阅读说明：本技术 用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法及系统 (Method and system for acoustic detection of high-temperature fire zone position of goaf under coal mine ) 是由 孔彪 陆伟 程卫民 亓冠圣 贺正龙 李金亮 胡相明 曹英嘉子 李家亮 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法及系统,涉及矿井安全技术领域,利用采空区煤岩体升温及煤自燃产生的声波信号判断高温异常区域位置的方法。包括确定接收声波信号的最佳频率,并布置声波传感器测点,再实时计算每个测点处的声波信号强度平均值判断自燃危险程度,通过分析声波强度的变化斜率判断自燃危险程度的变化趋势,并且通过克里金插值法进行自燃煤层高温火区位置的反演,实现高温火区定位；该方法通过声波探测系统进行实现,包括声波传感器模块、数字化监测传输模块、声波数据分析模块、存储模块和显示模块；实现了快捷、低成本、高精度的确定矿井采空区高温异常区域,并用于分析煤层自燃的发生和发展过程。(The invention provides a method and a system for detecting sound waves of a high-temperature fire zone position of a goaf under a coal mine, relates to the technical field of mine safety, and discloses a method for judging the position of a high-temperature abnormal zone by using sound wave signals generated by coal rock mass temperature rise and coal spontaneous combustion of the goaf. Determining the optimal frequency of a received sound wave signal, arranging sound wave sensor measuring points, calculating the mean value of the sound wave signal intensity at each measuring point in real time to judge the spontaneous combustion danger degree, judging the variation trend of the spontaneous combustion danger degree by analyzing the variation slope of the sound wave intensity, and carrying out inversion on the position of a high-temperature fire zone of the spontaneous combustion coal bed by a Krigin interpolation method to realize the positioning of the high-temperature fire zone; the method is realized by an acoustic wave detection system, and comprises an acoustic wave sensor module, a digital monitoring transmission module, an acoustic wave data analysis module, a storage module and a display module; the method and the device can be used for quickly, low-cost and high-precision determination of the high-temperature abnormal area of the mine goaf and analysis of the occurrence and development processes of spontaneous combustion of the coal bed.)

用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法及系统

技术领域

本发明涉及矿井安全技术领域，尤其是一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法，以及实现该方法的声波探测系统。

背景技术

煤的自燃是由于煤在开采存储和运输过程中发生自发燃烧的现象，煤自燃的危害非常严重，世界产煤国均不同程度受到煤自燃的威胁。据统计56％以上的煤层具有自燃发火的特性，煤自燃对井下生产安全造成重大威胁，另外煤层自燃灭火难度大，由于煤层自燃而损失的煤炭总量每年超过1000万吨，。

煤自燃火灾的探测是矿井火灾防治的关键，目前常用的探测手段多是根据煤氧化升温过程中产生温度场、电磁场、气体等产物的变化，进而判定火灾的危险程度和判定火源的位置。常用的火源的探测方法主要有钻探法、物探方法和化探方法，钻探法是非常准确的一种探测方法，但是成本高，一般作为探测后验证方法；物探方法主要有红外法、遥感法、瞬变电磁法、高密度电阻率法等，化探方法主要有氡气法，物探和化探方法是目前应用比较广泛的方法，在煤田火区的探测和定位方面均取得较大进展；上述方法也有应用在矿井高温异常区域的探测，但是由于井下特殊环境的影响，目前仍然不能实现快捷、低成本、高精度的确定矿井高温异常区域。

煤岩体损伤破裂过程中能够释放热能、弹性能、电能、磁能等，声波信号是煤岩体在变形破裂过程中以波的形式释放出来。煤岩声波探测技术能够实现危险源的定位，温度对煤岩体产生的热损伤破裂，都会伴随有声波信号，因此通过声波信号能够实现煤层自燃探测及定位。声波的波谱比较宽，其中超声波(高于20KHz)和次声波(低于20Hz)等都属于声波范畴，只是频率和波长不同。声波具有波长较长，传播过程中不宜衰减的优点，由于声波的传播特性，使得通过声波进行矿井煤自燃火源探测具有较大优势。目前还未发现有使用声波确定煤矿井下采空区高温火区位置的探测方法。

