CN117348090B - 基于自然电位法的煤自燃井下探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿隐蔽火区探测领域，尤其是基于自然电位法的煤自燃井下探测系统及探测方法。包括自然电位探测装置和自然电位处理装置，所述自然电位探测装置包括测量电极、参考电极和金属锚杆，其中测量电极设置在采空区巷道顶板，测量电极与金属锚杆固定，且测量电极通过金属锚杆与参考电极无线连接；所述自然电位处理装置包括用于处理电位数据的数据处理模块和用于将数据转化为图像的成像模块，所述两种电极与数据处理模块无线连接。本发明可以对采空区隐蔽火源进行实时探测，通过采集处理数据转化为图像形式，更直观精确地显示火区位置，从而进行预警，有效减轻、防止火区的安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及采空区隐蔽火源的探测领域，具体涉及基于自然电位法的煤自燃井下探测系统及探测方法。
背景技术
煤矿地质条件复杂，工作面内煤矿火灾时有发生，尤其是采空区内的自燃隐蔽火灾。由于煤层自燃火灾高温位置的隐蔽性、工作面漏风而导致的火区热量传递方向复杂等，使采空区上方自燃隐蔽火灾形成初期很难被发现。
随着工作面推进，采空区在工作面后部将经历散热带、自燃带与窒息带。散热带靠近工作面，风速流速大，遗煤不易自燃。窒息带内部氧浓度含量低，不构成遗煤自燃的条件。自燃带的氧气浓度与风速均满足遗煤自燃的条件，因此，自燃带为采空区遗煤自燃的主要地带。
目前探测煤矿自燃火灾的探测技术分为直接调查法、钻探法、温度探测法、气体探测法、物探法。直接调查法是通过实地走访，根据实际测量来确定煤自燃隐蔽火区；钻探法是通过钻探取信分析来确定煤层所处状态。直接调查法和钻探法费时费力，局限性大。温度探测法目前作为最为广泛的一种方法，主要包括钻探测温法、红外测温法和光纤测温法。温度探测法能够实现煤自燃的发展过程的监测预警，但是测温传感器的布置和测试过程中易受矿井特殊环境的影响。气体探测法通过煤自燃升温释放的气体，判定煤自燃现场危险程度，但进行自燃探测时较容易受到外界干扰，探测深度存在一定局限性。物探法主要包括自然电位法、磁法、高密度电阻率法等。每种物探法均有自己的优、缺点和使用范围。磁法和电阻率法在探测封闭火区或火源温度较高时准确性较高，但对于井下高温异常区域的探测面临较多问题；随着技术的发展，煤自燃过程中的自然电位响应特征方面的技术越来越收到重视，通过研究煤自然电位的变化，对于提高煤层自燃隐蔽火灾探测准确率非常关键。
发明内容
本发明采用基于自然电位法的煤自燃井下探测系统及探测方法的技术方案用于解决上述问题，本发明可以对采空区上方的隐蔽火源进行实时探测，通过采集处理数据转化为图像形式，更直观精确地显示火区位置，从而进行预警，有效减轻、防止火区的安全隐患。
本发明提供如下技术方案：基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，包括自然电位探测装置和自然电位处理装置，所述自然电位探测装置包括测量电极、参考电极和金属锚杆，其中测量电极设置在采空区巷道顶板，测量电极与金属锚杆固定，且测量电极通过金属锚杆与参考电极无线连接；所述自然电位处理装置包括用于处理电位数据的数据处理模块和用于将数据转化为图像的成像模块，所述参考电极与数据处理模块连接。
测量电极设置在电极槽内，且采用锚杆固定测量电极，每个电极槽内设置一个测量电极，电极槽设置在采空区巷道顶板，且相邻电极槽之间间隔10m，这样就可以使测量电极相互间隔10m。
所述的测量电极通过低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆与参考电极无线连接进行信号传输，且测量电极、低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆一一对应。所述低通滤波器用于采集5Hz以下的自然电位信号。
所述测量电极与参考电极均为不极化硫酸铜电极，采用磁棒电极。
基于自然电位法的煤自燃井下探测方法，包括如下步骤：
步骤一，在采空区巷道顶板区域，根据巷道长度挖设多个电极槽，电极槽之间间隔T10m；
步骤二，将测量电极与金属锚杆进行焊接，焊接好后将测量电极、低通滤波器、数据采集卡相连接，并将测量电极、低通滤波器和数据采集卡做好防护；
步骤三，采用金属锚杆固定，将测量电极埋设于电极槽中，采用无线传输的方式传输信号；
步骤四，自然电位处理装置向各个数据采集卡发出指令，采集各个测量电极的信息，将信息暂时存储在数据采集卡中；
步骤五，利用金属锚杆增强信号传播，将数据采集卡中的信息传输至自然电位处理装置中的数据处理模块，数据处理模块将信息按采集时间、测量电极编号、自然电位信号大小、自然电位信号与温度的关系进行处理,将处理好的数据传输至成图模块转化为图像形式。
在步骤二中，所述的金属锚杆采用铜制锚杆，以达到增强信号的目的。在步骤五中数据处理模块包括数据转化、修饰性数据处理、实质性数据处理、二维反演、解析成图等过程。
通过上述描述可以看出，本方案利用金属锚杆增强信号传播的特性，采用金属锚杆连接测量电极的方式，使自然电位信号利用锚杆传输至自然电位处理装置中处理，实时监测自然电位信号，通过这种方法可以更直观精确地定位采空区上方的火灾隐患。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的原理框图
图2为本发明煤自燃井下探测系统在采空区巷道的布置示意图。
图3为自然电位探测装置的布置示意图。
