CN107101743B - 全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统及方法，通过构建全方位分布式监测系统，对煤矸石山内部温度进行实时监测，获取相应的技术参数，预防煤矸石自燃。本发明利用新型传感测试技术（分布式光纤传感测试技术），对测试装置进行改进，获取一套完整的预防煤矸石山自燃的测试方法，所得技术能够在预防煤矸石自燃及灭火处理方面提供更好的安全保障。

Description

全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统及方法
技术领域
本发明涉及煤矿山及煤矸石山治理监测技术领域，具体是一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测方法。
背景技术
含碳量较低、比煤坚硬的黑色岩石，其年产量约占煤炭总产量的十分之一。据不完全统计，全国国有煤矿现有煤矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上，占我国工业固体废物排放总量的40％以上。目前，随着综采机械化的提高及煤炭资源的大量利用，使得煤矸石的产生量逐年增加，为了节约土地利用率一般都是将煤矸石山堆积成山，但是长期的堆放以及氧化作用下会使得煤矸石内部温度急剧升高最终导致自燃。煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2、SO3等，其自燃过程中会产生大量的有害气体，污染空气、土壤以及饮用水源，因此采取积极有效的措施对于预防煤矸石山自燃是十分必要和亟待解决的问题。
《煤矿矸石山灾害预防与治理工作指导意见》中指出对于预防煤矸石山自燃应定期测温及预测、预警预报机制。目前常规的测温技术多采用红外热成像技术，其在实施过程中主要存在以下几个问题：1、红外热成像技术对表层温度感知较敏感、准确，对于内部深层的温度难以有效捕捉；2、煤矸石山一般较大，利用红外热技术探测温度工作量大、费时费力；3、对于感知的温度异常区难以准确判断异常位置；4、煤矸石山释放的有害气体会对操作人员身体健康带来一定的伤害；5、不能实时监测及全方位把握温度分布。
基于此设计一种能够对煤矸石山进行全方位、实时、操作便捷、适用性强的自燃预防监测方法已成为本领域热点话题。
发明内容
本发明的目的是是针对现有的预防煤矸石山自燃温度监测存在的问题，提供一种易操控、方法简单、安全可靠的全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统及方法，其基于分布式光纤传感测试技术具有全方位、实时性、精度高、存活率高、长距离传输、传感与传输于一体等优点，预防煤矸石山自燃的首选参数是获得其内部实际温度，而特制加工的分布式光纤传感器可以准确探测目标体温度信息，因此其满足于测量煤矸石山温度的基本要求。
本发明的技术方案如下：
一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，包括有温度数据采集系统、温度数据处理与分析系统以及预警监控系统，其特征在于：所述的温度数据采集系统包括有多个温度感测装置和测试主机，每个温度感测装置分别包括有多根聚氯乙烯管和分别沿多根聚氯乙烯管的外壁布设并捆扎在其上的温度感测光缆，所述温度感测光缆的输出端分别与所述测试主机的输入端相连接；所述测试主机的输出端与所述温度数据处理与分析系统的输入端相连接，所述温度数据处理与分析系统的输出端与所述的预警监控系统相连接。
所述的一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，其特征在于：所述的温度感测光缆通过光缆固定件分别捆扎在所在的聚氯乙烯管的外壁上。
所述的一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，其特征在于：所述的测试主机采用分布式光纤测试仪。
所述的一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，其特征在于：所述的温度数据处理与分析系统包括有多台计算机。
所述的一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，其特征在于：所述的预警监控系统包括有设置于预警监控室中的显示屏。
一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测方法，其特征在于：包括有安装温度感测装置、煤矸石山的温度数据采集、温度数据的处理与分析、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测，具体如下：
