CN107589463B - 一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统，包括温度采集计算机、高精度红外热像仪、耐高温陶瓷加热圈、电磁辐射监测探头、前置放大器和高速声电采集装置；所述陶瓷加热圈的外罩由铝板制成、传热介质采用95氧化铝陶瓷、发热体为高性能镍镉丝；所述陶瓷加热圈圈体两侧各留有一个开口，高精度红外热像仪和电磁辐射监测探头分别位于两个开口的外侧；红外热像仪通过数据线与温度采集计算机相连，电磁辐射监测探头与前置放大器相连，前置放大器通过数据线连接在高速声电采集装置上；红外热像仪、电磁辐射监测探头以及耐高温陶瓷加热圈均放置在电磁屏蔽室中。模拟分析井下煤岩体在不同升温速率条件下电磁辐射信号强度的大小及规律。
Description
技术领域
本发明属于一种探测井下火灾的系统，具体涉及一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统。
背景技术
我国是矿井火灾最严重的国家，约56%以上煤层具有自燃倾向性，全国重点矿山易自燃煤层占55%，每年由于煤田火灾而烧损煤量超过1千万t。矿井火灾的频发，既影响了煤矿的高效生产，又对矿工的生命健康造成了威胁，还造成了煤炭资源的大量浪费，面对严峻的煤矿安全形势，我们要切实落实安全生产责任。因此，对煤自燃的预防和治理，是矿井火灾防治的重中之重。
对井下火灾的探测，其意义主要体现在井下发生火灾以后，可以有效地缩小井下煤自燃区域的范围，快速精准地确定发火地点位置，采取措施对火区进行扑救，将煤自燃造成的经济损失、人员伤亡降到最低。
对电磁辐射信号的监测，很早就应用在地震的预测上，低频电磁信号的异常是地震前兆的重要特征。近年来，随着科学技术的不断发展，电磁辐射的研究对象得到较大的拓展，对煤岩受载破坏与电磁辐射对应关系的研究也取得了不少成果。煤是结构复杂非匀质体，煤体受热升温后会发生膨胀变形，并最终导致破裂，而这一过程与煤体受载时发生形变导致破裂的过程具有相似之处。目前已经有研究表明，煤体在受热升温过程中伴随着电磁辐射信号的产生，并且具有较好的对应关系。因此，研究煤体受热升温过程的电磁辐射信号的规律及特征，对井下火灾的探测具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统，能够有效的模拟井下煤岩体在自燃过程中其电磁辐射信号强度的大小，以便分析自燃过程中电磁辐射信号的相关特征及规律。该系统安装便捷，操作简单，易于上手，且试验数据可靠，可重复性强。
本发明的技术方案是通过下述途径实现的：一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统，包括温度采集计算机、高精度红外热像仪、耐高温陶瓷加热圈、电磁辐射监测探头、前置放大器和高速声电采集装置；所述陶瓷加热圈的外罩由铝板制成、传热介质采用95氧化铝陶瓷、发热体为高性能镍镉丝（Cr20Ni80），外罩与95氧化铝陶瓷之间设有硅酸铝纤维板作为隔热保温材料；所述陶瓷加热圈圈体两侧各留有一个开口，高精度红外热像仪和电磁辐射监测探头分别位于两个开口的外侧；红外热像仪通过数据线与温度采集计算机相连，电磁辐射监测探头与前置放大器相连，前置放大器通过数据线连接在高速声电采集装置上；红外热像仪、电磁辐射监测探头以及耐高温陶瓷加热圈均放置在电磁屏蔽室中。
优选的，电磁屏蔽室由网格尺寸小于0.5mm的铜网制成，并进行接地处理。
优选的，陶瓷加热圈通过线缆连接有加热圈功率控制器，用于调整陶瓷加热圈的加热功率，最快可在20min内将实验煤柱加热至400℃以上。
优选的，所述高速声电采集装置为美国物理声学公司生产的PCI-2声发射系统。
优选的，红外热像仪固定在加热圈一侧开口10cm处，电磁辐射检测探头固定在另一侧开口10cm处。
优选的，所述电磁辐射监测探头由磁棒、第三线圈、双联可变电容器和磁环变压器组成，可变电容器的一组极片与第三线圈串联，所述第三线圈缠绕在磁棒上，可变电容器的另一组极片与磁环变压器的一次线圈串联，一次线圈缠绕在磁环变压器上，磁环变压器上缠绕的二次线圈与前置放大器串联。
由于煤岩变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很宽的脉冲信号，因此制作了接收频率分别为1kHz，10kHz，100kHz，500kHz，800kHz的电磁辐射监测探头，以便研究煤体受热升温过程中不同频段下电磁辐射信号的特征规律。本领域技术人员可以通过电容和变压器上一次线圈、二次线圈的改变来调整制成监测其它频率的探头，该调整方法本领域技术人员可以很容易实现，此处不再赘述。
本发明设计构建了监测不同升温速率过程中煤岩电磁辐射的装置系统。从模拟分析井下煤岩体在不同升温速率条件下电磁辐射信号强度的大小及规律入手，分析煤自燃过程中的电磁辐射信号的相关特性，为及时的预测、预报井下煤岩体自然发火情况提供依据。
本发明产生的有益效果是：本发明实现了模拟井下煤岩体在不同升温速率条件下，其电磁辐射信号强度的大小。耐高温陶瓷加热圈可通过加热圈功率控制器调整加热功率，控制升温速率；红外热像仪可以实时监测样品的温度，并将温度数据储存在温度采集计算机中；不同接收频率的电磁辐射监测探头，通过前置放大器和高速声电采集装置，实现了对不同频率下电磁辐射信号的监测；电磁屏蔽室可以有效的避免外界电磁辐射信号对实验结果的干扰。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例1中电磁辐射监测探头的结构示意图；
