CN113295769B - 煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，涉及煤矿安全技术领域。该装置包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器；多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，试样包括煤、岩石和气囊，试样放置在试验箱体内，数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集和分析。利用该装置可以对声波和电磁波信号在煤岩混合试样中的传播特性进行研究。

Description

煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及 方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其是一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，以及利用该装置进行试验的方法。

背景技术

煤炭占一次能源比重较大，是国民经济的重要保障，由煤自燃直接或者间接引起的事故逐年严重。特别是近年来，随着开采深度的日益增大，深部矿井的高地温、高地应力、高瓦斯等条件也给煤火的研究带来新的挑战，使得煤火问题越来越受到社会与科学界的关注。探测与监测地下煤火是煤炭及灾害研究的一个新方向及新热点，同时也是地下煤火灭火的基础。目前，学者们已经对煤自燃过程以及高温火源的监测做了大量的研究，但是由于煤自燃的复杂性以及受到采空区环境的限制，常用的方法都有其自身的局限。研究表明，煤在燃烧的过程中能够释放大量的声波信号以及电磁辐射信号，然而采空区中无线信号的传输距离较近，大约为5-10m。在声波的三个波段中，次声波具有频率低、波长长、穿透力强等优点，已经广泛应用于火山活动、地震等自然灾害的预测。煤岩体的变形破裂伴随着大量电磁辐射信号的产生，利用电磁辐射信号对隐蔽火源进行探测，具有非接触、可定位、信息量大等优点。

现有技术中利用声波和电磁波信号进行煤火监测、信息传输的技术虽然已经做过可行性论证，但是仍处于初级阶段。因此，通过模拟采空区煤层岩层的分布，研究声波以及电磁信号在煤岩层中的传播特性，衰减特性以及选择最佳的声波频率以及强度是迫切要解决的问题。

发明内容

为了实现对声波和电磁波信号在煤岩混合试样中的传播特性进行研究，监测煤自燃过程中声波场、电磁场、气体场、温度场的变化特征，研究声波、电磁波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律以及实时掌握煤自燃现象的时-空变化特征，本发明提供了一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，具体技术方案如下。

一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，所述自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，所述气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器，所述试验箱体具有钢架和保温绝热板；所述多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；所述试样包括煤、岩石和气囊，煤、岩石和气囊组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；所述数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。

优选的是，试验箱体上方的保温绝热板设置磁性密封条，试验箱体其中1个或多个侧面的保温绝热板与钢架铰接固定；所述试验箱体一组相对的侧面上分别设置通孔，通气管路和通孔相连；试验箱体两个设置通孔的侧面间隔4-5cm的位置分别配置有多孔隔板。

优选的是，保温绝热板的热反射率大于91％，保温绝热板的外表面还设置有电磁屏蔽层。

优选的是，加热器包括多个加热管，加热管内具有加热电阻丝，加热管布置在通气管路上，计算机控制装置调节加热管工作。

还优选的是，声电信号发生器设置在试验箱体中，声电信号接收器布置在试样中，计算机控制装置调节电信号发生器发射不同的声波和电磁信号。

还优选的是，计算机控制装置控制温度传感器、气体传感器和声电信号接收器测量模拟煤层自燃过程中的临界温度、指标气体和声电信号的时-频特性。

还优选的是，试样自下至上依次铺设，包括模拟底板岩层、模拟煤层和模拟顶板岩层，以及模拟采空区顶板三带分布，分别压实各个模拟层。

进一步优选的是，试验箱体内在底部设置有防火气囊，防火气囊连接气泵，防火气囊充气并保持防火气囊和模拟煤岩层之间保持平齐。

进一步优选的是，模拟煤层划分为多个单元方格，在各个单元方格上布置气体传感器、温度传感器和声电信号接收器形成监测节点；在试验箱体的变长为坐标轴建立直角坐标系，数据处理装置实时绘制试验箱体内的气体场、温度场、声波场和电磁场的时空变化图。

一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，利用上述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，试验步骤包括：

S1.组合煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的各个部分；

S2.在试验箱体内设置试样，模拟设定地质条件下的煤层开采；

S3.模拟煤层开采和煤层自燃过程；

S4.利用声电信号发生器和声电信号接收器监测煤自燃过程中产生的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号，并测试不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在在不同介质中的传播衰减特性；

S5.数据处理装置接受监测信息，并通过傅里叶变换分析声波信号的时-频信息，然后对比信号的能量密度对主要频段信号进行提取，确定不同声波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律。

傅里叶变换计算方式为：

其中f为频率，单位Hz；t为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号，X(f，t)为变换后的时频函数；ω(τ-t)是分析窗口；τ为有效时间，单位为s；