(1)、安装温度感测装置：首先根据煤矸石山的形状大小，设置合理的钻孔数，以便全方位监测煤矸石山内部的温度，钻孔时由煤矸石山的顶部垂直打向其底部，贯穿整个煤矸石山，钻孔孔径选取与多根聚氯乙烯管的管径相仿，不宜过大；钻孔完成之后，将捆扎有温度感测光缆的多根聚氯乙烯管分别植入到钻孔的内部，期间根据钻孔的不同深度，采用聚氯乙烯短接连接相应长度的延长管，来延伸相应的聚氯乙烯管的长度，当每根聚氯乙烯管分别达到孔底后，采用球阀分别封堵每根聚氯乙烯裸露在外部的管口，保证管内的畅通以便后期注水降温；
(2)、煤矸石山的温度数据采集：由于一年四季的变化室外温度有较大差异，因此为了保证后期数据分析的可靠性，首先需采集12组温度初始背景值作为后期判定的基准，所述的12组温度初始背景值包括春夏秋冬每个季节的每天早中晚各采集的一组温度初始背景值；温度初始背景值采集完成后，根据实际需要设置测试主机的采集参数，使得测试主机可进行实时动态监测；
(3)、温度数据的处理与分析：测试主机所采集的原始数据为温度感测光缆的布里渊中心频谱，而布里渊中心频谱与温度值正好成相关线性关系，根据下式可求解得温度值：
T＝CT(υB-υB0)+T0 (1)
式中，T为温度值；CT为常数，即频移与温度的相关系数；νB为布里渊频移；νB0和T0分别为自然状态下初始布里渊频移量和温度值；
测试主机通过调制解调器将采集的原始数据在线传输到温度数据处理与分析系统，温度数据处理与分析系统首先利用解编软件将测试主机传输过来的(.sat)格式的原始数据解编为(.xls)格式的数据，其次将由噪声引起的温度异常值进行剔除，再利用(1)式求得温度值，并进行校正，最后通过相关成图分析软件里对求得的温度值进行降噪和圆滑处理，以设置的温度初始背景值为基础进行做差处理，得到每个监测时间点的温度曲线趋势图；
温度数据处理与分析系统基于布里渊漂移与温度之间的线性关系(意思是指温度的变化可以改变光缆布里渊频移量，而且两者之间存在一定的线性关系，从而通过仪器所测布里渊频移量来推出温度值)，通过下式计算得到温度感测光缆的某受力点到测试端口的距离Z：
Z＝cT/2n (2)
式中，c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收温度感测光缆某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，n为温度感测光缆的折射系数；
根据上述(1)、(2)两式可确定温度感测光缆沿线各点的温度变化量及各点的位置，当煤矸石山内部某区域某点发生温度异常时，通过钻孔内部的温度感测光缆，即可定位温度异常区的所处范围，即可及时进行降温处理；
(4)、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测：温度数据处理与分析系统结合钻孔内部温度感测光缆沿线各点的温度变化特征，对煤矸石山内部温度体系进行分析判断，经过数据处理分析将各个钻孔的温度信息，即煤矸石山全方位的温度信息传输到预警监测系统，各个钻孔的温度曲线趋势将以动态的形式显示在预警监测系统的显示屏上；预警监测系统设置煤矸石自燃所需的最低温度值定为监测温度的阈值，一旦钻孔内部某点温度值超过阈值时发出报警信号提醒工作人员进行降温处理；降温处理时，将外部输水装置与相应裸露在煤矸石山外部的聚氯乙烯管口处的球阀进行无缝对接，对煤矸石的内部进行注水降温，当温度降到正常值时停止注水，可快速有效预防煤矸石自燃。
本发明的有益效果：
1、本发明采用分布式光纤传感测试技术对煤矸石山内部温度进行监测，其较传统的温度传感器具有存活率高的特点，分布式可有效弥补原有点式传感器数据采集容易出现数据体遗漏的不足，并且温度感测光缆具有传感传输功能，既可以感知外界温度信号还可以将信息传入监测仪器，整个测试系统简单直观，拥有更高的准确度和精度。
2、本发明采用钻孔的方式将温度感测光缆植入到钻孔内部，可以实现对煤矸石山内部从上至下不同深度的连续数据体，最大限度的保证了测试数据的完整性，并改变以往红外热成像技术难以准确探测内部温度的缺陷。
3、本发明系统对于煤矸石山温度监测具有全方位、实时监测以及在线预警的功能，可以减少大量的人力物力，节约了成本。
4、本发明的监测系统在获得煤矸石山内部温度特征的同时还能在监测到温度异常值时，通过钻孔内的聚氯乙烯管往煤矸石内部注水达到有效降温的目的，因此，此监测系统不仅可以实时监测煤矸石内温度的变化，还兼顾后期降温功能，达到了物尽其用。
附图说明
图1为本发明温度感测装置的结构示意图。
图2为本发明煤矸石山内部钻孔布置俯视平面图。
