[發明專利]采空區高溫點無線監測方法

有效

• 申請號: 201810180317.6
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN108521625B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 何劍;丑修建;喬驍駿;趙浚東;穆繼亮;耿文平;侯曉娟;薛晨陽;原景超;翟聰;溫濤
• 申請（專利權）人: 陽泉煤業（集團）股份有限公司;中北大學
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/38;H04W40/22;H04W84/18;G08B21/18
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種采空區高溫點無線監測方法，其特征在于：步驟如下：

(Ⅰ)、在回采工作面(5)回采煤體(1)的工作過程中，背后形成了采空區(2)，在采空區(2)內包含散熱區(6)、氧化區(7)和窒息區(8)，采空區中溫度采集集中在氧化區(7)內；

(Ⅱ)、在采空區(2)的氧化區(7)內間隔一定距離埋放一個傳感器(10)形成陣列網；

(Ⅲ)、在材巷(3)和運巷(4)內間隔一定距離排布一個無線通信中繼節點(9)；

(Ⅳ)、采用低頻通信技術通過中繼節點(9)將傳感器陣列網采集到的溫度及傳感器位置信息傳輸至地面監控室；當某一節點溫度超過預設值時，實現自動報警；

其中，利用高溫點周圍傳感器陣列節點的溫度變化情況以及傳感器陣列距離尺寸，結合遠場算法和近場算法，通過幾何運算計算出火源方向角和熱流傳播速度v，再通過傳感器陣列組根據幾何運算計算出高溫點的位置，根據傳熱微分方程和距其最近點處傳感器溫度、距離，以及煤炭的熱傳導率，進而確定高溫點溫度，具體算法如下：

A、遠場算法

以高溫點為圓心，高溫點與傳感器陣列網中具體傳感器間的距離為r，由此，在每一個以r為半徑的圓形溫度波前，傳感器溫度信號的期望由下面公式計算可得：

其中，T(x,y,t)＝T(r,t)；

在高溫點定位的過程中，溫度傳感器陣列中的n個傳感器通過掃描空間中的波場，輸出模擬溫度信號這些模擬溫度信號以頻率f_A進行抽樣，得到離散時間溫度信號T_n(k)；由于離散時間溫度信號包括有用信號和噪聲成分，則表達為：

T_n(k)＝S_n(k)+N_n(k),n＝1.2.3.4，k∈Z……………………(1-2)

其中，S_n(k)是氣流中的信號部分，N_n(k)代表熱噪聲和潛在的干擾；如果選取距離高溫點最近的傳感器作為1號傳感器S1，即作為參考傳感器，則有S₁(k)＝S(k)，a₁＝a，隨著時間前進的溫度波前對其它傳感器的影響為S_n(k)＝a_nS(k-k_1n)，k_1n∈Z；因此信號模型修改為

其中，a_n是信號的衰減因子，k_1n是傳感器S1和Sn之間的信號時延；

由互相關函數可知：R_1n(m)＝E{T₁(k)T_n(k+m)},n＝2,3,4......(1-4)

考慮到傳感器附近的噪聲N₁(K)和N_n(k)是相互獨立的或至少是互不相關的，且相應的熱氣流信號S(k)與噪聲過程N_n(k)之間也是獨立的，因此上式表達為：

R_1n(m)＝E{S₁(k)S_n(k-k_1n+m)},n＝2,3,4........................(1-5)

可知在m＝k_1n時，互相關R_1n(m)取得最大值R_1n(k_1n)，在此基礎上，計算出傳感器陣列內不同傳感器之間的信號時延k₁₂、k₁₃、k₁₄；根據所得到的信號延遲時間，計算出氣流速度v；

高溫點F的平面位置為(x₀、y₀)，溫度傳感器S1位于(x₁、y₁)，傳感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，邊長為d，傳感器S1和傳感器S2的連線與傳感器S1和高溫點F的連線之間的夾角為火源方向角α；在rd的遠場情況下，溫度波前近似于平面的假設是成立的，這使得氣流矢量對波前陣的關系用下列公式表達，

v*τ₁₂＝d*cosα........................................................(1-6)

解上式，可得：

B、近場算法

高溫點F的平面位置為(x₀、y₀)，溫度傳感器S1位于(x₁、y₁)，傳感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，邊長為d，

利用幾何關系，列式可求得r和θ；由(x₀、y₀)、S1、S2組成的三角形中，推導出近場高溫點定位角α_near和其補角θ的關系式，由式可知，只需求出角θ，即可求出近場高溫點定位角α_near；同時，在火源點、S1分別與S2、S3、S4組成的三個三角形中，根據三角關系式，列出三個關于θ的關系式如下：

其中，為熱氣流從傳感器S1分別到傳感器S2、S3、S4所需的渡越時間，k₁₂、k₁₃、k₁₄在遠場算法中進行求解得到；|v|在遠場算法中進行求解得到；r是高溫點(x₀、y₀)與傳感器S1之間的距離，也是待求的未知量；d是傳感器之間的距離，為已知量，由此三個公式，解出r、θ；

由式(1-14)-式(1-16)，可得：

由式(1-15)+式(1-17)，可得：

解出：

將式(1-19)，代入式(1-15)，可得：

將式(1-19)，代入式(1-16)，可得：

將(1-21)/(1-20)，可推出高溫點定位角的補角θ：

C、火源溫度確定

在確定了高溫點位置之后，根據距其最近點處傳感器溫度以及兩者距離，以及煤炭的熱傳導率，經計算可確定高溫點溫度；

其計算微分方程為：

初始條件：τ＝0，0≤R≤∞，t＝t₀

解得：

t₀是初始溫度，t_w是待測點溫度，t為某時刻τ的溫度值，a為松散煤體的熱擴散系數，R為距離，τ為時間；

(Ⅴ)、地面監控室工作界面對氧化區(7)內傳感器的每天信號采集次數進行默認值設置，若在某一時段，溫度信號波動頻繁且范圍較大，則自動增加采集次數。