CN113309575A - 基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统及方法，适用于煤矿井下使用。包括设置在煤层中的核磁探测系统，核磁探测系统通过井下电缆连接有井下分站，井下分站通过电缆与设置在地面的地面基站连接，地面基站通过无线信号与指挥中心连接；巷道掘进期间，在钻场内向煤层、煤层顶底板打钻孔安装玻纤筒，玻纤筒内装有微核磁传感器，并可在钢丝牵引下实现微核磁传感器在玻纤筒内的移动，传感器采集到的回波信号又实时的传回地面指挥中心。其结构简单，使用效果好，能够快速准确的获取煤岩体内的含水量信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下含水量实时监测系统及方法，尤其适用于煤矿井下使用的一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统及方法，属于煤矿防突水的预警技术。
背景技术
矿井水害是煤矿重点灾害之一，每年因水害事故造成的矿业经济损失量巨大并严重威胁职工生命安全。建立可靠完善的矿井突涌水害实时监测系统是防治事故发生、保障人员安全、减少经济损失的基础屏障，意义重大。现如今，对矿井水害的精准描述较为困难，相关经验公式和参数指标的建立多依赖于煤层静态参数和前人经验，如煤层采高及埋深、顶底板岩性、局部地质构造等。即便考虑矿山压力、含水层压力等动态参数，但由于其间接性、地质赋存的复杂性、影响因素的多元性等也使得矿井水害的精准预测十分困难。
科学技术提高了装备水平，在线监测弥补了前人经验的不足。当前矿井水害的主要监测方法为电法和微震，即以电信号和声信号的变化反演水源赋存状态。靳德武等考虑了应力、应变、原生裂隙和水温4方面因素，建立了煤层底板突水监测系统，相关参数的采集通过相应的传感器；刘斌等提出了突水过程电阻率约束反演成像实时监测方法，利用灰度相关系数理论定量评价了突水过程中的电阻率反演图像特征；刘树才等公开了一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，以监测巷道掘进及工作面回采过程中的突水状况；姜福兴等通过微震监测技术预测井下突水危险，通过岩体破裂信号间接反映水源状态。
上述声、电方法皆为间接反映介质水源，未立足于‘水信号’的变化，难以实现矿井网络化监测且线路复杂。突涌水事故在发生时伴随着较高的声、电信号，可通过微震和电法探测，对于突涌水发生的前兆信息并不能及时感知，因此其预警时间十分有限。氢质子核磁共振技术可通过激发磁场探测介质中的氢元素含量，因而可以直接推断介质的含水状态，长期实时监测还可总结水分迁移规律，做到超前预警，因此核磁共振技术在矿山突涌水防治中具有重大应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，使用灵活的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统及方法。
为实现上述技术目的，本发明基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，包括设置在煤层中的核磁探测系统，核磁探测系统通过井下电缆连接有井下分站，井下分站通过电缆与设置在地面的地面基站连接，地面基站通过无线信号与指挥中心连接；
所述核磁探测系统包括玻纤筒，玻纤筒内设有微核磁传感器，微核磁传感器通过提拉钢丝与设置在玻纤筒外侧的转轮相连接，其中微核磁传感器还通过信号线连接有设置在玻纤筒外侧的核磁控制器，控制器用以控制微核磁传感器所发射的射频脉冲和回波信号的采集
所述玻纤筒为长度可调的密封结构，包括多节能够首位连接的连接玻纤筒，连接玻纤筒的底部设有玻纤筒底部，顶部设有玻纤筒顶盖，其中连接玻纤筒的数量根据需要设定，通过加减连接玻纤筒改变玻纤筒的长度，其中连接玻纤筒之间以及玻纤筒底部和玻纤筒顶盖通过螺纹连接；玻纤筒内侧与微核磁传感器外侧之间等间距设有四组支撑台，便于微核磁传感器在玻纤筒内滑动。
微核磁传感器前端和后端均覆盖有垫块，微核磁传感器的前端设有用以连接提拉钢丝的固定扣，微核磁传感器的后端连接有信号线，信号线延伸出玻纤筒。
