一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统及使用方法与流程
本发明涉及矿山安全工程技术领域，具体涉及一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统及使用方法。
背景技术：
火灾是矿井的五大灾害之一，一旦发生可造成严重的财产损失及人员伤亡，如果引发次生灾害，其造成的损失会进一步增多。矿井火灾以煤炭自燃灾害为主，占到火灾总数的90%以上。据统计，我国国有煤矿中50%以上具有煤炭自燃危险，煤炭自燃又以采空区遗煤自燃为最多，约占到矿井煤炭自燃灾害的95%以上。可见，防治采空区遗煤自燃是治理矿井火灾的关键。随着我国矿井年产量的增加、机械化程度的提高、开采深度的加大，采空区遗煤自燃灾害将会变得更加严重。另外，遗煤自燃还可能诱发采空区内的瓦斯爆炸，这会给煤矿的安全生产带来更大的威胁。
采空区遗煤自燃规律的研究是制定合理的防治措施、提高防治效果的关键。目前对采空区遗煤自燃规律的研究大多是对现象的研究，对现象产生的原因的研究则较少。然而对采空区遗煤自燃规律现象的产生原因的研究才是防治采空区遗煤自燃的关键，才具有普遍性。采空区遗煤自燃受多种因素的影响，采空区遗煤自燃规律是在多场耦合作用下形成的，例如采空区的气体浓度场、速度场、压力场、渗流场及温度场等均对采空区遗煤的自燃规律存在较大影响。若要研究采空区遗煤自燃规律形成的原因，首先要对这些参数进行观测、分析。
目前采空区内数据的采集多集中在对采空区内气体浓度和温度的采集，用于划分采空区遗煤自燃的“三带”或监测采空区遗煤自燃状况。采空区内气体浓度的采集目前主要是采用向采空区内埋设束管，然后利用抽气泵在井下或地面通过束管抽取采空区内的气体，最后利用气相色谱仪对气体浓度或成分进行检测；采空区内温度的数据采集目前主要是采用向采空区埋设温度传感器，利用导线将采空区内温度传感器的感应温度数据传输到井下或地面进行采集。
对于研究采空区遗煤自燃规律形成的原因，目前采空区内数据采集主要存在以下不足：1）采空区内数据采集不全，无法对采空区遗煤自燃规律的形成原因进行分析。如采空区内的气体运移规律、顶板动压等对采空区遗煤自燃规律的影响。2）由于在采空区内铺设的束管及导线较长，容易被采空区内冒落岩石压坏，导致数据经常不能正常采集。3）采空区内条件比较复杂，经常会有渗水和煤粉，渗水和煤粉容易进入束管内堵塞束管、浸泡和掩埋温度传感器，导致束管无法取气、温度传感器无法正常感应气体温度。4）由于束管、导线及保护套管（在导线外套装的金属保护管）铺设比较困难，很大程度上限制了束管及温度传感器的安设位置，一些关键位置的数据无法采集。5）垂直方向的数据采集位置难以固定，尤其是在放顶煤开采时，数据采集位置距底板有一定高度才能准确测量数据，而在顶板压力及碎石的作用下束管和温度传感器往往会被压至底板，无法正常采集数据。6）数据采集点的数量受到限制，一般为2~8个，使采空区内的数据观测密度不够，分析结果偏差较大。7）由于各个数据采集点的束管、导线都捆扎在一起由采空区引出，一旦遭到破碎顶板的破坏，所有数据采集点的数据均无法采集。
因此，需要提出一种更加适用的无线交互式采空区多场耦合数据采集系统及使用方法，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种安装方便、安设地点不受限制、测量精度高、不易出现故障的无线交互式采空区多场耦合数据采集系统及使用方法。
为了实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案。
本发明提供的一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统，包括：数据采集器、装置保护器、信号放大装置、井下数据接收站、井下移动控制台、地面控制台、示踪气体释放装置。
