CN111208555A - 地下煤火危险声波主被动探测及定位方法 - Google Patents

地下煤火危险声波主被动探测及定位方法 Download PDF

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Abstract

一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，涉及煤矿安全监测技术领域，步骤包括：A.根据开采及地质条件，对可能发生火灾的危险区域进行预判；B.确定探测范围并选定测点，在地面和井下联合打孔；C.安装声波发射器和声波接收器，并在钻孔中安装声波传导杆，通过声波被动探测系统进行声波的被动探测；D.采集声波的主动和被动探测信息，利用声波数据解算系统处理探测信息，并反演地下煤火高温异常的区域范围，分析声波被动探测时间序列和空间信息得到地下煤火危险的动态演化过程；E.反演结果实时显示，并传输至地面终端。该方法利用地下煤火对周边煤岩热损伤和热破裂产生的声波信息，结合主动和被动探测，反演地下煤火危险动态演化。

Description

地下煤火危险声波主被动探测及定位方法
技术领域
本发明涉及煤矿安全监测技术领域，尤其是一种地下煤火危险声波主被动探测及定位的方法。
背景技术
地下煤火灾害是非常严重灾害，尤其是在煤层埋藏深、地压大、地温高、煤的破碎严重、漏风量大的区域，易发生煤炭自燃；部分地区的煤层埋藏浅，煤炭自然发火期短，加之易于煤炭自燃的环境影响，大量的煤田火区产生。地下煤火不仅造成大量资源损失，还对周边居住和环境等安全造成巨大危害。有效的探测地下煤火的发生将极大促进矿井防灭火的工作，从而保证矿井安全、高效的生产，对矿井火灾防治具有重要的意义，也存在巨大需求。
地下煤火的探测是一个难题，目前针对于地下煤火的探测主要有物探和化探方法，以及人工调查法，钻探法等。在进行地下煤火探测的过程中，人工调查法和钻探法的优点是能够比较准确的判定煤火的位置，但是费事费力，一般作为其他方法的辅助和后续验证的手段。物探方法则包括红外、遥感、磁法、电法等，物探方法方便快捷、探测精确，但是存在问题主要是受到环境影响比较大，并且数据解释存在多解性。化探方法则包含氡气，双元素示踪气体法等，该方法能够探测地下煤火的范围，但存在抗干扰性的局限。
目前的地下煤火探测方法通过的比较，可以确定温度是地下煤火发生的最直接和准确的指标，受外部因素影响小，只要确定某处煤炭的温度及其分布，就能分析给定煤的自燃程度和范围，在进行探测时，有效的测试到地下煤火区域的温度变化及演化过程，一定能够判定煤火发生及发展过程。此外由于煤岩在升温及燃烧过程中能够产生大量的能量释放，声波也是其中一种释放方式，可以通过煤岩升温及燃烧产生的声波信息探测地下煤火的发生发展演化过程及定位。声波法主要是应用于探测煤岩动力灾害，中国专利(CN105840239A)公开了“矿山隐蔽灾害实时主动探测与被动监测一体化系统及方法”，采用了电法主动探测和电位监测方式进行煤岩动力灾害测试，但是该专利并没有涉及到地下煤火的声波探测，探测的原理和探测方式均存在本质差异。
因此，现有的地下煤火的探测技术中，探测时抗干扰方面仍存在许多问题，例如传感器的布置受到探测区域的地形地质条件影响，为了进一步的解决这个问题，提高探测的准确性，降低探测成本，需要对地下煤火的探测方法做进一步的改进。现有的探测技术和方法中没有基于煤岩升温及燃烧产生的声波信息，也没有声波主动发射和声波被动接收相互配合对地下煤火进行综合探测定位的方法。
发明内容
为了解决地下煤火探测过程中干扰问题多，探测准确性低的技术问题，扩大探测范围广、提升抗干扰性、提高探测准确率、实时连续探测地下煤火危险，本发明提供了一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，具体技术方案如下。
地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，步骤包括：
A.在煤田范围内预判可能发生火灾的危险区域；
B.确定探测范围并选定测点，地面和井下联合打设多个钻孔；
