煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，涉及煤矿安全技术领域。该装置包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器；多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，试样包括煤、岩石和气囊，试样放置在试验箱体内，数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集和分析。利用该装置可以对声波和电磁波信号在煤岩混合试样中的传播特性进行研究。

【技术实现步骤摘要】
煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法
本专利技术涉及煤矿安全
，尤其是一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，以及利用该装置进行试验的方法。
技术介绍
煤炭占一次能源比重较大，是国民经济的重要保障，由煤自燃直接或者间接引起的事故逐年严重。特别是近年来，随着开采深度的日益增大，深部矿井的高地温、高地应力、高瓦斯等条件也给煤火的研究带来新的挑战，使得煤火问题越来越受到社会与科学界的关注。探测与监测地下煤火是煤炭及灾害研究的一个新方向及新热点，同时也是地下煤火灭火的基础。目前，学者们已经对煤自燃过程以及高温火源的监测做了大量的研究，但是由于煤自燃的复杂性以及受到采空区环境的限制，常用的方法都有其自身的局限。研究表明，煤在燃烧的过程中能够释放大量的声波信号以及电磁辐射信号，然而采空区中无线信号的传输距离较近，大约为5-10m。在声波的三个波段中，次声波具有频率低、波长长、穿透力强等优点，已经广泛应用于火山活动、地震等自然灾害的预测。煤岩体的变形破裂伴随着大量电磁辐射信号的产生，利用电磁辐射信号对隐蔽火源进行探测，具有非接触、可定位、信息量大等优点。现有技术中利用声波和电磁波信号进行煤火监测、信息传输的技术虽然已经做过可行性论证，但是仍处于初级阶段。因此，通过模拟采空区煤层岩层的分布，研究声波以及电磁信号在煤岩层中的传播特性，衰减特性以及选择最佳的声波频率以及强度是迫切要解决的问题。
技术实现思路
为了实现对声波和电磁波信号在煤岩混合试样中的传播特性进行研究，监测煤自燃过程中声波场、电磁场、气体场、温度场的变化特征，研究声波、电磁波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律以及实时掌握煤自燃现象的时-空变化特征，本专利技术提供了一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，具体技术方案如下。一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，所述自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，所述气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器，所述试验箱体具有钢架和保温绝热板；所述多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；所述试样包括煤、岩石和气囊，煤、岩石和气囊组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；所述数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。优选的是，试验箱体上方的保温绝热板设置磁性密封条，试验箱体其中1个或多个侧面的保温绝热板与钢架铰接固定；所述试验箱体一组相对的侧面上分别设置通孔，通气管路和通孔相连；试验箱体两个设置通孔的侧面间隔4-5cm的位置分别配置有多孔隔板。优选的是，保温绝热板的热反射率大于91％，保温绝热板的外表面还设置有电磁屏蔽层。优选的是，加热器包括多个加热管，加热管内具有加热电阻丝，加热管布置在通气管路上，计算机控制装置调节加热管工作。还优选的是，声电信号发生器设置在试验箱体中，声电信号接收器布置在试样中，计算机控制装置调节电信号发生器发射不同的声波和电磁信号。还优选的是，计算机控制装置控制温度传感器、气体传感器和声电信号接收器测量模拟煤层自燃过程中的临界温度、指标气体和声电信号的时-频特性。还优选的是，试样自下至上依次铺设，包括模拟底板岩层、模拟煤层和模拟顶板岩层，以及模拟采空区顶板三带分布，分别压实各个模拟层。进一步优选的是，试验箱体内在底部设置有防火气囊，防火气囊连接气泵，防火气囊充气并保持防火气囊和模拟煤岩层之间保持平齐。进一步优选的是，模拟煤层划分为多个单元方格，在各个单元方格上布置气体传感器、温度传感器和声电信号接收器形成监测节点；在试验箱体的变长为坐标轴建立直角坐标系，数据处理装置实时绘制试验箱体内的气体场、温度场、声波场和电磁场的时空变化图。一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟试验方法，利用上述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，试验步骤包括：S1.组合煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的各个部分；S2.在试验箱体内设置试样，模拟设定地质条件下的煤层开采；S3.模拟煤层开采和煤层自燃过程；S4.利用声电信号发生器和声电信号接收器监测煤自燃过程中产生的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号，并测试不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在在不同介质中的传播衰减特性；S5.