本发明涉及矿山监测技术领域，尤其是一种用于地面煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法。
背景技术：
集运码头、煤矿、火电厂的储煤场等区域有大量的大型煤堆或矸石堆积，这些地面煤堆长期在自然环境中暴露，在大气环境中易发生自然。煤堆自燃的特点是燃烧时间长、范围大、位置难确定、降温灭火困难、自燃扩展速度快、主要发生在春秋两季等。煤发生自燃之后首先烧毁大量的煤炭资源，造成资源浪费和巨大的经济损失。不仅如此，在煤燃烧过程中还会产生大量的有毒有害气体，如co、co2、no2、so2等，造成对对环境的污染。煤的自燃也严重的威胁着码头、工厂、煤矿等区域的正常生产生活，对周边居住的居民也有很大程度的影响。防治煤自燃对保障生产、环境保护等方面均有十分积极的意义，因此在煤出现明火或者冒烟之前及时地发现火灾危险区域以及潜在的火灾危险是十分重要的。
目前对于煤堆自燃危险源的探测主要有测温法、数值模拟法、指标气体探测法、红外探测法等。其中：1、测温法主要是利用相应的技术手段探测出区域的温度信息，在火灾出现的前期进行火灾预报，但是这种方法容易受环境因素的干扰，并且很难对危险源进行准确地探测；2、数值模拟法是利用计算机建立煤自燃模型，根据环境中温度和co2的浓度值来判断煤自然发火点，但是这种方法由于模拟条件的限制在探测精度方面难以达不到实际的工程要求；3、指标气体探测法，利用煤在氧化燃烧过程中的co、co2、烃类气体的变化量或链烷比与煤温之间存在的良好对应关系来判断煤自燃危险源，但是当其满足探测煤自燃条件时，内部火势已经扩大，不适用于早期探测，且易受通风影响。4、红外探测法，主要是利用红外成像技术对煤堆的表面进行温度扫描探测，得到煤堆或矸石山的表面温度分布情况，从而分析确定火灾危险区域。由于煤的导热性较差，当煤堆或矸石山表面出现温度异常时内部已经发生了严重的、范围较大的火灾。因此该方法在煤自燃火源的探测方面具有较大的滞后性。
由于现有的探测方法各自的适用范围窄，不具备通用性，并存在方法复杂、操作难度大、精度低、探测成本高等问题，为了准确确定自燃区域位置，并且够实时判定自燃演化过程，提高探测的精度，避免环境对探测的干扰，需要对现有的探测方法做进一步的改进。
技术实现要素：
为了解决煤堆或矸石山自燃探测困难，以及探测精度低、无法准确定位自燃区域位置、干扰探测的环境因素复杂等技术问题，本发明提供了一种煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，具体技术方案如下。
煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，利用信号探测模块和数据处理模块对煤堆或矸石山自燃高温异常区域进行探测并定位，信号探测模块包括环绕横杆、电磁传感器、红外成像传感器、移动滑块和屏蔽罩，环绕横杆沿煤堆或矸石山布置，电磁传感器、红外成像传感器和电磁天线布置在移动滑块上，屏蔽罩设置在移动滑块上，移动滑块沿环绕横杆移动；数据处理模块接收并处理信号探测模块的探测信息；探测及定位步骤包括：
步骤一.根据地面煤堆和矸石山的堆积条件判定潜在的自燃区域；
步骤二.分层布置环绕横杆，安装信号探测模块，电磁传感器和红外成像传感器进行分层探测，数据处理模块实时分析表面温度监测数据，判定煤堆和矸石山的表面温度异常区域；
步骤三.对表面温度正常区域进行电磁全向和定向探测，通过数据处理模块对电磁信号增减实时判定，确定温度异常区域的自燃演化过程。
优选的是，数据处理模块包括信号放大器、信号过滤器、数据处理器、显示器和电源，信号放大器包括电磁信号放大器和红外信号放大器，所述信号过滤器包括电磁信号过滤器和红外信号过滤器，所述数据处理器包括单片机和存储器。