C.在部分钻孔安装声波主动探测系统的声波发射器和声波接收器，另外在部分钻孔中安装声波传导杆，通过声波被动探测系统进行声波的被动探测；
D.采集声波的主动探测信息和被动探测信息，利用声波数据解算系统处理探测信息，根据主动探测信息反演地下煤火高温危险的区域范围，分析声波被动探测时间序列和空间信息得到地下煤火危险的动态演化过程；
E.反演结果通过显示模块实时显示，声波数据解算系统处理结果实时传输至地面终端。
优选的，可能发生火灾的危险区域范围预判是根据开采条件、地质条件和煤的自燃特性分析得到。
还优选的是，在划定的可能发生火灾的危险区域进行探测，选定多点分布式测点，在测点处打设钻孔；所述钻孔包括地面-地面钻孔、地面-井下钻孔、井下-井下钻孔。
还优选的是，声波主动探测系统和声波被动探测系统相互配合，声波主动探测信息反演得到探测区域的声波云图，根据云图判定地下煤火危险区域并进行坐标定位，声波被动探测信息分析得到地下煤火发展演化过程。
进一步优选的，声波主动探测系统包括声波发射器、声波接收器和声波数据高速采集模块，所述声波数据解算系统包括控制模块、信息存储模块和显示模块，并搭载数据分析软件。
进一步优选的是，声波主动探测系统和声波被动探测系统将探测信息在声波数据高速采集模块完成模数转换、信号放大、传输及存储，声波数据高速采集模块将数据传输至声波数据解算系统。
进一步优选的是，地下煤火危险区域进行坐标定位具体是：在探测区域第一个测点处安装的声波发射器发射声波，第二个测点处安装的声波接收器接收声波；声波数据高速采集模块将探测信息传输至声波数据解算系统，声波数据解算系统利用三角网声波反演算法对钻孔声波接收信息进行解算；并根据波速反演得到探测区域的声波云图；声波数据解算系统依次对各个测点的探测信息进行处理，显示模块显示处理结果。
进一步优选的是，声波数据解算系统对被动探测信息处理具体是：确定探测时间段T内滤波后的声波强度和计数增减趋势，当声波变化趋势增大时，判定区域火灾危险性增大；当声波强度和计数曲线的斜率绝对值减小，判定煤火危险动态演化过程趋缓。
本发明的有益效果是，该方法直接通过地下煤火发生发展过程中的声波信息进行判定，不受到矿井的电流、气体等各种干扰因素的影响，采集到的声波信息能够直接反映地下煤火情况，并判定地下煤火的发生和发展演化过程，探测的结果更加准确；通过声波主动发射和被动接收声波监测信息结合的方法，能够反演不同区域不同空间的地下煤火的发生和发展演化过程，并且进行实时动态显示，直接判定火灾的位置，对于煤火火灾防治具有重要意义。利用地面和井下钻孔进行探测，能够针对煤田火灾、浅埋藏煤田火灾、矿井火灾危险进行探测，使用的范围更加广泛，同时测点的分布式布置，节省了测试的成本，也保证了探测工作人员的安全。
附图说明
图1是地下煤火危险声波主被动探测原理示意图；
图2是地下煤火危险声波主被动探测地面钻孔布置示意图；
图3是地下煤火危险声波主被动探测井下钻孔布置示意图；
图4是声波被动探测系统的安装结构示意图；
图中：1-声波传感器连接线；2-注浆孔；3-钻孔外槽；4-保护钢管；5-声波感器；6-传导杆。
具体实施方式
结合图1至图4所示，本发明提供的一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法具体实施方式如下。
实施例1
一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，利用地下煤火造成周边煤岩体热损伤和热破裂所产生的声波信息，通过声波主被动探测相结合的方式，得到声波信息并反演地下煤火危险的动态演化，以及地下煤火高温异常区域的寻源定位，具体的步骤包括：
步骤A.在煤田范围内预判并圈定可能发生火灾的危险区域；其中可能发生火灾的危险区域范围预判是根据开采条件、地质条件和煤的自燃特性分析得到。
步骤B.确定探测范围并选定测点，地面和井下联合打设钻孔。其中，在划定的可能发生火灾的危险区域进行探测，选定多点分布式测点，在测点处打设钻孔；钻孔包括地面-地面钻孔、地面-井下钻孔、井下-井下钻孔。在煤田范围内，将其划分为多个网格，网格大小根据实际的煤田范围确定，钻孔方便传感器的布置，其中声波被动探测系统的声波传导杆安装所需钻孔长度范围是1-3m。
