一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置及方法与流程

1.本发明属于基于双源声信号特征的煤温监测实验技术领域，具体涉及一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置及方法。


背景技术：

2.煤炭作为我国工业发展的重要物质基础，一直以来占据着能源主体地位。煤层自燃火灾不仅是矿井灾害的主要形式之一，也是诱发矿井瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害的主要原因。煤自燃精准探测是高效防控的关键，但是限于采空区空间范围大、煤岩体导热性能差、松散煤体自燃高温区域具有隐蔽性、移动性等特点，以及受限空间火源探测技术瓶颈等因素，火源位置精确探测及防控难度极大。现有火源探测方法在很大程度上解决了火区范围的圈定问题，但仍难以实现采空区煤温的快速量化识别。近年来，声学法测温技术在农业、工业以及大气空间领域的精准测温已广泛应用，为采空区隐蔽火源的精准探测提供了新的思路。然而，在实际运用中，环境中存在大量的噪声信号，且煤体自燃过程中会产生燃烧音，井下受限复杂环境中大范围遗煤自燃产生的燃烧音以及环境噪声在很大程度上制约了声波测温技术发展。其根本原因是：松散煤体自燃历程中燃烧音的演变规律、燃烧音与声发射复合声波的传播机制及感温机理等基础科学问题尚未解决。因此，研究松散煤体声发射信号特征识别与提取算法，分析松散煤体自燃进程燃烧音产生机制及演变规律，探究升温松散煤体内“双源”复合声波信号传播衰减特性，构建基于“双源”复合声波的煤温监测实验装置及方法，以期揭示松散煤体的声波温敏特性及感温机制，研究成果对采空区隐蔽火源探测和煤火灾害精准防控具有重要的价值。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置，其设计新颖合理，能够完成外加声波与燃烧音的产生、发声、接收、采集全过程，实时监测煤样温度，实现煤样温度三维可视化，能够快速、准确地重建煤自燃过程中温度场，便于推广使用。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置，其特征在于：包括立方体型煤样箱，立方体型煤样箱下侧设置有滤网，立方体型煤样箱四个侧壁位于滤网以上的部位设置有电加热丝，滤网、立方体型煤样箱顶板和四侧的电加热丝之间围成用于放置煤样的正方体空腔，立方体型煤样箱下部侧壁设置有进气管，进气管通过立方体型煤样箱底板和滤网之间的间隙伸入至立方体型煤样箱，立方体型煤样箱顶部设置有伸入至立方体型煤样箱内的出气管，出气管远离立方体型煤样箱的一端通过软管与气相色谱仪连通，多个收发式声波换能器穿过立方体型煤样箱外侧壁与立方体型的煤样连通，收发式声波换能器的数量为(8 12a)个，(8 12a)个收发式声波换能器的探测端分别分布在立方体型的煤样的八个顶点和十二个棱边上，其中，a为正整数；
5.立方体型的所述煤样的四个竖向棱边上的收发式声波换能器均通过声波导管与
煤样连通，声波导管由外至内向下倾斜，声波导管穿过立方体型煤样箱外侧壁的部位外侧设置有耐火塞；
6.所述气相色谱仪的输出端与计算机的输入端连接，电加热丝和多个收发式声波换能器均由所述计算机控制，煤样内预埋有多个温度传感器。
7.上述的一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置，其特征在于：所述煤样箱包括箱体和罐盖，箱体内煤样顶部与罐盖之间设置有绝热盖。
8.上述的一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置，其特征在于：所述箱体内侧壁和电加热丝之间由外至内依次设置有保温棉和铜板。
