CN113250681A - 一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,包括岩壁,岩壁右侧设有煤层,岩壁和煤层内开设有通孔,岩壁和煤层通孔内设有套管,套管左端设有法兰盘,法兰盘中部设有导管挡板套筒,导管挡板套筒贯穿法兰盘,导管挡板套筒左端设有压力信号发射器,导管挡板套筒右端设有光纤测量模块,导管挡板套筒与套管之间设有多个囊袋,多个囊袋之间设有灌注管道,多个囊袋之间通过灌注管道相连接,灌注管道上设有压力阀门,灌注管道左端贯穿法兰盘,灌注管道最左端设有注浆孔,导管挡板套筒内部设有测压导管,测压导管左端与压力信号发射器相连接。本发明的有益效果为:能够快速准确地测量瓦斯压力。
Description
技术领域
本发明属于煤层瓦斯压力检测的技术领域,具体涉及一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置及其使用方法。
背景技术
随着煤炭开采走向深部,煤与瓦斯突出灾害愈加严重,煤与瓦斯突出是一种由煤层地应力和瓦斯压力共同作用的矿山动力灾害现象,对煤矿安全生产构成严重威胁,发生时能够造成重大人员伤亡和财产损失,治理难度极大。影响瓦斯突出的因素众多,其中瓦斯压力是矿井突出危险度鉴定的主要参数之一,因此如何准确、快速判断煤层瓦斯压力是本发明要解决的主要问题。随着智能化在采矿行业的普及,煤矿井下常用的监测设备都在向智能化方向发展。目前,煤层瓦斯压力的测定方法主要有瓦斯压力直接测量法、瓦斯压力间接测量法和自钻式煤层瓦斯压力原位测定方法,就以上几种方法来看,还存在一定的缺点:1.需要耗费大量的人员来对压力测试仪器的显示数据进行读取,当测试的钻孔比较多的时候,工作量比较大;2.无法实时显示煤层瓦斯压力的数值,煤层瓦斯压力反应存在一定的滞后性,不能实现对煤层瓦斯压力的连续监测。
发明内容
本发明提供一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,能够快速准确地测量瓦斯压力。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,包括岩壁,岩壁右侧设有煤层,岩壁和煤层内开设有通孔,岩壁和煤层通孔内设有套管,套管左端设有法兰盘,法兰盘中部设有导管挡板套筒,导管挡板套筒贯穿法兰盘,导管挡板套筒左端设有压力信号发射器,导管挡板套筒右端设有光纤测量模块,导管挡板套筒与套管之间设有多个囊袋,多个囊袋之间设有灌注管道,多个囊袋之间通过灌注管道相连接, 灌注管道上设有压力阀门,灌注管道左端贯穿法兰盘,灌注管道最左端设有注浆孔,导管挡板套筒内部设有测压导管,测压导管左端与压力信号发射器相连接,测压导管右端与光纤测量模块相连接;光纤测量模块包括下底座,下底座上相对位置设有固定板,下底座被固定板分割为下底座内腔和右侧部分,下底座左端与导管挡板套筒固定连接, 下底座上设有上底座,下底座上相对位置设有凹槽,上底座两侧设有滑轮,滑轮与凹槽相配合,上底座与下底座滑动连接,上底座左侧设有套筒,套筒内设有弹簧,套筒左侧和固定板相连接,上底座右侧面设有向右布置的顶柱,顶柱贯穿固定板,固定板右侧设有挡板,挡板右侧设有光纤光栅耦合器,光纤光栅耦合器与测压导管固定连接,光纤光栅耦合器的导线通过测压导管与压力信号发射器电连接,挡板与固定板之间设有光纤光栅,矿坑内相对位置设有压力信号接收器,矿坑外侧设有计算机,压力信号接收器与计算机电连接,压力信号发射器与压力信号接收器无线连接。
进一步的,套管的长度、直径与事先施工完成的钻孔长度、直径相适配。
进一步的,多个囊袋形状、大小都相同,每两个囊袋之间设有一个压力阀门。