优选的是，环绕横杆距离煤堆或矸石山表面1-2m，环绕横杆层间高度为1.5-2m，环绕横杆的下表面距离地面高度为1-2m；每一层环绕横杆按照长度为20-50m划分为1个探测单元，每个探测单元内布置1个信号探测模块，信号探测模块沿环绕横杆往复运动。
优选的是，电磁全向和定向探测包括，通过环形天线接收区域内电磁信号，通过定向天线接收单一方向上的电磁信号，信号探测模块的探测方向与环绕横杆或环绕横杆的切线方向垂直，根据信号探测模块位置确定自燃区域坐标位置。
进一步优选的是，步骤二中，信号探测模块采集煤堆或矸石山表面温度，当探测到的表面温度高于环境温度或其他区域的表面温度超过5℃，则判定为表面温度异常区域，同时根据电磁传感器确定异常区域的位置坐标。
进一步优选的是，所述步骤三中，对表面温度异常区域进行电磁全向和定向探测具体是：预先设定煤堆或矸石山自燃温度与电磁信号强度的对应关系，确定自燃预警的电磁信号强度值；当电磁信号强度持续增加时，实时判定温度异常区域的自燃程度，并进行预警。
本发明的有益效果包括：
(1)煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其利用红外探测和电磁信号探测相互配合，对自燃危险区域进行定位并确定温度异常区域的自燃演化过程；该方法简化了探测的原理，从温度和电磁信号两个方面进行探测，提高了探测精度。
(2)该方法首先进行温度探测，发现煤堆或矸石山表面温度异常时，可根据探测直接进行处理，消除火灾隐患；发现温度异常后利用电磁探测对温度异常区域的电磁信号进行探测，根据电磁信号分析得到异常区域的电磁信号强度变化，并确定自燃区域的坐标位置，根据电磁信号强度的变化情况判断自燃演化过程。
(3)该方法使用的信号探测模块对温度和电磁信号进行双重探测，并且探测范围广，自行往复移动所以自动化程度高，并且设置更加灵活、可靠性高；数据处理模块对信号探测模块的探测数据进行实时分析，从而保证了监测的时效性；另外探测的设备还具有操作灵活、成本低、抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1是煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法流程示意图；
图2是煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法原理图；
图3是信号探测模块布置情况示意图；
图4是环绕横杆层剖结构示意图；
图中：1-信号探测模块；2-环绕横杆；3-三脚架；4-伸缩杆；
具体实施方式
结合图1至图4所示，本发明提供的一种煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法具体实施方式如下。
实施例1
一种煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，利用信号探测模块和数据处理模块对煤堆或矸石山自燃高温异常区域进行探测并定位，利用红外探测和电磁信号探测相互配合，对自燃危险区域进行定位并确定温度异常区域的自燃演化过程；该方法简化了探测原理，从温度和电磁信号两个方面进行探测，提高了探测精度。
其中信号探测模块包括环绕横杆、电磁传感器、红外成像传感器、移动滑块和屏蔽罩，环绕横杆沿煤堆或矸石山分层布置，电磁传感器、红外成像传感器和电磁天线布置在移动滑块上，屏蔽罩设置在移动滑块上，防止煤堆对信号探测模块的干扰，移动滑块沿环绕横杆移动，保证信号探测的时效性；数据处理模块接收并处理信号探测模块的探测信息，根据探测信息判断自燃位置及自燃演化过程。数据处理模块包括信号放大器、信号过滤器、数据处理器、显示器和电源，信号放大器包括电磁信号放大器和红外信号放大器，信号过滤器包括电磁信号过滤器和红外信号过滤器，数据处理器包括单片机和存储器。信号探测模块的探测数据经过信号放大器处理后，在经过信号过滤器，然后再传输至信号放大器，最后经过数据处理器对探测数据进行处理。