所述玻纤筒底部内测设有固定圆环，微核磁传感器前端连接的提拉钢丝穿过固定圆环后反向穿出玻纤筒，出玻纤筒的提拉钢丝绕在转轮之后再返回玻纤筒与微核磁传感器后端连接，使微核磁传感器通过提拉钢丝绕在转轮与固定圆环之间，转轮配合提拉钢丝实现微核磁传感器在玻纤筒内的往返移动。
所述微核磁传感器包括设置在微核磁传感器壳体内的永磁铁和信号接收器，永磁铁外侧缠绕有线圈。
所述玻纤筒内直径100mm，外直径110mm，玻纤筒底部长度为0.3m，每节连接玻纤筒长度为1m，玻纤筒顶盖长度为0.5m。
所述钻孔为长距离钻孔，钻孔方向根据需求和地质情况制定，钻孔直径为113mm。
一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统的监测方法，其步骤如下：
A、在煤巷掘进过程中布置钻场，根据监测需要，向掘进面前方、煤层中、煤层顶底板中打直径为113mm的钻孔，之后使用提拉钢丝固定在微核磁传感器前端的固定扣上，并将提拉钢丝穿过玻纤筒底部的固定圆环，在玻纤筒底部上安装连接玻纤筒同时将安装好的玻纤筒部分向钻孔中安装，通过螺纹把连接玻纤筒依次连接起来，在连接玻纤筒的连接过程中，将微核磁传感器上连接的提拉钢丝和信号线穿过玻纤筒，最后一节连接玻纤筒顶盖，并将提拉钢丝另一端绕过转轮固定在微核磁传感器的后端形成无极绳结构，将信号线连接控制器。
B、连接完成后设置好微核磁传感器的射频脉冲参数；
C、微核磁传感器的调整好后，开始监测；
D、在钻场打垂直钻孔安装核磁探测系统，能够监测顶板岩层的含水量变化；向底板打钻孔安装核磁探测系统能够监测底板岩层的含水量变化情况；向煤层内打钻孔安装核磁探测系统能够监测煤层含水量变化，向在地质勘探中遇到的地质构造异常区布置传感器，可监测地质异常区的含水量变化。每隔100m布置一个钻场，实现矿井各岩层含水量信息的三维立体监测。
核磁探测系统的调整过程如下：
a1.由地面指挥中心预先设定一组核磁参数，包括采样间隔时间，累加采样次数，回波个数和放大增益系数，然后将参数以无线信号的方式发出，信号通过5G基站和电缆到达井下分站，井下分站通过地下电缆进一步将信息传给对应微核磁传感器的控制器；
a2.控制器根据参数要求通过信号线改变微核磁传感器内的线圈供电状态，从而改变微核磁传感器发出的射频脉冲，原本在永磁铁作用下产生的静磁场作用下发生极化的水分子受到射频脉冲的影响，而发生偏转，射频脉冲结束后，水分子在重新恢复至原始状态时，磁场的变化在线圈中产生感应电流，从而采集到回波信号；
a3.回波信号通过信号线传递至控制器，并进一步传递至井下分站，井下分站再将信号传回5G基站，由最终指挥中心接收信号，指挥中心得到回波信息，通过相应的反演方法得出回波信息的质量；
a4.指挥中心根据回波结果进一步调整参数，重复步骤a1～a3实现核磁探测信号参数的调整，每一个微核磁传感器的参数均按照此步骤调节，直至参数合适。
钻孔全长度煤岩含水量的监测的监测过程如下：
b1.转动转轮将微核磁传感器置于钻孔内玻纤筒的底部，并不接触固定圆环；
b2.由指挥中心发出监测信号，信号依次通过5G基站，电缆，井下主站，井下电缆至控制器，控制器控制微核磁传感器周期性的发射射频脉冲和采集数据，采集的数据原路返回值指挥中心；
b3.指挥中心获取实时回波信号，并根据核磁共振原理将信号反演成含水量信息；
b4.间隔一段时间转动轮转调整微核磁传感器移动到另一个测点处，并做好相关记录，如此班循环调整微核磁传感器的位置，实现钻孔全长度煤岩含水量的监测。
有益效果：本发明立足与核磁共振对水信号的敏感性，建立矿井水害防控的监测网络。井下控制器控制微核磁传感器发射射频脉冲和采集回波信号，从而获取煤岩体内的含水量信息。利用转轮配合提拉钢丝能够使微核磁传感器实现长距离钻孔不同位置处的含水量探测，而且传感器可回收，从而提高了钻孔、传感器的利用率。井下的通讯光缆和井上的5G基站保证了复杂组网、大量信息的及时通讯。
附图说明
图1是本发明矿井突涌水监测系统示意图；
图2是本发明玻纤筒截面示意图；
图3是本发明微核磁传感器结构示意图；
图中：1-煤层，2-钻孔，3-玻纤筒，3-1玻纤筒底部，3-2连接玻纤筒，3-3玻纤筒顶盖，4-支撑台，5-固定圆环，6-提拉钢丝，7-螺纹，8-微核磁传感器，9-信号线，10-转轮，11-巷道，12-钻场，13-核磁控制器，14-井下电缆，15-垫块，16-永磁场，17-固定扣，18-线圈，19-永磁铁，20-井下分站，21-电缆，22-地面基站，23-指挥中心，24-无线信号。
