CN112145229B - 煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法，该测定系统包括多参量动态获取系统、监控系统和瓦斯含量解算系统三大部分。多参量动态获取系统用于获取参数采集点的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速，并通过监控系统传输给瓦斯含量解算系统，瓦斯含量解算系统实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统驱动模块的控制。该系统对应的方法可对系统获取的多参量信息进行“点‑线‑面‑体”综合分析反演。本发明可广泛应用于煤巷掘进工作面煤层瓦斯赋存规律的观测和研究方面。

Description

煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及 方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯防治领域，具体涉及一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法。

背景技术

掌握煤层瓦斯分布和赋存规律，是实施瓦斯精准治理的关键。目前，针对煤层瓦斯含量的测定方法主要有：直接法测定瓦斯含量和间接法测定瓦斯含量，其中直接法是通过钻孔采取煤样，通过井下解吸和地面解吸最终确定瓦斯含量，间接法测定瓦斯含量是通过测定瓦斯压力反推瓦斯含量。传统瓦斯含量测定均是一种接触式的点预测方法，它主要是通过在煤壁上打钻，定点取样或者测压来进行含量测定。这种预测方法不能及时有效的连续预测预报煤层瓦斯含量，不仅在测定工作中会终止掘进工作，而且不能全面的掌握掘进前方的瓦斯赋存情况。因此，探索和研究一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统和方法尤为必要，系统通过自动监控煤巷掘进工作面瓦斯涌出量，能够自动反演出掘进期间瓦斯含量的分布和赋存规律，为实施瓦斯精准治理提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有瓦斯含量测定技术的不足，提供了一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法，利用现场实测的方法，通过布置传感器，连续采集正常掘进的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速，通过掘进工作面瓦斯含量解算模型，快速推算掘进工作面煤层瓦斯含量，并将测试结果与传统测试方法测试的瓦斯含量进行相互校验和修正，实现煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量连续快速测试，并可对观测成果进行直观的曲线、二维和三维可视化展示。

为实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：

煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，包括多参量动态获取系统、监控系统和瓦斯含量解算系统；其中，多参量动态获取系统，用于获取参数采集点的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速变化信息，以及在煤巷工作面内的行进，并通过监控系统传输给瓦斯含量解算系统，瓦斯含量解算系统实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统驱动模块的控制。

本发明进一步的改进在于，多参量动态获取系统包括驱动模块以及安装在驱动模块上的多参量信号获取模块、信号转换模块和信号传输模块；其中，驱动模块用于实现多参量动态获取系统的行进，以保证多参量动态获取系统与掘进头保持稳定距离，多参量信号获取模块包括甲烷浓度传感器、矿用风速传感器、矿用巷道断面无线测试仪和矿用激光测距传感器，甲烷浓度传感器用于实时测定煤巷掘进工作面回风的瓦斯浓度，矿用风速传感器用于实时测定煤巷掘进工作面的风流速度，矿用巷道断面无线测试仪用于实时测定巷道通风面积、周长值、宽度、高度，矿用激光测距传感器用于实时测定掘进面距瓦斯探头距离；信号转换模块实现所获取多种信号由电信号的转换，信号传输模块负责电信号的汇总、集成和输出。

本发明进一步的改进在于，驱动模块包括驱动电机、传动机构、变向机构和行走轮，驱动电机负责提供行进驱动力，传动机构负责驱动力的传递，变向机构负责行进方向的调整，行走轮负责系统在巷道内的顺利行进。

本发明进一步的改进在于，监控系统包括数据采集模块和数据输出模块，数据采集模块负责所获取电信号的收集、分类和转换成数字信号，数据输出模块负责将数字信号输出至数据处理系统。

本发明进一步的改进在于，瓦斯含量解算系统包括数据处理模块、成果展示模块和行进控制模块，数据处理模块实现多种信号的统计、分析和反演计算，成果展示模块实现数据处理结果的曲线、二维、三维可视化显示，行进控制模块负责多参量动态获取系统驱动模块的控制，实现系统在巷道内的可控行进。

煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定方法，包括如下步骤：

步骤1，首先通过理论分析、数值模拟、实验室分析及现场观测手段，提出掘进工作面瓦斯含量解算模型；

步骤2，在掘进工作面设计位置布置若干传感器，通过传感器实时连续采集正常掘进的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速；

步骤3，通过煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统的数据处理系统对现场采集的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速进行后处理，并结合掘进工作面瓦斯含量解算模型，通过综合统计分析和反演计算，得到掘进工作面瓦斯含量的分布和赋存规律。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，可对掘进工作面瓦斯含量解算所需的多参量信息进行非接触式动态连续自动采集，所得成果不仅测定连续而且使用便捷。同时，该系统通过实时监测工作面瓦斯涌出量反演掘进工作面瓦斯含量，避免了传统的打钻施工环节，减少了掘进工作面作业空间的机械设备和施工人员，同时保证了煤巷掘进的连续性。系统可对采集到的多种参量信号进行综合反演计算，实现观测结果的直观可视化展示，全面系统的显示工作面内瓦斯含量的分布，为建设透明工作面提供参数依据。系统配备驱动模块和控制模块，可实现系统在巷道内的可控行进，免除以往设备迁移的不便。

本发明提供的通过煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定方法，该方法通过对现场采集的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速，结合掘进工作面瓦斯含量解算模型，通过综合统计分析和反演计算，得到掘进工作面瓦斯含量的分布和赋存规律。

附图说明

图1是本发明煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统的整体示意图；

图2是本发明多参量动态获取系统示意图；

图3是本发明监控系统示意图。

图4是本发明瓦斯含量解算系统示意图。

附图标记说明：

1、多参量动态获取系统；2、监控系统；3、瓦斯含量解算系统；4、多参量信号获取模块；5、驱动模块；6、信号转换模块；7、信号传输模块；8、甲烷浓度传感器；9、矿用风速传感器；10、矿用巷道断面无线测试仪；11、矿用激光测距传感器；12、驱动电机；13、传动机构；14、变向机构；15、行走轮；16、数据采集模块；17、数据输出模块；18、矿用环网接入器；19、工业以太网交换机；20、监控分站；21、监控主机；22、数据处理模块；23、成果展示模块；24、行进控制模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图2、图3和图4，本发明一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，包括多参量动态获取系统1、监控系统2和瓦斯含量解算系统3三大部分。

其中多参量动态获取系统1包括多参量信号获取模块4、驱动模块5、信号转换模块6、信号传输模块7；多参量信号获取模块4包括甲烷浓度传感器8、矿用风速传感器9、矿用巷道断面无线测试仪10和矿用激光测距传感器11；驱动模块包括驱动电机12、传动机构13、变向机构14和行走轮15；

监控系统2包括数据采集模块16、数据输出模块17、矿用环网接入器18、工业以太网交换机19、监控分站20和监控主机21；

瓦斯含量解算系统3包括数据处理模块22、成果展示模块23和行进控制模块24。

进一步地，通过驱动模块5和行进控制模块24将多参量动态获取系统1放置于设计好的参数采集点中，多参量信号获取模块获取正常掘进的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速等多参量变化信息，经信号转换模块6、信号传输模块7将获取的多元信息通过矿用环网接入器18和工业以太网交换机19送至监控分站20，最后通过工业环网接入监控主机21。监控主机21通过交换机将多元信息传送至瓦斯含量解算系统3，瓦斯含量解算系统3通过数据处理模块22对收到的信号进行转换、收集和计算，最终利用成果展示模块23将所得成果进行直观展现和进一步分析。

进一步地，观测完成后，通过驱动模块5和行进控制模块24，将多参量动态获取系统1从参数采集点中分离，按照设计重新布置参数采集点。

为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做进一步说明，首先在预设位置布置参数采集点，将多参量动态获取系统1布置在参数采集点，参数采集点位于掘进工作面后方回风流区域，尽量靠近工作面(避开掘进工作面风流涡流区)，不间断监测煤巷现场采集的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速等参数变化信息，同时在瓦斯含量解算系统3上可查看各参量信息的实时状态。掘进工作面向前推进后，通过驱动装置将多参量动态获取系统1随之向前移动，确保参数采集点位置与掘进工作面掘进头保持固定距离，瓦斯含量解算系统3根据采集到的不同参数采集点测定的各参量数据进行综合反演计算，得到掘进工作面瓦斯含量的分布和赋存规律，据此为实施瓦斯精准治理提供可靠依据。

