CN107165677A - 一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，属于光纤光栅监测系统布置方法。包括：(1)井下光纤光栅瓦斯浓度传感器布置系统：光纤光栅瓦斯浓度传感器布设于运输巷和回风巷巷道顶部，水平相距10～15m间隔，利用通讯光纤将光纤光栅瓦斯浓度传感器串联在一起，并通过光纤终端盒与矿用传输光缆连接；(2)地面监测站布置系统：矿用传输光缆连接光纤光栅解调仪输入端，解调仪与监控计算机相连接；(3)瓦斯抽放钻孔组布置系统：距离初采工作面后方5米相距运输巷30m布置1个瓦斯抽放钻孔组，在回风巷道中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组。优点：对巷道瓦斯连续测定、在线监测、易安装，避免了上隅角瓦斯积聚，提高了资源利用率、实现高产高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅监测系统布置方法，特别是一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法。
本发明是光纤光栅监测系统布置方法，具体是基于光纤光栅监测在高瓦斯矿井采动中以及后期瓦斯抽放中的应用的布置方法，应用于高瓦斯矿井采动中以及采空区后期瓦斯的抽放，也适合应用于废弃矿井瓦斯的利用。
背景技术
中国煤炭资源量约为5×1012t，与其共生、伴生的煤层气资源量也很大，居世界第3位，仅次于俄罗斯、加拿大，大约是美国蕴藏量的3倍。全国埋深在2000m以内的煤层气资源量为30×1012～35×1012m3，与中国天然气总资源量大致相当。我国是世界上煤炭产量最大的国家，煤田地质比较复杂，大多数煤藏为煤层渗透率较低的无烟煤煤层，给煤层气地面开发带来了很大困难。目前全国年抽采煤层气量逐年增长然而抽采率依旧很低，瓦斯灾害也是频繁发生，并且还存在大量的废弃矿井，其丼内气体环境无法探明，溢出大量的瓦斯气体，数据显示CH4比CO2高20倍的温室效应。同时后期矿井废弃中瓦斯储量也是非常可观，可见废弃矿井大量资源浪费的同时还破坏生态系统。
中国的煤层气开发起步较晚，其发展大体可分为3个阶段。第1阶段：减少煤矿矿井瓦斯灾害的井下抽放与利用阶段，主要是为减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放；第2阶段：煤层气勘探开发试验初期和煤层气井下抽放利用阶段，同时井下抽放和利用项目也逐步展开；第3阶段：煤层气勘探开采试验全面展开和井下规模抽放利用阶段，基本明确了当前条件下煤层气开采的有利地区和发展方向。
目前我国对于高瓦斯矿井采动中和后期瓦斯浓度的测定大量依靠便于携带的测瓦斯传感器。大多是人为进行测定，井下环境恶劣且通风坏境有不良地段，存在很多安全隐患。废弃矿井大多没有妥善处理，溢出大量瓦斯污染坏境。考虑到如何能在采动中合理抽放瓦斯，在废弃矿井中加以利用，并且大范围长期在线监测矿井瓦斯坏境避免瓦斯灾害。在此多方面因素下，基于光纤光栅监测在高瓦斯矿井瓦斯抽放中的应用孕育而生。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要提供一种灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、便于实现多路技术、结构简单、体积小、重量轻、测量精度高，可靠性好的用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，解决的问题。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：本发明包括光纤光栅监测系统及光纤光栅布置方法；
所述的光纤光栅监测系统包括：井下瓦斯浓度传感器布置系统、地面监测站布置系统和瓦斯抽放钻孔组；
所述的井下瓦斯浓度传感器布置系统：包括矿用传输光缆、光纤终端盒、通讯光纤和光纤光栅瓦斯浓度传感器；在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷和回风巷巷道顶部，在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置；利用通讯光纤通过光纤耦合器将每个光纤光栅瓦斯浓度传感器串联在一起，通讯光纤通过光纤终端盒与矿用传输光缆连接；
所述的地面监测站布置系统：包括矿用传输光缆、光纤光栅静态解调仪、监控计算机、网络服务端、矿山局域网和客户端；矿用传输光缆与光纤光栅静态解调仪输入端连接，光纤光栅静态解调仪的输出端与监控计算机连接，监控计算机通过网络服务端、矿山局域网与客户端进行数据共享；
所述的瓦斯抽放钻孔组每个钻孔为一组。