基于此，需要提供一种能够快捷、低成本、高精度的确定矿井高温异常区域，并用于分析煤层自燃的发生和发展过程的方法及装置。

发明内容

为了实现煤矿井下采空区高温火区位置的快捷、低成本、高精度探测，并分析煤层自燃的发生和发展过程，本发明提供了一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法及系统，具体技术方案如下。

一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法，步骤包括，

步骤一.确定接收声波信号的最佳频率，并布置声波传感器测点；

步骤二.实时计算每个声波传感器测点处的声波信号强度平均值，判断自燃危险程度；

步骤三.分析声波强度的变化斜率确定自燃危险程度的变化趋势，且通过克里金插值法进行自燃煤层高温火区位置的反演，定位高温火区位置。

优选的是，声波传感器测点的布置需要根据煤层的水文地质条件、煤体自燃特性、煤岩升温声波特性确定，煤岩升温声波特性通过煤岩升温声波测试试验确定；通过水文地质条件、煤体自燃特性和煤岩升温声波特性确定接收声波信号的最佳频率、测试距离和测点布置。

优选的是，声波传感器测点的布置包括回采过程中测点的布置和密闭区域声波探测测点的布置，声波传感器测点处均布置有声波传感器。

进一步优选的是，回采过程中测点的布置具体是：

A.将声波传感器测点设置在两条回采巷道与工作面液压支架交汇的两个位置，并在每条回采巷道内分别设置2个声波传感器测点，所述声波传感器设置了金属罩；

B.连接声波传感器和探测主机，测试干扰声波信号，并屏蔽干扰声波信号；

C.探测主机采集声波传感器的参数并记录，声波传感器和探测主机随工作面的推进移动，沿工作面推进方向进行测试。

进一步优选的是，密闭区域声波探测测点的布置具体是：

a.在密闭区域外使用探测钻机和定向钻杆将声波传感器布置到钻孔内进行声波定向探测；

b.连接声波传感器和探测主机，测试干扰声波信号，并屏蔽干扰声波信号；

c.探测主机采集声波传感器的参数并记录。

一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测系统，包括声波传感器模块、数字化监测传输模块、声波数据分析模块、存储模块、通讯模块和显示模块；声波传感器模块布置在声波传感器测点，数字化监测传输模块、声波数据分析模块、存储模块、通讯模块和显示模块集成探测主机；声波传感器模块接收探测区域的声波信号，探测主机判定探测区域的危险性以及位置；声波传感器模块和探测主机用于实现上述用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法的步骤。

还优选的是，数字化监测传输模块将多个通道的声波信号转换为数字信号和电信号；所述声波数据分析模块分析声波数据信号的时域和频域特征；所述显示模块实现数据显示、数据存储和操作命令的输入；所述存储模块将声波传感器模块接收到的探测区域的声波信号进行保存；所述通讯模块实现外部通讯信息传递，包括USB接口，用于连接井下分站将数据进一步传输，或者将数据导出并进行深度分析。

还优选的是，声波传感器的频率范围为0-500KHz，包括0.01-20KHz之间的次声波信号，还有频率高于20KHz的声波信号；所述声波传感器外部套设有抗干扰金属屏蔽罩，金属屏蔽罩上设置有开口，调整开口位置接收固定方向上的声波信号。

还优选的是，探测主机实时传输、转换、分析和存储声波传感器模块采集的声波信号，具体是：声波传感器模块将采集的声波信号转换成电信号，进而数字化监测传输模块对采集的声波信号进行放大和滤波处理，滤波过程中主要滤掉煤岩破裂的产生的声波信号，此时的声波信号则形成第一级存储；声波数据分析模块逐个记录并计算声波传感器测点的声波信号强度平均值，判定煤层自燃的危险程度；判定具有煤层自燃危险的声波传感器测点，声波数据分析模块进一步计算声波强度的变化斜率，判定井下煤层自燃危险程度的变化趋势；通过克里金插值法进行井下煤层自燃高温火区位置的反演，判定井下煤层自燃高温异常区域位置。

