CN114295813B - 一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置及方法。装置包括低空监测模块、土壤监测模块、裂隙监测模块和数据采集与供电模块，数据采集与供电模块包括折叠式太阳能板和数据采集与供电箱，数据采集与供电箱内设置有蓄电池、数据采集主机、太阳能控制器和总控制开关，低空监测模块、土壤监测模块和裂隙监测模块监测的数据上传至数据采集主机，工作电脑主机获取数据采集主机的监测数据，并基于预先设置的计算公式计算得到低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量。本发明能有效监测不同区域的气体通量，确保实现自动化连续监测，提高装置的适应性。

Description

一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置及方法

技术领域

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置及方法。

背景技术

煤火是一种受到外部因素而造成煤田露头及浅部煤层发生自燃的自然灾害，煤田在自燃过程中，不仅破坏了宝贵的煤炭资源，而且通过煤岩裂隙、孔隙等导气通道向空气中排放了数量可观的CO₂、CO、CH₄等自燃产物，造成火区所在区域的大气污染，并对当地大气环境、土壤资源、生态环境与人类健康造成极大的危害。

随着煤田自燃的发展，造成地表裂隙的不断扩展-延伸，不同位置煤体自燃造成的气体排放量是不同的，并受到地表温度、大气压力等环境因素的影响，因此，需要通过长时间观测才能获得较为准确的排放信息，通常以单位时间内单位面积排放的气体质量，即气体通量作为衡量气体排放量的标准。目前，常用的气体通量观测方法有模型估算法和箱室法，其中，模型估算法适合根据数据进行估算，但往往会出现较大误差，影响计算结果。箱室法分为静态箱室法与动态箱室法，静态箱室法是每隔一段时间从一个密闭容器中抽取一定样本，估算单位内气体浓度变化，以此来计算通量，这种方法操作简便，不需要复杂的设备，但是需要配合气相色谱使用，无法进行连续性观测；动态箱室法是一个两端与大气相通的开放式气体箱体，利用合适的气体流量平稳地通过气体箱室，进出口流速保持一致性，根据进出口的浓度差计算被测土壤的气体通量，这种方法所需设备费用昂贵，必须有电力供应等缺点，但是相对于静态箱室法而言，动态箱室法测量结果更精确，更适合测定瞬时和连续时间段内的气体排放速率，所以是目前国内应用最广泛的监测气体通量的方法。但是，动态箱室法仍然存在以下问题：（1）气体箱室内部气体需要通过胶体导气管与气相色谱仪连接，使得仪器耗电高、监测响应时间长；（2）气体传感器位于气体箱室外部，需要通过胶体导气管连通，不适用多区域及地表环境复杂的情况，操作较为繁琐；（3）监测系统与控制系统设计过于单一，难以实现多个复杂地形同步监测的功能扩展；（4）监测设备需要人员手动控制，安排人员定期查看设备情况，无法实现无人化、自动化监测；（5）在监测过程中，监测一定的时间后，气体箱室需要换气处理，容易使得土壤与箱体交接处密封不严，导致空气中多余气体混入，造成监测误差；（6）监测设备与控制装置形成一体，使得监测设备监测结果容易受到控制装置散热的影响，造成监测误差。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置及方法，以解决或缓解现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，所述装置包括：

低空监测模块，用于监测煤田火区内地表上低空区域处的气象参数和气体浓度；

土壤监测模块，用于监测煤田火区内土壤区域处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；

裂隙监测模块，用于监测煤田火区内裂隙区域处的气体浓度、温度和气体的进出量；

数据采集与供电模块，包括折叠式太阳能板和数据采集与供电箱，所述数据采集与供电箱内设置有蓄电池、数据采集主机、太阳能控制器和总控制开关，所述数据采集主机、所述蓄电池、所述太阳能控制器和所述总控制开关均通过导线连接于所述折叠式太阳能板，所述总控制开关通过导线分别连接于所述低空监测模块、所述土壤监测模块和所述裂隙监测模块，所述数据采集主机用于连接于工作电脑主机；

所述低空监测模块、所述土壤监测模块和所述裂隙监测模块监测的数据上传至所述数据采集主机，工作电脑主机获取所述数据采集主机的监测数据，并基于预先设置的计算公式计算得到低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量。

可选地，所述数据采集与供电模块还包括红外夜视摄像头模组，所述红外夜视摄像头模组包括自动旋转式红外夜视摄像头、摄像头支架和摄像头控制箱，所述摄像头控制箱固定安装在所述数据采集与供电箱上，所述摄像头支架的下端固定连接于所述摄像头控制箱，所述自动旋转式红外夜视摄像头安装在所述摄像头支架的上端；所述摄像头支架为两端开口的中空结构，所述自动旋转式红外夜视摄像头的输出导线穿设于所述摄像头支架内并与所述摄像头控制箱连接，所述摄像头控制箱的输出导线贯穿并伸入所述数据采集与供电箱内与所述总控制开关连接。可选地，所述低空监测模块包括三角式立式支架、横杆、气象传感器和低空气体传感器模组，所述横杆安装在所述三角式立式支架的上端，所述气象传感器和所述低空气体传感器模组分别安装在所述横杆的两端；所述横杆和所述三角式立式支架均为中空结构，所述气象传感器和所述低空气体传感器模组的输出导线均容置于所述横杆和所述三角式立式支架的内部，并由所述三角式立式支架的底部穿出后与所述总控制开关连接。