图中，1为测量电极，2为金属锚杆，3为参考电极，4为自然电位处理装置。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
通过附图可以看出，本发明的基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，包括自然电位探测装置和自然电位处理装置4，所述自然电位探测装置包括测量电极1、参考电极3和金属锚杆2，其中测量电极1设置在采空区巷道顶板，测量电极1与金属锚杆2固定，且测量电极1通过金属锚杆2与参考电极3无线连接；所述自然电位处理装置4包括用于处理电位数据的数据处理模块和用于将数据转化为图像的成像模块。所有测量电极1与参考电极3无线连接，测量电极1实时监测自然电位信号，利用金属锚杆2增强信号传播，将信号传到下方自然电位处理装置中，再由自然电位处理装置进行数据转化、处理、反演最终转化成图像形式。
所述的测量电极1设置在电极槽内，且金属锚杆2固定测量电极，埋设于采空区巷道顶板，每个电极槽内设置一个测量电极，电极槽设置在采空区巷道顶板，且测量电极均匀分布，相邻电极槽之间间隔10m。所述测量电极与参考电极均为不极化硫酸铜电极，采用磁棒电极。不极化的磁棒电极电性特征比较稳定，可保证监测数据的准确性和稳定性。
所述的测量电极通过低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆与参考电极电连接进行信号传输，且测量电极、低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆一一对应。所述低通滤波器用于采集5Hz以下的自然电位信号。
一种采用上述系统的基于自然电位法的煤自燃井下探测方法，包括如下步骤：
步骤一，在采空区巷道顶板区域，根据巷道长度面积挖设多个电极槽，电极槽之间间隔T10m。
步骤二，将测量电极与金属锚杆进行焊接，焊接好后将测量电极、低通滤波器、数据采集卡相连接，并将测量电极、低通滤波器和数据采集卡做好防护，可以将低通滤波器和数据采集卡放入防护盒中，避免受到外部损伤。
步骤三，用金属锚杆固定，将测量电极埋设于电极槽中，每个电极槽中设置一个测量电极，采用无线传输的方式传输信号；检查各装置连接情况完好后，方可进行测量。
步骤四，自然电位处理装置向各个数据采集卡发出指令，采集各个测量电极的信息，将信息暂时存储在数据采集卡中。
步骤五，利用金属锚杆增强信号传播，将数据采集卡中的信息传输至自然电位处理装置中的数据处理模块，数据处理模块将信息按采集时间、测量电极编号、自然电位信号大小、自然电位信号与温度的关系进行处理,将处理好的数据传输至成图模块转化为图像形式。
尽管已经示出和描述了本发明的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些具体实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，其特征在于，包括自然电位探测装置和自然电位处理装置，
所述自然电位探测装置包括测量电极、参考电极和金属锚杆，其中测量电极设置在采空区巷道顶板，测量电极与金属锚杆固定，且测量电极通过金属锚杆与参考电极无线连接；
所述自然电位处理装置包括用于处理电位数据的数据处理模块和用于将数据转化为图像的成像模块，所述测量电极、参考电极与数据处理模块无线连接；
所述的测量电极设置在电极槽内，由金属锚杆固定测量电极，每个电极槽内设置一个测量电极，电极槽设置在采空区巷道顶板，且相邻电极槽之间间隔10m。
2.根据权利要求1所述的基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，其特征在于，
所述的测量电极通过低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆与参考电极无线连接进行信号传输，且测量电极、低通滤波器、数据采集卡、金属锚杆一一对应。
3.根据权利要求2所述的基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，其特征在于，
所述低通滤波器用于采集5Hz以下的自然电位信号。
4.根据权利要求1所述的基于自然电位法的煤自燃井下探测系统，其特征在于，
所述测量电极与参考电极均为不极化硫酸铜电极，采用磁棒电极。
5.基于自然电位法的煤自燃井下探测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，在采空区巷道顶板区域，根据巷道长度挖设多个电极槽；
步骤二，将测量电极与金属锚杆进行焊接，焊接好后将测量电极、低通滤波器、数据采集卡相连接，并将测量电极、低通滤波器和数据采集卡做好防护；
步骤三，以金属锚杆作固定，将测量电极埋设于顶板电极槽中，采用无线传输的方式传输信号；
步骤四，自然电位处理装置向各个数据采集卡发出指令，采集各个测量电极的信息，将信息暂时存储在数据采集卡中；
步骤五，利用金属锚杆增强信号传播的特性，将数据采集卡中的信息传输至自然电位处理装置中的数据处理模块，数据处理模块将信息按采集时间、测量电极编号、自然电位信号大小、自然电位信号与温度的关系进行处理,将处理好的数据传输至成图模块转化为图像形式。
6.根据权利要求5所述的基于自然电位法的煤自燃井下探测方法，其特征在于，在步骤二中，所述的金属锚杆采用铜制锚杆，以达到增强信号的目的。
7.根据权利要求5所述的基于自然电位法的煤自燃井下探测方法，其特征在于，所述电极槽之间间隔T为10m。
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