数据处理装置接受监测信息，并通过傅里叶变换分析声波信号的时-频信息，然后对比信号的能量密度对主要频段信号进行提取，确定不同声波在不同介质中随距离变化的传播、衰减规律。傅里叶变换计算方式为：其中f为频率，单位Hz；t为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号，X(f，t)为变换后的时频函数；ω(τ-t)是分析窗口；τ为有效时间，单位为s；能量密度的计算方式为：本专利技术提供的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法，有益效果是，装置通过模拟试验立体性的了解煤自燃过程中的声波和电磁信号、气体、温度的信息变化，通过在不同节点处的声电信号接收器，可以研究煤自燃过程中次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号的产生规律。此外通过在不同位置的声电信号发生器以及接收器可以研究不同频率的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号的传播特性以及衰减规律，并且通过声波、电磁信号对声源进行定位，该装置具有安装简便、操作简单、灵活简便、可靠性高等优点。利用该装置进行相似材料模拟试验，该方法可以对次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号在混合煤岩混合体中的传播特性以及信号的有效性进行研究，为声波和电磁波信号在煤矿安全领域的应用以及煤自燃监测提供理论指导。附图说明图1是煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置的结构示意图；图2是试验箱体的结构示意图；图3是模拟试验原理图；图4是采空区顶板模拟分布示意图；图5是防火气囊结构示意图；图中：1-流量计，2-气瓶，3-通气管路，4-加热管，5-稳流阀，6-保温绝热板，7-多孔隔板，8-通孔，9-钢架，10-岩石，11-声电信号接收器，12-声电信号发生器，13-煤，14.监测节点，15-数据处理装置，16-计算机控制装置，17-试验箱体，18-防火气囊，19-输气管，20-阀门，21-气泵。具体实施方式结合图1至图5所示，对本专利技术提供的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置及方法具体实施方式进行说明。一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，包括自燃模拟试验箱、多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，所述自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，所述气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器，所述试验箱体具有钢架和保温绝热板；所述多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；所述试样包括煤、岩石和气囊，煤、岩石和气囊组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；所述数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，包括自燃模拟试验箱、多信息数据监测系统、试样和数据分析仪，所述自燃模拟试验箱包括气瓶、稳流阀、加热器、试验箱体和通气管路，所述气瓶通过通气管路与试验箱体上的通孔相连，通气管路上还设置有稳流阀和加热器，所述试验箱体具有钢架和保温绝热板；所述多信息数据监测系统包括温度传感器、气体传感器、声电信号接收器和声电信号发生器，多信息数据监测系统通过数据传输线缆与数据处理装置相连；所述试样包括煤、岩石和气囊，煤、岩石和气囊组合设置模拟采空区塌陷，试样放置在试验箱体内；所述数据分析仪包括数据处理装置和计算机控制装置，数据处理装置对多信息数据监测系统的监测数据进行收集分析，计算机控制装置连接自燃模拟试验箱和多信息数据监测系统，控制调整试验箱体内的声场、电磁场、气体场和温度场的变化。


2.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，所述试验箱体上方的保温绝热板设置磁性密封条，试验箱体其中1个或多个侧面的保温绝热板与钢架铰接固定；所述试验箱体一组相对的侧面上分别设置通孔，通气管路和通孔相连；试验箱体两个设置通孔的侧面间隔4-5cm的位置分别配置有多孔隔板。


3.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，所述保温绝热板的热反射率大于91％，保温绝热板的外表面还设置有电磁屏蔽层。


4.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，所述加热器包括多个加热管，加热管内具有加热电阻丝，加热管布置在通气管路上，计算机控制装置调节加热管工作。


5.根据权利要求1所述的一种煤自燃高温异常区域声电信号传输特性测试的模拟装置，其特征在于，所述声电信号发生器设置在试验箱体中，声电信号接收器布置在试样中，计算机控制装置调节声电信号发生器发射不同频率、强度的次声波、可闻声波、超声波和电磁波信号。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔彪，高李阳，陆伟，胡相明，周刚，刘纪凡，司文儒，时林超，孙晓磊，曹惠敏，邴誉娴，屈柏呈，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37