CN112554951A - 煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法，装置包括孔内系统和地面系统，孔内系统和地面系统通过多芯光缆进行通信，所述孔内系统包括通过多芯光缆并联设置的n个多参量传感器，所述地面系统包括3个激光发射模块、泵浦光源、光纤分路器、信号处理模块、数据处理模块、解释模块和显示模块；由此，本发明能有效克服现有技术的缺陷，基于光纤传感和传光原理，可在钻孔内n点在线监测瓦斯浓度、流量、温度和负压多参量，并实现地面操作室远程监控。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿监测测量的技术领域，尤其涉及一种应用于煤矿瓦斯抽放孔中的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法。
背景技术
瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的重大灾害，严重威胁着工作人员的生命安全和煤炭行业可持续发展。煤矿井下定向钻孔法预抽本煤层瓦斯，作为一种减弱煤与瓦斯突出危险，减少采掘过程中瓦斯涌出的重要技术，具有成本投入低、工艺简单、抽放瓦斯浓度较高等优点，在我国煤矿中得到了很大的推广。利用定向钻孔进行瓦斯抽采，要坚持“先抽后采、以风定产、监测监控”十二字方针，针对“监测监控”这一环节，现阶段还存在很多不足之处，其中瓦斯监测就是一方面需要改进的地方。
目前对瓦斯抽采效果的监测都采用在孔口布置传感器，对瓦斯浓度、流量、温度和负压等参数进行监测，这些参数只能反应整个孔的瓦斯抽采效果，无法获得孔内某个区段的瓦斯抽采效果，如果能够在孔内对整个孔中任意区间的瓦斯抽采效果进行监测，利用这些数据可以判断钻孔每百米的瓦斯贡献，进而为钻孔的最佳长度、位置的布置与钻进工艺等参数的确定提供科学依据。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法，能有效克服现有技术的缺陷，基于光纤传感和传光原理，可在钻孔内n点在线监测瓦斯浓度、流量、温度和负压多参量，并实现地面操作室远程监控。
为实现上述目的，本发明公开了一种煤矿孔中瓦斯多参量监测装置，包括孔内系统和地面系统，孔内系统和地面系统通过多芯光缆进行通信，其特征在于：
所述孔内系统包括通过光纤并联设置的n个多参量传感器，孔内所有光纤一体化，采用铠装工艺形成多芯光缆；所述地面系统包括3 个激光发射光源和1个泵浦光源，所述地面系统还包括信号处理模块、数据处理模块、解释模块和显示模块。
其中：所述多参量传感器的底部固定于铠装光缆结构表面凹槽处，多参量传感器包括传感器外管、光纤接头、温压传感器、流量传感器和气室。
其中：所述多参量传感器外管为不锈钢支架，并将纳米防水透气膜固定于传感器支架的镂空处。
其中：所述光纤接头包括光缆分路器，将4根光纤分别通过分路器连接气室的气室光纤接头、温压传感器光纤接头、流量传感器掺杂光纤接头和流量传感器光纤光栅接头。
其中：所述温压传感器固定于多参量传感器外管的左下方支架内部，包括光纤光栅测温模块和MEMS法珀腔测压模块，MEMS法珀腔测压模块位于温压传感器顶端，MEMS法珀腔测压模块包括硅膜片、法珀腔、镀膜、玻璃基底、光纤头和UV胶，所述玻璃基底的一端设有法珀腔和膜片，所述硅膜片覆盖玻璃基底的表面及法珀腔的开口，所述玻璃基底的另一端设有光纤头和UV胶，所述光纤头通过UV胶设置于玻璃基底的一梯形槽内，所述光纤头连接温压传感光纤，且在温压传感光纤上刻蚀光纤光栅形成测温模块。
其中：所述流量传感器固定于多参量传感器外管的上方支架内部，包括一根普通的光纤光栅和一根掺杂光纤，两根光纤并联插入铜管内。
其中：所述气室固定于多参量传感器外管的右下方支架内部。所述气室包括吸收池腔体、准直器和气室光纤接头，所述吸收池腔体采用带孔铜质芯，且两端对称居中安装准直器。
其中：所述地面系统包括3个激光发射模块和1个泵浦光源，所述激光发射模块分别发射光源1、光源2和光源3，泵浦光源发射光源4。光源1、光源2、光源3和光源4通过光纤分路器连接多芯铠装光缆。
