一种煤矿采空区自燃三带的判定方法与测量系统与流程

本发明属于煤矿采空区自燃危险区域判定技术领域，具体涉及一种煤矿采空区自燃三带的判定方法与测量系统。

背景技术：

煤自燃火灾是煤矿井下开采面临的五大灾害之一，随着煤矿开采条件的复杂性和规模的不断扩大，矿井煤自燃火灾的灾害程度也在增加，导致每年都有大量的生产工作面因为火而封闭。采空区煤自燃三带观测是划分采空区煤自燃危险区域的必经途径，是采空区煤自燃预防技术的必要条件，现有煤矿采空区三带(不燃带、自燃带、窒息带)的观测方法是在采煤工作进行时预先埋设一系列取气管道，当采煤工作完毕后，在撤离液压支架后顶板垮落后，根据从预先埋设的管道中抽取出的气体并分析气体成分所得到的数据来判断采空区三带的大致分布。但这种传统的采用预先埋管的方法有着许多缺点，预先埋管在顶板垮落时导致管道破损、堵塞、甚至是管道断裂；管道铺设成本和布置束管监测系统成本高；测点位置较固定，无法灵活布置，观测周期长，在特殊情况下人员需要进入危险区域检测，危险性高。

现有技术中，公开号为cn107227954a的中国专利提出了“一种采空区煤自燃三带快速观测及分析方法”，该方法通过如图1所示的钻机向采空区煤岩体钻孔测温、取气的方式，检测采空区的自燃三带，检测时间长，长达五天，工作效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种煤矿采空区自燃三带的判定方法与测量系统，用于解决现有技术检测采空区自燃带工作时间长、效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种煤矿采空区自燃三带的判定方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

1)在井下巷道里布置网络集中控制器，在井下采空区塌陷前，在井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知；或者在井下采空区塌陷后，通过打孔在塌陷的井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知；

2)所述无线气体浓度传感器之间在通信范围内通过自组网形成透地通信系统，将各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息发送给网络集中控制器；

3)网络集中控制器根据各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息，判定采空区的自燃带、不燃带或窒息带。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述气体浓度测量信息包括氧气浓度，将采空区内所述氧气浓度在第一设定值和第二设定值之间范围内的区域判定为自燃带，第一设定值小于第二设定值。

方法方案三，在方法方案二的基础上，将采空区内所述氧气浓度大于第二设定值的区域判定为不燃带。

方法方案四，在方法方案二的基础上，将采空区内所述氧气浓度小于第一设定值的区域判定为窒息带。

方法方案五、六、七，分别在方法方案二、三、四的基础上，所述第一设定值为10％的氧气浓度，所述第二设定值为18％的氧气浓度。

方法方案八，在方法方案一的基础上，根据已知坐标的三个无线气体浓度传感器的位置信息，采用比较接收信号强度定位算法计算剩余无线气体浓度传感器的位置信息，得到所述剩余无线气体浓度传感器的定位信息。

方法方案九，在方法方案一的基础上，每个无线气体浓度传感器均包括微处理器，及连接微处理器的透地通信定位模块和气体浓度测量模块、电池。

方法方案十，在方法方案一的基础上，在布置无线气体浓度传感器时，按照以下步骤布置：

根据采空区内不同位置的气体浓度测量需求，沿着采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置一列无线气体浓度传感器，当所述采煤工作面推进到设定的第二距离时，沿着所述采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置下一列无线气体浓度传感器；

或者在采空区塌陷后，根据测量需求通过打钻方式将无线气体浓度传感器布置到采空区的预期位置。

为解决上述技术问题，本发明提出一种煤矿采空区自燃三带的测量系统，包括以下系统方案：

系统方案一，包括网络集中控制器和三个以上的无线气体浓度传感器，其中，在井下巷道里布置网络集中控制器，在井下采空区塌陷前，在井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知；或者在井下采空区塌陷后，通过打孔在塌陷的井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知；

所述无线气体浓度传感器之间在通信范围内通过自组网形成透地通信系统，将各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息发送给网络集中控制器；网络集中控制器根据各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息，判定采空区的自燃带、不燃带或窒息带。

系统方案二，在系统方案一的基础上，所述气体浓度测量信息包括氧气浓度，将采空区内所述氧气浓度在第一设定值和第二设定值之间范围内的区域判定为自燃带，第一设定值小于第二设定值。

系统方案三，在系统方案二的基础上，将采空区内所述氧气浓度大于第二设定值的区域判定为不燃带。

系统方案四，在系统方案二的基础上，将采空区内所述氧气浓度小于第一设定值的区域判定为窒息带。

系统方案五、六、七，分别在系统方案二、三、四的基础上，所述第一设定值为10％的氧气浓度，所述第二设定值为18％的氧气浓度。

系统方案八，在系统方案一的基础上，根据已知坐标的三个无线气体浓度传感器的位置信息，采用比较接收信号强度定位算法计算剩余无线气体浓度传感器的位置信息，得到所述剩余无线气体浓度传感器的定位信息。该定位算法的效果在于定位精度能够达到5米。