步骤C.在钻孔安装声波主动探测系统的声波发射器和声波接收器，另外在钻孔中安装声波传导杆，通过声波被动探测系统进行声波的被动探测，声波被动探测系统的声波传感器通过专用夹具安装到传导杆上。
其中，声波主动探测系统和声波被动探测系统相互配合，声波主动探测信息反演得到探测区域的声波云图，根据云图判定地下煤火危险区域并进行坐标定位，声波被动探测信息分析得到地下煤火发展演化过程。声波主动探测系统包括声波发射器、声波接收器和声波数据高速采集模块，声波数据解算系统包括控制模块、信息存储模块和显示模块，并搭载数据分析软件。声波主动探测系统和声波被动探测系统将探测信息在声波数据高速采集模块完成模数转换、信号放大、传输及存储，声波数据高速采集模块将数据传输至声波数据解算系统，声波被动探测传感器的频率范围为1-20KHz。
步骤D.采集声波的主动探测信息和被动探测信息，利用声波数据解算系统处理探测信息，根据主动探测信息反演地下煤火的区域范围，分析声波被动探测时间序列和空间信息得到地下煤火危险的动态演化过程。
地下煤火危险区域进行坐标定位具体是：在探测区域第一个测点处安装的声波发射器发射声波，第二个测点处安装的声波接收器接收声波；声波数据高速采集模块将探测信息传输至声波数据解算系统，声波数据解算系统利用三角网声波反演算法对钻孔声波接收信息进行解算；并根据波速反演得到探测区域的声波云图；声波数据解算系统依次对各个测点的探测信息进行处理，显示模块显示处理结果。
声波数据解算系统对被动探测信息处理具体是：确定探测时间段T内滤波后的声波强度和计数增减趋势，当声波变化趋势增大时，判定区域火灾危险性增大；当声波强度和计数曲线的斜率绝对值减小，判定煤火危险动态演化过程趋缓。
步骤E.反演结果通过显示模块实时显示，声波数据解算系统处理结果实时传输至地面终端。声波数据解算系统的处理结果可以通过显示模块实时显示，并存储数据，声波数据解算系统还连接井下分站，并将处理结果从井下分站通过井下环网传输至地面终端。
实施例2
一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，解决了地下煤火探测过程中干扰问题多，探测准确性低的技术问题，并且可以进一步扩大探测范围广、提升抗干扰性、提高探测准确率、实时连续探测地下煤火危险，
结合声波主动探测系统和声波被动探测系统，实现主动探测和被动探测，两种方式结合，通过探测信息反演地下煤火危险的动态演化并寻源定位，采用声波反演算法对声波主动探测得到的声波信息进行分析，反演得到探测区域的声波云图，根据云图进行地下煤火危险的区域判定，实现声波发射接收主动探测，以及地下煤火大空间及区域的定位。声波被动探测信息的分析是根据被动探测声波的强度等参数的增减趋势，对应判定地下煤火危险的趋势，并通过多点被动探测声波的信息来进行探测区域的定位，实现地下煤火危险发展演化过程的判定和分析。图1是地下煤火危险声波主被动探测原理示意图，通过声波主动发射接收探测和声波被动探测两种方式进行地下煤田火灾危险的探测，如图1所示，声波探测传感器采集信号，经过数据处理模块，包含数据的模数转换、信号过滤、信号放大等处理，传输到数据解算系统里，根据声波数据解算系统，将声波主动探测的信息来判定地下煤火大空间及区域的定位，将声波被动探测信息判定地下煤火发展演化过程。
该方法具体的步骤包括：
步骤A.在煤田范围内预判可能发生火灾的危险区域。其中可能发生火灾的危险区域范围预判是根据开采条件、地质条件和煤的自燃特性分析得到，地质条件包括埋深、矿压、地温和煤体裂隙发育程度，煤的自燃倾向性通过鉴定确定，划分为三类:Ⅰ类容易自燃、Ⅱ类自燃和Ⅲ类不易自燃。
步骤B.确定探测范围并选定测点，地面和井下联合打设钻孔。通过对地质条件的分析，圈定可能发生火灾的危险区域，根据探测区域确定探测方案和测点，测点的选取具体是结合待探测的煤层埋深、范围大小布置多点分布式测点。
其中，在划定的可能发生火灾的危险区域进行探测，选定多点分布式测点，在测点处打设钻孔；钻孔包括地面-地面钻孔、地面-井下钻孔、井下-井下钻孔，地面-地面钻孔是钻孔间的声波传输是在地面钻孔和地面钻孔之间，地面-井下钻孔是钻孔间的声波传输是在地面钻孔和井下钻孔之间，井下-井下钻孔是钻孔间的声波传输是在井下钻孔和井下钻孔之间。