所述数据采集器沿工作面布置方向埋于采空区内，采空区入风侧数据采集器间距可设定为10m，采空区回风侧数据采集器间距可设定为20m。所述数据采集器包括示踪气体传感器、o2传感器、ch4传感器、温度传感器、风速传感器、压力传感器、数据转换器、中央处理器i、数据信号发射器i、命令信号接收器i。所述各传感器通过数据线与数据转换器连接，所述数据转换器与中央处理器i连接，所述中央处理器i与数据信号发射器i及命令信号接收器i连接。所述数据采集器的电源i为电池电源，通过中央处理器i将电流传输给各部件。
所述信号放大装置由数据信号接收器i、命令信号接收器ii、中央处理器ii、信号放大器、数据信号发射器ii、命令信号发射器i构成。所述中央处理器ii通过数据线与数据信号接收器i、命令信号接收器ii、信号放大器相连。所述信号放大器与数据信号发射器ii及命令信号发射器i连接。装置电源ii与中央处理器ii连接。
所述装置保护器总体上为长方体结构，由上、下两部分构成，上部为装置放置器，下部为底座。所述装置放置器顶部为锥形结构，下面装有四个液压支柱，液压支柱下方为钢板，钢板中心部位设置有装置固定器。所述钢板下方为底座部分，所述底座部分内部有四个金属支柱。所述金属支柱上部与钢板相连，下部与另一钢板相连。
所述井下数据接收站包括：箱体，所述箱体内部有数据信号接收器ii和命令信号发射器ii。所述数据信号接收器ii、命令信号发射器ii通过数据线与地面控制台的中央处理器iii连接。
所述地面控制台由中央处理器iii、数据存储器、数据显示器i、命令输入器i组成。所述中央处理器iii通过数据线与数据存储器i、命令输入器i连接。所述数据显示器与数据存储器连接。所述地面控制台的电源iii与中央处理器iii连接。所述中央处理器iii还与井下数据接收站的数据信号接收器ii及命令信号发射器ii连接、与示踪气体释放装置的命令信号接收器iv相连。
所述井下移动控制台包括：数据信号接收器iii、位置信号接收器、中央处理器iv、数据显示器ii、命令输入器ii、命令信号发射器iii。所述中央处理器iv通过数据线分别与数据显示器ii、命令输入器ii、命令信号发射器iii、数据信号接收器iii、位置信号接收器及电源iv连接。
所述示踪气体释放装置包括：命令信号接收器iv、中央处理器
一种无线交互式采空区多场耦合数据采集方法，采用上述一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统来实现，其具体步骤如下。
根据现场采空区实际情况确定放置数据采集器数量与间距。一般入风侧数据采集器的间距设定为10m，回风侧数据采集器的间距设定为20m。
步骤一：开启地面控制台的电源iii及井下移动控制台的电源iv，使地面控制台及井下移动控制台开始运行。对地面控制台的中央处理器iii、井下移动控制台的中央处理器iv中的数据接收组数、每组数据对应的接收频率、相邻两组数据接收的时间间隔、两次循环接收数据的时间间隔进行设定。
步骤二：开启数据采集器的电源i，数据采集器开始工作。将数据采集器安装在装置保护器的装置固定器上，对中央处理器i的参数进行设定，其中包括对数据信号发射器i的发射频率及两次数据发射的时间间隔进行设定，设定数值与步骤一中地面控制台的中央处理器iii、井下移动控制台的中央处理器iv的设定数值相同。同时对数据采集器的编号进行设定。
步骤三：将安装了数据采集器的装置保护器按照设定要求放于采空区内。
步骤四：所述数据采集器的各传感器将感应到的数值模拟信号传输给数据转换器，数据转换器将接收到的模拟信号转换成电信号传输给中央处理器i；所述中央处理器i接收到电信号后，给数据信号发射器i发出发射数据指令；数据信号发射器i收到发射数据指令后，将数据信号发出。数据信号发射器i发出的数据信号除各感应器感应到的数据信号外，还包括数据采集器的位置数据信号、数据采集器编号的数据信号。
步骤五：井下数据接收站的数据信号接收器ii接收数据信号发射器i发出的数据信号及数据采集器的编号信号后，将数据信号通过数据线传输给地面控制台的中央处理器iii。中央处理器iii对数据处理后将数据传输给数据存储器；数据存储器对数据存储后将数据传输给数据显示器i，数据显示器i对数据进行显示。
步骤六：按照步骤一中设定的相邻两组数据接收时间间隔，地面控制台的中央处理器iii发出接收下一组数据的指令，井下数据接收站的数据信号接收器ii的数据接收频率发生改变，准备接收下一组数据。