系统方案九，在系统方案一的基础上，每个无线气体浓度传感器均包括微处理器，及连接微处理器的透地通信定位模块和气体浓度测量模块、电池。

系统方案十，在系统方案一的基础上，在布置无线气体浓度传感器时，按照以下步骤布置：

根据采空区内不同位置的气体浓度测量需求，沿着采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置一列无线气体浓度传感器，当所述采煤工作面推进到设定的第二距离时，沿着所述采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置下一列无线气体浓度传感器；

或者在采空区塌陷后，根据测量需求通过打钻方式将无线气体浓度传感器布置到采空区的预期位置。

本发明的有益效果是：

本发明通过布置在井下巷道里的网络集中控制器，在井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，无线气体浓度传感器通过自组网将所有无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息发送给网络集中控制器，网络集中控制器根据各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息，检测采空区的自燃带，还可以检测采空区的不燃带和窒息带，利用网络集中控制器实现采煤工作面采空区自燃三带的动态绘制和展示，为矿井进行合理的工作面回采速度设计、巷道布置设计、瓦斯抽采设计、火灾预警及应急救援等工作提供直观的数据依据，可大幅度提高矿井的信息化水平，实现矿井的精细化管理。

本发明在布置无线气体浓度传感器时，根据采空区内不同位置的气体浓度测量需求，及矿井采煤工作面特点，沿着采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置一列无线气体浓度传感器，当所述采煤工作面推进到设定的第二距离时，沿着所述采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置下一列无线气体浓度传感器，实现采空区内不同气体浓度测点的部署。或者在采空区塌陷后，根据测量需求通过打钻方式将无线气体浓度传感器布置到采空区的预期位置。

本发明基于现有技术的透地通信系统，当个别无线气体浓度传感器因采空区顶板垮落、高温等因素产生故障时，整个网络剩余的传感器会继续完成网络组建和通信；同时，随着工作面的不断推进，会有新的气体浓度传感器被部署至采空区，该网络可以自动实现对新增测点的识别、连接和组网。

附图说明

图1是现有技术检测采空区煤自燃三带时使用的钻机结构图；

图2是本发明的一种具备透地通信功能的无线网络系统结构图；

图3是本发明的一种煤矿采空区自燃带的检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例一：

如图2所示的透地通信系统，包括网络集中控制器和若干个无线气体浓度传感器，无线气体浓度传感器包括微处理器，及连接微处理器的透地通信定位模块和气体浓度测量模块(能够检测co、o2、ch4等n种气体浓度)、电池。本发明基于该系统，提出一种煤矿采空区自燃三带的判定方法，如图3所示，包括以下步骤：

在井下巷道里布置网络集中控制器，然后布置无线气体浓度传感器，可以选择在采空区塌陷前或塌陷后布置，即在井下采空区塌陷前，在采空区的各设定区域内布置每个无线气体浓度传感器，其中三个无线气体浓度传感器的坐标是已知的，或者在井下采空区塌陷后，通过管道在塌陷的井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，其中三个无线气体浓度传感器的坐标是已知的。

上述在采空区塌陷前或塌陷后布置的无线气体浓度传感器之间在通信范围内通过自组网形成透地通信系统，将各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息发送给网络集中控制器。

最后，网络集中控制器根据各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息，判定采空区的自燃带、不燃带或窒息带。例如，根据检测气体浓度测量信息中的氧气浓度判断自燃带，将采空区内氧气浓度在第一设定值和第二设定值之间范围内的区域判定为自燃带，第一设定值小于第二设定值；将采空区内氧气浓度大于第二设定值的区域判定为不燃带，将采空区内氧气浓度小于第一设定值的区域判定为窒息带。或者，结合本发明的布置透地通信系统的方法，还可以根据公布号为cn102748073a、名称为“一种高瓦斯采空区自燃三带的判别方法”的中国专利提到的判别方法判定自燃三带。

第一设定值为10％的氧气浓度，第二设定值为18％的氧气浓度。其中，第一设定值10％、第二设定值18％为初始值，该值可根据不同现场条件进行人工设置。

本发明既可以通过在采空区塌陷前布置无线气体浓度传感器，也可以在井下采空区塌陷后布置无线气体浓度传感器，还可以先在采空区塌陷前提前布置好预设的无线气体浓度传感器，然后在采空区塌陷后根据塌陷后采空区内的情况再布置一定的无线气体浓度传感器。通过本发明布置的无线气体浓度传感器和集中控制器形成的透地通信系统，进行无线气体浓度传感器的位置信息定位。在位置信息定位时，根据已知的三个无线气体浓度传感器的位置信息，采用比较接收信号强度定位算法计算剩余无线气体浓度传感器的位置信息，得到剩余无线气体浓度传感器的定位信息。