其中：所述地面系统还包括信号处理模块和数据处理模块。所述信号处理模块包括光电探测器组、前置放大器组和锁相放大模块。所述数据处理模块包括瓦斯浓度解算、瓦斯流量解算、温度解算和负压解算四部分。瓦斯浓度解算基于比尔朗伯定律，调制光源1的光谱覆盖瓦斯吸收峰，光源经过气室多次反射后，光强产生衰减，根据输入光强和输出光强即可解算出气室处的瓦斯浓度；瓦斯流量解算基于热线测风原理，掺杂光纤在光源4的抽运下，将光能转换热能，使得光纤光栅升温，当孔内瓦斯通过流量传感器时，发生对流传热，热量散失从而光纤光栅降温，通过解算光纤光栅的波长漂移量推算出温度变化量进而解算该点处瓦斯流量；温度解算是通过检测温压传感器中光纤光栅测温模块的反射波长变化，推导该点处的温度值；负压解算是通过测量温压传感器中MEMS法珀腔测压模块返回干涉信号的强度变化推导出MEMS法珀腔长度L的变化，从而解算出该点负压值。
其中：所述地面系统还包括解释模块和显示模块，所述解释模块实时分析数据处理模块的解算结果，对比瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系。所述显示模块实时显示数据处理模块的解算结果，并绘制曲线。
还公开了一种煤矿孔中瓦斯多参量监测方法，其通过上述权利要求1-10中任一所述的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置实现，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：在实验室对孔内系统进行浓度和流量参数标定，并将标定系数输入到地面系统数据处理模块；
步骤二：将孔内系统连接至钻孔爬行器接头，开启爬行器电源并选择前进模式，拖拽孔内系统到达位置后爬行器断电，将孔内系统留置在钻孔内；
步骤三：封孔后，开启地面系统电源，发射光源，经过多芯光缆传到孔内系统，开始孔内瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测；
步骤四：通过显示模块，实时观测孔内1、2…n每个区段的瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测数据，并可查询钻孔1、2…n每个区段的瓦斯监测历史数据并绘制曲线；
步骤五：通过解释模块，实时观察瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系，分析钻孔内每个区段的瓦斯贡献量；
步骤六：监测结束，关闭地面系统电源，开启爬行器电源并选择后退模式，同时在孔口拖拽多芯光缆将孔内系统回收。
通过上述内容可知，本发明的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法具有如下效果：
1、可实现钻孔内任意区段瓦斯浓度、流量、温度和负压参数的在线监测，从而获得孔内每个区段的瓦斯抽采效果，进而为钻孔的最佳长度、位置的布置与钻进工艺等参数的确定提供科学依据；
2、该装置通过多芯光缆“并联”n个多参量传感器，可实现多点、多参量同时在线监测；
3、监测过程仅需在地面操作室进行远程遥控即可实现实时监测，极大限度保证了人员安全。
4、该装置在瓦斯监测过程中孔内无源，无危险，非常适合于瓦斯抽放孔的瓦斯长期在线监测。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的孔内系统组成框图。
图2显示了本发明的地面系统组成框图。
图3显示了本发明的多参量传感器结构图。
图4显示了本发明的温压传感器结构图。
图5显示了本发明的流量传感器结构图
图6显示了本发明的气室结构图。
附图标记：
1-多芯光缆，2-光纤，3-多参量传感器，4-激光发射光源1，5- 激光发射光源2，6-激光发射光源3，7-泵浦光源4，8-光纤分路器， 9-信号处理模块，10-数据处理模块，11-解释模块，12-显示模块，3.1- 光纤接头，3.2-传感器外管，3.3-温压传感器，3.4-流量传感器，3.5- 气室，3.6—光纤分路器，3.3.1-温压传感器接头，3.3.2-光纤光栅测温模块，3.3.3—MEMS法珀腔测压模块，3.3.3.1-硅膜片，3.3.3.2-法珀腔， 3.3.3.3-镀膜，3.3.3.4-玻璃基底，3.3.3.5-光纤头，3.3.3.6-UV胶，3.4.1- 铜管，3.4.2—光纤光栅，3.4.3—掺杂光纤，3.4.4—流量传感器光纤光栅接头，3.4.5—流量传感器掺杂光纤接头，3.5.1-吸收池腔体，3.5.2 —准直器，3.5.3—气室接头。
