一种用于井下安全注氮的闭锁方法

1.本发明属于煤矿采空区防灭火自动控制技术领域，具体涉及一种用于井下安全注氮的闭锁方法。


背景技术：

2.井下采空区注氮是防治采空区火灾的一种重要手段，火灾防治手段的完善是矿井安全生产、稳定发展的重要基础之一。在矿井采空区注氮系统实际运行中，由于井下生产过程中的各种条件影响，注氮系统运行过程中可能会存在管道泄漏的情况，从而威胁到井下工人的生命安全。这使得管道泄漏位置的实时监测成为不可避免的问题，如何监测注氮管道使用情况，分析注氮管道氮气泄漏时的泄漏位置是目前需要解决的问题，从而有效控制制氮机的紧急制停，降低煤矿采空区注氮安全隐患，保证注氮系统的高效运行。
3.当前注氮管道运行情况的判断主要通过在线视频观察与巡检等人工方式，判断注氮管道沿途是否存在泄漏的情况，这种方式监测效率低且成本较高；随着声音识别技术的发展，通过音频信号监测注氮管道泄漏与泄漏源定位，具有安装方便且成本较低的特点，相较于原有注氮口安装压力传感器方式判断管道泄漏情况，压力传感器不能自动判别管道是否发生泄漏，无法分析泄漏源的位置，进而关闭制氮机，有必要提出进一步的改善方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于井下安全注氮的闭锁方法，解决了现有技术中存在的自动化水平低、对采空区注氮系统进行安全闭锁有待进一步优化的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，
6.一种用于井下安全注氮的闭锁方法，具体按照如下步骤进行：
7.步骤1：在井下工作间内搭建一种用于井下防灭火的注氮系统；
8.包括进风巷、回采巷道、回风巷、采空区和工作面；采空区与工作面间的回采巷道中安装有多个液压支架，进风巷在远离工作面的一侧安装注氮管道，注氮管道延伸至采空区，注氮管道的注氮口安装有压力传感器，位于进风巷的注氮管道每隔100-120m安装有麦克风阵列；工作面设置有工控机，麦克风阵列包括九个声音传感器，九个声音传感器均匀安装于圆形电路板的边沿，圆形电路板的中心设置有用于传输麦克风阵列信号的485信号线接线口；
9.步骤2：将注氮管道的注氮口固定在采空区进风侧距离工作面的三十米处，井下人员检查注氮管道接口是否密封，若密封，则开始注氮；
10.步骤3：工控机利用管道氮气泄漏判定算法，若注氮管道发生泄漏，则进行步骤4；若注氮管道未发生泄漏，则继续注氮；
11.步骤4：工控机利用注氮管道泄漏源定位算法，得到注氮管道的泄漏位置；工控机发出通知信号；
12.步骤5：井下人员依据通知信号关闭制氮机；
13.步骤6：工控机上传泄漏记录至数据库，泄漏记录包括井下注氮管道发生泄漏时的泄漏时间和泄漏位置，以便用于安全指示和历史数据的查询。
14.本发明的特点还在于；
15.步骤3具体为：
16.步骤31：压力传感器采集注氮管道注氮口的实时信号，并将其上传至工控机，工控机根据实时信号进行处理；
17.步骤32：设置压力传感器压力差系数β，若压力传感器实时监测的压力差小于β，则管道无泄漏，正常注氮；若压力传感器实时监测的压力差大于等于β，则进行步骤33；
18.步骤33：调取基于声音特征的管道泄漏判定模型，分析实时音频特征，若音频特征经过模型确定存在泄漏情况，则注氮管道存在泄漏的情况；反之，则静置五秒，从步骤31处重新进行。
19.步骤33具体为：
20.步骤331：工控机收集注氮管道历史音频数据；
21.步骤332：氮气泄漏声音数据集建立：工控机将采集的历史数据按照时序，从左到右、从上到下以此排列在4
×
5的像素矩阵中，得到时序音频数据的图像表达形式；将音频的图像数据划分为泄漏时刻数据与非泄露时刻数据两种，建立基于图像的管道泄漏音频数据集；
22.步骤333：选取深度学习网络中的图像分类网络作为声音特征的图像分类模型；
23.步骤334：基于声音特征的管道泄漏判定模型训练：设置待训练模型训练轮数、学习率以及损失的参数，对声音特征的图像分类模型进行训练，得到声音特征的管道泄漏判定模型。
24.压力差系数β为根据实际需要设置的可调节数据。
25.步骤4具体为：
26.步骤41：若单个声音传感器信号经过数据处理判断，存在注氮管道泄漏的情况，则开启对应识别到泄漏音频的麦克风阵列；