9.同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理的双源声信号特征的煤温监测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
10.步骤一、煤样填充并检测立方体型煤样箱的气密性：将破碎、筛分好的煤样装入立方体型煤样箱中，将出气管通过橡胶软管连接到气相色谱仪的进样管，并检查煤温监测实验装置的气密性，保证密封效果；
11.步骤二、给多个收发式声波换能器编号并对正方体煤样进行区块划分；
12.步骤三、设置煤样的加热温度阈值并开启电加热丝和气相色谱仪；
13.步骤四、初始化多个收发式声波换能器；
14.步骤五、判断煤样的加热温度是否达到加热温度阈值：利用多个温度传感器的测量平均值作为煤样的加热温度，当煤样的加热温度未达到加热温度阈值时，多个收发式声波换能器启动第一工作模式，执行步骤六；当煤样的加热温度达到加热温度阈值时，多个收发式声波换能器启动第二工作模式，执行步骤七；
15.其中，多个收发式声波换能器的第一工作模式是指煤样的加热温度未达到加热温度阈值，煤样未燃烧，立方体型煤样箱内没有声源，利用多个收发式声波换能器制造外加声波进行煤温监测；
16.多个收发式声波换能器的第二工作模式是指煤样的加热温度达到加热温度阈值，煤样开始燃烧，立方体型煤样箱内产生燃烧音的声源，利用多个收发式声波换能器只接收燃烧音进行煤温监测；
17.步骤六、多个收发式声波换能器在第一工作模式下的煤温监测，过程如下：
18.步骤601、依次控制(8 12a)个收发式声波换能器单独工作，其中，控制任一收发式声波换能器单独工作的过程均相同；
19.控制第q个收发式声波换能器单独工作时，控制第q个收发式声波换能器进行声波发射，并控制剩余收发式声波换能器进行声波接收，其中，当第q个收发式声波换能器进行声波发射后，只有与第q个收发式声波换能器不在一个平面上的收发式声波换能器能接收到声波信号，得到不同传播路径上的声波飞渡时间；
20.其中，q为正整数且q＝1，2，...，(8 12a)；
21.步骤602、构建第一病态矩阵其中，m为外加声波下声波传播路径的总数，n为正方体煤样划分的区块总数，a
m,n
为第一病态矩阵中第m个声波传播
路径上第n个区块中的算子且lm为外加声波下第m个声波传播路径，(xn,yn,zn)为第n个区块的中心坐标，为第一径向基函数，m为正整数且m＝1,2，...，m，n为正整数且n＝1,2，...，n；
22.步骤603、根据公式ta＝aεa，获取第一待定系数矩阵其中，ta为外加声波下m条声波传播路径的声波飞渡时间矩阵，为第一待定系数矩阵中第n个元素；
23.步骤604、根据公式计算外加声波的声波速度分布函数va(x,y,z)；
24.步骤605、根据公式计算外加声波下的温度分布函数ta(x,y,z)，其中，γa为外加声波下气相色谱仪测的气体绝热指数，ra为外加声波下气相色谱仪测的普适气体常量，ma为外加声波下气相色谱仪测的气体的摩尔质量；
25.步骤606、根据外加声波下的温度分布函数ta(x,y,z)重建煤样整个测量区域内的温度场分布；
26.步骤七、多个收发式声波换能器在第二工作模式下的煤温监测，过程如下：
27.步骤701、控制(8 12a)个收发式声波换能器全部为接收状态，根据燃烧音的频率、幅度和接收时间确定其产生位置；
28.步骤702、构建第二病态矩阵其中，w为燃烧音的声波传播路径的总数，b
w,n
为第二病态矩阵中第w个声波传播路径上第n个区块中的算子且lw为燃烧音中第w个声波传播路径，φ(xn,yn,zn)为第二径向基函数，w为正整数且w＝1,2，...，w；