步骤七：重复步骤五到步骤六的过程，直到采空区内所有数据采集器的数据均被接收一次，地面控制台本循环的数据接收完成。按照步骤一中设定的两次循环接收数据的时间间隔，地面控制台开启下一循环的数据接收，重复步骤五到步骤六的过程。
步骤八：除井下数据接收站接收数据信号外，井下移动控制台也需要接收数据信号。井下移动控制台的数据信号接收器iii接收数据信号发射器i发出的数据信号，位置信号接收器接收数据信号发射器i发出的位置数据信号。数据信号接收器iii和位置信号接收器将接收的数据传输给中央处理器iv。中央处理器iv对数据进行处理后，将数据传输给数据显示器ii，数据显示器ii对数据进行显示。
步骤九：按照步骤一中设定的相邻两组数据接收时间间隔，井下移动控制台的中央处理器iv发出接收下一组数据的指令，井下移动控制台的数据信号接收器iii的数据接收频率发生改变，准备接收下一组数据。
步骤十：重复步骤八到步骤九的过程，直到采空区内所有数据采集器的数据均被接收一次，井下移动控制台本循环的数据接收完成。按照步骤一中设定的两次循环接收数据的时间间隔，井下移动控制台开启下一循环的数据接收，重复步骤八到步骤九的过程。
上述步骤一中的中央处理器iii及中央处理器iv中的数据接收组数与采空区放置数据采集器数量相同，一个数据采集器为一组。地面控制台及井下移动控制台对所有数据采集器的数据依次进行接收，所有数据采集器的数据均接收一次为一个循环。
在步骤八中利用井下移动控制台接收数据采集器的数据信号时，井下移动控制台要沿工作面进行移动，使井下移动控制台接收到的数据信号更加精确。
随着工作面的推进，井下数据接收站及井下移动控制台与采空区内数据采集器的距离逐渐增加，井下数据接收站及井下移动控制台接收数据采集器的数据信号逐渐变得困难。当数据采集器进入采空区一定深度时，需要在采空区内安设信号放大装置。信号放大装置的安设过程如下。
首先确定一组信号放大装置的安设数量。一般两个信号放大装置之间的距离及信号放大装置与数据采集器之间的距离均设定为50m，具体根据现场实际情况确定一组信号放大装置的数量。
然后开启信号放大装置的电源ii，对信号放大装置的中央处理器ii中的数据接收组数、每组数据对应的接收频率、相邻两组数据接收的时间间隔、两次循环接收数据的时间间隔进行设定。其中数据接收组数与采空区放置数据采集器数量相同，一个数据采集器为一组。信号放大装置对所有数据采集器的数据依次进行接收，所有数据采集器的数据均接收一次为一个循环。
最后对信号放大装置进行安设。首先将信号放大装置固定到装置保护器的装置固定器上，然后将装有信号放大装置的装置保护器放置于采空区内的指定位置，信号放大装置开始工作。
信号放大装置的数据信号接收器i用于接收数据采集器的数据信号发射器i发出的数据信号，然后将数据传输给中央处理器ii；中央处理器ii对数据进行处理后，将数据传输给信号放大器；信号放大器对数据信号进行放大后，将数据传输给数据信号发射器ii；数据信号发射器ii将数据发出，井下数据接收站及井下移动控制台对发出的数据信号进行接收。
在数据采集过程中数据采集系统的数据接收组数、每组数据对应的接收频率、相邻两组数据接收的时间间隔、两次循环接收数据的时间间隔等参数需要改变时，可以通过地面控制台或井下移动控制台进行修改。修改过程如下。
首先在地面控制台的命令输入器i或井下移动控制台的命令输入器ii中输入需要修改的参数及修改数值，命令输入器i或命令输入器ii将需要修改的参数及修改数值信息传输给中央处理器iii或中央处理器iv；中央处理器
如果信号放大装置已安设，命令信号发射器ii或命令信号发射器iii发出的修改信息信号由信号放大装置的命令信号接收器ii接收，然后将修改信息信号传输给中央处理器ii；中央处理器ii根据修改信息内容，对信号放大装置的相应参数进行数值修改。然后将修改信息信号传输给信号放大器，信号放大器将修改信息信号放大后传输给命令信号发射器i，命令信号发射器i将放大后的修改信息信号发出。
如果信号放大装置已安设，数据采集器的命令信号接收器i接收信号放大装置的命令信号发射器i发出的修改信息信号，否则数据采集器的命令信号接收器i接收井下数据接收站的命令信号发射器ii或井下移动控制台的命令信号发射器iii发出的修改信息信号。命令信号接收器i将接收的修改信息信号传输给中央处理器i，中央处理器i根据修改信息内容对数据采集器的相应参数进行数值修改。