具体实施方式
参见图1和2，显示了本发明的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置。
所述煤矿孔中瓦斯多参量监测装置包括孔内系统和地面系统，孔内系统和地面系统通过多芯光缆1进行通信。
如图1所示，所述孔内系统包括通过光纤并联设置的n个多参量传感器3，孔内所有光纤一体化，采用铠装工艺形成多芯光缆1。
如图3所示，所述多参量传感器3的外管底部固定于铠装光缆1 外表面的凹槽处，所述多参量传感器3包括传感器外管3.2、光纤接头3.1、温压传感器3.3、流量传感器3.4和气室3.5。所述多参量传感器外管3.2为不锈钢支架，并将纳米防水透气膜固定于传感器支架的镂空处。所述光纤接头3.1包括光缆分路器3.6，将4根光纤分别通过分路器连接气室的气室光纤接头3.5.3、温压传感器光纤接头 3.3.8、流量传感器掺杂光纤接头3.4.5和流量传感器光纤光栅接头 3.4.4。
如图4所示，所述温压传感器3.3固定于多参量传感器外管3.2 的左下方支架内部，包括温压传感器接头3.3.1，光纤光栅测温模块 3.3.2和MEMS法珀腔测压模块3.3.3，MEMS法珀腔测压模块3.3.3 位于温压传感器3.3顶端，MEMS法珀腔测压模块3.3.3包括硅膜片 3.3.3.1、法珀腔3.3.3.2、镀膜3.3.3.3、玻璃基底3.3.3.4、光纤头3.3.3.5 和UV胶3.3.3.6，所述玻璃基底3.3.3.4的一端设有法珀腔3.3.3.2和硅膜片3.3.3.1，所述硅膜片3.3.3.1覆盖玻璃基底3.3.3.4的表面及法珀腔3.3.3.2的开口，所述玻璃基底3.3.3.4的另一端设有光纤头3.3.3.5 和UV胶3.3.3.6，所述光纤头3.3.3.5通过UV胶3.3.3.6设置于玻璃基底3.3.3.4的一梯形槽内。由于孔内采用负压抽采瓦斯，孔内气压通常在13-100kpa，采用别的无源监测方式在负压小尺寸情况下很难做到高精度测量，所以采用MEMS法珀腔，其尺寸微小，反应灵敏，在负压情况下测量精度高。所述光纤头3.3.3.5连接温压传感光纤，且在温压传感光纤上刻蚀光纤光栅形成测温模块。
如图5所示，所述流量传感器3.4固定于多参量传感器外管3.2 的上方支架内部，包括一根普通的光纤光栅3.4.2和一根掺杂光纤 3.4.3，两根光纤并联插入铜管3.4.1内。
如图6所示，所述气室3.5固定于多参量传感器外管3.2的右下方支架内部。所述气室3.5包括吸收池腔体3.5.1、准直器3.5.2和气室光纤接头3.5.3，所述吸收池腔体3.5.1采用带孔铜质芯，且两端对称居中安装准直器3.5.2。
如图2所示，所述地面系统包括3个激光发射模块4、5、6、1 个泵浦光源7、光纤分路器8、信号处理模块9、数据处理模块10、解释模块11和显示模块12。所述激光发射模块分别发射光源1、光源2和光源3，泵浦光源发射光源4。光源1、光源2、光源3和光源4通过光纤分路器8连接多芯光缆1。所述信号处理模块9包括光电探测器组、前置放大器组和锁相放大模块。所述数据处理模块10包括瓦斯浓度解算、瓦斯流量解算、温度解算和负压解算四部分。瓦斯浓度解算基于比尔朗伯定律，调制光源1的光谱覆盖瓦斯吸收峰，光源经过气室多次反射后，光强产生衰减，根据输入光强和输出光强即可解算出气室处的瓦斯浓度；瓦斯流量解算基于热线测风原理，掺杂光纤在光源4的抽运下，将光能转换热能，使得光纤光栅升温，当孔内瓦斯通过流量传感器时，发生对流传热，热量散失从而光纤光栅降温，通过解算光纤光栅的波长漂移量推算出温度变化量进而解算该点处瓦斯流量；温度解算是通过检测温压传感器中光纤光栅测温模块的反射波长变化，推导该点处的温度值；负压解算是通过测量温压传感器中MEMS法珀腔测压模块返回干涉信号的强度变化推导出MEMS 法珀腔长度L的变化，从而解算出该点负压值。所述解释模块11实时分析数据处理模块的解算结果，对比瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系。所述显示模块12实时显示数据处理模块的解算结果，并绘制曲线。