还优选的是，存储模块将声波数据分析模块的分析判定结果进行第二级存储，所述显示模块实时显示声波数据分析模块的分析判定结果。

本发明的有益效果是，煤矿井下采空区高温火区位置通过声波探测的方法，根据煤岩受热升温产生的声波信号进行探测和判断煤自燃的危险程度，从而该方法能够从时间上分析煤自燃的发生和发展过程，而且能从空间上对煤自燃高温异常区域进行判断；通过矿井高温异常区域声波探测装置，能够准确探测到声波的信号，声波信号传播不易受到干扰，不受井下特殊环境的影响，准确性高，在探测过程中，能够方便快捷，并且成本低。该方法不仅能够应用井下采空区，还可用于井下破裂煤柱及开采工作面，对于矿井火灾防治具有重要的实际意义和经济效益。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测系统组成示意图；

图2是声波传感器测点布置示意图；

图3是用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法流程示意图。

具体实施方式

结合图1至图3所示，本发明提供的一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法及系统具体实施方式如下。

一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法，步骤包括，

步骤一.

确定接收声波信号的最佳频率，并布置声波传感器测点。

其中，声波传感器测点布置之前需要确定煤层的水文地质条件、煤体自燃特性、煤岩升温声波特性，煤岩升温声波特性通过煤岩升温声波测试试验确定；通过水文地质条件、煤体自燃特性和煤岩升温声波特性确定接收声波信号的最佳频率、测试距离和测点布置。

具体在确定现场测试方案时，需要根据矿井地质条件、煤的自燃特性和煤岩升温声波特性分析进行制定；矿井地质条件则是根据矿井的生产概况、水文地质背景进行分析，从而确定测试的区域和范围；煤的自燃特性则是分析煤的自燃发火期，煤的特征参数变化，从而针对采空区自燃发火特性有宏观了解，煤岩升温声波特性分析则是在实验室测试矿井煤岩升温及受载次声信号特征、最佳频率，获得前期数据基础，根据实际的现场煤样测试得到具体的参数；其次根据实验室的次声信号及频谱特征，调整声波传感器的采集频谱、测试距离、测点布置。

声波传感器测点的布置包括回采过程中测点的布置和密闭区域声波探测测点的布置，声波传感器测点处均布置有声波传感器。

回采过程中测点的布置具体是：

A.将声波传感器测点设置在两条回采巷道(包括进风巷道和回风巷道)与工作面液压支架交汇的两个位置，并在每条回采巷道内分别设置2个声波传感器测点，其中声波传感器设置了金属罩；

B.连接声波传感器和探测主机，测试干扰声波信号，并屏蔽干扰声波信号；

C.探测主机采集声波传感器的参数并记录，声波传感器和探测主机随工作面的推进移动，沿工作面推进方向进行测试。

当采空区被密闭时，密闭区域声波探测测点的布置具体是：

a.在密闭区域外使用探测钻机和定向钻杆将声波传感器布置到钻孔内进行声波定向探测；

b.连接声波传感器和探测主机，测试干扰声波信号，并屏蔽干扰声波信号；

c.探测主机采集声波传感器的参数并记录。

关于声波传感器测点的布置，以图2为例做进一步的说明，具体如下：

(1)当井下没有密闭时，根据制定的测试方案，将声波的传感器首先布置在机巷(进风巷，标注为“进”)和风巷(回风巷，标注为“回”)与液压支架的交汇处，固定在上隅角位置，每条巷道放置2个声波传感器，分别是宽频和点频传感器；通过调整传感器周边的金属罩实现抗干扰测试；将探测主机布置完毕，记录好传感器的位置1进和1回；在井下检修的时候，连续测试采空区内信号；在测试过程中，首先测试周边干扰声波信号，进一步将干扰声波信号进行屏蔽；调试好探测主机的采集参数，测试采空区内声波信号；当工作面向前推进前，沿着工作面推进的方向，移动声波传感器和探测主机，并向前布置，记录好测试位置2进和2回，其中测点1和测点2的距离是10m。进一步向前测试，测点分别记为3进和3回...n进和n回。