29.步骤703、根据公式tb＝bεb，获取第二待定系数矩阵其中，tb为燃烧音下w条声波传播路径的声波飞渡时间矩阵，为第二待定系数矩阵中第n个元素；
30.步骤704、根据公式计算燃烧音的声波速度分布函数vb(x,y,z)；
31.步骤705、根据公式计算燃烧音下的温度分布函数tb(x,
y,z)，其中，γb为燃烧音下气相色谱仪测的气体绝热指数，rb为燃烧音下气相色谱仪测的普适气体常量，mb为燃烧音下气相色谱仪测的气体的摩尔质量；
32.步骤706、根据燃烧音下的温度分布函数tb(x,y,z)重建煤样整个测量区域内的温度场分布。
33.上述的方法，其特征在于：所述煤样破碎、筛分后粒径选取3mm～5mm；所述煤样为褐煤、长焰煤、瘦煤、贫煤、不粘煤、弱粘煤、无烟煤、气煤、肥煤或焦煤；褐煤的加热温度阈值为270℃～310℃，长焰煤的加热温度阈值为275℃～320℃，瘦煤的加热温度阈值为350℃～380℃，贫煤的加热温度阈值为360℃～385℃，不粘煤的加热温度阈值为280℃～305℃，弱粘煤的加热温度阈值为310℃～350℃，无烟煤的加热温度阈值为370℃～420℃，气煤的加热温度阈值为300℃～350℃，肥煤的加热温度阈值为320℃～360℃，焦煤的加热温度阈值为350℃～370℃。
34.上述的方法，其特征在于：所述第一径向基函数为multiquadric径向基函数；所述第二径向基函数φ(xn,yn,zn)为sigmoid径向基函数。
35.本发明与现有技术相比具有以下优点：
36.1、本发明采用的实验装置，在收发式换能器发射与接收端加装声波导管，有效降低收发式换能器所在位置的辐射温度以及箱体内煤灰等颗粒物的影响，减少声波在进入煤样内之前的扩散效应，保证了声源信号的初始强度，便于推广使用。
37.2、本发明采用的实验装置，将装煤箱体内部空间设计为正方体，合理布置收发式声波换能器，得到的外加声波以及燃烧音传播路径清晰有效，使用效果好。
38.3、本发明根据煤自燃前无燃烧音，自燃后产生燃烧音的特征，利用切换收发式换能器收发状态，分别在煤自燃前利用外加声波测温，自燃后利用燃烧音测温，两者可以起到对照作用，增加测量精度。
39.4、本发明采用的方法，步骤简单，能够完成外加声波与燃烧音的产生、发声、接收、采集全过程，实时监测煤样温度，实现煤样温度三维可视化，能够快速、准确地重建煤自燃过程中温度场，在三维温度场重建技术中，选用基于径向基拟合和奇异值分解的三维温度场重建方式，综合了径向基函数和奇异值分解的优点，实现待测区域温度场重建，便于推广使用。
40.综上所述，本发明设计新颖合理，确定煤自燃过程中外加声波和燃烧音的路径和规律，重构出其三维温度场，基于此进行煤自燃规律研究；有利于提高松散煤体自燃进程复合声波煤温感知机制研究，可为采空区隐蔽火源的精准监测提供参考，便于推广使用。
41.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
42.图1为本发明采用的实验装置的结构连接示意图。
43.图2为本发明收发式声波换能器与声波导管的连接示意图。
44.图3为本发明收发式声波换能器在箱体上的布置位置示意图。
45.图4为本发明方法的流程框图。
46.附图标记说明:
47.1—煤样；2—箱体；3—罐盖；
48.4—绝热盖；5—保温棉；6—铜板；
49.7—耐火塞；8—电加热丝；9—进气管；
50.10—滤网；11—收发式声波换能器；12—声波导管；
51.20—出气管。
具体实施方式
