一种煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法

技术领域

本发明属于煤矸石山自燃防治技术领域，具体为一种煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法。

背景技术

煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物，含有硫化物、铝硅酸盐、有机化合物和其他无机化合物，约占煤炭产量的10%~15%，但其资源化利用率仅为30%。我国煤矸石年排放量高达2.8亿吨左右，现已成为我国排放量最大的工业固体废弃物。大规模的煤矸石排放占用大量土地，造成严重的资源浪费。长时间堆放引发的自燃不仅影响大气和土壤环境、破坏地下水资源、影响植被生长、污损自然景观，还会引发山体滑坡、山崩、泥石流、矸石流等地质灾害，更有可能引发爆炸，造成大量人员伤亡和巨大经济损失，严重制约矿区的可持续发展，亟需进行预防和治理。

煤矸石自燃是一个复杂的燃烧系统，由内部和外部因素共同驱动，受氧化作用、温度、深度、导热系数、晶粒尺寸、煤化程度、挥发组分和构造等多种因素影响。煤矸石自燃伴随产生大量热能，蓄热增温是煤矸石山自燃的直接体现。煤炭开采产生大量的煤矸石往往采用台地—边坡堆积体的形式，只有达到一定深度才会发生自燃。因此可以通过监测煤矸石山内部不同深度的温度变化来了解自燃发生过程，确定自燃发生位置，进而通过铺设隔离层、分层碾压等有效的堆储方法从源头上防止煤矸石发生自燃，减少资源浪费和环境污染，对矿区的生态安全具有重要意义。

现存的煤矸石自燃预测预警技术多针对既有煤矸石山，往往监测到自燃后再进行灭火，不可避免地造成了资源浪费和环境污染。煤矸石温度则主要通过红外热成像技术和埋设测温探头实现，前者虽然可以有效捕捉表层温度变化，但是无法感知煤矸石山深层温度变化，因而无法准确判断自燃发生位置，且表面温度的升高往往是煤矸石内部发生自燃的表征，因此该技术只能在一定程度上防止煤矸石自燃加剧，并不能从源头上防止自燃的发生。测温探头的监测深度虽然大于红外热成像技术，但是往往不超过2m。此外，以上两种方法均需要到现场监测，不仅耗时耗力，获得的数据也有限，无法及时作出预警，而且自燃产生的有害气体和高温危及工作人员的人身安全。

综上所述，亟需发明一种能够远程控制的煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法，获取自煤矸石山堆放之日起不同深度的温度蓄热过程，确定自燃发生的深度范围并进行预警，为从源头上预防煤矸石自燃提供理论依据。

发明内容

本发明目的是针对煤矸石产量大、自燃严重，而且煤矸石山自燃深度不明晰，现有煤矸石山温度测量方法效率低下、测量深度有限以及无法进行远程监测和预警等问题，提出一种基于煤矸石山不同深度蓄热增温过程的煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法，包括如下步骤：

（1）、煤矸石山堆放：在预堆放煤矸石山中心设置一根镀锌不锈钢管，该镀锌不锈钢管的直径为10cm，埋深1m，露出地面10m；然后以该镀锌不锈钢管为中心，堆放一座底部直径为36m、顶部直径为10m、高为10m的煤矸石山；

（2）、测温点布设：煤矸石山堆放完成后，将长度为1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m和10m的10根测温探头从长到短布设在煤矸石山中心的镀锌不锈钢钢管中，利用补偿导线将测温探头的输出端与温度采集模块的输入端相连，监测煤矸石山自燃过程中10m深度范围内每隔1m的温度动态变化特征；同时将长度为0.5m的测温探头布设在煤矸石山表面并将其输出端与温度采集模块的输入端相连，用来监测环境温度动态变化；

（3）、煤矸石山内部的环境温度的采集：温度采集间隔为1min；

（4）、温度无线传输以及自燃预警：温度采集模块所采集的温度数据通过无线传输模块和信号发出装置实时传至手机终端和计算机终端，用户通过微信小程序和计算机网页读取温度数据；用户能够自主选择时间段将温度数据通过数字和图像的形式呈现在手机和计算机终端上，还能够下载数据，用于储存和深入分析；同时，用户能够自主设置预警温度，当温度升至设置温度时通过微信小程序、计算机网页或手机短信的方式发出报警信号，用户能够通过测温探头编号准确判断自燃发生的深度。

