CN111721912B - 一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置及方法，包括传统检验检测结构（1）、数据处理与控制模块（2）、无线通信交换中心（3）、终端监测系统（4），其特征在于：传统检验检测结构（1）的测压管（1‑4）与瓦斯压力传感器（8）连接；单片机2‑2与数据处理和存储单元2‑4互连，数据处理与存储单元（2‑4）和无线接收发器（2‑3）互连，无线接收发器（2‑3）与无线通信交换中心（3）连接；数据处理与控制模块（2）与数字显示器（10）连接、与矿用本安型平板电脑（9）互连，矿用本安型平板电脑（9）与终端监测系统（4）连接；无线通信交换中心（3）的中央处理器（3‑3）与终端监测系统（4）连接。本发明测定快速准确，结构简单、适应范围广。

Description

一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置及方法
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，具体来说涉及一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置，同时还涉及该快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法。
背景技术
长期以来，瓦斯灾害一直困扰着我国煤矿，随着开采逐渐向深部发展，瓦斯灾害成灾机理更加复杂，传统技术手段更难适应地下工程复杂情况，而煤层瓦斯压力与瓦斯含量是及时应对与决策的重要基础数据。
目前煤层突出区域预测与突出危险性鉴定等工作主要通过监测煤层瓦斯压力与瓦斯含量等主要指标为依据进行开展。传统的指针压力表监测方式周期长，因而瓦斯含量测定存在严重的滞后性。在整个监测过程中还存在人为恶意破坏监测装置等现象，致使主要监测指标结果存在较大偏差，进而区域预测等工作开展变得更加复杂。由此可见，目前常规检测手段无法准确快速掌握煤层瓦斯压力与瓦斯含量监测值，更难以保证地下工程及施工人员的安全。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种测定快速准确，结构简单、适应范围广的快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量装置。
本发明的另一目的在于提供该快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置，包括传统检验检测结构、数据处理与控制模块、无线通信交换中心、终端监测系统，其中：传统检验检测结构包括测压尾管、挡板、棉纱网、测压管，挡板与测压管之间设有棉纱网，测压尾管穿过挡板、棉纱网连接测压管一端，测压管另一端与瓦斯压力传感器连接；数据处理与控制模块包括可拆卸电池、单片机、无线接收发器、数据处理与存储单元，可拆卸电池给数据处理与控制模块供电，单片机与数据处理和存储单元互连，数据处理与存储单元和无线接收发器互连，无线接收发器通过无线传输的方式与无线通信交换中心连接；数据处理与控制模块与数字显示器连接，声光报警灯布置在数字显示器的表盘上，加速度计传感器布置在数字显示器表盘的螺纹处与数据处理与存储单元连接；数据处理与控制模块与矿用本安型平板电脑通过无线传输方式进行互连，矿用本安型平板电脑与终端监测系统连接；无线通信交换中心包含矿用电源、无线基站、中央处理器，中央处理器与终端监测系统连接；终端监测系统包含电脑或手机。
上述的快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置，其中：所述瓦斯压力传感器与数字显示器通过线路连接，该线路上设有开关。
本发明的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，包括以下步骤：
(1)首先在煤层内布置钻孔，传统检验检测结构的挡板布置在钻孔口，在钻孔与传统检验检测结构之间注入水泥砂浆混合物；
(2)矿用本安型平板电脑与瓦斯压力传感器适配：矿用本安型平板电脑包含传感器设置功能、压力校准功能、读取功能、数据管理功能，瓦斯压力传感器将矿用本安型平板电脑和数据处理与控制模块中的瓦斯压力传感器进行无线连接适配，适配成功时会提示连接成功；矿用本安型平板电脑用于技术人员井下检查时携带采集数据处理与控制模块中的瓦斯压力值、瓦斯含量值、加速度值；