52.如图1至图3所示，本发明所述的一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置，包括立方体型煤样箱，立方体型煤样箱下侧设置有滤网10，立方体型煤样箱四个侧壁位于滤网10以上的部位设置有电加热丝8，滤网10、立方体型煤样箱顶板和四侧的电加热丝8之间围成用于放置煤样1的正方体空腔，立方体型煤样箱下部侧壁设置有进气管9，进气管9通过立方体型煤样箱底板和滤网10之间的间隙伸入至立方体型煤样箱，立方体型煤样箱顶部设置有伸入至立方体型煤样箱内的出气管20，出气管20远离立方体型煤样箱的一端通过软管与气相色谱仪连通，多个收发式声波换能器11穿过立方体型煤样箱外侧壁与立方体型的煤样1连通，收发式声波换能器11的数量为(8 12a)个，(8 12a)个收发式声波换能器11的探测端分别分布在立方体型的煤样1的八个顶点和十二个棱边上，其中，a为正整数。
53.本实施例中，所述煤样箱包括箱体2和罐盖3，箱体2内煤样1顶部与罐盖3之间设置有绝热盖4。
54.本实施例中，所述箱体2内侧壁和电加热丝8之间由外至内依次设置有保温棉5和铜板6。
55.本实施例中，立方体型的所述煤样1的四个竖向棱边上的收发式声波换能器11均通过声波导管12与煤样1连通，声波导管12由外至内向下倾斜，声波导管12穿过立方体型煤样箱外侧壁的部位外侧设置有耐火塞7。
56.本实施例中，还包括计算机，所述气相色谱仪的输出端与所述计算机的输入端连接，电加热丝8和多个收发式声波换能器11均由所述计算机控制，煤样1内预埋有多个温度传感器。
57.需要说明的是，在收发式换能器发射与接收端加装声波导管，有效降低收发式换能器所在位置的辐射温度以及箱体内煤灰等颗粒物的影响，减少声波在进入煤样内之前的扩散效应，保证了声源信号的初始强度；将装煤箱体内部空间设计为正方体，合理布置收发式声波换能器，得到的外加声波以及燃烧音传播路径清晰有效；根据煤自燃前无燃烧音，自燃后产生燃烧音的特征，利用切换收发式换能器收发状态，分别在煤自燃前利用外加声波测温，自燃后利用燃烧音测温，两者可以起到对照作用，增加测量精度；能够完成外加声波与燃烧音的产生、发声、接收、采集全过程，实时监测煤样温度，实现煤样温度三维可视化，能够快速、准确地重建煤自燃过程中温度场，在三维温度场重建技术中，选用基于径向基拟合和奇异值分解的三维温度场重建方式，综合了径向基函数和奇异值分解的优点，实现待测区域温度场重建；确定煤自燃过程中外加声波和燃烧音的路径和规律，重构出其三维温度场，基于此进行煤自燃规律研究；有利于提高松散煤体自燃进程复合声波煤温感知机制研究，可为采空区隐蔽火源的精准监测提供参考。
58.如图4所示的一种基于双源声信号特征的煤温监测实验方法，包括以下步骤：
59.步骤一、煤样填充并检测立方体型煤样箱的气密性：将破碎、筛分好的煤样1装入
立方体型煤样箱中，将出气管20通过橡胶软管连接到气相色谱仪的进样管，并检查煤温监测实验装置的气密性，保证密封效果；
60.步骤二、给多个收发式声波换能器编号并对正方体煤样进行区块划分；
61.步骤三、设置煤样的加热温度阈值并开启电加热丝和气相色谱仪；
62.步骤四、初始化多个收发式声波换能器；
63.步骤五、判断煤样的加热温度是否达到加热温度阈值：利用多个温度传感器的测量平均值作为煤样的加热温度，当煤样的加热温度未达到加热温度阈值时，多个收发式声波换能器启动第一工作模式，执行步骤六；当煤样的加热温度达到加热温度阈值时，多个收发式声波换能器启动第二工作模式，执行步骤七；
64.其中，多个收发式声波换能器的第一工作模式是指煤样的加热温度未达到加热温度阈值，煤样未燃烧，立方体型煤样箱内没有声源，利用多个收发式声波换能器制造外加声波进行煤温监测；
65.多个收发式声波换能器的第二工作模式是指煤样的加热温度达到加热温度阈值，煤样开始燃烧，立方体型煤样箱内产生燃烧音的声源，利用多个收发式声波换能器只接收燃烧音进行煤温监测；
66.步骤六、多个收发式声波换能器在第一工作模式下的煤温监测，过程如下：
