CN106246165A - 一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，包括钻钻机、瓦斯管、止浆带、集气管、注浆管、瓦斯压力表、压力传感器和远程监控终端，所述钻机钻开从岩壁深入煤层的钻孔，形成岩壁钻孔和煤钻孔，所述岩壁钻孔包括外岩钻孔和内岩钻孔，所述外岩钻孔内套装有孔口管，所述外岩钻孔与所述孔口管之间形成的环形夹层内为注浆体一；所述孔口管与所述内岩钻孔中为注浆体二；所述注浆体二的中心套装有深入煤层的瓦斯管，所述瓦斯管内端设置有止浆带，所述瓦斯管的内侧壁设置有集气管。本发明采用多种钻孔和多层注浆体，封孔严密，达到了彻底封堵岩石周边裂隙，增强封孔质量，隔绝孔内瓦斯的作用。适用性强，不论地质条件多么复杂均可采用。

Description

一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构

技术领域

本发明属于煤层的瓦斯压力检测技术领域，尤其涉及一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构。

背景技术

煤层瓦斯压力是评价一块煤层是否具有突出危险性的一个重要指标，但煤层瓦斯压力受不同的测定方法以及不同的地质条件影响，真实的煤层瓦斯压力很难得到有效的测定。利用穿层钻孔测定煤层瓦斯压力时，若岩层裂隙发育或封孔工艺落后，在实际测定中很容易导致钻孔内瓦斯大量溢出，这是造成压力显现失真的主要原因。

煤层瓦斯压力测定根据封孔方式的不同可分为主动测压法和被动测压法，主动测压法主要是将乳化液打入仪器的测压胶囊使其膨胀，从而达到封堵钻孔的目的，通过一段时间(一般为5d～15d)观察，利用孔口安装的压力表可以读出煤层瓦斯压力的具体数值，但该种方法只适应无复杂地质构造且岩石致密的地点，对于裂隙发育的岩层并不适用。被动测压法常用有两种，分别为：a、采用合成树脂封孔，即利用钻机施工一等直径的测压钻孔，在钻孔内插入测压管，利用合成树脂充填测压钻孔，但因膨胀后的合成树脂内部孔隙大，不能起到密闭高压瓦斯气体的作用，因此不易推广应用。b、采用合成树脂配合注浆封孔，即利用钻机施工一等直径的钻孔，在钻孔内插入测压管，利用膨胀后的合成树脂封堵钻孔岩石段两端，使钻孔中部形成一个密闭腔，然后采用注浆的方式将该密闭腔填满，通过一段时间观察，利用孔口安装的压力表可读出煤层瓦斯压力的具体数值。该种方法虽然能起到一定的效果，但钻孔承压效果差，不利于高压注浆，受钻孔内煤、岩粉等杂物影响，容易造成凝固后的浆体与钻孔孔壁之间产生离合面，再加上岩壁裂隙的影响，高压瓦斯依然有从钻孔内溢出现象，因此该种方法也不适合在裂隙岩层中测定。

现有的压力传感器(下面称压力传感器)测试水压力的公式为压力值P＝(Vout-5)/2MP，其中Vout为压力传感器采集电压，单位为伏特(V)，压力值P单位为兆帕(MP)；如果用此压力传感器测试后，计算水压力差的公式为压力差值ΔP＝(Vout2-Vout1)/2MP，Vout1、Vout2分别为壳管两端的压力传感器的采集电压，单位为伏特(V)，压力差值ΔP单位为兆帕(MP)。压力传感器测壳管的压力时，单纯从压力方面看，压力传感器测MP级的压力(如10MP级)，则误差最大在10KP时还是可以接受，但是计算压力差时，工程上这个压力差在很小范围内变化即压力差值一般比较小(如80KP左右)，那么误差10KP～20KP的误差就显得很大，不能接受了。

