CN110989018A - 基于自然电位法的采空区火源位置探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统及探测方法，涉及矿井火灾预测与防治领域。其包括火源位置探测控制装置、电源和自然电位探测装置，火源位置探测控制装置、自然电位探测装置分别与电源连接，火源位置探测控制装置包括数据采集模块、数据处理模块和反演成图模块；自然电位探测装置包括参考电极和测量电极，每个测量电极对应连接一个数据采集卡，数据采集卡用于将测量电极采集得到的电位信号暂时存储，在每个数据采集卡的上方还设置一个保护装置。本发明解决了煤矿采空区自然发火区域实时监测困难的技术问题，其可以确定采空区发火区域的范围与边界，并对火区的控制提供帮助，进而提高煤矿采空区的防火效果。
Description
技术领域
本发明涉及矿井火灾预测与防治领域，尤其涉及一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统及探测方法。
背景技术
煤矿井下、煤田和采空区等处的自燃火灾能够烧毁大量的煤炭资源和设备，火灾产生大量的有毒有害气体和高温烟流危害井下工作人员的生命安全，污染环境。煤田火灾每年烧失煤炭约2000万吨，引发了植被退化、土地退化、水体污染、生态环境破坏等问题。由于煤自燃成因、发展及影响因素的复杂性，煤自燃隐蔽火源形成初期很难被发现，即使出现自燃的征兆或发生自燃，也很难找到火源地点。煤自燃火源探测仍是一个巨大难题，高效快捷地探测煤自燃火源的发生及定位火源的位置存在巨大需求。
由于火源探测理论不完善、缺乏可靠的火源定位技术和设备，煤矿自燃的防治主要以堵漏、注浆、阻燃等预防措施为主，不仅具有一定的盲目性，还会造成人力、财力的浪费。实践中由于发火初期没有及时找到火源而使火源范围扩大造成事故的例子屡见不鲜，不仅给灭火造成困难，而且还会伴随着巨大经济损失，甚至威胁作业人员的生命。再加上我国煤矿自燃和煤田火灾危险程度严重，受自燃威胁的矿井数量巨大，从这种意义上说研究煤炭自燃自然电场响应机理及探测基础理论，对实现火源快速准确定位具有十分重要的经济价值和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统及探测方法，其解决了煤矿采空区自然发火区域实时监测困难的技术问题，其可以确定采空区发火区域的范围与边界，并对火区的控制提供帮助，进而提高煤矿采空区的防火效果。
本发明的任务之一在于提供一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其采用了以下技术方案：
一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其包括火源位置探测控制装置和电源，还包括自然电位探测装置，所述的火源位置探测控制装置、自然电位探测装置分别与电源连接，所述的火源位置探测控制装置包括数据采集模块、数据处理模块和反演成图模块；
所述的自然电位探测装置包括一个参考电极和与所述参考电极连接的至少一个测量电极，每个测量电极对应连接一个数据采集卡，所述的数据采集卡用于将所述的测量电极采集得到的电位信号暂时存储，在所述的每个数据采集卡的上方还设置一个保护装置；
各个数据采集卡采用串行方式连接到所述的数据采集模块，所述的数据采集模块同时向各个数据采集卡发出指令，控制数据采集卡的启停，在同一时间采集到各个测量电极所处位置的电位信息，或设置为相隔固定时间采集一次数据。
作为本发明的一个优选方案，所述的数据处理模块用于将从数据采集模块中得到的数据按采集时间、采集位置、电位信号大小、电位信号与温度的关系进行处理。
作为本发明的另一个优选方案，所述的反演成图模块用于将所述的数据处理模块处理的数据转化为图像形式。
进一步的，每个数据采集卡包含一个前置低通滤波器，其用于采集0～5Hz的自然电位信号；每个数据采集卡通过焊接的方式与其对应的测量电极连接。
进一步的，相邻的测量电极为等间距排布，间距为10m。
进一步的，所述的参考电极、测量电极均为不极化电极。
进一步的，上述的保护装置为一长方体罩体，其扣合在相对应的数据采集卡的上方，在所述的长方体罩体的左右两侧及底部开孔，所述的罩体的上盖可开启/关闭。
进一步的，所述的罩体选用聚氨酯材料制作而成。
本发明的另一任务在于提供一种基于自然电位法的采空区火源位置探测方法，其采用上述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，该探测方法包括以下步骤：
a、前期准备，首先在探测区域进行钻孔，再将数据采集卡、参考电极、测量电极、保护装置、电缆埋设、安装至钻孔内，与火源位置探测装置连接；
b、打开火源位置探测控制装置，使用数据采集模块向各测量电极发出指令，采集电位信号暂存在数据采集卡中，再由数据采集模块发出收回指令，将采集的信息统一汇总；
c、将汇总的电位信息数据传输到数据处理模块进行处理；