进一步的,顶柱与固定板滑动配合,下底座内腔相对密封。
进一步的,上述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置的使用方法,其特征在于包括以下步骤:
S1、先施工钻孔达到与煤层的距离为一米时候,停止施工钻孔,然后向钻孔内下入套管,然后继续施工钻孔,使得钻孔穿透煤层厚度约一米,然后将光纤光栅瓦斯压力检测装置、测压导管和两个囊袋放入套管中,将法兰盘固定在钻孔的外部端口上;
S2、对注浆孔进行注浆作业,可以实现对测压装置的固定和密封,具体为从注浆孔注入水泥浆液,两个囊袋式封孔器注满后,套管内水泥浆液达压力阀门上限,压力阀门爆开,注浆结束,管内形成水泥柱,防止瓦斯沿钻孔侧漏,完成对瓦斯压力检测装置的固定及密封;
S3、完成密封后,光纤测量模块与瓦斯直接接触,上底座受力, 压缩弹簧,同时推动顶柱,顶柱将力传递到挡板,挡板受力拉长光纤光栅,光纤光栅将信号传递至光纤光栅耦合器,光纤光栅耦合器通过光缆经过测压导管将信号传递至压力信号发射器,随后将信号发射到压力信号接收器,最后通过矿用电缆将信号传递到地面的计算机。
相对于现有技术,本发明的有益效果为:
本发明中,通过设置上底座与下底座,让瓦斯的推力不直接接触光纤光栅,防止对光纤光栅进行干扰,通过设置测压导管,进一步防止光纤光栅耦合器产生的信号被干扰,让整个装置得到的信号快速安全准确;光纤光栅具有准确度、灵敏度高,响应迅速、抗电磁干扰、耐腐蚀和防爆等特点,相比于其他设备来说数值更加准确、反应更加迅速;所述的压力信号发射器和压力信号接收器用来发射和接收信号,信号传输速度快、数值准确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为图1中A部分的放大图;
图3为压力信号接收器的结构示意图。
图中:1.上底座,2.滑轮,3.凹槽,4.弹簧,5.下底座内腔,6.光纤光栅耦合器,7.挡板,8.光纤光栅,9.下底座,10.套筒,11.测压导管,12.导管挡板套筒,13.压力信号发射器,14.压力信号接收器, 15.计算机,16.套管,17.压力阀门,18.囊袋,19.注浆孔,20.法兰盘,21.岩壁,22.煤层,23.光纤测量模块,24.灌注管道,25.顶柱, 26.固定板。
具体实施方式
实施例:如图1、图2、图3所示,包括岩壁21,岩壁21右侧设有煤层22,岩壁21和煤层22内开设有通孔,岩壁21和煤层22 通孔内设有套管16,套管16左端设有法兰盘20,法兰盘20中部设有导管挡板套筒12,导管挡板套筒12贯穿法兰盘20,导管挡板套筒12 左端设有压力信号发射器13,导管挡板套筒12右端设有光纤测量模块23,导管挡板套筒12与套管16之间设有多个囊袋18,多个囊袋18 之间设有灌注管道24,多个囊袋18之间通过灌注管道24相连接,灌注管道24上设有压力阀门17,灌注管道24左端贯穿法兰盘20,灌注管道24最左端设有注浆孔19,导管挡板套筒12内部设有测压导管11, 测压导管11左端与压力信号发射器13相连接,测压导管11右端与光纤测量模块23相连接;光纤测量模块23包括下底座9,下底座9张相对位置设有固定板26,下底座9被固定板26分割为下底座内腔5和右侧部分,下底座9左端与导管挡板套筒12固定连接,下底座9上设有上底座1,下底座9上相对位置设有凹槽3,上底座1两侧设有滑轮 2,滑轮2与凹槽3相配合,上底座1与下底座9滑动连接,上底座1 左侧设有套筒10,套筒10内设有弹簧4,套筒10左侧和固定板26相连接,上底座1右侧面设有向右布置的顶柱25,顶柱25贯穿固定板26,固定板26右侧设有挡板7,挡板7右侧设有光纤光栅耦合器6,光纤光栅耦合器6与测压导管11固定连接,光纤光栅耦合器6的导线通过测压导管11与压力信号发射器13电连接,挡板7与固定板26之间设有光纤光栅8,矿坑内相对位置设有压力信号接收器14,矿坑外侧设有计算机15,压力信号接收器14与计算机15电连接,压力信号发射器13与压力信号接收器14无线连接。套管16的长度、直径与事先施工完成的钻孔长度、直径相适配,多个囊袋18形状、大小都相同,每两个囊袋18之间设有一个压力阀门17,顶柱25与固定板26 滑动配合,下底座内腔5相对密封。