67.步骤601、依次控制(8 12a)个收发式声波换能器单独工作，其中，控制任一收发式声波换能器单独工作的过程均相同；
68.控制第q个收发式声波换能器单独工作时，控制第q个收发式声波换能器进行声波发射，并控制剩余收发式声波换能器进行声波接收，其中，当第q个收发式声波换能器进行声波发射后，只有与第q个收发式声波换能器不在一个平面上的收发式声波换能器11能接收到声波信号，得到不同传播路径上的声波飞渡时间；
69.其中，q为正整数且q＝1，2，...，(8 12a)；
70.步骤602、构建第一病态矩阵其中，m为外加声波下声波传播路径的总数，n为正方体煤样划分的区块总数，a
m,n
为第一病态矩阵中第m个声波传播路径上第n个区块中的算子且lm为外加声波下第m个声波传播路径，(xn,yn,zn)为第n个区块的中心坐标，为第一径向基函数，m为正整数且m＝1,2，...，m，n为正整数且n＝1,2，...，n；
71.步骤603、根据公式ta＝aεa，获取第一待定系数矩阵其中，ta为外加声波下m条声波传播路径的声波飞渡时间矩阵，为第一待定系数矩阵中第n个元素；
72.步骤604、根据公式计算外加声波的声波速度分布函数va(x,y,z)；
73.步骤605、根据公式计算外加声波下的温度分布函数ta(x,y,z)，其中，γa为外加声波下气相色谱仪测的气体绝热指数，ra为外加声波下气相色谱仪测的普适气体常量，ma为外加声波下气相色谱仪测的气体的摩尔质量；
74.步骤606、根据外加声波下的温度分布函数ta(x,y,z)重建煤样整个测量区域内的温度场分布；
75.步骤七、多个收发式声波换能器在第二工作模式下的煤温监测，过程如下：
76.步骤701、控制(8 12a)个收发式声波换能器全部为接收状态，根据燃烧音的频率、幅度和接收时间确定其产生位置；
77.步骤702、构建第二病态矩阵其中，w为燃烧音的声波传播路径的总数，b
w,n
为第二病态矩阵中第w个声波传播路径上第n个区块中的算子且lw为燃烧音中第w个声波传播路径，φ(xn,yn,zn)为第二径向基函数，w为正整数且w＝1,2，...，w；
78.步骤703、根据公式tb＝bεb，获取第二待定系数矩阵其中，tb为燃烧音下w条声波传播路径的声波飞渡时间矩阵，为第二待定系数矩阵中第n个元素；
79.步骤704、根据公式计算燃烧音的声波速度分布函数vb(x,y,z)；
80.步骤705、根据公式计算燃烧音下的温度分布函数tb(x,y,z)，其中，γb为燃烧音下气相色谱仪测的气体绝热指数，rb为燃烧音下气相色谱仪测的普适气体常量，mb为燃烧音下气相色谱仪测的气体的摩尔质量；
81.步骤706、根据燃烧音下的温度分布函数tb(x,y,z)重建煤样整个测量区域内的温度场分布。
82.本实施例中，所述煤样1破碎、筛分后粒径选取3mm～5mm；所述煤样1为褐煤、长焰煤、瘦煤、贫煤、不粘煤、弱粘煤、无烟煤、气煤、肥煤或焦煤；褐煤的加热温度阈值为270℃～310℃，长焰煤的加热温度阈值为275℃～320℃，瘦煤的加热温度阈值为350℃～380℃，贫煤的加热温度阈值为360℃～385℃，不粘煤的加热温度阈值为280℃～305℃，弱粘煤的加
热温度阈值为310℃～350℃，无烟煤的加热温度阈值为370℃～420℃，气煤的加热温度阈值为300℃～350℃，肥煤的加热温度阈值为320℃～360℃，焦煤的加热温度阈值为350℃～370℃。
83.本实施例中，所述第一径向基函数为mul t iquadr ic径向基函数；所述第二径向基函数φ(xn,yn,zn)为s igmoid径向基函数。
84.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。