本发明方法采用简单易操作、安全可靠、温度测量范围广的测温装置监测煤矸石山自堆放之日起不同深度的蓄热增温过程，通过无线传输技术实现温度数据的远距离实时传输，借助预警技术及时判断煤矸石山最初发生自燃的深度，能够满足煤矸石山自燃发生过程的监测预警要求。

1、本发明通过监测煤矸石山自堆放之日至自燃过程中10m深度范围内每隔1m的温度动态变化，获取煤矸石山自燃过程中不同深度的蓄热增温过程，确定自燃发生的确切深度，从而为排矸场煤矸石分层堆放厚度的确定提供技术支撑，有利于从源头上防止煤矸石自燃，与现有的监测到自燃再进行灭火的方法相比，不仅能够最大程度上避免资源浪费，还能大大降低煤矸石自燃带来的灾害。

2、本发明温度测量装置采用的热电偶测温探头简单易操作、安全可靠，可以实现对煤矸石山不同深度的温度监测，还可根据实际需要生产更多规格的测温探头，测温深度范围广，不仅克服了常用的红外热成像技术只能监测煤矸石山表面温度变化的缺点，还能够最大限度地保证温度数据的空间和时间连续性。

3、本发明采用无线传输模块将所采集的温度数据实时传输至智能手机终端和笔记本终端，工作人员不仅可以随时随地观测煤矸石山不同深度处的温度动态变化特征，还可以自主下载数据进行深入分析，可以大大减少人力物力的投入，达到节约成本的效果的同时提高工作成效。

4、本发明的预警系统可以在煤矸石达到设置温度时通过微信小程序、计算机网页或手机短信的方式发出报警信号，克服了现有监测技术坚守在现场或者温度显示屏幕前的弊端。

5、本发明采用太阳能供电，克服煤矸石山供电难题，利用绿色能源扩大其使用范围。

附图说明

图1表示热电偶测温探头工作原理图。

图1中：101-铂铑合金，102-高纯度铂金，103-工作端，104-自由端，105-补偿导线，106-显示端。

图2表示测温点布设示意图。

图2中：201-镀锌钢管，202-热电偶测温探头，203-镀锌钢管埋深部分，204-测表面温度的热电偶测温探头。

图3表示煤矸石山自燃发生过程监测原理图。

图3中：301-煤矸石山，302-地下部分，303-镀锌钢管与测温探头，304-温度传输与预警系统，305-温度采集模块，306-温度预警模块，307-无线传输模块，308-信号发出装置，309-太阳能供电装置，310-温度数据接收装置，311-计算机，312-智能手机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法，包括煤矸石山堆放、测温点布设、温度测量装置、温度传输与预警系统及温度数据接收装置等。

其中，煤矸石山堆放是堆放一座底部直径为36m、顶部直径为10m、高为10m的煤矸石山，在煤矸石山中心包含布设测温装置的镀锌不锈钢管，镀锌不锈钢管直径为10cm，埋深1m，露出地面10m（即高10m）。

其中，测温点布设是将不同长度的热电偶测温探头布设在镀锌不锈钢管中以及煤矸石山表面，监测煤矸石山每隔1m深度处的温度动态变化及其与环境温度的差异，具体为监测煤矸石山自燃发生过程中煤矸石山表面、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m和10m深度处的温度动态变化特征。

其中，温度测量装置为不同长度的热电偶测温探头，如图2所示，包含长度分别为0.5m、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m和10m的11根耐高温热电偶测温探头，测温探头温度测量范围为-200℃~1800℃，属于接触式温度测量仪表，是差分温度测量器件，根据塞贝克效应原理感测温度。如图1所示，热电偶测温探头由铂铑合金101和高纯度铂金102两段不同的金属构成，其中铂铑合金为正端，高纯度铂金为负端。将铂铑合金和高纯度铂金的一端焊接在一起形成一个结点，构成工作端103，插入煤矸石内部不同深度处；铂铑合金和高纯度铂金的另外一端为自由端104。将铂铑合金和高纯度铂金通过补偿导线105接入显示端106（显示仪表）形成闭合回路。温度测量过程中，工作端和自由端所处的温度不同，形成热电势，经过转化最终在显示仪表上显示温度。