本发明还公开了一种煤矿孔中瓦斯多参量监测方法，其通过上述的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置实现，具体可包含如下步骤：
步骤一：在实验室对孔内系统进行浓度和流量参数标定，并将标定系数输入到地面系统数据处理模块；
步骤二：将孔内系统连接至钻孔爬行器接头，开启爬行器电源并选择前进模式，拖拽孔内系统到达位置后爬行器断电，将孔内系统留置在钻孔内；
步骤三：封孔后，开启地面系统电源，发射光源，经过多芯光缆传到孔内系统，开始孔内瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测；
步骤四：通过显示模块，实时观测孔内1、2…n每个区段的瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测数据，并可查询钻孔1、2…n每个区段的瓦斯监测历史数据并绘制曲线；
步骤五：通过解释模块，实时观察瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系，分析钻孔内每个区段的瓦斯贡献量；
步骤六：监测结束，关闭地面系统电源，开启爬行器电源并选择后退模式，同时在孔口拖拽多芯光缆将孔内系统回收。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (11)
1.一种煤矿孔中瓦斯多参量监测装置，包括孔内系统和地面系统，孔内系统和地面系统通过多芯光缆进行通信，其特征在于：
所述孔内系统包括通过光纤并联设置的n个多参量传感器，孔内所有光纤一体化，采用铠装工艺形成多芯光缆；所述地面系统包括3个激光发射光源和1个泵浦光源，所述地面系统还包括信号处理模块、数据处理模块、解释模块和显示模块。
2.如权利要求1所述的多参量传感器，其特征在于：所述多参量传感器的底部固定于铠装光缆结构表面凹槽处，多参量传感器包括传感器外管、光纤接头、温压传感器、流量传感器和气室。
3.如权利要求2所述的多参量传感器外管，其特征在于：所述多参量传感器外管为不锈钢支架，并将纳米防水透气膜固定于传感器支架的镂空处。
4.如权利要求2所述的多参量传感器光纤接头，其特征在于：所述光纤接头包括光缆分路器，将4根光纤分别通过分路器连接气室的气室光纤接头、温压传感器光纤接头、流量传感器掺杂光纤接头和流量传感器光纤光栅接头。
5.如权利要求2所述的温压传感器，其特征在于：所述温压传感器固定于多参量传感器外管的左下方支架内部，包括光纤光栅测温模块和MEMS法珀腔测压模块，MEMS法珀腔测压模块位于温压传感器顶端，MEMS法珀腔测压模块包括硅膜片、法珀腔、镀膜、玻璃基底、光纤头和UV胶，所述玻璃基底的一端设有法珀腔和膜片，所述硅膜片覆盖玻璃基底的表面及法珀腔的开口，所述玻璃基底的另一端设有光纤头和UV胶，所述光纤头通过UV胶设置于玻璃基底的一梯形槽内，所述光纤头连接温压传感光纤，且在温压传感光纤上刻蚀光纤光栅形成测温模块。
6.如权利要求2所述的流量传感器，其特征在于：所述流量传感器固定于多参量传感器外管的上方支架内部，包括一根普通的光纤光栅和一根掺杂光纤，两根光纤并联插入铜管内。
7.如权利要求2所述的气室，其特征在于：所述气室固定于多参量传感器外管的右下方支架内部。所述气室包括吸收池腔体、准直器和气室光纤接头，所述吸收池腔体采用带孔铜质芯，且两端对称居中安装准直器。
8.如权利要求1所述的地面系统，其特征在于：所述地面系统包括3个激光发射模块和1个泵浦光源，所述激光发射模块分别发射光源1、光源2和光源3，泵浦光源发射光源4。光源1、光源2、光源3和光源4通过光纤分路器连接多芯铠装光缆。
9.如权利要求1所述的地面系统，其特征在于：所述地面系统还包括信号处理模块和数据处理模块。所述信号处理模块包括光电探测器组、前置放大器组和锁相放大模块。所述数据处理模块包括瓦斯浓度解算、瓦斯流量解算、温度解算和负压解算四部分。瓦斯浓度解算基于比尔朗伯定律，调制光源1的光谱覆盖瓦斯吸收峰，光源经过气室多次反射后，光强产生衰减，根据输入光强和输出光强即可解算出气室处的瓦斯浓度；瓦斯流量解算基于热线测风原理，掺杂光纤在光源4的抽运下，将光能转换热能，使得光纤光栅升温，当孔内瓦斯通过流量传感器时，发生对流传热，热量散失从而光纤光栅降温，通过解算光纤光栅的波长漂移量推算出温度变化量进而解算该点处瓦斯流量；温度解算是通过检测温压传感器中光纤光栅测温模块的反射波长变化，推导该点处的温度值；负压解算是通过测量温压传感器中MEMS法珀腔测压模块返回干涉信号的强度变化推导出MEMS法珀腔长度L的变化，从而解算出该点负压值。