所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器的光路装置包括：超宽带光源SLED、光纤、气体吸收池、第一耦合器、第一光纤布拉格光栅、隔离器、第二耦合器、第二光纤布拉格光栅、光电探测器、放大电路和数据采集处理，所述的光纤布拉格光栅英文缩写为FBG，PD1和PD2均表示为光电探测器；超宽带光源SLED通过光纤、气体吸收池、第一耦合器和第一光纤布拉格光栅；放大电路和数据采集处理输出端控制光电探测器；光电探测器PD1的输出端通过第一耦合器、第一光纤布拉格光栅、隔离器、第二耦合器和第二光纤布拉格光栅；光电探测器PD2的输出端通过第二耦合器和第二光纤布拉格光栅。
一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，具体步骤如下：
a、矿用传输光缆通过光纤终端盒分为两个通道，两通道分别连接通讯光纤；
b、在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷和回风巷巷道顶部；在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置光纤光栅瓦斯浓度传感器；传感器之间利用通讯光纤通过光纤耦合器连接在一起；
c、距离初采工作面后方5米相距运输巷30m布置1个瓦斯抽放钻孔组，在回风巷道中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组；
d、安装好光纤光栅瓦斯传感器，从而监测巷道中瓦斯浓度变化，同时开始进行瓦斯抽放工作；
e、将地下光纤光栅瓦斯浓度传感器采集的光波信号通过矿用传输光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为电信号，传输至监控计算机，监控计算机通过网络服务端、煤矿局域网与客户端进行数据共享，客户端实时监测井下瓦斯环境，预防瓦斯灾害，同时进行瓦斯浓度测定，满足抽取浓度值，瓦斯抽放组利用各个相应钻孔组进行瓦斯抽放；
f、利用矿山局域网和网络服务端，全矿共享瓦斯浓度数据，瓦斯抽放组及时进行瓦斯抽放，预防瓦斯事故，形成高瓦斯矿井采动中以及后期全矿井与瓦斯抽放的合理利用实现高产高效。
所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器利用差分吸收法，气体对光强满足的吸收满足Beer-Lambert定律：
I＝I0exp(-acL)
式中I和I0分别是入射和透射光强，a是一定波长下单位浓度、单位长度介质的吸收系数；a1是工作光束下的吸收系数；a2是参考光束下的吸收系数；L是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体浓度；
当工作光束(波长λ1)和参考光束(波长λ2)同时通过待测气体时，输出光强为：
I(λ1)＝I0exp[-(a1cL)] I(λ2)＝I0exp[-(a2cL)]
则气体浓度可以表示为：
不含光源光强I0项，消除了光源波动和光纤随机弯曲所引入的误差，获得光纤光栅瓦斯浓度传感器的。
所述的监控计算机内嵌分析处理软件，能够进行输入、存储、历史查询、实时画面显示、数据处理和报表生成，瓦斯抽放组实时进行测定瓦斯浓度指标。
有益效果，由于采用了上述方案，用于高瓦斯矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，配置了光纤光栅静态解调仪、光纤终端盒等高端连接设备，测定精度高、安装方便、方法简便，光纤光栅瓦斯浓度传感器本质安全、可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响、无安全隐患存在；通过光纤进行瓦斯浓度信号的传输，信号传输距离远、安全可靠及稳定；对巷道瓦斯连续长距离实时测定、在线监测、易安装、易操作，避免上隅角瓦斯积聚和防止瓦斯灾害，采动中和后期矿井与瓦斯抽放的合理利用、保护大气层、提高资源利用率、实现高产高效。灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、便于实现多路技术、结构简单、体积小、重量轻、测量精度高，可靠性好，达到了本发明的目的。
优点：为了克服现有在线监测抽放瓦斯技术中的不足，本发明是为了适应现在煤矿安全高效生产，满足高瓦斯矿井采动中以及后期对瓦斯的抽取，提供基于光纤光栅监测在高瓦斯矿井采动中以及后期瓦斯抽放中的应用网络。
附图说明：
图1是本发明的井下瓦斯浓度传感器布置系统图。
图2是本发明的地面监测站布置系统图。
图3是本发明的瓦斯抽放钻孔组布置系统图。
图4是本发明的光纤光栅瓦斯浓度传感器光路装置图。