(3)快速获取煤层瓦斯压力和瓦斯含量测值：煤层瓦斯压力数据通过瓦斯压力传感器传输至数据处理与存储单元，同时数据处理与存储单元将煤层瓦斯压力数据传输至单片机中，单片机内置了瓦斯含量计算单元，将瓦斯含量结果存储至数据处理与控制模块中；煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据结果显示在数字显示器中，技术人员可借助矿用本安型平板电脑将存储至数据处理与控制模块中的煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据进行收集；
(4)井下连续动态监测：数据处理与控制模块与矿用本安型平板电脑通过无线方式进行数据传输，矿用本安型平板电脑与终端监测系统连接进行数据传输，中央处理器与终端监测系统连接进行数据传输，终端监测系统可接收矿用本安型平板电脑传输的数据、接收无线通信交换中心传输的数据，实现连续动态监测；
(5)异常值处理及预警：当数据出现异常时，根据瓦斯压力与瓦斯含量的数据测值进行分等级预警，声光报警灯在瓦斯压力与瓦斯含量值超出设定的阈值时进行报警，然后第一时间查看加速度计传感器数据，判断设备是否发生旋转，若加速度计传感器数据无异常排除人为等干扰出现的异常，若加速度计传感器数据有明显异常，则记录时间、地点派技术人员进行现场核实，最终反馈预警结果；
(6)监测模式转换：当无线接收发器、无线基站出现故障时，数据处理与控制模块功能失效，此时启用电路S1，瓦斯压力传感器直接与数字显示器相连，仍然可显示瓦斯压力值，声光报警灯仍可根据阈值进行报警，通过矿用本安型平板电脑收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑9内置了反演瓦斯含量的模型，瓦斯压力与瓦斯含量值借助矿用本安型平板电脑9将数据发布到终端监测系统，仍可实现监测。
上述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中所述瓦斯含量W通过单片机中瓦斯含量计算单元进行反演，通过综合考虑灰分Ad、水分Mad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型(X)、放散初速度ΔP及瓦斯压力P进行反演瓦斯含量W，计算模型如下：
Figure BDA0002563898330000031
其中，所述灰分Ad、水分Mad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型(X)、放散初速度ΔP由瓦斯参数测试试验测得，将数值提前内置在单片机中，瓦斯压力传感器将数值传输到数据处理与控制模块中，反演出瓦斯含量。
上述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中步骤(2)所述数据处理与控制模块中单片机的型号为C52或其它更高端产品。
上述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中步骤(5)所述声光报警灯报警门槛阈值设置依据需求来设定，可分为消突作业模式、安全模式、自定义模式，所述消突作业模式门槛阈值为瓦斯压力P临＝0.74MPa、瓦斯含量W临＝8m3/t，所述安全模式取50％P临和50％W临，所述自定义模式阈值可以根据矿山实际情况进行设定，因为存在低压力高瓦斯含量和高压力低瓦斯含量的现象，故自定义模式更为灵活。
上述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中：当数据处理与控制模块发生故障时，可通过开关启用此连接，此时仍可获取瓦斯压力值，通过矿用本安型平板电脑收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑内置了反演瓦斯含量的模型，通过矿用本安型平板电脑将数据发布到终端监测系统。
本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明通过综合考虑灰分Ad、水分Mad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型(X)、放散初速度ΔP及瓦斯压力P进行反演瓦斯含量W，将计算模型内置在单片机中，计算效率极高且结果相对可靠；根据现阶段很多煤矿未布设井下基站等环网设备，本发明利用传统检测手段并实现灵活监测，节约了材料成本的同时更适合不同场所进行方便测定；通过对螺纹处内置加速度传感器可记录自身的旋转动作及方向，可以为有人恶意对监测装置进行放压操作保留证据，为异常值判断增加了新的方法。本发明中声光报警灯的门槛阈值设置实行三种作业模式，其中自定义模式更为低压力高瓦斯含量或低含量瓦斯高压力矿井提供灵活选择，因矿制宜；本发明通过传统检验检测结构、数据处理与控制模块、无线通信交换中心、终端监测系统四部分联合可实现连续动态监测，而且一旦基站或者其他网络发生瘫痪时，仍可进行独立工作，仍可快速测定瓦斯压力与瓦斯含量。本发明可适用于各类煤矿(大、中、小型煤矿)。