具体实施内容
下面对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，包括设置在煤层1中的核磁探测系统，核磁探测系统通过井下电缆14连接有井下分站20，井下分站20通过电缆21与设置在地面的地面基站22连接，地面基站22通过无线信号24与指挥中心23连接；
所述核磁探测系统包括玻纤筒3，玻纤筒3内设有微核磁传感器8，微核磁传感器8通过提拉钢丝6与设置在玻纤筒3外侧的转轮10相连接，其中微核磁传感器8还通过信号线9连接有设置在玻纤筒3外侧的核磁控制器13，控制器13用以控制微核磁传感器8所发射的射频脉冲和回波信号的采集。
如图2所示，所述玻纤筒3为长度可调的密封结构，包括多节能够首位连接的连接玻纤筒3-2，连接玻纤筒3-2的底部设有玻纤筒底部3-1，顶部设有玻纤筒顶盖3-3，其中连接玻纤筒3-2的数量根据需要设定，通过加减连接玻纤筒3-2改变玻纤筒3的长度，其中连接玻纤筒3-2之间以及玻纤筒底部3-1和玻纤筒顶盖3-3通过螺纹7连接；玻纤筒3内侧与微核磁传感器8外侧之间等间距设有四组支撑台4，便于微核磁传感器8在玻纤筒3内滑动。所述玻纤筒3内直径100mm，外直径110mm，玻纤筒底部3-1长度为0.3m，每节连接玻纤筒3-2长度为1m，玻纤筒顶盖3-3长度为0.5m。
微核磁传感器8前端和后端均覆盖有垫块15，微核磁传感器8的前端设有用以连接提拉钢丝6的固定扣17，微核磁传感器8的后端连接有信号线9，信号线9延伸出玻纤筒3；所述玻纤筒底部3-1内测设有固定圆环5，微核磁传感器8前端连接的提拉钢丝6穿过固定圆环5后反向穿出玻纤筒3，出玻纤筒3的提拉钢丝6绕在转轮10之后再返回玻纤筒3与微核磁传感器8后端连接，使微核磁传感器8通过提拉钢丝6绕在转轮10与固定圆环5之间，转轮10配合提拉钢丝6实现微核磁传感器8在玻纤筒3内的往返移动。
如图3所示，所述微核磁传感器8包括设置在微核磁传感器壳体内的永磁铁19和信号接收器，永磁铁19外侧缠绕有线圈18。所述钻孔2为长距离钻孔，钻孔方向根据需求和地质情况制定，钻孔直径为113mm。
一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统的监测方法，其步骤如下：
A、在煤巷11掘进过程中布置钻场12，根据监测需要，向掘进面前方、煤层1中、煤层顶底板中打直径为113mm的钻孔2，之后使用提拉钢丝6固定在微核磁传感器8前端的固定扣17上，并将提拉钢丝9穿过玻纤筒底部3-1的固定圆环5，在玻纤筒底部3-1上安装连接玻纤筒3-1同时将安装好的玻纤筒部分向钻孔2中安装，通过螺纹7把连接玻纤筒3-2依次连接起来，在连接玻纤筒3-2的连接过程中，将微核磁传感器8上连接的提拉钢丝6和信号线9穿过玻纤筒3，最后一节连接玻纤筒顶盖3-3，并将提拉钢丝6另一端绕过转轮10固定在微核磁传感器8的后端形成无极绳结构，将信号线9连接控制器13。
B、连接完成后设置好微核磁传感器8的射频脉冲参数；
核磁探测系统的调整过程如下：
a1.由地面指挥中心23预先设定一组核磁参数，包括采样间隔时间，累加采样次数，回波个数和放大增益系数，然后将参数以无线信号24的方式发出，信号通过5G基站22和电缆21到达井下分站20，井下分站20通过地下电缆14进一步将信息传给对应微核磁传感器8的控制器13；
a2.控制器13根据参数要求通过信号线9改变微核磁传感器8内的线圈18供电状态，从而改变微核磁传感器8发出的射频脉冲，原本在永磁铁19作用下产生的静磁场作用下发生极化的水分子受到射频脉冲的影响，而发生偏转，射频脉冲结束后，水分子在重新恢复至原始状态时，磁场的变化在线圈18中产生感应电流，从而采集到回波信号；
a3.回波信号通过信号线9传递至控制器13，并进一步传递至井下分站20，井下分站20再将信号传回5G基站22，由最终指挥中心23接收信号，指挥中心23得到回波信息，通过相应的反演方法得出回波信息的质量；
a4.指挥中心23根据回波结果进一步调整参数，重复步骤a1～a3实现核磁探测信号参数的调整，每一个微核磁传感器8的参数均按照此步骤调节，直至参数合适。
