煤层火灾定位系统及定位方法

摘要

本发明涉及一种煤层火灾定位系统及定位方法，解决现有火灾监测方法对火区范围判定不够精准，对人力、财力、物力耗费大，不能快速高效地定位火区范围以及无法有效地防治煤层火灾等问题。该装置包括温度数据采集单元和信息处理单元：温度数据采集单元包括探测钻杆和无线红外成像仪；探测钻杆包括内杆和套装在内杆上的外套杆，外套杆上沿轴向设置有多个无线温度传感器；探测钻杆的顶端设置有发光光源、gps模块和无线多通道检测模块；无线红外成像仪设置在探测区域地表上方，用于对浅埋煤层火灾监测范围进行红外成像；信息处理单元包括信息处理模块和信息收发模块，信息处理模块通过信息收发模块接收温度数据采集单元采集的信息。

权利要求

1.一种煤层火灾定位系统，其特征在于：包括温度数据采集单元(2)和信息处理单元(1)：

所述温度数据采集单元(2)包括多个探测钻杆(3)和无线红外成像仪(4)；

所述探测钻杆(3)设置在探测区域的煤层中，包括内杆(31)和套装在内杆(31)上的外套杆(32)，所述外套杆(32)上沿轴向设置有多个无线温度传感器(33)；所述探测钻杆(3)的顶端设置有多色发光光源(35)、gps模块(36)和无线多通道检测模块(34)；

所述无线红外成像仪(4)设置在探测区域地表上方，用于对浅埋煤层火灾监测区域进行红外成像；

信息处理单元(1)包括信息处理模块和信息收发模块，所述信息处理模块通过信息收发模块接收温度数据采集单元(2)采集的位置信息和温度信息，并将接收到的信息进行处理，从而定位煤层火灾范围。

2.根据权利要求1所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：多个探测钻杆(3)在探测区域的煤层中呈网格状布置。

3.根据权利要求2所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述无线红外成像仪(4)固定在氢气球(5)下端，通过安全绳将氢气球(5)固定在探测区域地表上方，实行全天候地面氢气球(5)联网航拍。

4.根据权利要求1或2或3所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述无线温度传感器(33)对采集到的信息进行1wire编码封装，编码后的温度信息及gps模块(36)采集到的位置信息通过无线多通道检测模块(34)发送给信息处理模块，所述信息处理模块对接收的信息进行1wire解码处理。

5.根据权利要求4所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述外套杆(32)为似土壤热导系数的玻璃杆件或陶瓷杆件，所述内杆(31)为钢柱体。

6.根据权利要求5所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述探测钻杆(3)的底端设置为锥形结构。

7.根据权利要求6所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述多色发光光源(35)为多色发光二极管。

8.根据权利要求7所述的煤层火灾定位系统，其特征在于：所述无线多通道检测模块(34)为stm32数据采集模块。

9.一种基于权利要求1至8任一所述煤层火灾定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将多个具有gps模块的探测钻杆在探测区域的煤层中呈网格状布置，同时在探测区域地表上方设置多个无线红外成像仪；

步骤二、探测钻杆的多个无线温度传感器将采集到的温度数据进行编码封装，并将编码后的信息发送给无线多通道检测模块，形成单点纵向温度数据；

步骤三、无线多通道检测模块将编码后温度信息、gps模块采集到的位置信息发送给信息处理单元；同时，无线红外成像仪将采集到的数据发送至信息处理单元；

步骤四、信息处理单元对接收到的信息进行处理，从而定位煤层火灾范围；

4.1)信息处理单元将无线红外成像仪航拍的红外图像与多色发光光源坐标相对应，形成地表温度分布图；

4.2)信息处理单元对无线多通道检测模块传来的数据进行解码处理，将无线温度传感器采集到的温度数据与gps模块传来的实际空间坐标位置相对应，形成空间立体温度分布图；