而在实际应用中，压力传感器测试板的供电受开关电源纹波的影响，一般在200毫伏(mV)左右，这个值代换到压差值时为10KP，极端情况时，这个值可以到达20KP，这就大大超出了我们的预期。并且，主板电源供电存在的电源纹波干扰，使得采样电压结果在实际值周围波动，按通道分别使用AD采集芯片采集得到的压力模拟量并非同步，由于综合电源纹波与采集时序不同，得到的压力模拟量就不是确定值，计算压力差时两个压力时序不同步，压力差也不是稳定值，最终计算出的结果就会不停跳动。

因此，由于采集传输线上耦合的纹波不稳定这两个因素，会导致采集到的结果不稳定、误差大，压力测试精度太低，最终计算出来的结果会不停地跳动。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，旨在解决现有的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构瓦斯溢出、测量信息不准确等的问题。

一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，该煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构包括钻机、瓦斯管、止浆带、集气管、注浆管、瓦斯压力表、压力传感器系统和远程监控终端，所述钻机钻开从岩壁深入煤层的钻孔，形成岩壁钻孔和煤钻孔，所述岩壁钻孔包括外岩钻孔和内岩钻孔，所述外岩钻孔内套装有孔口管，所述外岩钻孔与所述孔口管之间形成的环形夹层内为注浆体一；所述孔口管与所述内岩钻孔中为注浆体二；所述注浆体二的中心套装有深入煤层的瓦斯管，所述瓦斯管内端设置有止浆带，所述瓦斯管的内侧壁设置有集气管，所述注浆管设置在所述瓦斯管下部，所述瓦斯管外端设置有瓦斯压力表，所述压力传感器系统设置在所述瓦斯压力表上，所述压力传感器系统无线远程连接所述远程监控终端。

进一步，所述的远程监控终端包括监控主机、显示器、存储器和电源装置，所述显示器、存储器和电源装置均通过导线连接监控主机。

进一步，所述的电源装置包括电源连接装置、蓄电装置和继电保护装置。

进一步，所述的电源连接装置包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路。

进一步，所述的蓄电装置包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路。

进一步，所述的外岩钻孔的直径为d1深度为a，所述的内岩钻孔的直径为d2深度为b，所述的孔口管的直径为d3，其中d1＞d2，d1＞d3，d3≥d2，a＜b。

进一步，所述的内岩钻孔的两端还设置有合成树脂块，所述瓦斯管位于合成树脂块中心。

进一步，所述的合成树脂块之间的间隙中有注浆体三。

进一步，所述的合成树脂块之间安装有导气管，用于连通两合成树脂块。

进一步，所述的集气管有多个集气孔形成。

所述监控主机包括信号接收模块和中央处理器，所述信号接收模块通过导线连接中央处理器，所述压力传感器系统包括压力信号采集器装置、AD转换器和压力信号发射器，所述压力信号采集器装置通过信号线连接AD转换器；AD转换器通过信号线连接压力信号发射器；

所述压力信号采集器装置包括压力传感器、信号放大器、纹波器、滤波器；

所述纹波器，用于利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

滤波器，用于对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

所述纹波器，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

纹波器还包括：在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

纹波器还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号。

滤波器包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

压力信号采集器压力信号采集方法包括：

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

对所述压差值进行滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

获取信号，通过压力传感器采集数据并对信号进行放大处理；

信号进行分段处理；即从每段信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似泄漏的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行下一步骤，否者，跳到执行获取信号步骤；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示信号特征的参数；

组成特征向量，即利用主成分分析方法，结合实验分析，从上述参数中选择3到8个能明显表示声发射信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有泄漏发生；

所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}x(a-1)=3x\left(a\right)-3x(a+1)+x(a+2)\\ x(a+3)=3x(a+2)-3x(a+1)+x\left(a\right)\end{array}\right.---\left(1\right);$

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},0\≤k\≤\frac{N_j}{4};\frac{3N_j}{4}\≤k\≤N_j\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},\frac{N_j}{4}\≤k\≤\frac{3N_j}{4}\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(3\right)$

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1；

单子带信号重构：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g₁和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号；

对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果，包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