环绕横杆距离煤堆或矸石山表面1-2m，环绕横杆层间高度为1.5-2m，环绕横杆的下表面距离地面高度为1-2m。每一层环绕横杆按照长度为20-50m划分为1个探测单元，每个探测单元内布置1个信号探测模块，信号探测模块沿环绕横杆往复运动。电磁全向和定向探测包括，通过环形天线接收区域内电磁信号，通过定向天线接收单一方向上的电磁信号，信号探测模块的探测方向与环绕横杆或环绕横杆的切线方向垂直，根据信号探测模块位置确定自燃区域坐标位置。
探测及定位步骤包括：
步骤一.根据地面煤堆和矸石山的堆积条件判定潜在的自燃区域，具体是根据煤的特征、水分、通风、环境温度、颗粒度和挥发份进行判定。
步骤二.分层布置环绕横杆，具体根据煤堆的高度和形状设置环绕横杆的层数和形状，安装信号探测模块，电磁传感器和红外成像传感器进行分层探测，数据处理模块实时分析表面温度监测数据，判定煤堆和矸石山的表面温度异常区域。其中，信号探测模块采集煤堆或矸石山表面温度，当探测到的表面温度高于环境温度或其他区域的表面温度超过5℃，则判定为表面温度异常区域，同时根据电磁传感器确定异常区域的位置坐标。
步骤三.对表面温度正常区域进行电磁全向和定向探测，通过数据处理模块对电磁信号增减实时判定，确定温度异常区域的自燃演化过程。其中，对表面温度异常区域进行电磁全向和定向探测具体是：预先设定煤堆或矸石山自燃温度与电磁信号强度的对应关系，确定自燃预警的电磁信号强度值；当电磁信号强度持续增加时，实时判定温度异常区域的自燃程度，并进行预警处理。
实施例2
一种煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，利用多个信号探测模块和数据处理模块对煤堆或矸石山自燃高温异常区域进行探测并定位，其中信号探测模块包括环绕横杆、电磁传感器、红外成像传感器、移动滑块和屏蔽罩，多层环绕横杆沿煤堆或矸石山分层布置，电磁传感器、红外成像传感器和电磁天线布置在移动滑块上，屏蔽罩设置在移动滑块上，防止煤堆对信号探测模块的干扰，移动滑块沿环绕横杆移动，保证信号探测的时效性。数据处理模块接收并处理信号探测模块的探测信息，根据探测信息判断自燃位置及自燃演化过程。数据处理模块包括信号放大器、信号过滤器、数据处理器、显示器和电源，信号放大器包括电磁信号放大器和红外信号放大器，信号过滤器包括电磁信号过滤器和红外信号过滤器，数据处理器包括单片机和存储器，电源为数据处理模块供电，显示器显示处理结果。数据处理模块还具有键盘，用于调整或输入参数；信号探测模块可以通过传输电缆和数据处理模块相连接。
环绕横杆布置类似于煤堆或矸石山的等高线图形状，环绕横杆距离煤堆或矸石山表面1-2m，可以为1.5m或2m，环绕横杆层间垂直高度为1.5-2m，一般选择2m，环绕横杆的下表面距离地面垂直高度为1-2m，也可以为1.5m。每一层环绕横杆按照长度为20-50m划分为1个探测单元。每个探测单元内布置1个信号探测模块，信号探测模块沿环绕横杆往复运动，移动滑块通过直流马达驱动；环绕横杆通过三脚架支撑，移动滑块上还可以设置伸缩杆，从而可以随意调节信号探测模块与煤堆之间的距离。电磁全向和定向探测包括，通过环形天线接收区域内电磁信号，通过定向天线接收单一方向上的电磁信号，信号探测模块的探测方向与环绕横杆或环绕横杆的切线方向垂直，根据信号探测模块位置确定自燃区域坐标位置。
数据处理分析模块够实现探测区域的坐标定位和三维动态实时显示，能够在开始探测时自动识别划分的各个探测单元、记录各单元中的位置坐标、分析表面温度和电磁信号空间特征、自动绘制区域信号变化趋势图并且在显示器上实时显示。数据处理模块内含有无线发射模块，能够与地面监控室内的无线接收终端连接，将分析判定的数据实时传输到地面监控室，使地面调度室进行控制。
