在实际探测过程中氡元素的多少受探测区地层厚度、含水量、裂隙发育程度等的影响较大，导致该方法探测精度较低；气体测量法虽然探测煤层燃烧指标性气体，但同样受限于火区地层厚度、裂隙发育程度等因素，与测氡方法类似；遥感法适用于地表有温度明显异常的火区探测，不适用于地表温度显现不明显的火区探测。
而受热物体内部分子会产生碰撞产生燃烧音，由此产生声压，激发周围空气媒质的低频振动，形成火灾次声波。这种次声波现象为物质燃烧所共有。且在这个频率范围内，日常杂音很少，所以可以很大程度上避免环境对探测器的干扰。故可通过对火灾发生直接产生的燃烧音进行探测从而确定煤田火区。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有方法的不足，提供一种直接探测采空火区燃烧产物、操作简便、使用成本低、测试精度高的煤田火区探测装置及方法。
技术方案：本发明的确定煤田采空火区次声探测装置，包括地下半空间次声收集与放大构件/组建，所述地下半空间次声收集与放大构件/组建内球顶部经固定杆与次声传感器相连，次声传感器固定于内半球顶部垂直向下硬质固定杆下部，次声传感器通过数据线与前置放大器相连，前置放大器通过数据线与低通滤波器相连，低通滤波器通过数据线与数据接收存储单元相连，存储单元数据通过数据线或者移动存储设备拷入计算机进行数据处理分析。
所述地下半空间次声收集与放大构件/组建为两个同心的中部抽成真空的半球体组合而成。
所述的次声传感器距两半球圆心所处水平面距离为4～6cm。
使用上述装置的煤田采空火区次声探测方法，包括如下步骤：
a.根据煤田井工矿开采资料，将地下采空区边界向地表垂直投影作为控制边界，控制边界内的地表区域作为探测区域，在探测区边界周围向外延伸水平距离大于500m的未开采区内任选一点作为基准点；
b.在探测区域按照边长为30m×30m划分网格，网格节点确定为测点，网格划分覆盖所有探测区域，若探测区不规则，可将节点布置在探测区外，以保证网格区域覆盖所有探测区；
c.将基准点和所有测点附近的地表处理成深度为10cm、直径大于半空间次声收集与放大装置外径的圆形平面凹槽；
d.在网格节点处的圆形平面凹槽内安设半空间次声收集与放大装置，并在地下半空间次声收集与放大构件/组建的顶部设置一固定杆，固定杆下部安设次声传感器，通过数据线引出地下半空间次声收集与放大构件/组建外，依次与前置放大器、低通滤波器、数据接收存储单元和计算机相连；
e.静置2～3分钟后开始测量，先对基准点进行测量，并记录开始测量时间，再对探测点进行测量，记录开始测量时间，探测点保持连续测量时间不少于5分钟；
f.重复步骤d和e，按顺序完成所有网格节点处的探测工作，在探测过程中，基准点位置保持不变，并保持不间断的测量，直至完成所有网格节点的测量；
g.将基准点和各个测点测量到的数据通过计算机软件提取频率值，并在平面坐标系内以x轴为时间轴，y轴为频率轴做出曲线图，通过探测数据，按照各测点的开始和结束时间与基准点开始和结束时间的对照，剔除基准点次声信号，若各探测点有连续稳定的次声信号，则认为此探测点下方存在采空燃烧火区，汇总所有测点数据，从而圈定地下采空火区范围。
有益效果：本发明根据煤田采空火区产生的次声波特性，对煤层燃烧直接产物次声波进行探测，避免了电法磁法间接对煤岩体高温条件下电性磁性异常探测其他因素的干扰，避免了如常规钻孔探测法施工探测钻孔时大量钻孔施工在探测区内不会发生煤田火的煤岩实体区的缺陷，本发明不仅避免了常规探测方法的缺陷，还大幅降低了探测钻孔数量，且具有直接探测的特点，探测成本低，测试精度高，对煤田采空火区适用性强。
附图说明
图1是地下采空火区次声探测圈定装置结构示意图。
图中：地下半空间次声收集与放大构件/组建1、固定杆2、次声传感器3、数据线4、前置放大器5、低通滤波器6、数据存储器7、计算机8。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的确定煤田采空火区次声探测装置，包括地下半空间次声收集与放大构件/组建1，所述地下半空间次声收集与放大构件/组建1为两个同心的中部抽成真空的半球体组合而成，可优选两半球外层半球的直径为40cm，内层半球的直径为38cm。所述地下半空间次声收集与放大构件/组建1内球顶部经固定杆2与次声传感器3相连，次声传感器3固定于内半球顶部垂直向下硬质固定杆2下部，所述的次声传感器3距两球圆心所处水平面距离为4～6cm。次声传感器3通过数据线4与前置放大器5相连，前置放大器5通过数据线4与低通滤波器6相连，低通滤波器6通过数据线4与数据接收存储单元7相连，存储单元数据通过数据线或者移动存储设备拷入计算机8进行数据处理分析。