信号接收模块信号接收方法为：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；然后，对量化后的信号x(i)进行降维；最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波器的差分方程i＝1,…,M，其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测i＝1,…,M，其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下l₁最优化问题来重构原信号：

$\underset{x}{min}\left|\right|x|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如语音或图像信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下l₁最优化问题，精确重构出原信号：

$\underset{\mathrm{\α}}{min}\left|\right|\mathrm{\α}|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α};$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。

技术效果

本发明的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构采用多种钻孔和多层注浆体，确保封孔严密，达到了彻底封堵岩石周边裂隙，增强封孔质量，隔绝孔内瓦斯的作用。适用性强，不论地质条件多么复杂均可采用。本发明中外岩钻孔和内岩钻孔两种不同孔径，结合孔口管的设计，可以确保凝固后的浆体与钻孔孔壁之间不会产生离合面，避免上岩壁裂隙问题，有效防止高压瓦斯从钻孔内溢出现象，尤其适合在裂隙岩层中测定。本发明设置有压力传感器和远程监控终端，工作人员不在现场也可以观察煤层的瓦斯压力状况，方便快捷，减轻了危险操作。

本发明通过使用TI的TM4C123GE6PZ芯片内部特有的差分采样功能，对压差信号计算时的共模纹波信号(共模纹波作为谐波中的一种，是共模干扰耦合到电路上产生的纹波)进行滤除，并通过数字滤波算法(例如：可以以程序编写的方式嵌入在MCU芯片或主控芯片如TM4C123GE6PZ芯片内)对压力传感器采集到的产生的纹波(压力传感器没有自身纹波，压力传感器最终测量得到的压力差值是由共模纹波信号、煤层采动及瓦斯波动产生的纹波、采集信号的耦合纹波、以及电源纹波共同作用产生的)进行滤除(例如：可以通过差分电路对压力传感器采集得到的信号如压力差值进行过滤处理)，提升了压力信号采集精度如压力差误差控制在0～2KP，提高了压差计算的准确度，进而以低成本、简便的方式改进了压差的测试。

本发明的信号采集器方法，增强了对信号收集的范围的扩大和接受信号的快捷性及准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的远程监控终端的结构示意图。

图中：1、钻机；2、瓦斯管；3、止浆带；4、集气管；4-1、集气孔；5、注浆管；6、瓦斯压力表；7、压力传感器系统；8、远程监控终端；8-1、监控主机；8-2、显示器；8-3、存储器；8-4、电源装置；8-4-1、电源连接装置；8-4-2、蓄电装置；8-4-3、继电保护装置；9、岩壁钻孔；9-1、外岩钻孔；9-2、内岩钻孔；9-3、孔口管；10、煤钻孔；11、合成树脂块；12、导气管。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

请参阅附图1：

本发明提供一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，该煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构包括钻机1、瓦斯管2、止浆带3、集气管4、注浆管5、瓦斯压力表6、压力传感器系统7和远程监控终端8，所述钻机1钻开从岩壁深入煤层的钻孔，形成岩壁钻孔9和煤钻孔10，所述岩壁钻孔9包括外岩钻孔9-1和内岩钻孔9-2，所述外岩钻孔9-1内套装有孔口管9-3，所述外岩钻孔9-1与所述孔口管孔口管9-3之间形成的环形夹层内为注浆体一；所述孔口管9-3与所述内岩钻孔9-2中为注浆体二；所述注浆体二的中心套装有深入煤层的瓦斯管2，所述瓦斯管2内端设置有止浆带3，所述瓦斯管2的内侧壁设置有集气管4，所述注浆管5设置在所述瓦斯管2下部，所述瓦斯管2外端设置有瓦斯压力表6，所述压力传感器系统7设置在所述瓦斯压力表6上，所述压力传感器系统7无线远程连接所述远程监控终端8。