可选地，所述低空气体传感器模组包括低空气体传感器防水外壳、设置于所述低空气体传感器防水外壳内的低空CO传感器和低空CH₄传感器，所述低空CO传感器和所述低空CH₄传感器的探头均外露于所述低空气体传感器防水外壳。

可选地，所述土壤监测模块包括：防水连接盒、气压传感器、风速传感器和多个土壤气体传感器模组，所述防水连接盒设置有连接支架、连接口和多个长度不同的连接管，所述气压传感器的支架插接固定于所述连接口，所述风速传感器安装在所述连接支架上，多个所述土壤气体传感器模组分别安装在多个所述连接管远离所述防水连接盒的端部；所述防水连接盒还设置有导线输出口，所述连接支架、所述连接管和所述气压传感器的支架均为中空结构，所述气压传感器、所述风速传感器和多个所述土壤气体传感器模组的输出导线由所述导线输出口穿出后连接于所述控制开关。

可选地，所述土壤气体传感器模组包括土壤气体传感器防水外壳、设置于所述土壤气体传感器防水外壳内的土壤CO₂传感器、土壤CO传感器、土壤CH₄传感器和土壤温湿度传感器，所述土壤CO₂传感器、所述土壤CO传感器、所述土壤CH₄传感器和所述土壤温湿度传感器的探头均外露于所述土壤气体传感器防水外壳。

可选地，所述裂隙监测模块包括：裂隙监测外壳、裂隙气体传感器模组、温度传感器、冷却箱和双向气体流速传感器，所述裂隙气体传感器模组、所述温度传感器和所述双向气体流速传感器均设置在所述裂隙监测外壳上，所述外壳内设置有冷却通道和原温通道，所述冷却箱设置于所述冷却通道内，所述外壳对应冷却箱的进水管和出水管分别设置有进水口和出水口，所述冷却箱的内部设置有降温挡板；所述数据采集与供电箱内还设置有抽气泵，所述数据采集与供电箱开设有抽气口和进气口，所述裂隙监测外壳还开设有出气口，所述裂隙监测模块还包括抽气管，所述抽气管的一端口连接于所述出气口，另一端口连接于所述抽气口。

可选地，所述数据采集与供电箱内还集线器，所述太阳能控制器的输出导线连接于所述集线器，所述集线器分别通过导线与所述总控制开关和所述数据采集主机连接；所述数据采集与供电箱的侧壁还开设有散热口。

本发明还提出了一种煤田火区多区域同步监测气体通量的方法，所述方法采用如前所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一，选取具有白色烟气的煤田火区作为目标煤田火区，在目标煤田火区内选取具有明显裂隙的裂隙区域、未明显裂隙的土壤区域形成对照组；

步骤二，在目标煤田火区内平坦的区域布置数据采集与供电模块，将折叠式太阳能板展开并朝向太阳方向，在数据采集与供电箱上组装红外摄像头模组，并布置数据采集与供电箱内部的电缆，之后在数据采集与供电模块的上方搭建防水棚；

步骤三，确定裂隙区域与土壤区域的中间位置，在该位置组装低空监测模块，组装后将低空监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤四，在土壤区域内组装土壤监测模块，组装后将土壤监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤五，在裂隙区域内组装裂隙监测模块，组装后将土壤监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤六，向裂隙监测模块中的冷却箱内倒入冰晶，并加入冷水，静置至冰晶完全融化且观察到裂隙监测外壳出气口处有白色烟气冒出，打开总控制开关控制各个监测模块的传感器运行，待传感器运行稳定后，设定数据采集主机的读取数据的间隔时间，使得数据采集主机连续不间断地采集各个传感器的数据；

步骤七，工作电脑主机读取数据采集主机所采集的数据，并基于预先内置的计算公式计算求取低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量。

可选地，步骤四中的组装土壤监测模块具体为，在土壤区域钻取多个不同深度的孔洞，将土壤监测模块的多个土壤气体传感器模组相应插入钻取的多个孔洞中，回土填埋并压实孔洞，之后组装防水连接盒、气压传感器和风速传感器；步骤五中的组装裂隙监测模块具体为，在裂隙区域选取明显具有白烟冒出的裂隙，将装有冷却箱的裂隙监测外壳的进气口放在裂隙上方，之后将温度传感器、抽气管、裂隙气体传感器模组、双向气体流速传感器组装在裂隙监测外壳上。