上述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置的使用方法,其特征在于包括以下步骤:
S1、先施工钻孔达到与煤层的距离为一米时候,停止施工钻孔,然后向钻孔内下入套管16,然后继续施工钻孔,使得钻孔穿透煤层厚度约一米,然后将光纤光栅瓦斯压力检测装置、测压导管和两个囊袋18放入套管16中,将法兰盘20固定在钻孔的外部端口上;
s2、对注浆孔19进行注浆作业,可以实现对测压装置的固定和密封,具体为从注浆孔注入水泥浆液,两个囊袋式封孔器注满后,套管内水泥浆液达压力阀门上限,压力阀门爆开,注浆结束,管内形成水泥柱,防止瓦斯沿钻孔侧漏,完成对瓦斯压力检测装置的固定及密封;
s3、完成密封后,光纤测量模块23与瓦斯直接接触,上底座1 受力,压缩弹簧4,同时推动顶柱25,顶柱25将力传递到挡板7,挡板7受力拉长光纤光栅8,光纤光栅8将信号传递至光纤光栅耦合器 6,光纤光栅耦合器6通过光缆经过测压导管11将信号传递至压力信号发射器13,随后将信号发射到压力信号接收器14,最后通过矿用电缆将信号传递到地面的计算机15。
瓦斯压力检测装置工作时上底座1受到压力作用于三个竖梁,其中两个短竖梁将压力传递至套筒10里面的弹簧4,弹簧4工作时可保护光纤光栅8受力过大。上底座1两端设有滑轮2,滑轮2在下底座9的凹槽3中滑动,可随时回到初始位置。上底座1的长梁作用于连接光纤光栅8的挡板7,光纤光栅8受到压力后将信号传递到光纤光栅耦合器6,通过光纤光栅耦合器6传送至测压导管11,光纤光栅 8、挡板7和光纤光栅耦合器6均位于下底座内腔5中。测压导管11 和下底座9通过螺纹相连,光纤光栅耦合器6将信号通过测压导管11 内的光缆传递至测压导管11后部的压力信号发射器13,测压导管11 内部有固定光缆的挡板12。
本发明的工作原理是光纤光栅受力伸长而使光信号传导减缓,以时间的变化推出瓦斯压力数值。
该装置的工作过程如下:
当光纤光栅为初始长度时,信号传播时间为:
式中:S1为光纤光栅初始长度;v为信号传播的速度。
当有瓦斯压力时,光纤光栅长度变长,信号在光纤光栅中的传播时间变长,因此信号传播时间变为:
式中:S2为光纤光栅受压力后的长度。
因此时间变量为:
光纤光栅长度变量为:
ΔS=Δt·v
光纤光栅的杨氏模量为:
式中:E为光纤光栅的杨氏模量;F为光纤光栅所受的瓦斯压力; L为光纤光栅的初始长度;A光纤光栅的横截面积;ΔL为光纤光栅受力拉长的变化量。
公式结合得到:
因此,通过以上可以得到瓦斯压力的计算式。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,其特征在于:包括岩壁(21),岩壁(21)右侧设有煤层(22),岩壁(21)和煤层(22)内开设有通孔,岩壁(21)和煤层(22)通孔内设有套管(16),套管(16)左端设有法兰盘(20),法兰盘(20)中部设有导管挡板套筒(12),导管挡板套筒(12)贯穿法兰盘(20),导管挡板套筒(12)左端设有压力信号发射器(13),导管挡板套筒(12)右端设有光纤测量模块(23),导管挡板套筒(12)与套管(16)