能量密度的计算方式为：

本发明提供的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，有益效果是，装置通过模拟试验立体性的了解煤自燃过程中的声波和电磁信号、气体、温度的信息变化，通过在不同节点处的声电信号接收器，可以研究煤自燃过程中次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号的产生规律。此外通过在不同位置的声电信号发生器以及接收器可以研究不同频率的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号的传播特性以及衰减规律，并且通过声波、电磁信号对声源进行定位，该装置具有安装简便、操作简单、灵活简便、可靠性高等优点。利用该装置进行相似材料模拟试验，该方法可以对次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在混合煤岩混合体中的传播特性以及信号的有效性进行研究，为声波和电磁波信号在煤矿安全领域的应用以及煤自燃监测提供理论指导。

附图说明

图1是煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的结构示意图；

图2是试验箱体的结构示意图；

图3是模拟试验原理图；

图4是采空区顶板模拟分布示意图；

图5是防火气囊结构示意图；

图中：1-流量计，2-气瓶，3-通气管路，4-加热管，5-稳流阀，6-保温绝热板，7-多孔隔板，8-通孔，9-钢架，10-岩石，11-声电信号接收器，12-声电信号发生器，13-煤，14.监测节点，15-数据处理装置，16-计算机控制装置，17-试验箱体，18-防火气囊，19-输气管，20-阀门，21-气泵。

具体实施方式

结合图1至图5所示，对本发明提供的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法具体实施方式进行说明。

一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，其中自燃模拟试验箱可以模拟不同地质开采条件下的煤层开采和自燃条件，多信息数据监测系统为煤自燃过程中声波场、电磁场、气体场、温度场信息提供监测，试样为试验模拟材料，数据分析仪根据多信息数据监测系统监测分析试验过程，并控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。

其中自燃模拟试验箱包括气瓶2、稳流阀5、加热器、试验箱体17和通气管路3，气瓶2通过通气管路与3试验箱体17上的通孔8相连，通气管路3上还设置有稳流阀5和加热器，试验箱体17具有钢架和保温绝热板。多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器11和声电信号发生器12，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；这些传感器和实验材料放置在试验箱体17内，数据处理装置15对实时监测数据并且对数据进行预处理，计算机控制装置16控制试验装置整体工作并进行人机交互。试样包括煤、岩石和气囊，气囊为防火气囊18，煤13、岩石10和防火气囊18组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；其利用特定绝热设计对煤自燃发火进行针对模拟，同时为了真实模拟采空区的情形，在煤岩层底部布置气囊，煤岩铺设完毕后缓慢排空气囊制造塌陷，模拟采空区顶板三带，还可根据实验的具体要求布置不同压实程度的煤岩。数据分析仪包括数据处理装置15和计算机控制装置16，数据处理装置15对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置16连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。该装置通过测试煤自燃过程中声波场、电磁场、气体场、温度场的变化，实时掌握煤自燃现象的时-空变化特征；此外还通过在装置内不同的位置布置声电信号发生器，研究次声波、电磁辐射在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律。

试验箱体17上方的保温绝热板设置磁性密封条，试验箱体17其中1个或多个侧面的保温绝热板6与钢架9铰接固定。试验箱体17一组相对的侧面上分别设置通孔8，通气管路3和通孔8相连，试验箱体17两个设置通孔8的侧面间隔4-5cm的位置分别配置有多孔隔板7。保温绝热板6的热反射率大于91％，保温绝热板6的外表面还设置有电磁屏蔽层。其中，试验箱体17具体主要由钢结构骨架和保温绝热板装配而成，尺寸为1.5m×1m×1m。箱体顶端和前端可以打开放置仪器以及实验材料，通过磁性密封条密封，整体密封效果良好。通过流量计设置空气的流量为500ml/min，稳流阀使得进入模拟箱体的气体流速均匀，压力稳定。箱体左右两侧分别留有两个通孔便于管线的接入，通孔在箱体侧面竖直分布，分别距箱顶和箱底30cm，间隔为40cm，内径为1cm，长为5cm，不使用时通孔由橡胶塞密封。箱体内部左右两侧距离两侧5cm的位置放置有两片多孔隔板，使得进入的气体在煤岩层中均匀流动，多孔隔板为单向通过型，气体流过后不能回流，并且隔板可手动控制气体流动高度，设置高度上限后气体只能在此高度以下单向流动。试验箱体的保温绝热板为高性能隔热反射材料，热反射率为91％，保证煤自燃的过程有一个良好的蓄热环境，不至于散热量过大影响实验；并且该面板表面涂有电磁屏蔽材料，能够对外界的电磁波信号具有良好的屏蔽作用。

加热器包括多个加热管4，加热管4内具有加热电阻丝，加热管4布置在通气管路3上，计算机控制装置调节加热管工作。在控制分析计算机的控制下对实验气体进行加热，使得输送到箱体内部的气体与煤岩体的温度一致，避免输入气与煤的温差使得热量额外散失。