有益效果：

本发明的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，通过在不同深度的土壤内、地表之上和裂隙口处均布置监测模块，有效监测不同区域的气体通量，确保实现自动化连续监测，提高装置的适应性。

本发明的装置采用折叠式太阳能板供电，可以预先设定测试时间和测试时长，有效缓解由于设备因供电不足造成无法连续观测的问题，如此可以实现24小时自动监测。

本发明的装置采用模块设计原理，分为多个模块，可以方便拆卸、更换、添加型号类似的模块，且便于整体设备的包装、运输与安装操作。

本发明的装置监测具有多样性，在监测气体通量的同时，可以同步获取土壤的温湿度、地表面上方低空区域（即地表面上方3m范围内的区域）的气压、风速、温度，裂隙区域处温度、气体的进出量等参数，实现气体通量与环境要素的在线同步耦合。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置的结构示意图；

图2为图1中数据采集与供电箱的另一视角结构示意图；

图3为图1中数据采集与供电箱的内部结构示意图；

图4为图1中低空气体传感器模组的另一视角结构示意图；

图5为图1中土壤气体传感器模组的内部结构示意图；

图6为图1中防水连接盒的另一视角结构示意图；

图7为图1中裂隙监测模块的内部结构示意图。

图中标号：1-数据采集与供电模块；11-折叠式太阳能板；12-红外夜视摄像头模组；121-自动旋转式红外夜视摄像头；122-摄像头支架；123-摄像头控制箱；13-数据采集与供电箱；131-数据采集主机；132-太阳能控制器；133-总控制开关；134-抽气泵；135-集线器；136-蓄电池；137-进气口；138-抽气口；139-散热口；

2-低空监测模块；21-气象传感器；22-低空气体传感器模组；221-低空气体传感器防水外壳；222-低空CO传感器；223-低空CH₄传感器；23-三角式立式支架；24-横杆；

3-土壤监测模块；31-土壤气体传感器模组；311-土壤气体传感器防水外壳；312-土壤CO₂传感器；313-土壤CH₄传感器；314-土壤CO传感器；315-土壤温湿度传感器；32-防水连接盒；321-第一连接管；322-第二连接管；323-第三连接管；324-连接支架；325-连接口；326-导线输出口；33-气压传感器；34-风速传感器；

4-裂隙监测模块；41-温度传感器；42-裂隙监测外壳；43-抽气管；44-裂隙气体传感器模组；441-裂隙CO₂传感器；442-裂隙CH₄传感器；443-裂隙CO传感器；45-冷却箱；451-进水口；452-出水口；453-降温挡板；46-双向气体流速传感器。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，旨在解决现有技术中存在的问题，本发明的装置能够对煤火发生不同阶段过程中释放的气体变化进行直接监测，实用性高，监测效果较好。

如图1至图3所示，本发明实施例中，该装置包括：低空监测模块2，用于监测煤田火区内地表上低空区域处的气象参数和气体浓度；土壤监测模块3，用于监测包括煤田火区内土壤区域处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；裂隙监测模块4，用于监测包括煤田火区内裂隙区域处的气体浓度、温度和气体的进出量（也即裂隙气体的排出量）；数据采集与供电模块1，包括折叠式太阳能板11和数据采集与供电箱13，数据采集与供电箱13内设置有蓄电池136、数据采集主机131、太阳能控制器132和总控制开关133，数据采集主机131、蓄电池136、太阳能控制器132和总控制开关133均通过导线连接于折叠式太阳能板11，总控制开关133通过导线分别连接于低空监测模块2、土壤监测模块3和裂隙监测模块4，数据采集主机131连接于工作电脑主机；低空监测模块2、土壤监测模块3和裂隙监测模块4监测的数据上传至数据采集主机131，工作电脑主机获取数据采集主机131的监测数据，并基于预先设置的计算公式计算得到低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量。

本实施例中，低空区域是指地表面上方3m范围内的区域，太阳能控制器132用于控制折叠式太阳能板11的开启或关闭，总控制开关133用于数据采集主机131的间隔时间设置和控制各个监测模块的监测操作。数据采集与供电箱13设置有导线让位口，以供折叠式太阳能板11、低空监测模块2、土壤监测模块3和裂隙监测模块4的输出导线通过并伸入数据采集与供电箱13内。

需要说明的是，预先设置的计算公式均为现有技术，具体地，利用空气动力学法求取低空监测模块2测得低空区域高度为Zm内的气体通量，计算公式如下：

式中，F _g为被观测气体向上输送的通量，单位为mg/（m²·s）；ρ _z为观测高度z处空气密度，单位为mg/m³；k _g为被测气体在观测高度z处的湍流扩散系数，通常借助动量输送系数来确定；c _g为被观测气体的质量浓度，单位为mg/m³；z为观测高度，单位为m。