附图说明
图1本发明装置的结构示意图。
图中标记：
1、传统检验检测结构，1-1、测压尾管，1-2、挡板，1-3、棉纱网，1-4、测压管，2、数据处理与控制模块，2-1、可拆卸电池，2-2、单片机，2-2-1、瓦斯含量计算单元，2-3、无线接收发器，2-4、数据处理与存储单元，3、无线通信交换中心，3-1、矿用电源，3-2、无线基站，3-3、中央处理器，4、终端监测系统，4-1、电脑，4-2、手机，5、煤层，6、钻孔，7、水砂浆混合物或其它有效钻孔封堵材料，8、瓦斯压力传感器，9、矿用本安型平板电脑，10、数字显示器，10-1、声光报警灯，10-2、加速度计传感器，11、开关。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置及方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
参见图1，本发明的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置，包括传统检验检测结构1、数据处理与控制模块2、无线通信交换中心3、终端监测系统4，其中：传统检验检测结构1包括测压尾管1-1、挡板1-2、棉纱网1-3、测压管1-4，挡板1-2与测压管1-4之间设有棉纱网1-3，测压尾管1-4穿过挡板1-2、棉纱网1-3连接测压管1-4一端，测压管1-4另一端与瓦斯压力传感器8连接；数据处理与控制模块2包括可拆卸电池2-1、单片机2-2、无线接收发器2-3、数据处理与存储单元2-4，可拆卸电池2-1给数据处理与控制模块2供电，单片机2-2与数据处理和存储单元2-4互连，数据处理与存储单元2-4和无线接收发器2-3互连，无线接收发器2-3通过无线传输的方式与无线通信交换中心3连接；数据处理与控制模块2与数字显示器10连接，声光报警灯10-1布置在数字显示器10的表盘上，加速度计传感器10-2布置在数字显示器10表盘的螺纹处与数据处理与存储单元2-4连接；数据处理与控制模块2与矿用本安型平板电脑9通过无线传输方式进行互连，矿用本安型平板电脑9与终端监测系统4连接；无线通信交换中心3包含矿用电源3-1、无线基站3-2、中央处理器3-3，中央处理器3-3与终端监测系统4连接；终端监测系统4包含电脑4-1和手机4-2。
所述瓦斯压力传感器8与数字显示器10通过线路连接，该线路上设有开关11。
本发明的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，包括以下步骤：
(1)首先在煤层5内布置钻孔6，传统检验检测结构1的挡板1-2布置在钻孔6口，在钻孔6与传统检验检测结构1之间注入水泥砂浆混合物或其它有效钻孔封堵材料7；
(2)矿用本安型平板电脑9与瓦斯压力传感器8适配：矿用本安型平板电脑9包含传感器设置功能、压力校准功能、读取功能、数据管理功能，瓦斯压力传感器8有自己内置的编码如WSYJ-P-01，将矿用本安型平板电脑9和数据处理与控制模块2中的瓦斯压力传感器8进行无线连接适配，适配成功时会提示连接成功；矿用本安型平板电脑9用于技术人员井下检查时携带采集数据处理与控制模块2中的瓦斯压力值、瓦斯含量值、加速度值；
(3)快速获取煤层瓦斯压力和瓦斯含量测值：煤层瓦斯压力数据通过瓦斯压力传感器8传输至数据处理与存储单元2-4，同时数据处理与存储单元2-4将煤层瓦斯压力数据传输至单片机2-2中，单片机2-2内置了瓦斯含量计算单元2-2-1，将瓦斯含量结果存储至数据处理与控制模块2中；煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据结果显示在数字显示器中，技术人员可借助矿用本安型平板电脑9将存储至数据处理与控制模块2中的煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据进行收集；
(4)井下连续动态监测：数据处理与控制模块2与矿用本安型平板电脑9通过无线方式进行数据传输，矿用本安型平板电脑9与终端监测系统4连接进行数据传输，中央处理器3-3与终端监测系统4连接进行数据传输，终端监测系统4可接收矿用本安型平板电脑9传输的数据、接收无线通信交换中心3传输的数据，实现连续动态监测；
(5)异常值处理及预警：当数据出现异常时，根据瓦斯压力与瓦斯含量的数据测值进行分等级预警，声光报警灯10-1在瓦斯压力与瓦斯含量值超出设定的阈值时进行报警，然后第一时间查看加速度计传感器10-2数据，判断设备是否发生旋转，若加速度计传感器10-2数据无异常排除人为等干扰出现的异常，若加速度计传感器10-2数据有明显异常，则记录时间、地点派技术人员进行现场核实，最终反馈预警结果；