4.3)利用地表温度分布图和空间立体温度分布图，根据温度趋势，确定是否需要调整火区探测范围进行准确的探测，从而定位煤层火灾范围。

10.根据权利要求9所述的基于煤层火灾定位系统的定位方法，其特征在于：步骤二中，无线温度传感器对采集到的信息进行1wire编码封装；步骤4.2)中，信息处理单元对无线多通道检测模块传来的信息进行1wire解码处理。

说明书

煤层火灾定位系统及定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤层火灾定位领域，具体涉及一种煤层火灾定位系统及定位方法。

背景技术

[0002] 中国煤炭资源丰富，储量巨大，是目前最主要的能源。但与此同时，煤田火灾也十分严重，目前已查明燃烧的煤田火区有多处，每年直接烧失煤炭资源达千万吨，不仅直接危
害了煤矿的安全生产，严重影响煤炭生产人员的安全，同时还造成生态环境破坏，引起众多
社会问题。目前国内外煤矿自燃火区火源探测方法主要有磁探法、电阻率法、遥感法、气体
测量法、同位素测氡法。由于煤层火灾成因复杂，环境影响大，现有监测方法对火区范围判
定不够精准、误差较大，而且对人力、财力、物力耗费大，因而不能快速高效地定位火区范
围，无法有效地防治煤层火灾。

发明内容

[0003] 本发明的目的是解决现有火灾监测方法对火区范围判定不够精准，对人力、财力、物力耗费大，不能快速高效地定位火区范围以及无法有效地防治煤层火灾等问题，提供一
种煤层火灾定位系统及定位方法。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 一种煤层火灾定位系统，包括温度数据采集单元和信息处理单元：所述温度数据采集单元包括多个探测钻杆和无线红外成像仪；所述探测钻杆设置在探测区域的煤层中，
包括内杆和套装在内杆上的外套杆，所述外套杆上沿轴向设置有多个无线温度传感器；所
述探测钻杆的顶端设置有多色发光光源、gps模块和无线多通道检测模块；所述无线红外成
像仪设置在探测区域地表上方，用于对浅埋煤层火灾监测区域进行红外成像；信息处理单
元包括信息处理模块和信息收发模块，所述信息处理模块通过信息收发模块接收温度数据
采集单元采集的位置信息和温度信息，并将接收到的信息进行处理，从而定位煤层火灾范
围。

[0006] 进一步地，多个探测钻杆在探测区域的煤层中呈网格状布置。

[0007] 进一步地，所述无线红外成像仪固定在氢气球下端，通过安全绳将氢气球固定在探测区域地表上方，实行全天候地面氢气球联网航拍。

[0008] 进一步地，所述无线温度传感器对采集到的信息进行1wire编码封装，编码后的温度信息及gps模块采集到的位置信息通过无线多通道检测模块发送给信息处理模块，所述
信息处理模块对接收的信息进行1wire解码处理。

[0009] 进一步地，所述外套杆为似土壤热导系数的玻璃杆件或陶瓷杆件，所述内杆为钢柱体。

[0010] 进一步地，所述探测钻杆的底端设置为锥形结构。

[0011] 进一步地，所述多色发光光源为多色发光二极管。

[0012] 进一步地，所述无线多通道检测模块为stm32数据采集模块。

[0013] 同时，本发明还提供一种基于上述煤层火灾定位系统的定位方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤一、将多个具有gps模块的探测钻杆在探测区域的煤层中呈网格状布置，同时在探测区域地表上方设置多个无线红外成像仪；

[0015] 步骤二、探测钻杆的多个无线温度传感器将采集到的温度数据进行编码封装，并将编码后的信息发送给无线多通道检测模块，形成单点纵向温度数据；

[0016] 步骤三、无线多通道检测模块将编码后温度信息、gps模块采集到的位置信息发送给信息处理单元；同时，无线红外成像仪将采集到的数据发送至信息处理单元；

[0017] 步骤四、信息处理单元对接收到的信息进行处理，从而定位煤层火灾范围；

[0018] 4.1)信息处理单元将无线红外成像仪航拍的红外图像与多色发光光源坐标相对应，形成地表温度分布图；

[0019] 4.2)信息处理单元对无线多通道检测模块传来的数据进行解码处理，将无线温度传感器采集到的温度数据与gps模块传来的实际空间坐标位置相对应，形成空间立体温度
分布图；