由气体状态方程，可求得ρ _z，计算公式如下：

式中：P为观测高度z处的大气压，单位为Pa；R为空气气体常数，R=287.06J/(kg·K)；T为观测高度z处气体的绝对温度，单位为K，可以通过低空监测模块中的气象传感器监测得到。

在中性大气条件下，热量扩散系数(k _h )，动量扩散系数(k _m )和气体扩散系数(k _g )可认为是相等的，即k _h =k _m =k _g ，这样k _g 可以从风廓线方程获得，即：

式中，U(z)为高度z处的风速，单位为m/s；z ₀ 为表面粗糙度长度，单位为m；U ^* 为摩擦风速，单位为m/s；k为卡曼常数，k=0.035；d为零平面位移，该处煤田火区属平坦区域，d=0。

需要说明的是，只要测得两个不同高度上的风速，联立解方程，即可求出U*和z ₀ ，其中，地表上空z处的风速由气象传感器21获取，地表位置处的风速由风速传感器34获取。

在实际测量中，中性大气条件往往得不到满足。因此，气体的湍流扩散与动量、热量的湍流扩散不再相同。在这种情况下,通常要求对上式进行大气稳定度修正，即

根据Monin- Obukhov相似理论，实际大气中的动量、热量和水汽交换稳定度函数均为稳定度参数的函数，且可通过梯度Richardson数R _i来表示，即：

式中，g为重力加速度，取值9.8m/s²，R _i为正表示稳定大气，R _i为负表示不稳定大气；θ为位温，是与绝对温度、大气压、空气比热相关的函数，其计算公式为：

式中，C _p 为空气比热，取值为1005J/(kg·K)。

气体交换稳定度函数Φ _g 有多种表达型式，即为：

进一步地，利用浓度梯度法求取土壤区域内不同深度的气体通量，计算公式如下：

式中，F为CO₂通量，单位为μmol·m^-2s^-1；C（z）为深度z（m）处土壤中CO₂浓度，单位为μmol·m^-3；Ds为土壤中CO₂扩散系数，单位为m²s^-1；

式中，D _a0 =1.47×10^-5；T ₀ =293.15K；P _a =101325Pa；T、P ₀ 为实际测量的温度与大气压，其中，T可以通过土壤温湿度传感器测得，P ₀ 可以通过气压传感器测得；

为相对气体扩散系数。

选择Moldrup-2000模型求取的值，公式如下：

式中，

为土壤体积含水量，即为土壤中水的体积与土壤的总体积的比值，单位为cm³·cm^-3，可以通过土壤温湿度传感器测得；

为土壤孔隙度，

，其中

为土壤容重，单位为g/cm³，使用环刀法采集研究区域的土壤样品带回实验室测得，

为土壤比重，矿质土壤

=2.65g/cm³。

最后，利用流速检测法求取裂隙区域内的气体通量，计算公式如下：

式中：下标i表示监测的气体，v为气体的流速，单位为m/s，其数值可以通过双向气体流速传感器监测得到；A为裂隙或导气孔的面积，单位为m²；C _i为监测气体i的浓度，单位为kg/s³，该处使用双向气体流速传感器测得。

可以理解的，本发明的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，通过在不同深度的土壤内、地表之上和裂隙口处均布置监测模块，有效监测不同区域的气体通量，确保实现自动化连续监测，提高装置的适应性。

本发明的装置采用折叠式太阳能板11供电，可以预先设定测试时间和测试时长，有效缓解由于设备因供电不足造成无法连续观测的问题，如此可以实现24小时自动监测。

本发明的装置采用模块设计原理，分为多个模块，可以方便拆卸、更换、添加型号类似的模块，且便于整体设备的包装、运输与安装操作。

本发明的装置监测具有多样性，在监测气体通量的同时，可以同步获取土壤的温湿度、地表面上方低空区域（即地表面上方3m范围内的区域）的气压、风速、温度，裂隙区域处温度、气体的进出量等参数，实现气体通量与环境要素的在线同步耦合。

进一步地，本发明的可选实施例中，数据采集与供电模块1还包括红外夜视摄像头模组12，红外夜视摄像头模组12包括自动旋转式红外夜视摄像头121、摄像头支架122和摄像头控制箱123，摄像头控制箱123固定安装在数据采集与供电箱13上，摄像头支架122的下端固定连接于所述摄像头控制箱123，自动旋转式红外夜视摄像头121安装在摄像头支架122的上端；摄像头支架122为两端开口的中空结构，自动旋转式红外夜视摄像头121的输出导线穿设于摄像头支架122内并与摄像头控制箱123连接，摄像头控制箱123的输出导线贯穿并伸入数据采集与供电箱13内与控制开关连接。

本实施例中，本装置设置红外夜视摄像头模组12，可通过移动端实时查看现场监测情况，实现24小时无人看守监测，若设备出现问题时，可及时通知相关人员进行处理，以及出现可疑物体移动时，进行预报预警，保证设备稳定运行与安全性。