本发明借助该透地通信系统的透地通信和无线定位功能，用整个无线网络覆盖井下采空区，进行不同无线气体浓度传感器处的气体浓度测量和位置定位，绘制采空区氧气浓度的分布场，根据分布场显示的采空区氧气浓度分布判定采空区的自燃三带，实现采空区自燃三带的在线监测与实时划分，为煤矿采空区自燃发火的早期预警与工作面回采速度等设计提供直接、实时的数据支持，大大提高矿井采空区火灾预警能力和灾变处理效率，具有很好的应用价值和推广前景。

本发明还提出一种煤矿采空区自燃三带的测量系统，包括网络集中控制器和三个以上的无线气体浓度传感器，其中，在井下巷道里布置网络集中控制器，在井下采空区塌陷前，在井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知；或者在井下采空区塌陷后，通过打孔在塌陷的井下采空区内布置三个以上的无线气体浓度传感器，并且其中三个无线气体浓度传感器的坐标已知。

无线气体浓度传感器之间在通信范围内通过自组网形成透地通信系统，将各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息发送给网络集中控制器；网络集中控制器根据各个无线气体浓度传感器的定位信息和气体浓度测量信息，判定采空区的自燃带、不燃带或窒息带。

由于本发明的煤矿采空区自燃三带的测量系统的突出特点在于使用上述煤矿采空区自燃三带的判定方法，而煤矿采空区自燃三带的判定方法已经在本实施例中进行了详细描述，因此对自燃三带的测量系统不再赘述。

实施例二：

采空区靠近工作面一侧由于顶板冒落不实，孔隙率较大，由工作面进风巷带来的新鲜风流会较大程度的深入至该区域，造成该区域漏风严重。遗煤氧化产生的热量大部分被风流带走，导致热量很难聚集，无法引起遗煤自燃发火，因而该区域称为不燃带。不燃带氧气浓度限值以实验室测试数据为准，一般认为氧气浓度大于18％时，判定为不燃带。

经不燃带向采空区内部延伸，冒落逐渐压实，孔隙率逐渐减少，采空区漏风量开始减小。该区域的氧气浓度还可以维持遗煤的氧化反应正常进行，但是氧化反应产生的热量不能及时被漏风带走，造成该区域温度逐渐升高，加速了遗煤的氧化反应，因而该区域称为自燃带。该区域氧气浓度相对不燃带因为氧化反应而降低，一般认为氧气浓度在10-18％时，判定为自燃带。

经自燃带继续向采空区内部延伸，冒落压实程度进一步加大，漏风量进一步减小，因漏风带来的氧气大部分在自燃带被消耗掉，因此该区域的氧气浓度更小，不能再为遗煤的氧化反应提供足够的氧气，因而该区域成为窒息带。一般认为，氧气浓度小于10％时，判定为窒息带。

本发明利用具备透地通信功能的无线网络系统，可穿透岩石、土层、水、矿物质等，根据不同介质，透地通信距离达到10-100米，如图2所示，包括布置在井下巷道里的网络集中控制器，三个以上布置在井下采空区内的无线气体浓度传感器，每个无线气体浓度传感器均包括微处理器，及连接微处理器的透地通信定位模块、气体浓度测量模块和电池，无线气体浓度传感器之间在通信范围内通过自组网将节点定位信息、气体浓度测量信息，以及计算的电池电量信息，发送给网络集中控制器。

如图2所示，无线气体浓度传感器有序地分散布置(也可以是无序分布)在井下采空区内，形成节点阵列。无线气体浓度传感器的电池为透地通信定位模块提供工作所需电量，维持其正常工作一年以上。无线气体浓度传感器的透地通信定位模块通过电磁波与周边各无线气体浓度传感器之间的透地通信，进而通过多节点(即无线气体浓度传感器)连接自组网形成无线通信网络。网络集中器布置在节点阵列附近可通信区域内。一方面，网络集中器可接入由多个无线气体浓度传感器组成的无线通信网络，同时，网络集中器还具备信息收集和处理能力，将各无线气体浓度传感器位置、气体浓度、电池剩余电量等信息进行收集、处理、显示和发送。