图中，0、瓦斯抽放钻孔组；1、光纤光栅静态解调仪；2、监控计算机；3、网络服务端；4、矿山局域网；5、客户端；6、矿用传输光缆；7、光纤终端盒；80、运输巷；81、回风巷；9、通讯光纤；10、采煤工作面；11、光纤光栅瓦斯浓度传感器；12、采空区；13、光纤耦合器；SLED：超宽带光源；1101、光纤；1102：气体吸收池；1103：第一耦合器；1104：FBG1(第一光纤布拉格光栅)；1105：隔离器；1106：第二耦合器；1107：FBG2(第二光纤布拉格光栅)；PD1，PD2：光电探测器。
具体实施方式
本发明包括光纤光栅监测系统及光纤光栅布置方法；
所述的光纤光栅监测系统包括：井下瓦斯浓度传感器布置系统、地面监测站布置系统和瓦斯抽放钻孔组；
所述的井下瓦斯浓度传感器布置系统：包括矿用传输光缆6、光纤终端盒7、通讯光纤9和光纤光栅瓦斯浓度传感器11；在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器11，安装于运输巷和回风巷巷道顶部，在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置；利用通讯光纤9通过光纤耦合器13将每个光纤光栅瓦斯浓度传感器11串联在一起，通讯光纤9通过光纤终端盒7与矿用传输光缆6连接；所述的地面监测站布置系统：包括矿用传输光缆6、光纤光栅静态解调仪1、监控计算机2、网络服务端3、矿山局域网4和客户端5；矿用传输光缆6与光纤光栅静态解调仪1输入端连接，光纤光栅静态解调仪1的输出端与监控计算机2连接，监控计算机2通过网络服务端3、矿山局域网4与客户端5进行数据共享；
所述的瓦斯抽放钻孔组0每4个钻孔为一组。
所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器11的光路装置包括：超宽带光源SLED、光纤1101、气体吸收池1102、第一耦合器1103、第一光纤布拉格光栅1104、隔离器1105、第二耦合器1106、第二光纤布拉格光栅1107、光电探测器、放大电路和数据采集处理，所述的光纤布拉格光栅英文缩写为FBG，PD1和PD2均表示为光电探测器；超宽带光源SLED通过光纤1101、气体吸收池1102、第一耦合器11103和第一光纤布拉格光栅1104；放大电路和数据采集处理输出端控制光电探测器；光电探测器PD1的输出端通过第一耦合器1103、第一光纤布拉格光栅1104、隔离器1105、第二耦合器1106和第二光纤布拉格光栅1107；光电探测器PD2的输出端通过第二耦合器1106和第二光纤布拉格光栅1107。
一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，具体步骤如下：
a、矿用传输光缆通过光纤终端盒分为两个通道，两通道分别连接通讯光纤；
b、在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷和回风巷巷道顶部；在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置光纤光栅瓦斯浓度传感器；传感器之间利用通讯光纤通过光纤耦合器连接在一起；
c、距离初采工作面后方5米相距运输巷30m布置1个瓦斯抽放钻孔组，在回风巷道中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组；
d、安装好光纤光栅瓦斯传感器，从而监测巷道中瓦斯浓度变化，同时开始进行瓦斯抽放工作；
e、将地下光纤光栅瓦斯浓度传感器采集的光波信号通过矿用传输光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为电信号，传输至监控计算机，监控计算机通过网络服务端、煤矿局域网与客户端进行数据共享，客户端实时监测井下瓦斯环境，预防瓦斯灾害，同时进行瓦斯浓度测定，满足抽取浓度值，瓦斯抽放组利用各个相应钻孔组进行瓦斯抽放；
f、利用矿山局域网和网络服务端，全矿共享瓦斯浓度数据，瓦斯抽放组及时进行瓦斯抽放，预防瓦斯事故，形成高瓦斯矿井采动中以及后期全矿井与瓦斯抽放的合理利用实现高产高效。
所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器利用差分吸收法，气体对光强满足的吸收满足Beer-Lambert定律：
I＝I0exp(-acL)
式中I和I0分别是入射和透射光强，a是一定波长下单位浓度、单位长度介质的吸收系数；a1是工作光束下的吸收系数；a2是参考光束下的吸收系数；L是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体浓度；
当工作光束(波长λ1)和参考光束(波长λ2)同时通过待测气体时，输出光强为：