本实施例中，自动旋转式红外夜视摄像头121为360°自动旋转式红外夜视摄像头121，摄像头控制箱123可拆卸地固定在数据采集与供电箱13的背面上部，其可拆卸方式可以为胶粘固定、螺钉固定或其他合理且有效的固定方式；摄像头支架122由圆杆和方形安装座组成，圆杆的下端固定连接于摄像头控制箱123，方形安装座固定连接于圆杆的上端，安装座的上端面设置有供自动旋转式红外夜视摄像头121安装的安装位，自动旋转式红外夜视摄像头121安装在该安装位上，支架为中空结构，其上端连通安装位，下端连通摄像头控制箱123的内部，这样动旋转式红外夜视摄像头的输出导线可以穿设于摄像头支架122内并与摄像头控制箱123连接；数据采集与供电箱13的背面开设有连通摄像头控制箱123内部的贯穿孔，摄像头控制箱123的输出导线通过贯穿孔并伸入数据采集与供电箱13内与控制开关连接。如此的设置，可以保证连接导线不外漏，起到保护连接导线的作用。

进一步地，摄像头支架122可选为防水材质，这样可以保证红外夜视摄像头模组12在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小沙石对设备的破坏。

如图1所示，本发明可选实施例中，低空监测模块2包括三角式立式支架23、横杆24、气象传感器21和低空气体传感器模组22，横杆24安装在三角式立式支架23的上端，气象传感器21和低空气体传感器模组22分别安装在横杆24的两端；横杆24和三角式立式支架23均为中空结构，气象传感器21和低空气体传感器模组22的输出导线均容置于横杆24和三角式立式支架23的内部，并由三角式立式支架23的底部穿出后与总控制开关133连接。

本实施例中，气象传感器21可选为超声波一体式气象传感器21，用于监测煤田火区内地表上低空区域处的气象参数，气象参数包括温度、湿度、气压、风向、风速、CO₂浓度，其中将风向指针对准北方。三角式立式支架23的高度可选为3m，三角式立式支架23和横杆24均为中空结构，用于放置各个传感器的输出导线，这样可以保证连接导线不外漏，起到保护连接导线的作用。

进一步地，三角式立式支架23和横杆24均可选为防水材质，这样可以保证低空监测模块2在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小沙石对设备的破坏。

本发明可选实施例中，如图4所示，低空气体传感器模组22包括低空气体传感器防水外壳221、设置于低空气体传感器防水外壳221内的低空CO传感器222和低空CH₄传感器223，低空CO传感器222和低空CH₄传感器223的探头均外露于低空气体传感器防水外壳221。本实施例中，低空CO传感器222和低空CH₄传感器223分别用于监测低空区域处的CO浓度和CH₄浓度。

如图1和图6所示，本发明的可选实施例中，土壤监测模块3包括：防水连接盒32、气压传感器33、风速传感器34和多个土壤气体传感器模组31，防水连接盒32设置有连接支架324、连接口325和多个长度不同的连接管（321,322,323），气压传感器33的支架插接固定于连接口325，风速传感器34安装在连接支架324上，多个土壤气体传感器模组31分别安装在多个连接管远离防水连接盒32的端部。

本实施例中，土壤气体传感器模组31设置有三个，相应地，连接管为三个，即为第一连接管321、第二连接管322和第三连接管323，三个连接管均为L形连接管，其伸入土壤的深度分别为10cm、20cm和30cm，也即是，三个土壤气体传感器模组31分别用来监测土壤深度为10cm、20cm和30cm处的数据。

进一步地，防水连接盒32还设置有导线输出口326，连接支架324、连接管和气压传感器33的支架均为中空结构，气压传感器33、风速传感器34和多个土壤气体传感器模组31的输出导线由导线输出口326穿出后连接于控制开关。

本实施例中将各个传感器的连接导线放置于防水连接盒32内，可以保证土壤监测模块3在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小沙石对设备的破坏。

如图5所示，本发明的可选实施例中，土壤气体传感器模组31包括土壤气体传感器防水外壳311、设置于土壤气体传感器防水外壳311内的土壤CO₂传感器312、土壤CO传感器314、土壤CH₄传感器313和土壤温湿度传感器315，土壤CO₂传感器312、土壤CO传感器314、土壤CH₄传感器313和土壤温湿度传感器315的探头均外露于土壤气体传感器防水外壳311之外。

本实施例中，土壤气体传感器防水外壳311大致呈圆盒状，底部开设有供土壤CO₂传感器、土壤CO传感器314、土壤CH₄传感器313和土壤温湿度传感器315的探头外露的四个孔洞。土壤CO₂传感器312、土壤CO传感器314和土壤CH₄传感器313分别用于监测土壤区域内的CO₂浓度、CO浓度和CH₄浓度，将各个气体传感器设置在土壤气体传感器防水外壳311内，可以有效地保证各个气体传感器在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小沙石对设备的破坏。