之间设有多个囊袋(18),多个囊袋(18)之间设有灌注管道(24),多个囊袋(18)之间通过灌注管道(24)相连接,灌注管道(24)上设有压力阀门(17),灌注管道(24)左端贯穿法兰盘(20),灌注管道(24)最左端设有注浆孔(19),导管挡板套筒(12)内部设有测压导管(11),测压导管(11)左端与压力信号发射器(13)相连接,测压导管(11)右端与光纤测量模块(23)相连接;光纤测量模块(23)包括下底座(9),下底座(9)上相对位置设有固定板(26),下底座(9)被固定板(26)分割为下底座内腔(5)和右侧部分,下底座(9)左端与导管挡板套筒(12)固定连接,下底座(9)上设有上底座(1),下底座(9)上相对位置设有凹槽(3),上底座(1)两侧设有滑轮(2),滑轮(2)与凹槽(3)相配合,上底座(1)与下底座(9)滑动连接,上底座(1)左侧设有套筒(10),套筒(10)内设有弹簧(4),套筒(10)左侧和固定板(26)相连接,上底座(1)右侧面设有向右布置的顶柱(25),顶柱(25)贯穿固定板(26),固定板(26)右侧设有挡板(7),挡板(7)右侧设有光纤光栅耦合器(6),光纤光栅耦合器(6)与测压导管(11)固定连接,光纤光栅耦合器(6)的导线通过测压导管(11)与压力信号发射器(13)电连接,挡板(7)与固定板(26)之间设有光纤光栅(8),矿坑内相对位置设有压力信号接收器(14),矿坑外侧设有计算机(15),压力信号接收器(14)与计算机(15)电连接,压力信号发射器(13)与压力信号接收器(14)无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,其特征在于:套管(16)的长度、直径与事先施工完成的钻孔长度、直径相适配。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,其特征在于:多个囊袋(18)形状、大小都相同,每两个囊袋(18)之间设有一个压力阀门(17)。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置,其特征在于:顶柱(25)与固定板(26)滑动配合,下底座内腔(5)相对密封。
5.上述权利要求1-4任一条所述的一种基于光纤光栅传感器的煤层瓦斯压力检测装置的使用方法,其特征在于包括以下步骤:
s1、先施工钻孔达到与煤层的距离为一米时候,停止施工钻孔,然后向钻孔内下入套管(16),然后继续施工钻孔,使得钻孔穿透煤层厚度约一米,然后将光纤光栅瓦斯压力检测装置、测压导管和两个囊袋(18)放入套管(16)中,将法兰盘(20)固定在钻孔的外部端口上;
s2、对注浆孔(19)进行注浆作业,可以实现对测压装置的固定和密封,具体为从注浆孔注入水泥浆液,两个囊袋式封孔器注满后,套管内水泥浆液达压力阀门上限,压力阀门爆开,注浆结束,管内形成水泥柱,防止瓦斯沿钻孔侧漏,完成对瓦斯压力检测装置的固定及密封;
s3、完成密封后,光纤测量模块(23)与瓦斯直接接触,上底座(1)受力,压缩弹簧(4),同时推动顶柱(25),顶柱(25)将力传递到挡板(7),挡板(7)受力拉长光纤光栅(8),光纤光栅(8)将信号传递至光纤光栅耦合器(6),光纤光栅耦合器(6)通过光缆经过测压导管(11)将信号传递至压力信号发射器(13),随后将信号发射到压力信号接收器(14),最后通过矿用电缆将信号传递到地面的计算机(15)。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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