(6)监测模式转换：当无线接收发器2-3、无线基站3-2出现故障时，数据处理与控制模块2功能失效，此时启用电路S1，瓦斯压力传感器8直接与数字显示器10相连，仍然可显示瓦斯压力值，声光报警灯10-1仍可根据阈值进行报警，通过矿用本安型平板电脑9收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑9内置了反演瓦斯含量的模型，瓦斯压力与瓦斯含量值借助矿用本安型平板电脑9将数据发布到终端监测系统4，仍可实现监测。
上述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中所述瓦斯含量W通过单片机2-2中瓦斯含量计算单元2-2-1进行反演，通过综合考虑灰分Ad、水分Mad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型(X)、放散初速度ΔP及瓦斯压力P进行反演瓦斯含量W，计算模型如下：
Figure BDA0002563898330000061
其中，所述灰分Ad、水分Mad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型(X)、放散初速度ΔP由瓦斯参数测试试验测得，将数值提前内置在单片机2-2中，瓦斯压力传感器8将数值传输到数据处理与控制模块2中，反演出瓦斯含量。
其中步骤(2)所述数据处理与控制模块2中单片机2-2的型号为C52或其它更高端产品。
其中步骤(5)所述声光报警灯10-1报警门槛阈值设置依据需求来设定，可分为消突作业模式、安全模式、自定义模式，所述消突作业模式门槛阈值为瓦斯压力P临＝0.74MPa、瓦斯含量W临＝8m3/t，所述安全模式取50％P临和50％W临，所述自定义模式阈值可以根据矿山实际情况进行设定，因为存在低压力高瓦斯含量和高压力低瓦斯含量的现象，故自定义模式更为灵活。
其中：当数据处理与控制模块2发生故障时，可通过开关11启用此连接，此时仍可获取瓦斯压力值，通过矿用本安型平板电脑9收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑9内置了反演瓦斯含量的模型，通过矿用本安型平板电脑9将数据发布到终端监测系统4。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，包括以下步骤：
（1）首先在煤层（5）内布置钻孔（6），传统检验检测结构（1）的挡板（1-2）布置在钻孔（6）口，在钻孔（6）与传统检验检测结构（1）之间注入水泥砂浆混合物（7）或其它有效钻孔封堵材料；
（2）矿用本安型平板电脑（9）与瓦斯压力传感器（8）适配：矿用本安型平板电脑（9）包含传感器设置功能、压力校准功能、读取功能、数据管理功能，瓦斯压力传感器（8）将矿用本安型平板电脑（9）和数据处理与控制模块（2）中的瓦斯压力传感器（8）进行无线连接适配，适配成功时会提示连接成功；矿用本安型平板电脑（9）用于技术人员井下检查时携带采集数据处理与控制模块（2）中的瓦斯压力值、瓦斯含量值、加速度值；
（3）快速获取煤层瓦斯压力和瓦斯含量测值：煤层瓦斯压力数据通过瓦斯压力传感器（8）传输至数据处理与存储单元（2-4），同时数据处理与存储单元（2-4）将煤层瓦斯压力数据传输至单片机（2-2）中，单片机（2-2）内置了瓦斯含量计算单元（2-2-1），将瓦斯含量结果存储至数据处理与控制模块（2）中；煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据结果显示在数字显示器（10）中，矿用本安型平板电脑（9）将存储至数据处理与控制模块（2）中的煤层瓦斯压力与瓦斯含量数据进行收集；
（4）井下连续动态监测：数据处理与控制模块（2）与矿用本安型平板电脑（9）通过无线方式进行数据传输，矿用本安型平板电脑（9）与终端监测系统（4）连接进行数据传输，中央处理器（3-3）与终端监测系统（4）连接进行数据传输，终端监测系统（4）可接收矿用本安型平板电脑（9）传输的数据、接收无线通信交换中心（3）传输的数据，实现连续动态监测；
（5）异常值处理及预警：当数据出现异常时，根据瓦斯压力与瓦斯含量的数据测值进行分等级预警，声光报警灯（10-1）在瓦斯压力与瓦斯含量值超出设定的阈值时进行报警，然后第一时间查看加速度计传感器（10-2）数据，判断设备是否发生旋转，若加速度计传感器（10-2）数据无异常排除人为等干扰出现的异常，若加速度计传感器（10-2）数据有明显异常，则记录时间、地点派技术人员进行现场核实，最终反馈预警结果；