如图1和图7所示，本发明可选实施例中，裂隙监测模块4包括：裂隙监测外壳42、裂隙气体传感器模组44、温度传感器41、冷却箱45和双向气体流速传感器46，裂隙气体传感器模组44、温度传感器41和双向气体流速传感器46均设置在裂隙监测外壳42上，外壳内设置有冷却通道和原温通道，冷却箱45设置于冷却通道内，外壳对应冷却箱45的进水管和出水管分别设置有进水口451和出水口452，冷却箱45的外围设置有降温挡板453；数据采集与供电箱13内还设置有抽气泵134，数据采集与供电箱13开设有抽气口138和进气口137，裂隙监测外壳42还开设有出气口，裂隙监测模块4还包括抽气管43，抽气管43的一端口连接于出气口，另一端口连接于抽气口138。

本实施例中，裂隙监测外壳42的材质可选为钛锌板、钢板、耐热树脂等，裂隙监测外壳42为上下两端开口的壳结构，且上端开口小于下端开口，如此设置的作用是为了保证裂隙监测模块4不受外界大气的影响，减少监测数据的误差。裂隙监测外壳42内部靠近下端设置有安装隔板，安装隔板将裂隙监测外壳42内部分隔成冷却通道和原温通道，且安装隔板于冷却通道内形成安装空间，冷却箱45设置于冷却通道的安装空间内，冷却箱45的内部设置有降温隔板453。

需要说明的是，由于裂隙口处排出的气体具有较高的温度，为了防止高温气体的温度及水蒸气对传感器造成损伤，从而设置降温隔板以对其进一步有效降温。温度传感器41和双向气体流速传感器46均设置于裂隙监测外壳42的原温通道一侧，裂隙气体传感器模组44和出气口均设置于裂隙监测外壳42的冷却通道一侧，可选地，温度传感器41设置于裂隙监测外壳42下端开口上方10cm处，以保证其有效测得裂隙口处的温度；双向气体流速传感器46设置于裂隙监测外壳42上端开口下方40cm处，以保证其有效测得上端开口的进风与下方裂隙气体排出量。

本发明的可选实施例中，裂隙气体传感器模组44包括裂隙CO₂传感器441、裂隙CH₄传感器442和裂隙CO传感器443，分别用于监测裂隙区域内的CO₂浓度、CO浓度和CH₄浓度。

如图3所示，数据采集与供电箱13内还集线器135，太阳能控制器132的输出导线连接于集线器135，所述集线器135分别通过导线与总控制开关133和数据采集主机131连接。本实施例中，太阳能控制器132的输出导线连接于集线器135，集线器135分别与总控制开关133、数据采集主机131、抽气泵134、摄像头控制箱123连接，实现折叠式太阳能板11对各部分模块的输出供电。

如图2所示，本发明的可选实施例中，数据采集与供电箱13的侧壁还开设有散热口139。散热口139的设置，可以有效地将数据采集与供电箱13内各个设备工作时散发的热量排出，保证了各个设备的运行可靠性和安全性。

进一步地，为了方便安装与拆卸，每个传感器与输出支线之间使用航空插头的形式连接，其中，传感器端为插头，输出支线端为插座。为了防止户外天气变化对线路造成影响，输出支线和总线连接处使用四通连接器。如此的设置，可以有效确保各部分导线不易被磨损破裂；

本发明煤田火区多区域同步监测气体通量的方法，包括以下步骤：

（1）根据气体通量计算原理与原始煤田火区地质数据，首先，观察具有白色烟气的煤田火区作为研究区域（即为目标煤田火区），并选取具有明显裂隙的裂隙区域、未明显裂隙的土壤区域形成对照组。

需要说明的是，由于地底自燃煤层不同位置的自燃程度不同，使得地表不会出现明显的裂隙，因此，为了探究不同自燃程度煤层的气体排放量，需要监测未明显裂隙的土壤区域。

（2）在无影响平坦的区域布置数据采集与供电模块1，将折叠式太阳能板11展开朝向太阳方向，组装红外夜视摄像头模组12。

（3）布置数据采集与供电箱13内部电缆，首先，旋转数据采集与供电箱13的门锁，打开数据采集与供电箱13，通过导线将折叠式太阳能板11与太阳能控制器132、蓄电池136连接，其次，太阳能控制器132输出导线连接至集线器135，集线器135分别与总控制开关133、数据采集主机131、抽气泵134、摄像头控制箱123连接，实现折叠式太阳能板11对各部分模块的输出供电。

（4）引出数据采集与供电箱13中的供电与通讯的主导线，并将抽气管43与进气口137连接，搭建防水棚。

（5）确定裂隙区域与土壤区域的中间位置，将三角式立式支架23支起，超声波一体式气象传感器21与低空气体监测模组通过横杆24与三角式立式支架23进行连接，导线通过立杆内部从底部导出，使用航空插头与主导线连接，保证整体设备导线连接之间的防水性。