在数据采集过程中要不定期的对采空区进行示踪气体释放，示踪气体释放及数据采集过程如下。
首先在地面控制台的命令输入器i中输入释放示踪气体的命令信息，命令输入器i将释放示踪气体的命令信息传输给中央处理器iii；中央处理器iii将信息处理后，传输给示踪气体释放装置的命令信号接收器iv；命令信号接收器iv将接收的释放示踪气体命令信息传输给中央处理器
进入采空区内的示踪气体会被数据采集器的示踪气体传感器感应到，示踪气体传感器感应到的数据信息的传输、记录、显示过程与采空区内其他参数的数据信息的传输、记录、显示过程相同。
本发明一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统及使用方法的有益效果。
本系统采用无线交互式采空区数据采集方法，使采空区内测点的位置选择更加灵活、装置安设更加方便、测点数量可自由设定、系统的稳定性更加可靠。各测点之间相互独立，即使一个或几个测点出现故障，其它测点仍能正常采集数据，提高了数据采集的成功率。数据采集频率可以通过控制台进行控制，当采空区内参数变化较大时可以增加数据采集频率，使数据采集更加及时、精确，使后期的数据分析结果更加的可靠、精度更高。系统能够同时采集o2浓度、ch4浓度、温度、风速、压力、位置等多个参数，除可以分析随着工作面的推进，采空区o2浓度场、ch4浓度场、温度场、速度场、压力场等的变化规律外，还可以分析各场之间的相互影响规律、各场对采空区遗煤自燃过程的综合影响规律，这些研究不仅可以对所测采空区遗煤自燃防治措施进行优化、提高遗煤自燃防治效果，而且还具有较大的普遍适用性，可以作为采空区遗煤自燃防治的理论基础。系统具有示踪气体释放和监测功能，这对采空区内的气体运移规律、氧气浓度降低原因的分析非常关键，提高了分析结果的准确性。系统还设置了装置保护器和信号放大装置，这为系统长距离观测和传输距离提供了保障，增加了系统的数据采集范围。所述系统可靠性高，工作效率高，造价低，操作方便，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明一种无线交互式采空区多场耦合数据采集装置布置结构示意图。
图2为数据采集器结构示意图。
图3为信号放大装置结构示意图。
图4为装置保护器。
图5井下数据接收站结构示意图。
图6地面控制台结构示意图。
图7井下移动控制台结构示意图。
图8示踪气体释放装置。
图中：1-数据采集器，2-信号放大装置，3-装置保护器，4-井下移动控制台；5-井下数据接收站；6-示踪气体释放装置；7-地面控制台；m-煤体；g-工作面；r-入风巷；h-回风巷；c-采空区；8-示踪气体传感器；9-o2传感器；10-ch4传感器；11-温度传感器；12-风速传感器；13-压力传感器；14-数据转换器；15-中央处理器
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1~图8所示，本发明提供一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统，包括数据采集器1、信号放大装置2、装置保护器3、井下移动控制台4、井下数据接收站5、示踪气体释放装置6、地面控制台7。
所述数据采集器1埋设于采空区内，用于采集采空区内各参数的数据。数据采集器1埋设于采空区内时入风侧可间隔10m安设一个，回风侧可间隔20m安设一个。数据采集器1由示踪气体传感器8、o2传感器9、ch4传感器10、温度传感器11、风速传感器12、压力传感器13、数据转换器14、中央处理器
当数据采集器1进入采空区深度较大时，需要信号放大装置2对数据信号进行中转和放大，以增加数据信号传输距离。信号放大装置2由中央处理器
数据采集器1和信号放大装置2需安设在装置保护器3内后放入采空区。所述装置保护器3分上、下两部分，上部为装置放置器26，下部为底座27。装置放置器26的顶部29为锥形结构，下面装有四个液压支柱28，液压支柱28下方为钢板31，钢板31中心部位设置有装置固定器30。底座27内部有四个金属支柱32，其上、下分别与两块钢板31相连。