(2)当井下密闭空间时，根据井下工作面和采空区位置，首先进行测试位置的确定，分别为1进和1回...n进和n回；之后使用探测钻机携带定向钻杆对密闭进行声波探测，记录不同位置处的声波测试结果，进行下一步分析处理。

步骤二.

实时计算每个声波传感器测点处的声波信号强度平均值，判断自燃危险程度。

声波数据分析模块首先对采集来的声波进行滤波，分析每个测点声波信号的平均值，根据制定的煤自燃的不同阶段分析声波信号大小范围，判定每个测点煤自燃的危险程度，根据声波的强度划定3个等级，声波强度越大等级越高，煤自燃危险程度越大，1-3的等级分别对应无自然危险、潜在自燃危险、具有自燃危险。显示模块中能够对各个测点的危险性进行时实时显示和预警。

步骤三.

分析声波强度的变化斜率确定自燃危险程度的变化趋势，且通过克里金插值法进行自燃煤层高温火区位置的反演，定位高温火区位置。

声波数据分析模块对每个测点探测范围内的煤自燃危险程度分析的同时，声波数据分析模块还可以分析声波的动态的变化斜率，当声波的谐波均值呈多层次递进式增大变化时，判定探测区域的煤自燃危险程度的变化趋势，根据斜率的大小划定3个等级，斜率越大等级越高，煤自燃危险程度越大，1-3的等级分别对应无自然危险、潜在自燃危险、具有自燃危险。同样的在进行区域危险程度判定后，根据不同测试位置n1···na处的测试结果，系统进行声波强度的分析，通过算法计算两巷中对应直线2个测试位置的声波强度的主方向，从而对声波场源的方向进行判定，根据声波场源的方法，判定井下采空区火源的方向。

根据以上分析，确定煤自燃高温火区位置坐标，通过克里金插值法进行煤自燃高温火区位置的反演，实现煤自燃高温火区位置的定位；具体计算过程是，首先计算声波强度：

式中Z(x_i)^*为估算点的声波强度；λ_i为声波强度的权重；x_i为声波测点的坐标位置；Z(x_i)为声波强度的计算点，其方程组为：

其中γ(x_i,x_j)表征声波时间序列上的变异函数，根据不同测点的方差计算得到，即

μ则表示声波时间序列的Lagrange乘子。

用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测系统还具有矿井自燃高温异常区域的危险性分析功能，通过显示模块的命令按钮输入多个不同测点的谐波均值的变化趋势率，判断矿井自燃高温异常区域的危险性和发展趋势。

一种用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测系统，包括声波传感器模块、数字化监测传输模块、声波数据分析模块、存储模块、通讯模块和显示模块；声波传感器模块布置在声波传感器测点，数字化监测传输模块、声波数据分析模块、存储模块、通讯模块和显示模块集成探测主机；声波传感器模块接收探测区域的声波信号，探测主机判定探测区域的危险性以及位置；声波传感器模块和探测主机用于实现上述用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测方法的步骤。用于煤矿井下的采空区高温火区位置声波探测系统利用井下煤体自燃不断升温形成的火区使得煤岩层产生的声波信号，通过声波探头进行测试后，使用探测主机对声波信号进行分析进而判定井下高温异常区域的危险性。

数字化监测传输模块将多个通道的声波信号转换为数字信号和电信号，其中数字化监测传输模块包含A/D模数转换器，信号放大器，带通滤波器。其中A/D模数转换器将电信号转换为数字信号，模数转换器可采用TLC系列芯片，要求输入和输出信号大小具有线性比例关系，采样率要高，便于满足后期声波数据分析中的中央处理器。信号放大器实现声波传感器测试的声波信号进行放大，输出功率满足工信部要求，并具有一定范围的自动增益控制，带内波动比3dB小。信号放大器则将信号放大后，传输到滤波模块，该模块具有二级滤波功能，一是将杂散信号滤掉，剩下是平坦声波信号，而是将低于采样门槛的信号滤除。