（6）监测模式转换：当无线接收发器（2-3）、无线基站（3-2）出现故障时，数据处理与控制模块（2）功能失效，此时启用电路S1，瓦斯压力传感器（8）直接与数字显示器（10）相连，仍然可显示瓦斯压力值，声光报警灯（10-1）仍可根据阈值进行报警，通过矿用本安型平板电脑（9）收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑（9）内置了反演瓦斯含量的模型，瓦斯压力与瓦斯含量值借助矿用本安型平板电脑（9）将数据发布到终端监测系统（4），仍可实现监测；
所述的快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的装置，包括传统检验检测结构（1）、数据处理与控制模块（2）、无线通信交换中心（3）、终端监测系统（4），其特征在于：传统检验检测结构（1）包括测压尾管（1-1）、挡板（1-2）、棉纱网（1-3）、测压管（1-4），挡板（1-2）与测压管（1-4）之间设有棉纱网（1-3），测压尾管（1-4）穿过挡板（1-2）、棉纱网（1-3）连接测压管（1-4）一端，测压管（1-4）另一端与瓦斯压力传感器（8）连接；数据处理与控制模块（2）包括可拆卸电池（2-1）、单片机（2-2）、无线接收发器（2-3）、数据处理与存储单元（2-4），可拆卸电池（2-1）给数据处理与控制模块（2）供电，单片机2-2与数据处理与存储单元2-4互连，数据处理与存储单元（2-4）和无线接收发器（2-3）互连，无线接收发器（2-3）通过无线传输的方式与无线通信交换中心（3）连接；数据处理与控制模块（2）与数字显示器（10）连接，声光报警灯（10-1）布置在数字显示器（10）的表盘上，加速度计传感器（10-2）布置在数字显示器（10）表盘的螺纹处与数据处理与存储单元（2-4）连接；数据处理与控制模块（2）与矿用本安型平板电脑（9）通过无线传输方式进行互连，矿用本安型平板电脑（9）与终端监测系统（4）连接；无线通信交换中心（3）包含矿用电源（3-1）、无线基站（3-2）、中央处理器（3-3），中央处理器（3-3）与终端监测系统（4）连接；终端监测系统（4）包含电脑（4-1）和手机（4-2）。
2.如权利要求1所述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中：所述瓦斯压力传感器（8）与数字显示器（10）通过线路连接，该线路上设有开关（11）。
3.如权利要求1所述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中所述瓦斯含量W通过单片机（2-2）中瓦斯含量计算单元（2-2-1）进行反演，通过综合考虑灰分A d、水分M ad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型（X）、放散初速度ΔP及瓦斯压力P进行反演瓦斯含量W，计算模型如下：
Figure 502163DEST_PATH_IMAGE001
其中，所述灰分A d、水分M ad、视密度γ、孔隙率π、吸附常数a、b值、煤的破坏类型（X）、放散初速度ΔP由瓦斯参数测试试验测得，将数值提前内置在单片机（2-2）中，瓦斯压力传感器（8）将数值传输到数据处理与控制模块（2）中，反演出瓦斯含量。
4.如权利要求1所述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中步骤（2）所述数据处理与控制模块（2）中单片机（2-2）的型号为C52或其它更高端产品。
5.如权利要求1所述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中步骤（5）所述声光报警灯（10-1）报警门槛阈值设置依据需求来设定，可分为消突作业模式、安全模式、自定义模式，所述消突作业模式门槛阈值为瓦斯压力P 临=0.74MPa、瓦斯含量W 临=8m3/t，所述安全模式取50%P 临和50%W 临，所述自定义模式阈值可以根据矿山实际情况进行设定，因为存在低压力高瓦斯含量和高压力低瓦斯含量的现象，故自定义模式更为灵活。
6.如权利要求1所述的一种快速测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量的方法，其中：当数据处理与控制模块（2）发生故障时，可通过开关（11）启用此连接，此时仍可获取瓦斯压力值，通过矿用本安型平板电脑（9）收集瓦斯压力值，矿用本安型平板电脑（9）内置了反演瓦斯含量的模型，通过矿用本安型平板电脑（9）将数据发布到终端监测系统（4）。
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