27.步骤42：工控机实时获取麦克风阵列中九个声音传感器的信号，通过九个声音传感器的相似波谱变化规律，计算麦克风阵列中音频信号的时间差；
28.步骤43：通过获取的音频信号的时间差，利用如下公式计算，得到基于时间差计算的泄漏源位置；
[0029][0030]
其中，x、y、z分别为在麦克风阵列坐标系中泄漏源距离中心传感器的三相坐标距离，c为声音在空气中传播的速度常数，a为中心传感器距离边缘传感器的距离；a＝75mm，t0为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列耗费的时长，t1为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列中心传感器耗费的时长，t
2-t9为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列八个边缘传感器耗费的时长，x2+y2+z2为泄漏源与麦克风阵列的距离；
[0031]
步骤44：工控机发出通知井下人员关闭注氮系统的声光报警信号。
[0032]
圆形电路板是直径为150mm的圆板，485信号线接线口设置于圆形电路板的圆心设置。
[0033]
本发明的有益效果是，本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法，通过压力传感器判定、管道氮气泄漏判定算法、注氮管道泄漏源定位算法监测井下采空区注氮泄漏情况与泄漏源定位分析，解决了针对人工监测方法效率低、成本高，针对单个压力传感器检测方法中无法自动分析泄漏、分析泄漏源位置等问题，从而提高井下采空区注氮系统运行的安全性，保障井下工作人员生命安全，便于推广使用。
附图说明
[0034]
图1是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法的系统框架示意图；
[0035]
图2是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法的流程示意图；
[0036]
图3是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法中管道氮气泄漏判定算法的流程示意图；
[0037]
图4是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法中基于声音特征的管道泄漏判定模型的流程示意图；
[0038]
图5是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法中注氮管道泄漏源定位算法的流
程图；
[0039]
图6是本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法中麦克风阵列示意图。
[0040]
图中，1.压力传感器，2.注氮管道，3.麦克风阵列，4.采空区，5.工作面，6.进风巷，7.回采巷道，8.回风巷，9.液压支架，10.声音传感器，11.485信号线接线口，12.圆形电路板。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法进行详细说明。
[0042]
本发明提供了一种用于井下安全注氮的闭锁方法，采用一种井下注氮管道泄漏源的音频识别与定位系统来实现，系统具体为：包括进风巷6、回采巷道7、回风巷8、采空区4和工作面5，采空区4与工作面5间的回采巷道7中安装有多个液压支架9，进风巷6一侧安装注氮管道2，注氮管道2注氮口位于采空区4进风侧距离工作面5为30m，注氮管道2注氮口安装压力传感器1，进风巷6内注氮管道2每隔100-120m安装麦克风阵列3；
[0043]
一种用于井下安全注氮的闭锁方法具体按照如下步骤实施：
[0044]
步骤1：在井下工作间内搭建一种用于井下防灭火的注氮系统；
[0045]
工作面5设置有工控机，麦克风阵列3包括九个声音传感器10，九个声音传感器10均匀安装于圆形电路板12的边沿，两两之间通过圆心形成的夹角为45
°
，圆形电路板12的中心设置有用于传输麦克风阵列3信号的485信号线接线口11；
[0046]
其中，圆形电路板12是直径为150mm的圆板，485信号线接线口11设置于圆形电路板12的圆心设置。
[0047]