I(λ1)＝I0exp[-(a1cL)] I(λ2)＝I0exp[-(a2cL)]
则气体浓度可以表示为：
不含光源光强I0项，消除了光源波动和光纤随机弯曲所引入的误差，获得光纤光栅瓦斯浓度传感器的。
所述的监控计算机内嵌分析处理软件，能够进行输入、存储、历史查询、实时画面显示、数据处理和报表生成，瓦斯抽放组实时进行测定瓦斯浓度指标。
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
实施例1：一种用于高瓦斯矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，在运输巷80和回风巷81掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器11，安装于巷道顶部，巷道每一侧水平相距10～15m间隔布置光纤光栅瓦斯浓度传感器11。通过通讯光纤9将每个光纤光栅瓦斯浓度传感器11串联在一起，通讯光纤9通过光纤终端盒7与矿用传输光缆6连接；矿用光缆6与光纤光栅静态解调仪1输入端连接，解调仪1的输出端与监控计算机2连接，监控计算机2通过网络服务器3、矿山局域网4与客户端5进行数据共享；距离采空区12前方70米布置1个瓦斯抽放钻孔组0，在回风巷81中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组0，通过客户端5进行瓦斯浓度测定，满足抽取浓度值，瓦斯抽放组及时通过相应瓦斯抽放钻孔组0进行瓦斯抽放。
其中光纤光栅瓦斯浓度传感器系统工作原理为：宽带光源SLED发出的宽带光信号首先进入气体吸收池1103，由于气体吸收，出射光谱中对应于气体吸收峰处有一凹陷，从吸收池1102出来的光信号进入第一耦合器1103，分出俩路光，一路进入FBG1 1104，该反射峰λ1对准气体的吸收峰反射回来的信号再经过第一耦合器1103进入PD1，另一路经第二耦合器1106进入FBG2 1107，该反射峰λ2与气体的吸收峰偏离一个小量，这一路光作为参考信号经FBG2 1107反射在此经过第二耦合器1106，进入PD2，俩个光电探测器输出的光信号输入处理电路进行差分运算，就可以反演出气体浓度。
一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法：
a、矿用传输光缆通过光纤终端盒分为两个通道，两通道分别连接通讯光纤；
b、在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷与回风巷巷道顶部。在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置光纤光栅瓦斯浓度传感器。传感器之间利用通讯光纤通过光纤耦合器连接在一起；
c、距离初采工作面后方5米相距运输巷30m布置1个瓦斯抽放钻孔组，在回风巷道中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组；
d、安装好光纤光栅瓦斯浓度传感器，开始监测巷道中瓦斯浓度变化，同时开始准备瓦斯抽放工作；
e、将地下光纤光栅瓦斯浓度传感器采集的光波信号通过矿用传输光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为电信号，传输至监控计算机，监控计算机通过网络服务端、煤矿局域网与客户端进行数据共享，客户端实时监测井下瓦斯环境，预防瓦斯灾害，同时进行瓦斯浓度测定，满足抽取浓度值，利用各个相应瓦斯抽放钻孔组进行瓦斯抽放；
f、利用矿山局域网和网络服务端，全矿共享瓦斯浓度数据，瓦斯抽放组及时进行瓦斯抽放，预防瓦斯事故，形成高瓦斯矿井采动中以及后期全矿井与瓦斯抽放的合理利用实现高产高效。
通过以上的具体实施，本发明为一种用于高瓦斯矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统布置方法，通过三部分的合理布置。在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，在地面进行监测系统布置，同时在初采工作面以及回风巷中瓦斯抽放钻孔组的布置。在避免瓦斯灾害出现的同时，长距离、大范围的对瓦斯进行测定，瓦斯抽放组利用相关相应钻孔组进行瓦斯的抽取。在煤矿采动中和后期都能加大对瓦斯的利用，在提高经济效益的同时，避免瓦斯灾害和保护生态系统。通过光纤进行瓦斯浓度信号的传输，信号传输距离远、安全可靠及稳定。对巷道瓦斯连续长距离实时测定、在线监测、易安装、易操作，避免上隅角瓦斯积聚和防止瓦斯灾害，采动中和后期矿井与瓦斯抽放的合理利用、保护大气层、提高资源利用率、实现高产高效。
Claims (5)