另外探测方式为地面钻孔和井下钻孔布置声波传感器综合探测，其中包括：在地面布置n个声波发射传感器，之后在地面探测区域内布置对应的n个声波接收传感器，进行探测地下煤火危险的声波主动探测，其中钻孔的深度大于1m，测点之间的距离可以调整，1-200m的范围都可以，并且进行探测时，避免周边有机器运转或车辆经过。还包括：在地面钻孔内布置声波被动探测传感器，传感器连接声波传导杆，声波传感器的数量根据探测区域选取。或者，通过在地面钻孔布置声波发射传感器，地下钻孔布置声波接收传感器，进行声波主动探测，声波发射和接收传感器的数量根据测试区域大小进行选取。
在井下布置测点时，在工作面两巷分别布置测点，分别在测点处布置声波主动发射传感器和声波接收传感器；另一种方式分布式布置声波被动探测传感器，传感器的数量根据测试区域进行选定，不少于6个，探测时声波被动探测传感器连接声波传导杆。同样的井下采空区声波传感器被动探测时声波传感器的布置时还可以在两巷打钻孔，在钻孔内将声波传感器固定到波导杆内，完成声波传感器的布置。
步骤C.在钻孔安装声波主动探测系统的声波发射器和声波接收器，另外在钻孔中安装声波传导杆，通过声波被动探测系统进行声波的被动探测，声波被动探测系统的声波传感器通过专用夹具安装到传导杆上，安装声波传感器的传导杆长度为1-3m。
其中，声波主动探测系统和声波被动探测系统相互配合，声波主动探测信息反演得到探测区域的声波云图，根据云图判定地下煤火危险区域并进行坐标定位，声波被动探测信息分析得到地下煤火发展演化过程。声波主动探测系统包括声波发射器、声波接收器和声波数据高速采集模块，声波数据解算系统包括控制模块、信息存储模块和显示模块，并搭载数据分析软件，能够实现探测煤火危险区域的坐标定位和三位动态实时显示，具体的显示过程是根据探测区域位置，进行坐标输入，根据信号分析结果实现火灾动态发展演化和区域定位的功能。声波主动探测系统和声波被动探测系统将探测信息在声波数据高速采集模块完成模数转换、信号放大、传输及存储，声波数据高速采集模块将数据传输至声波数据解算系统。声波被动探测传感器的频率范围为1-20KHz，声波发射器的声波发射频率根据现场实际探测长度和深度选择。
声波主动探测系统和声波被动探测系统对接收到的探测声波信号进行放大、滤波、模/数转化，预处理后的声波数据解算系统对声波信号进行二次滤波并存储。声波数据解算系统对声波信息进行分析处理，根据处理结果进行地下煤火的探测和定位。
声波被动探测系统的安装结构包括声波传感器连接线、注浆孔、钻孔外槽、保护钢管和声波感器，声波主动探测时，则将声波传感器布置到相应的地面或井下钻孔中；声波被动探测时，需要在钻孔中放置声波传导杆，长度为1-3m，波导杆的材质需要利于声波的传播，满足断铅实验，可选择锚杆或者与锚杆相似材料，声波传感器通过专用夹具布置到传导杆上，声波传导杆钻进测试区域内，防止因为周边受到采动影响造成声波被动探测时传感器耦合效果差的问题。
步骤D.采集声波的主动探测信息和被动探测信息，利用声波数据解算系统处理探测信息，根据主动探测信息反演地下煤火的区域范围，分析声波被动探测时间序列和空间信息得到地下煤火危险的动态演化过程。
地下煤火危险区域进行坐标定位具体是：在探测区域第一个测点处安装的声波发射器发射声波，第二个测点处安装的声波接收器接收声波；声波数据高速采集模块将探测信息传输至声波数据解算系统，声波数据解算系统利用三角网声波反演算法对钻孔声波接收信息进行解算；并根据波速反演得到探测区域的声波云图，通过云图解释探测区域地下煤火危险的危险区域；声波数据解算系统依次对各个测点的探测信息进行处理，显示模块显示处理结果。
声波数据解算系统对被动探测信息处理具体是：确定探测时间段T内滤波后的声波强度和计数增减趋势，当声波变化趋势增大时，判定区域火灾危险性增大；当声波强度和计数曲线的斜率绝对值减小，判定煤火危险动态演化过程趋缓。此外根据探测T时间段内滤波后的声波强度和脉冲数等参数增减趋势，当声波的增减趋势呈逐渐增大时，判定该区域具有火灾危险性。根据T时间段内指标的超限变化趋势曲线斜率的绝对值持续增减趋势，判定煤火危险动态演化趋势，当声波参数的变化趋势减弱或者趋缓，判定煤火危险的动态演化过程的减弱或者趋缓。