信号探测模块和数据处理模块的仪器布置后，根据现场实际的情况进行调整参数的输入。然后启动探测仪器，按照系统提示进行操作。设定煤堆或矸石山正常温度值t1和自燃温度与电磁信号的关系式，参考煤堆或矸石山正常的电磁信号信息确定电磁天线接收信号的门槛值以及不同温度t对应的电磁强度值e，并设置触发预警和不同等级报警所对应的信号强度值e；然后调试仪器使仪器处于准备状态，进行探测。
探测及定位步骤包括：
步骤一.根据地面煤堆和矸石山的堆积条件分析，判定潜在的自燃区域。
地面煤堆和矸石山的堆积条件主要包括煤的特征、水分、通风、环境温度、颗粒度和挥发份，判定是够存在潜在的自燃危险主要从以下几个方面:(1)水分含量会影响煤的自发热，当水蒸发时从外界吸收大量的热，冷凝时就将这些热传给煤粉，含水量增加1％将使煤温上升17℃；(2)煤堆中不流通的空气完全反应将使其温度上升，实际上当高速流通的空气在提供煤以氧气的同时也会带走大量的热，而低速则恰好相反，尽管也提供相当数量的氧气但却不能带走其自发产生的热量，所以通风的风速也是影响自燃的关键；(3)80℃以下温升其反应率反而下降，80℃其活性随温度上升而上升；(4)煤的颗粒越小其表面积越大，与空气的接触越充分，更容易产生自热；(5)按挥发份可以将煤分为烟煤、褐煤、无烟煤，其热值递增，自发热可能性也依次降低.
步骤二.分层布置环绕横杆，安装信号探测模块，电磁传感器和红外成像传感器进行分层探测，数据处理模块实时分析表面温度监测数据，判定煤堆和矸石山的表面温度异常区域。本步骤主要是通过红外成像传感器探测温度，确定温度异常的区域，在温度异常的区域通过电磁传感器判断确定坐标位置。其中，信号探测模块采集煤堆或矸石山表面温度，当探测到的表面温度高于环境温度或其他区域的表面温度超过5℃，则判定为表面温度异常区域，其中环境温度根据煤堆或矸石山附近的环境中实际测量得到；同时根据电磁传感器确定异常区域的位置坐标，对温度异常的区域进行处理。
对温度异常的区域应该立即进行相应的防灭火措施，当煤堆或矸石山表面温度未出现异常时，进行电磁数据的分析和反演及进一步的全向及定向探测及定位，通过电磁信号的时间变化趋势和空间特征定位存在自燃危险的区域。
本实施例中煤堆的形状呈长条形，在距煤堆或矸石山底部1m的距离布置环绕横杆，环绕横杆距离地面1.5m高，环绕横杆固定在三脚架上。在每层的环绕横杆上划分n个长度单元(20-50m为一个单元，根据现场情况进行长度设置)，然后在每个单元的横杆上布置一台信号探测模块并与数据处理分析模块连接起来，信号探测模块始终保持与煤堆或矸石山大约2-5m的距离。最后进行现场的调整保证信号探测模块处于正常工作的状态，各个单元的信号探测模块能在系统的控制下在横杆上运动并进行电磁和温度的信号探测。
开始探测的时候，通过数据处理分析模块的处理，信号探测器首先进行单元里的红外温度扫描探测，如果发现煤堆或矸石山表面温度超过了环境气温，则判定该区域为自燃危险区域，系统记录该区域的位置坐标，发出报警信号，并立即进行相应的防灭火措施；如果煤堆或矸石山表面红外温度正常，然后进行电磁信号的探测，在系统中得到各单元电磁信号的变化信息，通过电磁信号的时间变化趋势和空间特征定位自燃危险区域。
步骤三.对表面温度异常区域进行电磁全向和定向探测，通过数据处理模块对电磁信号增减实时判定，确定温度异常区域的自燃演化过程。其中，对表面温度异常区域进行电磁全向和定向探测，定向电磁天线只接收一个方向上的电磁信号，环形天线接收其朝向侧的电磁信号，根据煤堆或矸石山的尺寸形状选择接收电磁信号的天线的频率，其中定向电磁天线的探测方向与环绕横杆的方向或者环绕横杆的切线方向垂直，从而方便坐标位置的确定。判定的过程具体是：预先设定煤堆或矸石山自燃温度与电磁信号强度的对应关系，确定自燃预警的电磁信号强度值；可以在进行探测前预先确定煤堆或矸石山自燃温度与电磁信号的关系式，根据煤堆或矸石山正常的电磁信号信息确定不同温度t对应的电磁强度值e，并设置触发预警和不同等级报警所对应的信号强度值e。