所述井下数据接收站5用于接收井下的数据信息，然后将数据信息传输给地面控制台7。井下数据接收站5的外部为箱体33，箱体33内部有数据信号接收器ii34和命令信号发射器ii35，二者通过数据线与地面控制台7的中央处理器iii36连接。
所述地面控制台7用于对整个数据采集系统的控制、数据存储、数据显示、数据分析等，其由中央处理器iii36通过数据线与数据存储器37和命令输入器i39连接构成，其中数据存储器37又与数据显示器
所述井下移动控制台4由中央处理器iv43通过数据线分别与数据显示器ii44、命令输入器ii45、命令信号发射器iii46、数据信号接收器iii41、位置信号接收器42及电源iv47构成。
所述示踪气体释放装置6用于向采空区释放示踪气体，通过对示踪气体的观测了解采空区内气体的运移规律。示踪气体释放装置6由中央处理器v49通过数据线与命令信号接收器
本实施例还提供采用本发明的一种无线交互式采空区多场耦合数据采集系统，对采空区多场耦合作用下数据采集和分析的使用方法，包括以下步骤。
步骤1、首先根据现场采空区的实际尺寸、数据采集器1安设的间距等情况，确定采空区内需要安设数据采集器1的数量及数据采集器1进入采空区的最大深度。一般入风侧数据采集器1的间距设定为10m，回风侧的间距设定为20m。数据采集器1进入采空区的最大深度为200m。
步骤2、开启地面控制台7和井下移动控制台4的电源iii40和电源iv47，使地面控制台7、井下移动控制台4、井下数据接收站5及示踪气体释放装置6开始正常工作。
步骤3、对地面控制台7的中央处理器
步骤4、开启数据采集器1的电源i18，对中央处理器i15的参数进行设定，设定数值与步骤3中的中央处理器
步骤5、利用地面控制台7和井下移动控制台4对数据采集器1发出的数据信号进行试接收，检验各设备之间是否能够正常传输数据，测试成功后将数据采集器1安设到装置保护器3的装置固定器30上。
步骤6、数据采集器1上各传感器的位置在装置保护器3上也固定后，将安装了数据采集器1的装置保护器3按照步骤1中设定的位置放于采空区内。
步骤7、随着工作面向前推进，安装了数据采集器1的装置保护器3逐渐进入采空区内，各传感器所感应到的参数数值开始变化，地面控制台7和井下移动控制台4对所接收的数据信息进行存储和显示。
步骤8、当安装了数据采集器1的装置保护器3进入采空区一定深度后，在地面控制台7的命令输入器i39中输入释放示踪气体的命令信息，示踪气体释放装置6收到命令信息后开始向采空区释放示踪气体，释放示踪气体的时长为10min。
步骤9、根据现场实际情况，可间隔1~2天释放一次示踪气体。
步骤10、根据现场采空区、信号接收的实际情况，确定一组信号放大装置2的安设数量，一般两个信号放大装置2之间的距离及信号放大装置2与数据采集器1之间的距离均设定为50m。
步骤11、开启信号放大装置2的电源ii25，对信号放大装置的中央处理器ii21的参数进行设定，设定数值与步骤3中的中央处理器
步骤12、对信号放大装置2进行调试，检查是否能够与数据采集器1、地面控制台7及井下移动控制台4之间进行数据传输。
步骤13、将调试好的信号放大装置2固定于装置保护器3上。当数据采集器1进入采空区深度达50m时，将固定有信号放大装置2的装置保护器3按照步骤10的设定要求放入采空区内。
步骤14、在数据采集过程中数据采集系统的数据接收组数、每组数据对应的接收频率、相邻两组数据接收的时间间隔、两次循环接收数据的时间间隔等参数需要调整时，可通过地面控制台7的命令输入器i39或井下移动控制台4的命令输入器ii45输入需要修改的参数及修改数值，对地面控制台7、井下移动控制台4、井下数据接收站5、信号放大装置2及数据采集器1中相应的参数数值进行修改。
步骤15、当数据采集器1进入采空区位置达到步骤1设定的位置后，数据采集结束，对采集数据进行拷贝，对数据采集系统进行整理，为下一次使用做好准备。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
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