步骤E.反演结果通过显示模块实时显示，声波数据解算系统处理结果实时传输至地面终端。
该方法直接通过地下煤火发生发展过程中的声波信息进行判定，不受到矿井的电流、气体等各种干扰因素的影响，采集到的声波信息能够直接反映地下煤火情况，并判定地下煤火的发生和发展演化过程，探测的结果更加准确；通过声波主动发射和被动接收声波监测信息结合的方法，能够反演不同区域不同空间的地下煤火的发生和发展演化过程，并且进行实时动态显示，直接判定火灾的位置，对于煤火火灾防治具有重要意义。利用地面和井下钻孔进行探测，能够针对煤田火灾、浅埋藏煤田火灾、矿井火灾危险进行探测，使用的范围更加广泛，同时测点的分布式布置，节省了测试的成本，也保证了探测工作人员的安全。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，步骤包括：
A.在煤田范围内预判可能发生火灾的危险区域；
B.确定探测范围并选定测点，地面和井下联合打设多个钻孔；
C.在部分钻孔安装声波主动探测系统的声波发射器和声波接收器，另外在部分钻孔中安装声波传导杆，通过声波被动探测系统进行声波的被动探测；
D.采集声波的主动探测信息和被动探测信息，利用声波数据解算系统处理探测信息，根据主动探测信息反演地下煤火高温异常的区域范围，分析声波被动探测时间序列和空间信息得到地下煤火危险的动态演化过程；
E.反演结果通过显示模块实时显示，声波数据解算系统处理结果实时传输至地面终端。
2.根据权利要求1所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述可能发生火灾的危险区域范围预判是根据开采条件、地质条件和煤的自燃特性分析得到。
3.根据权利要求1所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，在划定的可能发生火灾的危险区域进行探测，选定多点分布式测点，在测点处打设钻孔；所述钻孔包括地面-地面钻孔、地面-井下钻孔、井下-井下钻孔。
4.根据权利要求1所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述声波主动探测系统和声波被动探测系统相互配合，声波主动探测信息反演得到探测区域的声波云图，根据云图判定地下煤火危险区域并进行坐标定位，声波被动探测信息分析得到地下煤火发展演化过程。
5.根据权利要求4所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述声波主动探测系统包括声波发射器、声波接收器和声波数据高速采集模块，所述声波数据解算系统包括控制模块、信息存储模块和显示模块，并搭载数据分析软件。
6.根据权利要求5所述的一种地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述声波主动探测系统和声波被动探测系统将探测信息在声波数据高速采集模块完成模数转换、信号放大、传输及存储，声波数据高速采集模块将数据传输至声波数据解算系统。
7.根据权利要求4-6任一项所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述地下煤火危险区域进行坐标定位具体是：在探测区域第一个测点处安装的声波发射器发射声波，第二个测点处安装的声波接收器接收声波；声波数据高速采集模块将探测信息传输至声波数据解算系统，声波数据解算系统利用三角网声波反演算法对钻孔声波接收信息进行解算；并根据波速反演得到探测区域的声波云图；声波数据解算系统依次对各个测点的探测信息进行处理，显示模块显示处理结果。
8.根据权利要求4-6任一项所述的地下煤火危险声波主被动探测及定位方法，其特征在于，所述声波数据解算系统对被动探测信息处理具体是：确定探测时间段T内滤波后的声波强度和计数增减趋势，当声波变化趋势增大时，判定区域火灾危险性增大；当声波强度和计数曲线的斜率绝对值减小，判定煤火危险动态演化过程趋缓。
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