1.一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统，其特征是：所述的光纤光栅监测系统包括：井下瓦斯浓度传感器布置系统、地面监测站布置系统和瓦斯抽放钻孔组；
所述的井下瓦斯浓度传感器布置系统：包括矿用传输光缆、光纤终端盒、通讯光纤和光纤光栅瓦斯浓度传感器；在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷和回风巷巷道顶部，在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置；利用通讯光纤通过光纤耦合器将每个光纤光栅瓦斯浓度传感器串联在一起，通讯光纤通过光纤终端盒与矿用传输光缆连接；
所述的地面监测站布置系统：包括矿用传输光缆、光纤光栅静态解调仪、监控计算机、网络服务端、矿山局域网和客户端；矿用传输光缆与光纤光栅静态解调仪输入端连接，光纤光栅静态解调仪的输出端与监控计算机连接，监控计算机通过网络服务端、矿山局域网与客户端进行数据共享；
所述的瓦斯抽放钻孔组每个钻孔为一组。
2.根据权利要求1所述的一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统，其特征是：所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器的光路装置包括：超宽带光源SLED、光纤、气体吸收池、第一耦合器、第一光纤布拉格光栅、隔离器、第二耦合器、第二光纤布拉格光栅、光电探测器、放大电路和数据采集处理，所述的光纤布拉格光栅英文缩写为FBG，PD1和PD2均表示为光电探测器；超宽带光源SLED通过光纤、气体吸收池、第一耦合器和第一光纤布拉格光栅；放大电路和数据采集处理输出端控制光电探测器；光电探测器PD1的输出端通过第一耦合器、第一光纤布拉格光栅、隔离器、第二耦合器和第二光纤布拉格光栅；光电探测器PD2的输出端通过第二耦合器和第二光纤布拉格光栅。
3.权利要求1所述的一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统的布置方法，其特征是：具体步骤如下：
a、矿用传输光缆通过光纤终端盒分为两个通道，两通道分别连接通讯光纤；
b、在运输巷和回风巷掘进期间同时布设光纤光栅瓦斯浓度传感器，安装于运输巷和回风巷巷道顶部；在巷道顶部水平相距10～15m间隔布置光纤光栅瓦斯浓度传感器；传感器之间利用通讯光纤通过光纤耦合器连接在一起；
c、距离初采工作面后方5米相距运输巷30m布置1个瓦斯抽放钻孔组，在回风巷道中水平相距200m间隔布置瓦斯抽放钻孔组；
d、安装好光纤光栅瓦斯传感器，从而监测巷道中瓦斯浓度变化，同时开始进行瓦斯抽放工作；
e、将地下光纤光栅瓦斯浓度传感器采集的光波信号通过矿用传输光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为电信号，传输至监控计算机，监控计算机通过网络服务端、煤矿局域网与客户端进行数据共享，客户端实时监测井下瓦斯环境，预防瓦斯灾害，同时进行瓦斯浓度测定，满足抽取浓度值，瓦斯抽放组利用各个相应钻孔组进行瓦斯抽放；
f、利用矿山局域网和网络服务端，全矿共享瓦斯浓度数据，瓦斯抽放组及时进行瓦斯抽放，预防瓦斯事故，形成高瓦斯矿井采动中以及后期全矿井与瓦斯抽放的合理利用实现高产高效。
4.根据权利要求3所述的一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统的布置方法，其特征是：所述的光纤光栅瓦斯浓度传感器利用差分吸收法，气体对光强满足的吸收满足Beer-Lambert定律：
I＝I0exp(-acL)
式中I和I0分别是入射和透射光强，a是一定波长下单位浓度、单位长度介质的吸收系数；L是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体浓度；
当工作光束(波长λ1)和参考光束(波长λ2)同时通过待测气体时，输出光强为：
I(λ1)＝I0exp[-(a1cL)] I(λ2)＝I0exp[-(a2cL)]
则气体浓度可以表示为：
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不含光源光强I0项，消除了光源波动和光纤随机弯曲所引入的误差，获得光纤光栅瓦斯浓度传感器的。
5.根据权利要求3所述的一种用于矿井瓦斯抽放的光纤光栅监测系统的布置方法，其特征是：所述的监控计算机内嵌分析处理软件，能够进行输入、存储、历史查询、实时画面显示、数据处理和报表生成，瓦斯抽放组实时进行测定瓦斯浓度指标。
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