当电磁信号强度持续增加时，实时判定温度异常区域的自燃程度，并在地面监控室进行预警。在进行探测及分析时，当电磁信号强度发生异常，信号探测模块对该区域进行电磁信号的精准探测并在数据处理分析模块中自动生成该异常区域电磁信号变化趋势图，同时记录该区域位置坐标并对应发出预警信号。如果该区域电磁信号强度持续增加，则系统自动发出高较上一个层级高的自燃危险等级并报警，判定此区域即为严重自燃危险区域，立即进行防灭火措施；如果电磁信号未出现持续增加的变化趋势，则取消预警；其中探测时长为4h/天，白天2h，晚上2h。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
1.煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，利用信号探测模块和数据处理模块对煤堆或矸石山自燃高温异常区域进行探测并定位，其特征在于，所述信号探测模块包括环绕横杆、电磁传感器、红外成像传感器、移动滑块和屏蔽罩，环绕横杆沿煤堆或矸石山布置，电磁传感器、红外成像传感器和电磁天线布置在移动滑块上，屏蔽罩设置在移动滑块上，移动滑块沿环绕横杆移动；所述数据处理模块接收并处理信号探测模块的探测信息；
探测及定位步骤包括：
步骤一.根据地面煤堆和矸石山的堆积条件判定潜在的自燃区域；
步骤二.分层布置环绕横杆，安装信号探测模块，电磁传感器和红外成像传感器进行分层探测，数据处理模块实时分析表面温度监测数据，判定煤堆和矸石山的表面温度异常区域；
步骤三.对表面温度正常区域进行电磁全向和定向探测，通过数据处理模块对电磁信号增减实时判定，确定温度异常区域的自燃演化过程。
2.根据权利要求1所述的煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其特征在于，所述数据处理模块包括信号放大器、信号过滤器、数据处理器、显示器和电源，所述信号放大器包括电磁信号放大器和红外信号放大器，所述信号过滤器包括电磁信号过滤器和红外信号过滤器，所述数据处理器包括单片机和存储器。
3.根据权利要求1所述的煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其特征在于，所述环绕横杆距离煤堆或矸石山表面1-2m，环绕横杆层间高度为1.5-2m，环绕横杆的下表面距离地面高度为1-2m；每一层环绕横杆按照长度为20-50m划分为1个探测单元，每个探测单元内布置1个信号探测模块，信号探测模块沿环绕横杆往复运动。
4.根据权利要求1所述的煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其特征在于，所述电磁全向和定向探测包括，通过环形天线接收区域内电磁信号，通过定向天线接收单一方向上的电磁信号，信号探测模块的探测方向与环绕横杆或环绕横杆的切线方向垂直，根据信号探测模块位置确定自燃区域坐标位置。
5.根据权利要求2-4任一项所述的煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其特征在于，所述步骤二中，信号探测模块采集煤堆或矸石山表面温度，当探测到的表面温度高于环境温度或其他区域的表面温度超过5℃，则判定为表面温度异常区域，同时根据电磁传感器确定异常区域的位置坐标。
6.根据权利要求2-4任一项所述的煤堆或矸石山自燃高温异常区域电磁信号探测及定位方法，其特征在于，所述步骤三中，对表面温度异常区域进行电磁全向和定向探测具体是：预先设定煤堆或矸石山自燃温度与电磁信号强度的对应关系，确定自燃预警的电磁信号强度值；当电磁信号强度持续增加时，实时判定温度异常区域的自燃程度，并进行预警。
技术总结