本发明的煤田采空火区次声探测方法，具体步骤如下：
a.根据煤田井工矿开采资料，将地下采空区边界向地表垂直投影作为控制边界，控制边界内的地表区域作为探测区域，在探测区边界周围向外延伸水平距离大于500m的未开采区内任选一点作为基准点；
b.在探测区域根据现场情况按照30m×30m划分网格，网格节点确定为测点，网格划分覆盖所有探测区域，若探测区不规则，可将节点布置在探测区外，以保证网格区域覆盖所有探测区。
c.将基准点和所有测点附近的地表处理成深度为10cm、直径大于半空间次声收集与放大装置1外径的圆形平面凹槽，以防止地表空气流动对探测造成影响；如两半球外层半球的直径为40cm，内层半球的直径为38cm，则地表处理的直径就为50cm；
d.将次声接收装置1半球倒扣于处理完成的圆形凹槽内，将次声传感器供电线路与数据线通过两半球边缘下方地表小槽穿出半球内部。即在网格节点处的圆形平面凹槽内安设半空间次声收集与放大装置1，并在地下半空间次声收集与放大构件/组建1的顶部设置一固定杆2，固定杆2下部安设次声传感器3，通过数据线4引出地下半空间次声收集与放大构件/组建1外，依次与前置放大器5、低通滤波器6、数据接收存储单元7和计算机8相连；
e.静置2～3分钟后开始测量，先对基准点进行测量，并记录开始测量时间，再对探测点进行测量，记录开始测量时间，探测点保持连续测量时间不少于5分钟；
f.重复步骤d和e，按顺序完成所有网格节点处的探测工作，在探测过程中，基准点位置保持不变，并保持不间断的测量，直至完成所有网格节点的测量；
g.将基准点和各个测点测量到的数据通过计算机软件提取频率值，并在平面坐标系内以x轴为时间轴，y轴为频率轴做出曲线图，通过探测数据，按照各测点的开始和结束时间与基准点开始和结束时间的对照，剔除基准点次声信号，若各探测点有连续稳定的次声信号，则认为此探测点下方存在采空燃烧火区，汇总所有测点数据，从而圈定地下采空火区范围。

Claims (1)

1.一种煤田采空火区次声探测方法，包括采用次声探测装置，所述探测装置包括地下半空间次声收集与放大构件/组建（1），地下半空间次声收集与放大构件/组建（1）为两个同心的中部抽成真空的半球体组合而成；地下半空间次声收集与放大构件/组建（1）内球顶部经固定杆（2）与次声传感器（3）相连，次声传感器（3）固定于内半球顶部垂直向下硬质固定杆（2）下部，所述次声传感器（3）距两半球圆心距离为4～6cm；次声传感器（3）通过数据线（4）与前置放大器（5）相连，前置放大器（5）通过数据线（4）与低通滤波器（6）相连，低通滤波器（6）通过数据线（4）与数据接收存储单元（7）相连，存储单元数据通过数据线或者移动存储设备拷入计算机（8）进行数据处理分析；其特征在于，次声探测方法包括如下步骤：
a. 根据煤田井工矿开采资料，将地下采空区边界向地表垂直投影作为控制边界，控制边界内的地表区域作为探测区域，在探测区边界周围向外延伸水平距离大于500m的未开采区内任选一点作为基准点；
b.在探测区域按照边长为30m×30m划分网格，网格节点确定为测点，网格划分覆盖所有探测区域，若探测区不规则，可将节点布置在探测区外，以保证网格区域覆盖所有探测区；
c.将基准点和所有测点附近的地表处理成深度为10cm、直径大于半空间次声收集与放大装置（1）外径的圆形平面凹槽；
d.在网格节点处的圆形平面凹槽内安设半空间次声收集与放大装置（1），并在地下半空间次声收集与放大构件/组建（1）的顶部设置一固定杆（2），固定杆（2）下部安设次声传感器（3），通过数据线（4）引出地下半空间次声收集与放大构件/组建（1）外，依次与前置放大器（5）、低通滤波器（6）、数据接收存储单元（7）和计算机（8）相连；
e.静置2~3分钟后开始测量，先对基准点进行测量，并记录开始测量时间，再对探测点进行测量，记录开始测量时间，探测点保持连续测量时间不少于5分钟；
f.重复步骤d和e，按顺序完成所有网格节点处的探测工作，在探测过程中，基准点位置保持不变，并保持不间断的测量，直至完成所有网格节点的测量；
g.将基准点和各个测点测量到的数据通过计算机软件提取频率值，并在平面坐标系内以x轴为时间轴，y轴为频率轴做出曲线图，通过探测数据，按照各测点的开始和结束时间与基准点开始和结束时间的对照，剔除基准点次声信号，若各探测点有连续稳定的次声信号，则认为此探测点下方存在采空燃烧火区，汇总所有测点数据，从而圈定地下采空火区范围。
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