（6）在土壤区域分别钻取深度为10cm、20cm、30cm的孔洞，将三个土壤深度气体监测模组分别插入孔洞中，保证土壤温湿度传感器315的探针插入土壤中，回土填埋并压实，组装防水连接管、气压传感器33、风速传感器34，导线利用航空插头通过导线输出口326连接主导线。

（7）在裂隙区域围绕明显冒烟裂隙利用军工铲挖取40cm×20cm的矩形孔槽，把设置有冷却箱45的裂隙监测外壳42放入挖好的矩形孔槽内，保证在地表之上露出高度为80cm，并将高温传感器、抽气管43、裂隙气体传感器模组44、双向气体流速传感器46组装在裂隙监测外壳42，并利用航空插头将导线汇总一条导线与主导线进行连接。

（8）利用开关阀门关闭出水口452，打开进水口451，将准备好的冰晶通过进水口451倒入冷却箱45内，并向冷却箱45内加入适量的冷水，静置1至3分钟等待冰晶的完全融化与观察到裂隙监测外壳42上方出气口白色烟气冒出为止。

（9）打开总控制开关133的1#开关（该开关用于控制摄像头的开启），利用移动端查看360°自动式红外夜视摄像头是否稳定运行，待稳定运行后，打开总控制开关133的2#开关（该开关用于控制传感器的启动），运行各模块传感器5分钟，等待传感器运行稳定之后，打开总控制开关133的3#开关（该开关用于控制采集主机131的启动），设定数据采集主机131读取数据的间隔时间，连续不间断监测24小时；

（10）设定数据采集主机131每天0:00、6:00、12:00、18:00，控制打开抽气泵134抽取裂隙区域的气体样品作为对照组；抽取的气体样品带回实验室，使用气相色谱实验检测裂隙区域的气体浓度，将检测的气体浓度数据与传感器监测的气体浓度数据进行对照，从而确定计算监测误差，在监测误差小于预设值时，说明监测有效；反之，则需要重新监测操作。这里预设值为用户根据实际情况来确定的，可选地，预设值为5%。

（11）通过工作电脑主机读取数据采集主机131的监测数据，利用空气动力学法求取低空监测模块2测得低空区域高度为Z m内的气体通量，利用浓度梯度法求取土壤区域内不同深度的气体通量，利用流速检测法求取裂隙区域内的气体通量，其具体计算公式见上述描述，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述装置包括：

低空监测模块，用于监测煤田火区内地表上低空区域处的气象参数和气体浓度；

土壤监测模块，用于监测煤田火区内不同深度土壤区域处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；

裂隙监测模块，用于监测煤田火区内裂隙区域处的气体浓度、温度和气体的进出量；

数据采集与供电模块，包括折叠式太阳能板和数据采集与供电箱，所述数据采集与供电箱内设置有蓄电池、数据采集主机、太阳能控制器和总控制开关，所述数据采集主机、所述蓄电池、所述太阳能控制器和所述总控制开关均通过导线连接于所述折叠式太阳能板，所述总控制开关通过导线分别连接于所述低空监测模块、所述土壤监测模块和所述裂隙监测模块，所述数据采集主机用于连接于工作电脑主机；

所述低空监测模块、所述土壤监测模块和所述裂隙监测模块监测的数据上传至所述数据采集主机，工作电脑主机获取所述数据采集主机的监测数据，并基于预先设置的计算公式计算得到低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量；

所述裂隙监测模块包括：裂隙监测外壳、裂隙气体传感器模组、温度传感器、冷却箱和双向气体流速传感器，所述裂隙气体传感器模组、所述温度传感器和所述双向气体流速传感器均设置在所述裂隙监测外壳上，所述外壳内设置有冷却通道和原温通道，所述冷却箱设置于所述冷却通道内，所述外壳对应冷却箱的进水管和出水管分别设置有进水口和出水口，所述冷却箱的内部设置有降温挡板；

所述数据采集与供电箱内还设置有抽气泵，所述数据采集与供电箱开设有抽气口和进气口，所述裂隙监测外壳还开设有出气口，所述裂隙监测模块还包括抽气管，所述抽气管的一端口连接于所述出气口，另一端口连接于所述抽气口；

裂隙监测外壳为上下两端开口的壳体，且上端开口小于下端开口，

裂隙气体传感器模组和出气口均设置在裂隙监测外壳的冷却通道一侧，所述温度传感器和所述双向气体流速传感器均设置于裂隙监测外壳的原温通道一侧，温度传感器设置于裂隙监测外壳下端开口上方10cm处，双向气体流速传感器设置在裂隙监测外壳上端开口下方40cm处。