声电信号发生器12设置在试验箱体17中，声电信号接收器11在试样中布置有多个，计算机控制装置16调节电信号发生器发射次声波和电磁波。声波发生器按实验的需求可以布置在煤层与岩层的相应位置，通过线缆与计算机控制装置16连接，控制该装置发出不同频率以及强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号，通过煤岩层中多个声电信号接收器对声电信号进行分析，研究测试不同频率强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在不同介质中的传播衰减特性。

计算机控制装置16控制温度传感器、气体传感器和声电信号接收器11测量模拟煤层自燃过程中自燃的临界温度、指标气体和声电信号的时-频特性。测试时的声波信号以实验开始前环境的声波信息为背景，计算机控制装置控制着全部传感器的启停，可灵活地选择不同传感器对煤自燃过程进行测试，并且控制分析计算机会根据实验的测试数据对测试煤样的自燃临界温度、指标气体信息、声电信号的时-频特性等做出判定，对测试煤样的自燃过程进行多角度的综合评判。

试样自下至上依次铺设，包括模拟底板岩层、模拟煤层和模拟顶板岩层，以及模拟采空区顶板三带分布，包括变形带、裂隙带和垮落层，根据实验的具体要求分别压实各个模拟层，得到不同压实程度的煤层。

试验箱体17内在底部设置有防火气囊18，防火气囊18通过输气管19连接气泵21，防火气囊18充气并保持防火气囊和模拟煤岩层之间保持平齐。其中防火气囊18充气前尺寸为30cm×40cm×1cm，该气囊为耐高温防火材料，充气后可达到高度范围为1cm-30cm，最大可以承受20kg的载荷压力，并由气泵为其充气。布置时首先沿箱体地板位置布置，然后连接气泵21与气囊，打开阀门开始充气，保证煤层覆盖后气囊高度与周围岩层的高度一致停止充气，关闭阀门。待煤岩全部布置完毕后，打开阀门，让气囊中的气体排出，让煤层与顶板岩层缓慢变形垮落，制造采空区顶板三带的模拟分布。

模拟煤层划分为多个单元方格，在各个单元方格上布置气体传感器、温度传感器和声电信号接收器形成监测节点14；在试验箱体17的变长为坐标轴建立直角坐标系，数据处理装置15实时绘制试验箱体内的气体场、温度场、声波场和电磁场的时空变化图。具体的是，煤层按照20cm×20cm尺寸划分为若干个单元方格，在单元方格的顶点处布置气体、温度传感器和声电信号接收器形成一个监测节点，在岩层中心放置一个声电信号接收器。通过控制分析计算机以箱体的底部侧边为基准，建立空间直角坐标系，各个测点坐标为P₁₁，P₁₂，P₁₃，P₁₄，P₁₅，P₂₁，P₂₂……P_xy，x表示为坐标，y表示为纵坐标。这样在煤自燃的实验中，控制分析计算机可以实时掌握模拟箱体空间的气体场、温度场、声波场、电磁场的信息以及时-空变化特征。

一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，利用上述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，试验步骤包括：

S1.组合煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的各个部分。

打开试验箱体，彻底清扫干净箱体的内部，在距离箱体左右两侧5cm的位置竖直放置两块多孔隔板，打开在侧边的通孔。在气瓶上安装流量计并连接通气铁管，然后把稳流阀、加热管安装在通气管路上，最后把通气管路连接到煤自燃模拟箱体的通孔。通过线缆把温度传感器、气体传感器、声波接收器连接在一起作为一个监测节点连接到数据处理装置，再把数据处理装置连接到计算机控制装置上。把声电信号发生器与控制放置在岩层中的两个声电信号接收器连接到计算机控制装置上，打开计算机对传感器等原件进行检测校准。

S2.在试验箱体内设置试样，模拟设定地质条件下的煤层开采。

其中试样的选取，根据具体的煤自燃实验测试要求，取用对应的新鲜煤块与岩石，然后利用破碎机把煤、岩破碎，取适当尺寸的煤与岩石准备实验。

把防火气囊放置在试验箱体的底部，通过通孔引出输气管路，通过气泵让气囊一直保持在20cm高度，将准备好的岩石铺设在箱体的底部均匀铺设20cm高，并且在岩层中心位置放置一个声电信号接收器。然后在模拟岩层上边开始铺设模拟煤层，模拟煤层厚度为25cm，在铺设煤层时，将包含三种传感器的监测节点按照20cm×20cm的单元方格布置在方格的顶点处。最后在煤层的上边均匀铺设岩层，在岩层中心位置放置一个声电信号接收器，在岩层的上表面放置一个声电信号发生器，声电信号发生器的位置可在该岩层的上表面移动。