本发明利用图2所示的透地通信系统检测采空区内各个位置的气体浓度，判断采空区的自燃三带，例如，将采空区内检测到氧气浓度大于18％的区域判定为不燃带；将采空区内检测到的氧气浓度在10-18％的区域判定为自燃带；氧气浓度小于10％时，判定为窒息带，结合采空区气体浓度测量系统提供的采空区氧气浓度分布场数据，系统软件可自动绘制出采空区实时的自燃三带，为矿井的安全监管、高效生产提供参考。

在具体布置无线气体浓度传感器时，将其中三个无线传感器网络节点无线气体浓度传感器布置在能够将定位信息和气体浓度测量信息发送至网络集中控制器的通信范围内的井下采空区，将剩余的无线气体浓度传感器布置在井下采空区的其他位置，例如，根据矿井采煤工作面特点，以及根据采空区内不同位置的气体浓度测量需求，从采煤工作面开切眼准备完毕，沿着采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置第一列无线气体浓度传感器，当采煤工作面推进到设定的第二距离时，沿着采煤工作面液压支架走向以每隔设定的第一距离布置下一列无线气体浓度传感器，并以此类推，按照一定的步长，逐列进行部署。或者在采空区塌陷后，根据测量需求通过打钻方式将无线气体浓度传感器布置到采空区的预期位置。

而布置网络集中器时，布置在采煤工作面的进风巷络，实现数据的稳定采集和传输。优选的，将其布置在靠近采空区的隅角位置，保证网络集中器可无线接入采空区内部气体浓度传感器组成的无线网。

上述三个无线气体浓度传感器在井下采空区的设定位置是已知的，可根据这三个无线气体浓度传感器的位置信息，采用比较接收信号强度(rssi)定位算法计算剩余无线气体浓度传感器的位置信息，得到剩余无线气体浓度传感器的位置定位信息。上述rssi定位算法是一种三点定位算法，根据已知三个点的坐标和未知点到这三个点的rssi的信号值，求解未知点的坐标。由于该rssi定位算法属于现有技术，本实施例不再对其原理进行赘述，关于rssi定位算法具体参见期刊《计算机工程与应用》于2010年第46卷第17期的论文《一种用于室内人员定位的rssi定位算法》。

本实施例在井下采空区内定位无线气体浓度传感器的位置时，根据比较接收信号强度定位算法，和给定初始的三个无线气体浓度传感器的坐标数据，就能够实现其他所有无线气体浓度传感器的定位，实现采空区内全方位的安全定位。

上述各无线气体浓度传感器之间通过自组网协议互相连接并组成网络。该网络没有中心节点，网络中的每一个无线气体浓度传感器地位平等且均可任意移动，无线气体浓度传感器间的通信采用多路径的冗余模式，任一无线气体浓度传感器的休眠或故障不会影响网络的整体通信。同时，该系统网络具有较强的自愈性和再生性，即当个别无线气体浓度传感器因采空区顶板垮落、高温等因素产生故障时，整个网络剩余无线气体浓度传感器将继续完成网络组建和通信；同时，随着采煤工作面的不断推进，部署新的无线气体浓度传感器至采空区，并能够自动实现对新增无线气体浓度传感器测点的识别、连接和组网。

本发明的无线气体浓度传感器在互相通信的基础上，可检测出所接收信号的强度，结合网络信号在不同介质中传播时的衰减规律，可计算出两个无线气体浓度传感器之间的距离。由于本发明的无线网络系统具有的冗余性，每一个无线气体浓度传感器都可以接收并计算出与多个附近无线气体浓度传感器的距离。因此，只要给定初始无线气体浓度传感器的坐标数据，基于多项冗余测距的定位算法，可计算出网络中所有无线气体浓度传感器的坐标，进而实现无线气体浓度传感器定位。

本发明的井下采空区内无线气体浓度传感器的定位方法具备透地通信和无线定位功能，可以广泛应用于煤矿、非煤矿山、隧道、建筑等行业，实现采空区、塌陷区等无法实现有线连接的特殊区域的信息采集、信息点定位和透地通信功能，对于该类特殊区域的信息采集与监测、安全定位与救援等工作具有革命性的意义。

本发明通过布置在采空区的无线气体浓度传感器可通过自组网协议及甚透地通信技术互相连接并组成网络，可将气体浓度测量数据、传感器状态等信息稳定传输至网络集中器，并由网络集中器进行数据储存、分析与上传。

本发明基于透地通信系统中的无线定位技术，可实现采空区不同测点传感器的定位，从而可以实现采空区不同区域的气体浓度测量，绘制出采空区气体浓度分布场。采空区无线气体浓度传感器的布置密度，决定了采空区气体浓度分布场的精密度；进一步提高采空区自燃三带的实时在线检测精度，为煤矿采空区自燃发火的早期预警与工作面回采速度等设计提供直接、实时的数据支持。并且，当采空区发生自燃发火现象时，可实现着火点的准确定位。

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权利要求范围之内。