2.如权利要求1所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述数据采集与供电模块还包括红外夜视摄像头模组，所述红外夜视摄像头模组包括自动旋转式红外夜视摄像头、摄像头支架和摄像头控制箱，所述摄像头控制箱固定安装在所述数据采集与供电箱上，所述摄像头支架的下端固定连接于所述摄像头控制箱，所述自动旋转式红外夜视摄像头安装在所述摄像头支架的上端；

所述摄像头支架为两端开口的中空结构，所述自动旋转式红外夜视摄像头的输出导线穿设于所述摄像头支架内并与所述摄像头控制箱连接，所述摄像头控制箱的输出导线贯穿并伸入所述数据采集与供电箱内与所述总控制开关连接。

3.如权利要求1所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述低空监测模块包括三角式立式支架、横杆、气象传感器和低空气体传感器模组，所述横杆安装在所述三角式立式支架的上端，所述气象传感器和所述低空气体传感器模组分别安装在所述横杆的两端；

所述横杆和所述三角式立式支架均为中空结构，所述气象传感器和所述低空气体传感器模组的输出导线均容置于所述横杆和所述三角式立式支架的内部，并由所述三角式立式支架的底部穿出后与所述总控制开关连接。

4.如权利要求3所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述低空气体传感器模组包括低空气体传感器防水外壳、设置于所述低空气体传感器防水外壳内的低空CO传感器和低空CH₄传感器，所述低空CO传感器和所述低空CH₄传感器的探头均外露于所述低空气体传感器防水外壳。

5.如权利要求1所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述土壤监测模块包括：防水连接盒、气压传感器、风速传感器和多个土壤气体传感器模组，所述防水连接盒设置有连接支架、连接口和多个长度不同的连接管，所述气压传感器的支架插接固定于所述连接口，所述风速传感器安装在所述连接支架上，多个所述土壤气体传感器模组分别安装在多个所述连接管远离所述防水连接盒的端部；

所述防水连接盒还设置有导线输出口，所述连接支架、所述连接管和所述气压传感器的支架均为中空结构，所述气压传感器、所述风速传感器和多个所述土壤气体传感器模组的输出导线由所述导线输出口穿出后连接于所述控制开关。

6.如权利要求5所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述土壤气体传感器模组包括土壤气体传感器防水外壳、设置于所述土壤气体传感器防水外壳内的土壤CO₂传感器、土壤CO传感器、土壤CH₄传感器和土壤温湿度传感器，所述土壤CO₂传感器、所述土壤CO传感器、所述土壤CH₄传感器和所述土壤温湿度传感器的探头均外露于所述土壤气体传感器防水外壳。

7.如权利要求1-6中任一项所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，其特征在于，所述数据采集与供电箱内含有集线器，所述太阳能控制器的输出导线连接于所述集线器，所述集线器分别通过导线与所述总控制开关和所述数据采集主机连接；

所述数据采集与供电箱的侧壁还开设有散热口。

8.一种煤田火区多区域同步监测气体通量的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-7中任一项所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一，选取具有白色烟气的煤田火区作为目标煤田火区，在目标煤田火区内选取具有明显裂隙的裂隙区域、未明显裂隙的土壤区域形成对照组；

步骤二，在目标煤田火区内平坦的区域布置数据采集与供电模块，将折叠式太阳能板展开并朝向太阳方向，在数据采集与供电箱上组装红外摄像头模组，并布置数据采集与供电箱内部的电缆，之后在数据采集与供电模块的上方搭建防水棚；

步骤三，确定裂隙区域与土壤区域的中间位置，在该位置组装低空监测模块，组装后将低空监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤四，在土壤区域内组装土壤监测模块，组装后将土壤监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤五，在裂隙区域内组装裂隙监测模块，组装后将土壤监测模块的输出导线和数据采集与供电箱的总控制开关连接；

步骤六，向裂隙监测模块中的冷却箱内倒入冰晶，并加入冷水，静置至冰晶完全融化且观察到裂隙监测外壳出气口处有白色烟气冒出，打开总控制开关控制各个监测模块的传感器运行，待传感器运行稳定后，设定数据采集主机的读取数据的间隔时间，使得数据采集主机连续不间断地采集各个传感器的数据；

步骤七，工作电脑主机读取数据采集主机所采集的数据，并基于预先内置的计算公式计算求取低空区域内、土壤区域内不同深度和裂隙区域内的气体通量。

9.如权利要求8所述的煤田火区多区域同步监测气体通量的方法，其特征在于，步骤四中的组装土壤监测模块具体为，在土壤区域钻取多个不同深度的孔洞，将土壤监测模块的多个土壤气体传感器模组相应插入多个孔洞中，回土填埋并压实孔洞，之后组装防水连接盒、气压传感器和风速传感器；

步骤五中的组装裂隙监测模块具体为，在裂隙区域选取明显具有白烟冒出的裂隙，将装有冷却箱的裂隙监测外壳的进气口放在裂隙上方，之后将温度传感器、抽气管、裂隙气体传感器模组、双向气体流速传感器组装在裂隙监测外壳上。

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