d、将处理过的数据导入反演成图模块，利用程序将数据转化为图像信息，得到煤矿采空区电位变化图像，结合理论分析，即可得到采空区的火源位置并大体确定燃烧区域边界。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)本发明一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，通过自然电位探测装置实现了对煤矿采空区自然电位的实时监测，并通过火源位置探测控制装置对采集到的数据进行可视化处理；火源位置探测控制装置包括数据采集模块、数据处理模块和反演成图模块，通过火源位置探测控制装置，能够在同一时间探测不同位置的自然电位信息，消除由于时间、自然环境等因素带来的影响，较为准确地确定测量电极与参考电极之间的电位差，进而得出采空区的温度变化；另外，自然电位信息可暂时储存在数据采集卡中，在由火源位置探测控制装置发出指令，通过数据采集模块统一提取多组数据，根据时间与自然电位的关系能够及时对自然电位变化较大的区域采取措施。
(2)本发明探测系统在数据采集后对数据可按不同需求进行总结、处理，再通过反演成图模块将数据可视化，便于直观得出煤矿采空区各个位置的电位变化情况，对高温地区采取相应措施。
(3)本发明探测方法包括钻孔、电极及电缆的埋设、控制系统采集自然电位信息并对信息进行处理的步骤，采用本发明探测方法能够得到煤矿采空区高温区域的大致范围，该方法操作简便，控制灵活，能够有效提高煤矿采空区的防灭火效果。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明基于自然电位法的采空区火源位置探测系统原理示意图；
图2为参考电极、测量电极在巷道内布置方式示意图；
图3为图2沿M-M方向巷道及钻孔剖面图；
图4为图3中钻孔放大图；
图5为图2沿N-N方向巷道及钻孔剖面图；
图中:1-井底巷道，2-钻孔，3-数据采集卡，4-测量电极，5-保护装置，6-被测岩层，7-电缆，8-参考电极，9-工作面，10-采空区。
具体实施方式
本发明提出了一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统及探测方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其包括火源位置探测控制装置、电源和自然电位探测装置，其中的火源位置探测控制装置、自然电位探测装置分别与电源连接，具体如通过电源线连接，火源位置探测控制装置可以对自然电位探测装置发出指令，然后对自然电位探测装置的数据进行处理，该系统通过探测自然电位的变化实现了对煤矿采空区高温区域的探测和监控。
具体的火源位置探测控制装置包括数据采集模块、数据处理模块和反演成图模块，其中数据采集模块同时向各个数据采集卡发出指令，控制数据采集卡的启停，在同一时间采集到各个测量电极所处位置的电位信息，或设置为相隔固定时间采集一次数据；数据处理模块将从数据采集模块中得到的数据按采集时间、采集位置(测量电极编号)、电位信号大小、电位信号与温度的关系进行处理；反演成图模块将处理的数据转化为图像形式。对于某一时间所有测量电极的数据，可以横坐标为测量电极编号，纵坐标为各个测量电极的电位数据或温度数据。也可以对于不同时间针对某个测量电极，横坐标为时间，纵坐标为该测量电极在每个时间测得的数据。
上述的火源探测控制装置的具体工作原理为：
由数据采集模块向自然电位探测系统发出指令，各个测量电极同时采集，消除时间对采集结果的影响，采集的数据暂时储存在数据采集卡中，再由数据采集模块发出收回指令收回数据。收集的电位信息通过数据处理模块和反演成图模块进行处理，当物体(导体或半导体)中存在温度梯度时，电子将从高温区向低温区扩散，在物体内部形成电场，当扩散作用达到稳定状态时，就会出现由温度梯度引起的温差电动势，根据这一特性，将采集的数据可视化，可以直观的看出煤矿采空区内的高温区域及其大致边界，便于采取进一步的措施。
作为本发明的主要改进点，自然电位探测装置，结合图2至图5所示，其包括一个参考电极和与参考电极8连接的至少一个测量电极4，每个测量电极对应连接一个数据采集卡，数据采集卡用于将测量电极采集得到的电位信号暂时存储，在每个数据采集卡的上方还设置一个保护装置5；保护装置5对数据采集卡进行保护，材料选用聚氨酯发泡材料，尺寸为长15cm、宽10cm、高15cm的长方体，保护装置的两端与底部有圆形开口，方便线路连接，上部可开启，方便数据采集卡的检修和维护。
上述的保护装置材料选用聚氨酯发泡材料，该材料耐高温与防水性能较好，机械强度较高，保护装置的两端与底部有圆形开口，方便线路连接，上部可开启，方便数据采集卡的检修和维护。电源线路和数据传输线路铺设时外包PVC管路，防止线路腐蚀损坏。
参考电极和若干测量电极材料选用不极化电极，该种电极可使电极的极化电位差减小到1毫伏以内并减小测量电极本身的极化电位差，提高了探测的精准程度，测量电极通过焊接方式与数据采集卡连接，各个测量电极间距为10m。