进一步，所述的远程监控终端8包括监控主机8-1、显示器8-2、存储器8-3和电源装置8-4。所述显示器、存储器和电源装置均通过导线连接监控主机。

进一步，所述的电源装置8-4包括电源连接装置8-4-1、蓄电装置8-4-2和继电保护装置8-4-3。

进一步，所述的电源连接装置8-4-1包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路。

进一步，所述的蓄电装置8-4-2包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路。

进一步，所述的外岩钻孔9-1的直径为d1深度为a，所述的内岩钻孔9-2的直径为d2深度为b，所述的孔口管9-3的直径为d3，其中d1＞d2，d1＞d3，d3≥d2，a＜b。

进一步，所述的内岩钻孔9-2的两端还设置有合成树脂块11，所述瓦斯管2位于合成树脂块11中心。

进一步，所述的合成树脂块11之间的间隙中有注浆体三。

进一步，所述的合成树脂块11之间安装有导气管12，用于连通两合成树脂块11。

进一步，所述的集气管4有多个集气孔4-1形成。

所述监控主机包括信号接收模块和中央处理器，所述信号接收模块通过导线连接中央处理器，所述压力传感器系统包括压力信号采集器装置、AD转换器和压力信号发射器，所述压力信号采集器装置通过信号线连接AD转换器；AD转换器通过信号线连接压力信号发射器；

所述压力信号采集器装置包括压力传感器、信号放大器、纹波器、滤波器；

所述纹波器，用于利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

滤波器，用于对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

所述纹波器，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

纹波器还包括：在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

纹波器还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号。

滤波器包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

压力信号采集器压力信号采集方法包括：

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

对所述压差值进行滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

获取信号，通过压力传感器采集数据并对信号进行放大处理；

信号进行分段处理；即从每段信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似泄漏的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行下一步骤，否者，跳到执行获取信号步骤；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示信号特征的参数；

组成特征向量，即利用主成分分析方法，结合实验分析，从上述参数中选择3到8个能明显表示声发射信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有泄漏发生；

所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}x(a-1)=3x\left(a\right)-3x(a+1)+x(a+2)\\ x(a+3)=3x(a+2)-3x(a+1)+x\left(a\right)\end{array}\right.---\left(1\right);$

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},0\≤k\≤\frac{N_j}{4};\frac{3N_j}{4}\≤k\≤N_j\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},\frac{N_j}{4}\≤k\≤\frac{3N_j}{4}\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(3\right)$

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1；

单子带信号重构：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g₁和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号；

对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果，包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

差分电路的应用可以很简单，如在测试体两端上下端各安装一个压力传感器，只需要两个传感器的电线直接接到上述采集电路上，就可以得到压力差的值(这个值是通过两个传感器采集到的压力值的电压信号在芯片内部通过程序做计算得到的)。

例如：精度可以控制到0～3kp以内，在没有使用本发明的方案时检测到的压力差误差在-100kp到100kp以内。

直接使用TM4C123GE6PZ芯片的ADC采集内置差分模块即芯片内部差分模拟量采集端口进行做差操作。这样的优点是：1、TM4C123GE6PZ芯片进行逻辑处理时，简单通过TM4C123GE6PZ芯片内置差分电路就实现做差操作，相当于做差操作只是该芯片的一个附带功能，节省了大量外围硬件资源，无需再设计外部减法电路；2、使用该芯片内置差分电路做差同时还能滤除共模信号的干扰，即利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号。

芯片TM4C123GE6PZ内置AD差分模拟转换器及外围接口电路(模拟量输入端A、模拟量输入端B)进行信号采集。

其中，共模信号是纹波信号中的一种，纹波可以有共模信号和差模信号。在上述滤除时优选对电源共模信号的纹波进行处理。

信号接收模块信号接收方法为：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；然后，对量化后的信号x(i)进行降维；最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波

器的差分方程i＝1,…,M，其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，

设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测i＝1,…,M，其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下l₁最优化问题来重构原信号：

$\underset{x}{min}\left|\right|x|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如语音或图像信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下l₁最优化问题，精确重构出原信号：

$\underset{\mathrm{\α}}{min}\left|\right|\mathrm{\α}|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α};$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。