图3为本发明结构原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，包括有温度数据采集系统1、温度数据处理与分析系统2以及预警监控系统3，温度数据采集系统1包括有多个温度感测装置和测试主机4，每个温度感测装置分别包括有多根聚氯乙烯管5和分别沿多根聚氯乙烯管5的外壁布设并捆扎在其上的温度感测光缆6，温度感测光缆6的输出端分别与测试主机4的输入端相连接；测试主机4的输出端与温度数据处理与分析系统2的输入端相连接，温度数据处理与分析系统2的输出端与预警监控系统3相连接。
温度感测光缆6通过光缆固定件7分别捆扎在所在的聚氯乙烯管的外壁上。
测试主机4采用分布式光纤测试仪。
温度数据处理与分析系统2包括有多台计算机。
预警监控系统3包括有设置于预警监控室中的显示屏。
一种全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测方法，包括有安装温度感测装置、煤矸石山的温度数据采集、温度数据的处理与分析、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测，具体如下：
(1)、安装温度感测装置：首先根据煤矸石山的形状大小，设置合理的钻孔数，以便全方位监测煤矸石山内部的温度，钻孔时由煤矸石山的顶部垂直打向其底部，贯穿整个煤矸石山，钻孔8的孔径选取与多根聚氯乙烯管5的管径相仿，不宜过大；钻孔完成之后，将捆扎有温度感测光缆的多根聚氯乙烯管分别植入到钻孔的内部，期间根据钻孔的不同深度，采用聚氯乙烯短接9连接相应长度的延长管，来延伸相应的聚氯乙烯管的长度，当每根聚氯乙烯管分别达到孔底后，采用球阀分别封堵每根聚氯乙烯裸露在外部的管口，保证管内的畅通以便后期注水降温；
(2)、煤矸石山的温度数据采集：由于一年四季的变化室外温度有较大差异，因此为了保证后期数据分析的可靠性，首先需采集12组温度初始背景值作为后期判定的基准，12组温度初始背景值包括春夏秋冬每个季节的每天早中晚各采集的一组温度初始背景值；温度初始背景值采集完成后，根据实际需要设置测试主机的采集参数，使得测试主机可进行实时动态监测；
(3)、温度数据的处理与分析：测试主机4所采集的原始数据为温度感测光缆的布里渊中心频谱，而布里渊中心频谱与温度值正好成相关线性关系，根据下式可求解得温度值：
T＝CT(υB-υB0)+T0 (1)
式中，T为温度值；CT为常数，即频移与温度的相关系数；νB为布里渊频移；νB0和T0分别为自然状态下初始布里渊频移量和温度值；
测试主机通过调制解调器将采集的原始数据在线传输到温度数据处理与分析系统，温度数据处理与分析系统首先利用解编软件将测试主机传输过来的(.sat)格式的原始数据解编为(.xls)格式的数据，其次将由噪声引起的温度异常值进行剔除，再利用(1)式求得温度值，并进行校正，最后通过相关成图分析软件里对求得的温度值进行降噪和圆滑处理，以设置的温度初始背景值为基础进行做差处理，得到每个监测时间点的温度曲线趋势图；
温度数据处理与分析系统基于布里渊漂移与温度之间的线性关系(意思是指温度的变化可以改变光缆布里渊频移量，而且两者之间存在一定的线性关系，从而通过仪器所测布里渊频移量来推出温度值)，通过下式计算得到温度感测光缆的某受力点到测试端口的距离Z：
Z＝cT/2n (2)
式中，c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收温度感测光缆某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，n为温度感测光缆的折射系数；
根据上述(1)、(2)两式可确定温度感测光缆沿线各点的温度变化量及各点的位置，当煤矸石山内部某区域某点发生温度异常时，通过钻孔内部的温度感测光缆，即可定位温度异常区的所处范围，即可及时进行降温处理；
(4)、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测：温度数据处理与分析系统2结合钻孔内部温度感测光缆沿线各点的温度变化特征，对煤矸石山内部温度体系进行分析判断，经过数据处理分析将各个钻孔的温度信息，即煤矸石山全方位的温度信息传输到预警监测系统3，各个钻孔的温度曲线趋势将以动态的形式显示在预警监测系统3的显示屏上；预警监测系统3设置煤矸石自燃所需的最低温度值定为监测温度的阈值，一旦钻孔内部某点温度值超过阈值时发出报警信号提醒工作人员进行降温处理；降温处理时，将外部输水装置与相应裸露在煤矸石山外部的聚氯乙烯管口处的球阀进行无缝对接，对煤矸石的内部进行注水降温，当温度降到正常值时停止注水，可快速有效预防煤矸石自燃。

Claims (5)

1.一种基于全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统，包括有温度数据采集系统、温度数据处理与分析系统以及预警监控系统，所述的温度数据采集系统包括有多个温度感测装置和测试主机，每个所述温度感测装置包括有多根聚氯乙烯管和沿多根聚氯乙烯管的外壁布设并捆扎在其上的温度感测光缆，所述温度感测光缆的输出端与所述测试主机的输入端相连接；所述测试主机的输出端与所述温度数据处理与分析系统的输入端相连接，所述温度数据处理与分析系统的输出端与所述的预警监控系统相连接；