声波数据分析模块分析声波数据信号的时域和频域特征。其中声波数据分析模块主要是由中央处理器组成，中央处理器选用MCS-51系列单片机，其时钟频率需要达到40MHz以上，便于数据处理；因为数据处理后有存储模块，所以对处理器的存储特性不做太高要求。

显示模块实现数据显示、数据存储和操作命令的输入，其中显示模块实现数据实时显示和显示分析结果，并且能够通过通讯模块则进行操作及外部通讯，包含USB接口，既能连接井下分站进行下一步传输，又能进行数据导出。通讯模块实现外部通讯信息传递，包括USB接口，用于连接井下分站将数据进一步传输，或者将数据导出并进行深度分析。

存储模块将声波传感器模块接收到的探测区域的声波信号进行保存，其中存储模块能够实现声波数据的存储，存储模块具有两级存储功能，声波传感器采集到声波信号经过滤波器将外界环境中的干扰信号过滤掉，并进行一级存储；信号分析模块则是将滤波后的信号进行分析处理，最终在显示模块上进行显示，并进行二级存储，采集的声波数据能够通过单独文件进行保存，满足16G或者更大的数据存储。

声波传感器的频率范围为0-500KHz，包括0.01-20KHz之间的次声波信号，还有频率高于20KHz的声波信号。声波传感器外部套设有抗干扰金属屏蔽罩，金属屏蔽罩上设置有开口，调整开口位置接收固定方向上的声波信号。

探测主机采用外部直流电源供电，供电电压的范围在18-9V，能够持续使用6小时以上。使用的声波传感器能够实现抗干扰功能，实现的途径是声波传感器外部有一个可扩展方向的金属罩，通过调整金属罩的开放区域，实现声波传感器探测声波信号的前方0-180度范围。除此之外，声波传感器的包含2种，一种是宽频声波传感器，接收频率在频率介于0.01-20KHz之间的声波；一种是点频声波传感器，频率固定；上述两种传感器的动态响应范围为128dB，能够抗电磁的干扰。声波传感器频率包含2种，一种是宽频声波传感器，声波的传感器频率范围在0-500KHz，接收频率即涵盖0.01-20KHz之间的次声波信号；又涵盖了频率高于20KHz的声波信号；一种是点频声波传感器，频率固定；上述两种传感器的动态响应范围为128dB，能够抗电磁的干扰。

在现场测试过程中，数字化监测传输系统能够把测试到1-4个通道的声波信号转换为数字信号，进一步在传输过程中将数字信号转换成电信号，采集频率能够达到0.1-500kHz；声波数据分析系统能够分析系统采集信号的时域和频域特征，采集的数据通过单独文件进行保存，该系统能够满足16G的数据存储，能够实现实时分析和处理的功能；显示模块具有数据显示、通讯接口和功能按钮。

探测主机实时传输、转换、分析和存储声波传感器模块采集的声波信号，具体是：声波传感器模块将采集的声波信号转换成电信号，进而数字化监测传输模块对采集的声波信号进行放大和滤波处理，滤波过程中主要滤掉煤岩破裂的产生的声波信号，此时的声波信号则形成第一级存储；声波数据分析模块逐个记录并计算声波传感器测点的声波信号强度平均值，判定煤层自燃的危险程度；判定具有煤层自燃危险的声波传感器测点，声波数据分析模块进一步计算声波强度的变化斜率，判定井下煤层自燃危险程度的变化趋势；通过克里金插值法进行井下煤层自燃高温火区位置的反演，判定井下煤层自燃高温异常区域位置。存储模块将声波数据分析模块的分析判定结果进行第二级存储，所述显示模块实时显示声波数据分析模块的分析判定结果。

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。