本发明实现裂隙岩层中煤层瓦斯压力测定结构的方法如下：

(1)穿层测压钻孔开孔采用直径为133mm的钻头钻进6m；

(2)在钻孔中插入6m长直径为108mm的孔口管9-3，封堵孔口管9-3周边后使用水泥浆注满孔口管9-3外侧空隙固管；

(3)凝固48h后向孔口管9-3内注水进行耐压试验，试验压力不小于6MPa，稳定10min不漏水为合格，否则重新注浆；

(4)固管合格后采用直径为89mm的钻头沿孔口管9-3扫孔钻进至煤层底板(下行孔钻进至煤层顶板)泥岩处停止施工(岩孔长度不小于15m)，然后对该钻孔进行二次注浆，二次注浆压力不小于4MPa，稳定10min无异常后停止，凝固48h；

(5)再次沿孔口管9-3扫孔钻进，钻孔见煤后(可利用直径为73mm的取芯钻杆取煤样)继续向煤层1钻进直至穿过煤层1形成煤钻孔10，煤钻孔10底部距离煤层顶板(或底板)0.5m，钻孔施工结束；

(6)向钻孔内插入略短于钻孔深度首端安装有集气管4的瓦斯管2，利用膨胀后的合成树脂11配合止浆带3封堵钻孔岩石段的两端，使钻孔中间部分形成一个密闭腔；还安装有连通于所述封闭腔中的导气管12；

(7)向密闭腔内注浆，注浆时压力控制在2～3MPa，注浆结束后观察30min，若无异常则说明注浆成功，在瓦斯管2上安装瓦斯压力表6，观察20～30d，并做好记录。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，该煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构包括钻机、瓦斯管、止浆带、集气管、注浆管、瓦斯压力表、压力传感器系统和远程监控终端；

所述钻机钻开从岩壁深入煤层的钻孔，形成岩壁钻孔和煤钻孔，所述岩壁钻孔包括外岩钻孔和内岩钻孔；所述外岩钻孔内套装有孔口管，所述外岩钻孔与所述孔口管之间形成的环形夹层内为注浆体一；所述孔口管与所述内岩钻孔中为注浆体二；所述注浆体二的中心套装有深入煤层的瓦斯管，所述瓦斯管内端设置有止浆带，所述瓦斯管的内侧壁设置有集气管，所述注浆管设置在所述瓦斯管下部，所述瓦斯管外端设置有瓦斯压力表，所述压力传感器系统设置在所述瓦斯压力表上，所述压力传感器系统无线连接所述远程监控终端。

2.如权利要求1所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的远程监控终端包括监控主机、显示器、存储器和电源装置，所述显示器、存储器和电源装置均通过导线连接监控主机。

3.如权利要求2所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的电源装置包括电源连接装置、蓄电装置和继电保护装置。

4.如权利要求3所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的电源连接装置包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路。

5.如权利要求3所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的蓄电装置包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路。

6.如权利要求1所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的外岩钻孔的直径为d1，深度为a，所述的内岩钻孔的直径为d2，深度为b，所述的孔口管的直径为d3，其中d1＞d2，d1＞d3，d3≥d2，a＜b。

7.如权利要求1所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述的内岩钻孔的两端还设置有合成树脂块，所述瓦斯管位于合成树脂块中心；

所述的合成树脂块之间的间隙中有注浆体三；

所述的合成树脂块之间安装有导气管，用于连通两合成树脂块，所述的集气管有多个集气孔形成。

8.如权利要求2所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，所述监控主机包括信号接收模块和中央处理器，所述信号接收模块通过导线连接中央处理器，所述压力传感器系统包括压力信号采集器装置、AD转换器和压力信号发射器，所述压力信号采集器装置通过信号线连接AD转换器；AD转换器通过信号线连接压力信号发射器；