[0020] 4.3)利用地表温度分布图和空间立体温度分布图，根据温度趋势，确定是否需要调整火区探测范围进行准确的探测，从而定位煤层火灾范围。

[0021] 进一步地，步骤二中，无线温度传感器对采集到的信息进行1wire编码封装；步骤4.2)中，信息处理单元对无线多通道检测模块传来的信息进行1wire解码处理。

[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0023] 1.本发明煤层火灾定位系统及定位方法利用无线传感器技术和无线红外成像技术，采集探测空间的温度分布，形成空间立体温度分布图，大大提高了探测区温度分布的测
定精度，并且节省了人力、物力，同时，全天候不间断实时监测探测空间的温度变化，为火区
防治提供精确的数据。

[0024] 2.本发明煤层火灾定位系统及定位方法通过在探测区域地表呈网格状布置探测钻杆，探测钻杆上安装的无线温度传感器采集相应空间位置的温度数据，并将数据信号发
送给钻杆端头的无线多通道检测模块，信息处理单元接收各钻杆上采集的数据，并根据自
定义的三维坐标系，形成与实际探测空间对应的立体空间温度分布；地表区域通过gps模块
进行探测钻杆的定位，由无线红外成像仪进行航拍，处理后形成煤层表面温度分布图，通过
对温度分布图的分析，确定温度趋势，定位火灾范围。因此，本发明能够高效、准确地定位煤
层火灾的范围，为煤层火灾的快速有效防治起到关键性作用。

[0025] 3.本发明探测钻杆的顶端设置有多色发光光源，在探测钻杆数量较多时，单色光源不易区分，对地表温度分布图的准确性有影响，本发明采用多色发光光源，可将不同区域
的探测钻杆顶端显示不同的颜色，形成的地表温度分布图准确性较高。

[0026] 4.本发明探测钻杆的顶端设置有gps模块，探测钻杆通过gps模块进行定位，无线红外成像仪进行航拍，采用钻杆多色发光二极管对红外图像进行辅助定位和校正，从而获
取正确且具有地理信息的红外温度图像。

[0027] 5.本发明探测钻杆为具有金属内杆的玻璃杆件或陶瓷杆件，有效解决常规金属钻杆热传导影响煤层温度问题，无线温度传感器采用非接触红外测温传感器，可有效减少热
传导接触面要求。

附图说明

[0028] 图1是本发明煤层火灾定位系统的原理图；

[0029] 图2是本发明煤层火灾定位系统的探测钻杆空间布置示意图；

[0030] 图3是本发明煤层火灾定位系统的探测钻杆结构示意图；

[0031] 图4是本发明无线多通道检测模块和发光光源在探测钻杆上的安装示意图。

[0032] 附图标记：1‑信息处理单元，2‑温度数据采集单元，3‑探测钻杆，4‑无线红外成像仪，5‑氢气球，31‑内杆，32‑外套杆，33‑无线温度传感器，34‑无线多通道检测模块，35‑多色
发光光源。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

[0034] 本发明针对地表及浅埋煤层火灾特点，使用带有无线温度传感器的钻杆，在煤层火灾隐患区域地表进行打钻，布置温度传感器立体矩阵，通过绘制探测范围内的温度空间
立体图，以此来确定发火地点，极大地提高了煤层火灾判断的精度，为火灾防治方案的制定
提供准确的数据支持。