数据采集卡3放置于保护装置内，各个数据采集卡串行连接，可以临时在卡内储存多组数据，再由数据采集模块统一提取。数据采集卡包含一个低通滤波器(0～5Hz)，有效防止了干扰信息。
本发明探测方法包括以下步骤：
a、前期准备，首先在探测区域进行钻孔，再将数据采集卡、参考电极、测量电极、保护装置、电缆埋设、安装至钻孔内，与火源位置探测装置连接；
b、打开火源位置探测控制装置，使用数据采集模块向各测量电极发出指令，采集电位信号暂存在数据采集卡中，再由数据采集模块发出收回指令，将采集的信息统一汇总；
c、将汇总的电位信息数据传输到数据处理模块进行处理；
d、将处理过的数据导入反演成图模块，利用程序将数据转化为图像信息，得到煤矿采空区电位变化图像，结合理论分析，即可得到采空区的火源位置并大体确定燃烧区域边界。
下面结合具体实施例做详细说明。
实施例1：
第一步、前期准备工作，首先在井底巷道1内被测岩层6的探测区域进行钻孔，钻孔2深0.5m、直径为0.2m，每个电极相距10m，埋设电缆7，将电源线路和数据传输线路置于PVC管道中，采取同一根管内敷设。利用焊接方式将数据采集卡和电极进行连接，连接后将电极插入电极槽内的岩层中，每个数据采集卡对应放置一个保护装置，电缆以及电极埋设好以后，将各个装置进行连接，检查各装置连接情况完好后，方可进行测量；
第二步、打开火源位置探测控制装置，使用数据采集模块向各测量电极发出指令，采集一组或几组电位信号暂存在数据采集卡中，再由数据采集模块发出收回指令，将采集的信息统一汇总；
第三步、将汇总的电位信息数据传输到数据处理模块，根据实际需要，将电位信息按时间、电位强度、位置进行处理，也可将电位信息转换为温度信息；
第四步、将处理过的数据导入反演成图模块，利用程序将数据转化为图像信息，得到煤矿采空区电位变化图像，能够分析采空区的火源位置并大致确定燃烧区域。
本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其包括火源位置探测控制装置和电源，其特征在于：还包括自然电位探测装置，所述的火源探测控制装置、自然电位探测装置分别与电源连接，所述的火源位置探测控制装置包括数据采集模块、数据处理模块和反演成图模块；
所述的自然电位探测装置包括一个参考电极和与所述参考电极连接的至少一个测量电极，每个测量电极对应连接一个数据采集卡，所述的数据采集卡用于将所述的测量电极采集得到的电位信号暂时存储，在所述的每个数据采集卡的上方还设置一个保护装置；
各个数据采集卡采用串行方式连接到所述的数据采集模块，所述的数据采集模块同时向各个数据采集卡发出指令，控制数据采集卡的启停，在同一时间采集到各个测量电极所处位置的电位信息，或设置为相隔固定时间采集一次数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：所述的数据处理模块用于将从数据采集模块中得到的数据按采集时间、采集位置、电位信号大小、电位信号与温度的关系进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：所述的反演成图模块用于将所述的数据处理模块处理的数据转化为图像形式。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：每个数据采集卡包含一个前置低通滤波器，其用于采集0～5Hz的自然电位信号；每个数据采集卡通过焊接的方式与其对应的测量电极连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：相邻的测量电极为等间距排布，间距为10m。
6.根据权利要求4所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：所述的参考电极、测量电极均为不极化电极。
7.根据权利要求4所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：所述的保护装置为一长方体罩体，其扣合在相对应的数据采集卡的上方，在所述的长方体罩体的左右两侧及底部开孔，所述的罩体的上盖可开启/关闭。
8.根据权利要求7所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，其特征在于：所述的罩体选用聚氨酯材料制作而成。
9.一种基于自然电位法的采空区火源位置探测方法，其特征在于，其采用权利要求1所述的一种基于自然电位法的采空区火源位置探测系统，所述的探测方法包括以下步骤：
a、前期准备，首先在探测区域进行钻孔，再将数据采集卡、参考电极、测量电极、保护装置、电缆埋设、安装至钻孔内，与火源位置探测装置连接；
b、打开火源位置探测控制装置，使用数据采集模块向各测量电极发出指令，采集电位信号暂存在数据采集卡中，再由数据采集模块发出收回指令，将采集的信息统一汇总；
c、将汇总的电位信息数据传输到数据处理模块进行处理；
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