其中，温度传输与预警系统304包括温度采集模块305、温度预警模块306、温度数据无线传输模块307及太阳能供电模块309，温度采集模块输入端与热电偶测温探头的输出端通过补偿导线相连接，温度采集模块的输出端与温度预警模块和无线传输模块的输入端相连接，无线传输模块内置手机卡、外置信号发出装置，通过GPS信号将温度数据传输至温度接收装置，通过无线传输方式将温度数据传输至温度接收装置，实现煤矸石山温度传输与预警。温度数据接收装置包括智能手机终端和计算机终端。

具体实施时，煤矸石山自燃发生过程的监测预警方法，如图3所示，包括煤矸石山堆放、测温点布设、煤矸石山内部与环境温度的采集、温度无线传输以及自燃预警，具体如下：

（1）、煤矸石山堆放：堆放一座底部直径为36m、顶部直径为10m、高为10m的煤矸石山，具体堆放过程如下：①选取一根直径为10cm，长为5m的镀锌不锈钢管，将一端进行封口处理，然后将未封口的一端埋入地下，埋深为1m，并进行夯实；②夯实后开始以不锈钢管为中心逐层向上堆放煤矸石，堆放高度临近封口端时，挪去封口，用法兰将其与同等规格、一端进行封口处理的另一根钢管进行连接，并在接口处进行密封处理，防止试验过程中形成烟囱效应，然后继续分层向上堆放煤矸石；③堆放高度再次临近封口端时，挪去封口，并用法兰将其与直径为10cm，长为1.5m，一端进行封口处理的镀锌钢管连接，继续分层向上堆放煤矸石，直至堆放高度达到10m。煤矸石堆放所需煤矸石4600m

（2）、测温点布设：煤矸石山堆放完成后，将长度为1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m和10m的10根测温探头从长到短布设在煤矸石山中心的镀锌不锈钢钢管中，利用补偿导线将测温探头的输出端与温度采集模块的输入端相连，监测煤矸石山自燃过程中10m深度范围内每隔1m的温度动态变化特征；同时将长度为0.5m的测温探头布设在煤矸石山表面并将其输出端与温度采集模块的输入端相连接，用来监测环境温度动态变化。

（3）、煤矸石山内部与环境温度的采集：由于温度不仅日变化明显，季节变化同样显著，因此为了保证所采集的煤矸石山内部温度的可靠性，同时监测煤矸石山中心10m深度范围内每隔1m以及煤矸石表面的温度变化；温度采集间隔为1min；实际操作过程中可以根据需要更改采集时间间隔。

（4）、温度无线传输以及自燃预警：所采集的温度数据通过GPS信号实时传至手机终端和计算机终端，用户可以通过微信小程序和计算机网页读取温度数据；用户不仅可以自主选择时间段将温度数据通过数字和图像的形式呈现在手机和计算机终端上，还可以下载为（.xls）格式的数据，以便于储存和深入分析；同时，用户可以自主设置预警温度，当温度升至设置温度时通过微信小程序、计算机网页或手机短信的方式发出报警信号，用户可以通过测温探头编号准确判断自燃发生的深度。

本发明方法具有如下特点：

1、本发明通过观测自堆放之日起煤矸石山中心10m范围内每隔1m的蓄热增温过程确定自燃发生的确切深度，实现为煤矸石分层堆放厚度提供技术支撑。

2、本发明采用热电偶测温探头测量范围可达-200~1800℃，测量准确，抗干扰能力强，可以根据实际需要生产不同长度的热电偶测温探头，实现煤矸石山温度的全方位监测。

3、用户可以根据实际需要布局测温点的同时设置温度采集时间间隔，实现煤矸石山温度数据采集的空间和时间连续性。

4、本发明采用无线传输技术可以使用户不必亲临现场便可以随时随地通过智能手机终端和计算机网页获得温度数据并进行下载分析，节约成本的同时提高了工作效率。

5、本发明采用预警系统可以通过微信小程序、计算机网页或手机短信的方式发出报警信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。