所述压力信号采集器装置包括压力传感器、信号放大器、纹波器、滤波器；

所述纹波器，用于利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

滤波器，用于对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

所述纹波器，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

纹波器还包括：在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

纹波器还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号；

滤波器包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

9.如权利要求8所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，压力信号采集器压力信号采集方法包括：

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值；

对所述压差值进行滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果；

获取信号，通过压力传感器采集数据并对信号进行放大处理；

信号进行分段处理；即从每段信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似泄漏的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行下一步骤，否者，跳到执行获取信号步骤；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示信号特征的参数；

组成特征向量，即利用主成分分析方法，结合实验分析，从上述参数中选择3到8个能明显表示声发射信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有泄漏发生；

所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}x(a-1)=3x\left(a\right)-3x(a+1)+x(a+2)\\ x(a+3)=3x(a+2)-3x(a+1)+x\left(a\right)\end{array}\right.---\left(1\right);$

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},0\≤k\≤\frac{N_j}{4};\frac{3N_j}{4}\≤k\≤N_j\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(n\right)W^{kn},\frac{N_j}{4}\≤k\≤\frac{3N_j}{4}\\ X\left(k\right)=0,\\ x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_j-1}{\Σ}}x\left(k\right)W^{-kn},\end{array}\right.---\left(3\right)$

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1；

单子带信号重构：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g1和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，包括：

处理采集信号的耦合的纹波，是去除压力采集时两个传输线上同时受到开关电源影响的纹波信号而得到经过处理后的压差值；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

在压差计算时，基于用两个压力传感器进行管路两端的压力采集时，给压力传感器的供电是等值的，采集信号的耦合纹波也就是等幅等相位的，把等幅等相位的纹波相减，以滤除掉压差信号上的纹波；

利用差分电路在计算压差时，处理采集信号的耦合的纹波后获得压差值，还包括：

所述差分电路采用TM4C芯片的内置差分模块的功能，利用该模块去除掉采集时两个传输线上同时受开关电源影响的纹波信号；

对所述压差值进行数字滤波，进一步滤除异常超范围的信号，显示经滤波后的压差值结果作为最终结果，包括：

将所述压差值通过数字滤波算法滤除异常超范围的信号，以避免计算结果的跳动，最终得到的压差值结果稳定在测试结果处，并作为最终结果显示。

10.如权利要求2所述的煤层采动裂隙场瓦斯压力测定结构，其特征在于，信号接收模块信号接收方法为：

首先，用感知设备在独立的采样周期内对目标信号x(t)进行采集，并用A/D方式对信号进行数字量化；然后，对量化后的信号x(i)进行降维；最后，对降维后的信号进行重构；其中t为采样时刻，i为量化后的信号排序；

对量化后的信号进行降维，具体是对量化后的信号通过有限脉冲响应滤波器的差分方程i＝1,…,M，其中h(0),…,h(L-1)为滤波器系数，设计基于滤波的压缩感知信号采集框架，构造如下托普利兹测量矩阵：

则观测i＝1,…,M，其中b₁,…,b_L看作滤波器系数；子矩阵Φ_FT的奇异值是格拉姆矩阵G(Φ_F,T)＝Φ′_FTΦ_FT特征值的算术根，验证G(ΦF,T)的所有特征值λi∈(1-δ_K,1+δ_K),i＝1,…,T，则Φ_F满足RIP，并通过求解如下l₁最优化问题来重构原信号：

$\underset{x}{min}\left|\right|x|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x$

即通过线性规划方法来重构原信号，亦即BP算法；

针对实际压缩信号，如语音或图像信号的采集，则修改Φ_F为如下形式：

如果信号在变换基矩阵Ψ上具有稀疏性，则通过求解如下l₁最优化问题，精确重构出原信号：

$\underset{\mathrm{\α}}{min}\left|\right|\mathrm{\α}|{|}_{1}s.t.y={\mathrm{\Φ}}_x=\mathrm{\Φ}\mathrm{\Ψ}\mathrm{\α}=\mathrm{\Ξ}\mathrm{\α};$

其中Φ与Ψ不相关，Ξ称为CS矩阵。