10.如权利要求1所述的地面系统，其特征在于：所述地面系统还包括解释模块和显示模块，所述解释模块实时分析数据处理模块的解算结果，对比瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系。所述显示模块实时显示数据处理模块的解算结果，并绘制曲线。
11.一种煤矿孔中瓦斯多参量监测方法，其通过上述权利要求1-10中任一所述的煤矿孔中瓦斯多参量监测装置实现，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：在实验室对孔内系统进行浓度和流量参数标定，并将标定系数输入到地面系统数据处理模块；
步骤二：将孔内系统连接至钻孔爬行器接头，开启爬行器电源并选择前进模式，拖拽孔内系统到达位置后爬行器断电，将孔内系统留置在钻孔内；
步骤三：封孔后，开启地面系统电源，发射光源，经过多芯光缆传到孔内系统，开始孔内瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测；
步骤四：通过显示模块，实时观测孔内1、2…n每个区段的瓦斯浓度、流量、温度和负压的监测数据，并可查询钻孔1、2…n每个区段的瓦斯监测历史数据并绘制曲线；
步骤五：通过解释模块，实时观察瓦斯浓度、流量、温度和负压的变化关系，分析钻孔内每个区段的瓦斯贡献量；
步骤六：监测结束，关闭地面系统电源，开启爬行器电源并选择后退模式，同时在孔口拖拽多芯光缆将孔内系统回收。
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| CN202011503018.5A CN112554951B (zh) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | 煤矿孔中瓦斯多参量监测装置及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114961696A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-30 | 西安科技大学 | 一种本煤层定向长钻孔孔内瓦斯参数检测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE863767A (fr) * | 1977-02-10 | 1978-05-29 | Kugler Hans Clemens | Appareil en vue de mesurer une temperature sans contact |
| CN107389221A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-11-24 | 田志鹏 | 一种分布式温度与压强一体化光学测量系统 |
| CN110702625A (zh) * | 2019-10-16 | 2020-01-17 | 安徽中科智泰光电测控科技有限公司 | 基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测系统 |
| CN111561309A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-21 | 西安科技大学 | 一种煤矿井下孔内参数检测装置及方法 |
-
2020
- 2020-12-18 CN CN202011503018.5A patent/CN112554951B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| Publication number | Publication date |
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