本发明一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法，通过对不间断监测煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速等多参量变化信息进行实时动态采集和处理，反演得到瓦斯含量的空间分布和变化规律，指导矿井瓦斯治理。

本发明一种煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统及方法，具有多参观测、实时动态、成果可靠、展现直观、操作便捷等特点，弥补了现有瓦斯含量测定方法单一、缺乏连续性、测定周期长等不足，具有很好的使用前景，可广泛地应用于煤矿瓦斯治理领域，为实施瓦斯精准治理提供可靠依据。

Claims (3)

1.煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，其特征在于，包括多参量动态获取系统(1)、监控系统(2)和瓦斯含量解算系统(3)；其中，

多参量动态获取系统(1)，用于获取参数采集点的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速变化信息，以及在煤巷工作面内的行进，并通过监控系统(2)传输给瓦斯含量解算系统(3)，瓦斯含量解算系统(3)实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统(1)驱动模块的控制；

多参量动态获取系统(1)包括驱动模块(5)以及安装在驱动模块(5)上的多参量信号获取模块(4)、信号转换模块(6)和信号传输模块(7)；其中，驱动模块(5)用于实现多参量动态获取系统(1)的行进，以保证多参量动态获取系统(1)与掘进头保持稳定距离，多参量信号获取模块(4)包括甲烷浓度传感器(8)、矿用风速传感器(9)、矿用巷道断面无线测试仪(10)和矿用激光测距传感器(11)，甲烷浓度传感器(8)用于实时测定煤巷掘进工作面回风的瓦斯浓度，矿用风速传感器(9)用于实时测定煤巷掘进工作面的风流速度，矿用巷道断面无线测试仪(10)用于实时测定巷道通风面积、周长值、宽度、高度，矿用激光测距传感器(11)用于实时测定掘进面距瓦斯探头距离；信号转换模块(6)实现所获取多种信号由电信号的转换，信号传输模块(7)负责电信号的汇总、集成和输出；

监控系统(2)包括数据采集模块(16)和数据输出模块(17)，数据采集模块(16)负责所获取电信号的收集、分类和转换成数字信号，数据输出模块(17)负责将数字信号输出至数据处理系统；

瓦斯含量解算系统(3)包括数据处理模块(22)、成果展示模块(23)和行进控制模块(24)，数据处理模块(22)实现多种信号的统计、分析和反演计算，成果展示模块(23)实现数据处理结果的曲线、二维、三维可视化显示，行进控制模块(24)负责多参量动态获取系统驱动模块的控制，实现系统在巷道内的可控行进。

2.根据权利要求1所述的煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，其特征在于，驱动模块(5)包括驱动电机(12)、传动机构(13)、变向机构(14)和行走轮(15)，驱动电机(12)负责提供行进驱动力，传动机构(13)负责驱动力的传递，变向机构(14)负责行进方向的调整，行走轮(15)负责系统在巷道内的顺利行进。

3.煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统，包括如下步骤：

步骤1，首先通过理论分析、数值模拟、实验室分析及现场观测手段，提出掘进工作面瓦斯含量解算模型；

步骤2，在掘进工作面设计位置布置若干传感器，通过传感器实时连续采集正常掘进的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速；

步骤3，通过煤巷掘进工作面煤层瓦斯含量非接触式动态连续测定系统的数据处理系统对现场采集的煤巷回风瓦斯浓度、巷道断面面积、巷道断面周长、传感器距离掘进头距离和工作面风速进行后处理，并结合掘进工作面瓦斯含量解算模型，通过综合统计分析和反演计算，得到掘进工作面瓦斯含量的分布和赋存规律。

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