[0035] 如图1至图4所示，本发明提供的煤层火灾定位系统包括温度数据采集单元2和信息处理单元1。

[0036] 温度数据采集单元2包括多个探测钻杆3、无线红外成像仪4、氢气球5。探测钻杆3设置在探测区域的煤层中，包括内杆31和套装在内杆31上的外套杆32，内杆31为钢柱体，可
提高钻杆工作强度，钢柱外圈(外套杆32)为特制玻璃材质或陶瓷材质，可防止不同深度煤
样的温度互相传导，以保证测量温度的准确性。探测钻杆3的底端设置为锥形结构，可方便
的插入探测煤层中，在钻杆玻璃体内(外套杆32上)沿着钻杆方向每隔一定距离安装一个无
线温度传感器33。钻杆露出地面的端头，安装有发光光源35(高亮多色发光二极管)、gps模
块36和无线多通道检测模块34，无线多通道检测模块34具体可采用stm32数据采集模块。氢
气球5设置在探测区域地表上方，无线红外成像仪4通过安全绳安装在氢气球5下端，用于对
浅埋煤层火灾监测范围进行红外成像。

[0037] 本发明外套杆32为似土壤热导系数的玻璃杆件或陶瓷杆件，内杆31为钢柱体。探测钻杆设置为具有金属内杆的玻璃杆件或陶瓷杆件，有效解决常规金属钻杆热传导影响煤
层温度问题；无线温度传感器采用非接触红外测温传感器，可有效减少热传导接触面要求。

[0038] 信息处理单元1包括信息处理模块和信息收发模块，信息处理模块与信息收发模块连接，接收和处理温度数据采集单元2发送的所有温度数据和位置数据，信息处理模块上
设置有温度数据三维成像软件，将温度数据采集单元采集的温度信息和位置信息处理为空
间立体温度分布图。

[0039] 本发明系统采用平面网格状布置探测钻杆3，形成空间立体测温网络，在欲探测区域表面，将探测钻杆3以网格状布置在网格结点上。各钻杆上的stm32数据采集模块将各自
采集到的数据进行打包、发送，通过无线网络传输给信息处理单元1进行处理。信息处理单
元1的信息处理模块将所有无线传感器采集到的温度数据进行处理，形成空间立体测温网
络。

[0040] 本发明系统可以实现单测孔位置的多段连续测温，获得测孔纵向的温度分布。每个探测钻杆3上沿着钻杆方向均匀布置的无线温度传感器33，可以将测到的温度数据进行
1wire编码封装发送编码，实时地将数据传送给钻杆顶端安装的stm32数据采集模块。该模
块将数据传输给信息处理单元，经过信息处理模块的处理，形成单测点多段连续温度变化
图。

[0041] 地表区域通过gps模块36和实际地表位置存储模块进行探测钻杆的定位，无线红外成像仪进行航拍，采用钻杆多色发光二极管对红外图像进行辅助定位和校正，从而获取
正确且具有地理信息的红外温度图像。

[0042] 本发明系统结合无线红外成像系统，分析被探测区域温度趋势，准确定位煤层火灾，利用空间立体测温网络形成探测区域的空间立体温度分布图，再利用氢气球5下悬挂无
线红外成像仪4(当在井下探测时，只需人工手持红外成像仪)全天候实时航拍欲探测区域，
通过Wi‑Fi将数据传送给数据处理单元，经过处理形成航拍温度分布图。并根据探测钻杆3
端头的高亮多色发光二极管的位置，将航拍数据与钻杆实际位置想对应，形成与实际地理
位置相对应的航拍温度分布图。通过对空间立体温度分布图与航拍温度分布图进行配合分
析，判断被探测区域温度变化趋势，以此来分析得出煤层火灾范围或进一步调整探测范围，
从而快速、准确地定位煤层火灾。

[0043] 同时，本发明还提供一种利用上述煤层火灾定位系统进行火区定位的方法，包括以下步骤：

[0044] 步骤一、将多个具有gps模块36的探测钻杆在探测区域的煤层中呈网格状布置，同时在探测区域地表上方设置多个无线红外成像仪；

[0045] 步骤二、探测钻杆的多个无线温度传感器将采集到的温度数据进行编码封装，并将编码后的信息发送给无线多通道检测模块，形成单点纵向温度数据；

[0046] 步骤三、无线多通道检测模块将编码后温度信息、gps模块采集到的位置信息发送给信息处理单元；同时，无线红外成像仪将采集到的数据发送至信息处理单元；

[0047] 步骤四、信息处理单元对接收到的信息进行处理，从而定位煤层火灾范围；

[0048] 4.1)信息处理单元将无线红外成像仪航拍的红外图像与发光光源坐标相对应，形成地表温度分布图；

[0049] 4.2)信息处理单元对无线多通道检测模块传来的数据进行解码处理，将无线温度传感器采集到的温度数据与由gps地理位置信息和模块预存的实际位置信息构成的实际空
间坐标位置相对应，形成空间立体温度分布图；