S3.模拟煤层开采和煤层自燃过程。

在布置好所有的实验材料后，关闭气泵打开阀门，让防火气囊中的气体排出，使煤层与顶板岩层缓慢变形垮落，制造采空区顶板三带的模拟分布以及不同压实程度的煤岩区域；最后检验整个装置的密封性。

S4.利用声电信号发生器和声电信号接收器监测煤自燃过程中产生的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号，并测试不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在不同介质中的传播衰减特性。

打开流量计设置空气的流量为500ml/min，再操作计算机控制装置，以试验箱体的底部侧边为基准，建立空间直角坐标系，各个测点坐标为P₁₁，P₁₂，P₁₃，P₁₄，P₁₅，P₂₁，P₂₂……P_xy，x表示为坐标，y表示为纵坐标，然后启动各个测点的传感器以及声波接收器开始监测煤自燃活动各指标的变化特征，得到的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号、温度、气体等数据自动汇总到数据处理装置，计算机控制装置对测试煤样的自燃临界温度、指标气体信息、声电信号的时-频特性等做出判定，对测试煤样的自燃过程进行多角度的综合评判。

S5.数据处理装置接受监测信息，并通过傅里叶变换分析声波信号的时-频信息，然后对比信号的能量密度对主要频段信号进行提取；

傅里叶变换计算方式为：

其中f为频率，单位Hz；t为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号，X(f，t)为变换后的时频函数；ω(τ-t)是分析窗口；τ为有效时间，单位为s；

能量密度的计算方式为：

确定不同声波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律。

利用该装置在进行煤自燃监测实验时，还可以同步进行声波在采空区的传播特性测试。通过计算机启动放置在岩层上表面的声电信号发生器。测试时声电信号发生器发出一个特定频率以及强度的声波，测试时声电信号发生器发出一个特定频率以及强度的次声波或者电磁波，利用该信号传播到这些声电信号接收器的时间以及信号强度等信息并利用傅里叶变换分析声波信号的时-频信息，然后对比信号的能量密度对主要频段信号进行提取，借助时延估计、统计分析等方法研究次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在煤岩层、井下采空区等介质中的传播衰减特性。

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 (5)

1.一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，利用一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，所述自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，所述气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器，所述试验箱体具有钢架和保温绝热板；所述多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；所述试样包括煤、岩石和气囊，煤、岩石和气囊组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；所述数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化；所述声电信号发生器设置在试验箱体中，声电信号接收器布置在试样中，计算机控制装置调节声电信号发生器发射不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号；所述的温度传感器、气体传感器和声电信号接收器测量模拟煤层自燃过程中的临界温度、指标气体和声电信号的时-频特性；所述试样自下至上依次铺设，包括模拟底板岩层、模拟煤层和模拟顶板岩层，以及模拟采空区顶板三带分布，分别压实各个模拟层；所述试验箱体内在底部设置有防火气囊，防火气囊连接气泵，防火气囊充气并保持防火气囊和模拟煤岩层之间保持平齐，其特征在于，试验步骤包括：

S1.组合煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的各个部分；

S2.在试验箱体内设置试样，模拟设定地质条件下的煤层开采；

S3.模拟煤层开采和煤层自燃过程；

S4.利用声电信号发生器和声电信号接收器监测煤自燃过程中产生的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号，并测试不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在不同介质中的传播衰减特性；

S5.数据处理装置接受监测信息，并通过傅里叶变换分析声波信号的时-频信息，对比信号的能量密度对主要频段信号进行提取，确定不同声波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律；

傅里叶变换计算方式为：

其中f为频率，单位Hz；t为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号，X(f，t)为变换后的时频函数；ω(τ-t)是分析窗口；τ为有效时间，单位为s；

能量密度的计算方式为：

2.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，其特征在于，所述试验箱体上方的保温绝热板设置磁性密封条，试验箱体其中1个或多个侧面的保温绝热板与钢架铰接固定；所述试验箱体一组相对的侧面上分别设置通孔，通气管路和通孔相连；试验箱体两个设置通孔的侧面间隔4-5cm的位置分别配置有多孔隔板。

3.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，其特征在于，所述保温绝热板的热反射率大于91％，保温绝热板的外表面还设置有电磁屏蔽层。

4.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，其特征在于，所述加热器包括多个加热管，加热管内具有加热电阻丝，加热管布置在通气管路上，计算机控制装置调节加热管工作。

5.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，其特征在于，所述模拟煤层划分为多个单元方格，在各个单元方格上布置气体传感器、温度传感器和声电信号接收器形成监测节点；在试验箱体的变长为坐标轴建立直角坐标系，数据处理装置实时绘制试验箱体内的气体场、温度场、声波场和电磁场的时空变化图。

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