图3为实施例1耐高温陶瓷加热圈的结构示意图；
图4为图3的展开示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
实施例1
如图1－4所示，一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统，包括温度采集计算机1、红外热像仪2、耐高温陶瓷加热圈7、电磁辐射监测探头4、前置放大器5和高速声电采集装置6；所述耐高温陶瓷加热圈的外罩701由铝板制成、传热介质703采用95氧化铝陶瓷、发热体706为镍镉丝（Cr20Ni80），外罩701与传热介质703之间设有硅酸铝纤维板702作为隔热保温材料；所述耐高温陶瓷加热圈7圈体左右两侧分留有左开口704和右开口705，红外热像仪2和电磁辐射监测探头4分别位于左开口704的左侧和右开口705的右侧；红外热像仪2通过数据线与温度采集计算机1相连，电磁辐射监测探头4与前置放大器5相连，前置放大器5通过数据线连接在高速声电采集装置6上；红外热像仪2、电磁辐射监测探头4以及耐高温陶瓷加热圈7均放置在电磁屏蔽室8中。所述高速声电采集装置6为美国物理声学公司(PAC) 生产的PCI-2声发射系统。
耐高温陶瓷加热圈7通过线缆连接有加热圈功率控制器9，用于调整陶瓷加热圈的加热功率，最快可在20min内将实验煤柱3加热至400℃以上。
红外热像仪2固定在加热圈左开口10cm处，电磁辐射检测探头4固定在右开口10cm处。
所述电磁辐射监测探头4由磁棒401、第三线圈402、双联可变电容器403和磁环变压器404组成，可变电容器403的一组极片与第三线圈402串联，所述第三线圈402缠绕在磁棒401上，可变电容器403的另一组极片与磁环变压器404的一次线圈405串联，一次线圈405缠绕在磁环变压器404上，磁环变压器404上缠绕的二次线圈406与前置放大器5相连。
由于煤岩变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很宽的脉冲信号，因此制作了接收频率分别为1kHz，10kHz，100kHz，500kHz，800kHz的电磁辐射监测探头，以便研究煤体受热升温过程中不同频段下电磁辐射信号的特征规律。本领域技术人员可以通过电容和变压器上一次线圈、二次线圈的改变来调整制成监测其它频率的探头，该调整方法本领域技术人员可以很容易实现，此处不再赘述。
具体实验过程如下：
根据实验要求，取回所需的煤岩样本，并将尺寸加工为尺寸为Φ50mm×100mm的圆柱形；
将耐高温陶瓷加热圈的螺丝拧开，放入煤柱3，煤柱与加热圈吻合后，上紧螺丝；
将耐高温陶瓷加热圈放置在工作台上，为方便、准确的采集温度数据及电磁辐射强度数据，将红外热像仪固定在加热圈左侧开口10cm处；将所需采集频率的电磁辐射检测探头固定在加热圈右侧开口10cm；
红外热像仪、电磁辐射监测探头以及耐高温陶瓷加热圈均放置在电磁屏蔽室中，电磁屏蔽室由网格尺寸小于0.5mm的铜网制成，并进行接地处理；
接通所有设备电源，检查确保测温系统（红外热像仪和温度采集计算机）及电磁辐射监测系统（电磁辐射监测探头、前置放大器和高速声电采集装置）工作正常；
打开耐高温陶瓷加热圈电源，通过加热圈功率控制器9调整加热圈到自己所需的发热功率；
同步收集温度信息及电磁辐射信息，方便以后对数据进行处理分析。
如需测试不同频率的电磁辐射强度大小，在实验开始前，更换相应电磁辐射监测探头即可。
实验时间及样品被加热温度视具体实验条件而定。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (4)
1.一种测试煤自燃过程电磁辐射的系统，其特征在于：包括温度采集计算机、红外热像仪、陶瓷加热圈、电磁辐射监测探头、前置放大器和高速声电采集装置；所述陶瓷加热圈的外罩由铝板制成、传热介质采用氧化铝陶瓷、发热体为镍铬丝，外罩与氧化铝陶瓷之间设有硅酸铝纤维板作为隔热保温材料；所述陶瓷加热圈圈体两侧各留有一个开口，红外热像仪和电磁辐射监测探头分别位于两个开口的外侧；红外热像仪通过数据线与温度采集计算机相连，电磁辐射监测探头与前置放大器相连，前置放大器通过数据线连接在高速声电采集装置上；红外热像仪、电磁辐射监测探头以及陶瓷加热圈均放置在电磁屏蔽室中，红外热像仪固定在加热圈一侧开口10cm处，电磁辐射监测探头固定在另一侧开口10cm处，所述电磁辐射监测探头由磁棒、第三线圈、可变电容器和变压器组成，可变电容器的一组极片与第三线圈串联，所述第三线圈缠绕在磁棒上，可变电容器的另一组极片与变压器的一次线圈串联，一次线圈缠绕在变压器上，变压器上缠绕的二次线圈与前置放大器相连。
2.如权利要求1所述的测试煤自燃过程电磁辐射的系统，其特征在于：电磁屏蔽室由网格尺寸小于0.5mm的铜网制成，并进行接地处理。
3.如权利要求1所述的测试煤自燃过程电磁辐射的系统，其特征在于：陶瓷加热圈通过线缆连接有加热圈功率控制器，用于调整陶瓷加热圈的加热功率。
4.如权利要求1所述的测试煤自燃过程电磁辐射的系统，其特征在于：所述高速声电采集装置为PCI-2声发射系统。
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