步骤2：将注氮管道2的注氮口固定在采空区(4)进风侧距离工作面5的三十米处，井下人员检查注氮管道2接口是否密封，若密封，则开始注氮；
[0048]
步骤3：工控机利用管道氮气泄漏判定算法，若注氮管道2发生泄漏，则进行步骤4；若注氮管道2未发生泄漏，则继续注氮；
[0049]
具体为：
[0050]
步骤31：压力传感器1采集注氮管道2注氮口的实时信号，并将其上传至工控机，工控机根据实时信号进行处理；
[0051]
步骤32：设置压力传感器1压力差系数β，若压力传感器1实时监测的压力差小于β，则管道无泄漏，正常注氮；若压力传感器1实时监测的压力差大于等于β，则进行步骤33；
[0052]
其中，压力差系数β为根据实际需要设置的可调节数据，井下人员可以根据实际需要选择设定合适的压力差系数β。
[0053]
步骤33：调取基于声音特征的管道泄漏判定模型，分析实时音频特征，若音频特征经过模型确定存在泄漏情况，则注氮管道2存在泄漏的情况；反之，则静置五秒，从步骤31处重新进行。
[0054]
本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法的步骤33是基于压力传感器检测后，为了提高安全系数的基于声音特征的管道泄漏判定，实现了双重判定和保护，从而在一定程度上提高了井下作业的安全系数。
[0055]
本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法的步骤33具体为：
[0056]
步骤331：工控机收集注氮管道历史音频数据；
[0057]
步骤332：氮气泄漏声音数据集建立：工控机将采集的历史数据按照时序，从左到右、从上到下以此排列在4
×
5的像素矩阵中，得到时序音频数据的图像表达形式；将音频的图像数据划分为泄漏时刻数据与非泄露时刻数据两种，建立基于图像的管道泄漏音频数据集；
[0058]
步骤333：选取深度学习网络中的图像分类网络作为声音特征的图像分类模型；
[0059]
步骤334：基于声音特征的管道泄漏判定模型训练：设置待训练模型训练轮数、学习率以及损失的参数，对声音特征的图像分类模型进行训练，得到声音特征的管道泄漏判定模型。
[0060]
步骤4：工控机利用注氮管道泄漏源定位算法，得到注氮管道(2)的泄漏位置；工控机发出通知信号；
[0061]
具体为：
[0062]
步骤41：若单个声音传感器信号经过数据处理判断，存在注氮管道泄漏的情况，则开启对应识别到泄漏音频的麦克风阵列(3)；
[0063]
步骤42：工控机实时获取麦克风阵列(3)中九个声音传感器(10)的信号，通过九个声音传感器(10)的相似波谱变化规律，计算麦克风阵列(3)中音频信号的时间差；
[0064]
步骤43：通过获取的音频信号的时间差，利用如下公式(1)计算，得到基于时间差计算的泄漏源位置；
[0065][0066]
其中，x、y、z分别为在麦克风阵列3坐标系中泄漏源距离中心传感器的三相坐标距离，c为声音在空气中传播的速度常数，a为中心传感器距离边缘传感器的距离；a＝75mm，t0为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列3耗费的时长，t1为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列3中心传感器耗费的时长，t
2-t9为泄漏源声音经过空气传播至麦克风阵列3八个
边缘传感器耗费的时长，x2+y2+z2为泄漏源与麦克风阵列3的距离；
[0067]
步骤44：所述工控机发出通知井下人员关闭注氮系统的声光报警信号。
[0068]
步骤5：井下人员依据通知信号及时关闭制氮机；从而保证了井下作业的安全。
[0069]
步骤6：工控机上传泄漏记录至数据库，泄漏记录包括井下注氮管道2发生泄漏时的泄漏时间和泄漏位置，以便工作人员进行安全指示和历史数据的查询，以尽量避免安全隐患。
[0070]
本发明一种用于井下安全注氮的闭锁方法，构建了井下注浆音频监测安全注氮的闭锁系统，运用管道氮气泄漏判定算法，在一定程度上实现了井下注氮管道泄漏的声音检测方法，且通过注氮管道泄漏源定位算法，在一定程度上解决了井下注氮管道泄漏源的定位分析，能够通过注氮管道泄漏情况控制注氮机关闭、报警并上传数据库，从而提高了井下采空区注氮系统运行、以及井下工作人员的生命性，具有较好的实用意义。