[0050] 4.3)利用地表温度分布图和空间立体温度分布图，根据温度趋势，确定是否需要调整火区探测范围进行准确的探测，从而定位煤层火灾范围

[0051] 本发明方法的具体过程如下：

[0052] 在欲探测区域的煤层地表，自定义建立平面坐标系(设为X、Y坐标轴)成网格状布置打钻，使用特制探测钻杆3，形成立体温度数据采集单元2。每根钻杆上沿钻杆方向均匀布
置的温度传感器自编号，并将采集到的温度数据发送到端头的无线多通道检测模块34，形
成单点纵向(设定为Z坐标轴)温度数据。在网格结点上的所有探测钻杆3，以同样的方式收
集各自钻杆上所有无线温度传感器33发送的温度数据，并进行编码，然后发送到信息处理
单元1。

[0053] 对于浅埋煤层火灾的定位，可以将无线红外成像仪4固定在氢气球5下端，用安全绳将氢气球5固定在一定的高度，这种设计可灵活的改变无线红外成像仪4距离地面的高
度，在户外易操作，提高作业效率。利用无线红外成像仪4实行全天候地面氢气球5联网航
拍，并将采集到的数据通过Wi‑Fi传输给信息处理单元1。当在井下进行火区定位时，将直接
采用人工操作无线红外成像仪4采集温度数据。

[0054] 利用地表温度红外摄像成像时，由于地面复杂，实际图像与地面地理位置会发生错乱；同时，在地表的钻杆测温系统实际测温过程中无法保证按照几何规则尺寸分布；另
外，地表的不同位置的水平高度不同；这几方面造成了平面红外成像和地表不规则分布的
数据交互冲突。本发明采用地表钻杆的人工测量外加GPS辅助定位地理空间位置，采用钻杆
顶部高亮红外信号灯对红外摄像系统进行信标定位。利用信标定位的地理空间数据构建三
维空间网络，同时利用信标地理位置对红外摄像图像数据进行空间定位，形成被测地表煤
层的空间三维温度场数据。根据钻杆不同深度温度变化，获取该地理位置温度变化趋势数
据，利用该趋势数据配合三维温度场数据，进行温度空间分布预测。

[0055] 信息接收模块将收集到的数据转换后，输入计算机进行处理，形成三维立体温度图。煤层表面，红外成像仪航拍的红外图像与输入计算机的高亮发光二极管坐标相对应，形
成地表温度分布图；利用温度数据处理软件，将所有传感器采集到的温度数据，与实际空间
坐标位置相对应，形成空间立体温度分布图。利用地表温度分布图和空间立体温度分布图，
根据温度趋势，确定是否需要调整火区探测范围进行更准确的探测，从而精确定位煤层火
灾范围。

[0056] 本发明系统通过在探测区域地表呈网格状布置探测钻杆3，探测钻杆3上安装的无线温度传感器33采集相应空间位置的温度数据，并将数据信号自编号加密发送给钻杆端头
的无线多通道模拟量监测模块，信息处理单元1接收各钻杆上检测模块采集的数据，并根据
自定义的三维坐标系，形成对应于实际探测空间的立体空间温度分布；地面将通过发光二
极管进行探测钻杆3的定位，由无线红外成像仪4进行航拍，最后经本安计算机处理，形成煤
层表面温度分布图，通过对温度分布图的分析，确定温度趋势，定位火灾范围。本发明能够
高效、准确地定位煤层火灾的范围，为煤层火灾的快速有效防治起到关键性作用。