所述的监测方法包括有安装温度感测装置、煤矸石山的温度数据采集、温度数据的处理与分析、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测，具体如下：
(1)、安装温度感测装置：首先根据煤矸石山的形状大小，设置合理的钻孔数，以便全方位监测煤矸石山内部的温度，钻孔时由煤矸石山的顶部垂直打向其底部，贯穿整个煤矸石山，钻孔孔径选取与多根聚氯乙烯管的管径相仿，不宜过大；钻孔完成之后，将捆扎有温度感测光缆的多根聚氯乙烯管分别植入到钻孔的内部，期间根据钻孔的不同深度，采用聚氯乙烯短接连接相应长度的延长管，来延伸相应的聚氯乙烯管的长度，当每根聚氯乙烯管分别达到孔底后，采用球阀分别封堵每根聚氯乙烯裸露在外部的管口，保证管内的畅通以便后期注水降温；
(2)、煤矸石山的温度数据采集：由于一年四季的变化室外温度有较大差异，因此为了保证后期数据分析的可靠性，首先需采集12组温度初始背景值作为后期判定的基准，所述的12组温度初始背景值包括春夏秋冬每个季节的每天早中晚各采集的一组温度初始背景值；温度初始背景值采集完成后，根据实际需要设置测试主机的采集参数，使得测试主机可进行实时动态监测；
(3)、温度数据的处理与分析：测试主机所采集的原始数据为温度感测光缆的布里渊中心频谱，而布里渊中心频谱与温度值正好成相关线性关系，根据下式可求解得温度值：
T＝CT(υB-υB0)+T0 (1)
式中，T为温度值；CT为常数，即频移与温度的相关系数；νB为布里渊频移；νB0和T0分别为自然状态下初始布里渊频移量和温度值；
测试主机通过调制解调器将采集的原始数据在线传输到温度数据处理与分析系统，温度数据处理与分析系统首先利用解编软件将测试主机传输过来的(.sat)格式的原始数据解编为(.xls)格式的数据，其次将由噪声引起的温度异常值进行剔除，再利用(1)式求得温度值，并进行校正，最后通过相关成图分析软件对求得的温度值进行降噪和圆滑处理，以设置的温度初始背景值为基础进行做差处理，得到每个监测时间点的温度曲线趋势图；
温度数据处理与分析系统基于布里渊漂移与温度之间的线性关系，通过下式计算得到温度感测光缆的某受力点到测试端口的距离Z：
Z＝cT/2n (2)
式中，c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收温度感测光缆某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，n为温度感测光缆的折射系数；
根据上述(1)、(2)两式可确定温度感测光缆沿线各点的温度变化量及各点的位置，当煤矸石山内部某区域某点发生温度异常时，通过钻孔内部的温度感测光缆，即可定位温度异常区的所处范围，即可及时进行降温处理；
(4)、煤矸石山内部温度异常评价以及在线预警监测：温度数据处理与分析系统结合钻孔内部温度感测光缆沿线各点的温度变化特征，对煤矸石山内部温度体系进行分析判断，经过数据处理分析将各个钻孔的温度信息，即煤矸石山全方位的温度信息传输到预警监测系统，各个钻孔的温度曲线趋势将以动态的形式显示在预警监测系统的显示屏上；预警监测系统设置煤矸石山自燃所需的最低温度值为监测温度的阈值，一旦钻孔内部某点温度值超过阈值时发出报警信号提醒工作人员进行降温处理；降温处理时，将外部输水装置与相应裸露在煤矸石山外部的聚氯乙烯管口处的球阀进行无缝对接，对煤矸石山的内部进行注水降温，当温度降到正常值时停止注水，可快速有效预防煤矸石山自燃。
2.根据权利要求1所述的一种基于全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的温度感测光缆通过光缆固定件分别捆扎在所在的聚氯乙烯管的外壁上。
3.根据权利要求1所述的一种基于全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的测试主机采用分布式光纤测试仪。
4.根据权利要求1所述的一种基于全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的温度数据处理与分析系统包括有多台计算机。
5.根据权利要求1所述的一种基于全方位分布式预防煤矸石山自燃的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的预警监控系统包括有设置于预警监控室中的显示屏。
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