C、微核磁传感器8的调整好后，开始监测；
钻孔2全长度煤岩含水量的监测的监测过程如下：
b1.转动转轮10将微核磁传感器8置于钻孔2内玻纤筒3的底部，并不接触固定圆环5；
b2.由指挥中心23发出监测信号，信号依次通过5G基站22，电缆21，井下主站20，井下电缆14至控制器13，控制器13控制微核磁传感器周期性的发射射频脉冲和采集数据，采集的数据原路返回值指挥中心23；
b3.指挥中心23获取实时回波信号，并根据核磁共振原理将信号反演成含水量信息；
b4.间隔一段时间转动轮转10调整微核磁传感器8移动到另一个测点处，并做好相关记录，如此班循环调整微核磁传感器8的位置，实现钻孔2全长度煤岩含水量的监测；
D、在钻场12打垂直钻孔2安装核磁探测系统，能够监测顶板岩层的含水量变化；向底板打钻孔2安装核磁探测系统能够监测底板岩层的含水量变化情况；向煤层内打钻孔2安装核磁探测系统能够监测煤层含水量变化，向在地质勘探中遇到的地质构造异常区布置传感器，可监测地质异常区的含水量变化。每隔100m布置一个钻场，实现矿井各岩层含水量信息的三维立体监测。
Claims (10)
1.一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：它包括设置在煤层(1)中的核磁探测系统，核磁探测系统通过井下电缆(14)连接有井下分站(20)，井下分站(20)通过电缆(21)与设置在地面的地面基站(22)连接，地面基站(22)通过无线信号(24)与指挥中心(23)连接；
所述核磁探测系统包括玻纤筒(3)，玻纤筒(3)内设有微核磁传感器(8)，微核磁传感器(8)通过提拉钢丝(6)与设置在玻纤筒(3)外侧的转轮(10)相连接，其中微核磁传感器(8)还通过信号线(9)连接有设置在玻纤筒(3)外侧的核磁控制器(13)，控制器(13)用以控制微核磁传感器(8)所发射的射频脉冲和回波信号的采集。
2.根据权利要求1所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：所述玻纤筒(3)为长度可调的密封结构，包括多节能够首位连接的连接玻纤筒(3-2)，连接玻纤筒(3-2)的底部设有玻纤筒底部(3-1)，顶部设有玻纤筒顶盖(3-3)，其中连接玻纤筒(3-2)的数量根据需要设定，通过加减连接玻纤筒(3-2)改变玻纤筒(3)的长度，其中连接玻纤筒(3-2)之间以及玻纤筒底部(3-1)和玻纤筒顶盖(3-3)通过螺纹(7)连接；玻纤筒(3)内侧与微核磁传感器(8)外侧之间等间距设有四组支撑台(4)，便于微核磁传感器(8)在玻纤筒(3)内滑动。
3.根据权利要求2所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：微核磁传感器(8)前端和后端均覆盖有垫块(15)，微核磁传感器(8)的前端设有用以连接提拉钢丝(6)的固定扣(17)，微核磁传感器(8)的后端连接有信号线(9)，信号线(9)延伸出玻纤筒(3)。
4.根据权利要求3所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：所述玻纤筒底部(3-1)内测设有固定圆环(5)，微核磁传感器(8)前端连接的提拉钢丝(6)穿过固定圆环(5)后反向穿出玻纤筒(3)，出玻纤筒(3)的提拉钢丝(6)绕在转轮(10)之后再返回玻纤筒(3)与微核磁传感器(8)后端连接，使微核磁传感器(8)通过提拉钢丝(6)绕在转轮(10)与固定圆环(5)之间，转轮(10)配合提拉钢丝(6)实现微核磁传感器(8)在玻纤筒(3)内的往返移动。
5.根据权利要求3所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：所述微核磁传感器(8)包括设置在微核磁传感器壳体内的永磁铁(19)和信号接收器，永磁铁(19)外侧缠绕有线圈(18)。
6.根据权利要求2所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：所述玻纤筒(3)内直径100mm，外直径110mm，玻纤筒底部(3-1)长度为0.3m，每节连接玻纤筒(3-2)长度为1m，玻纤筒顶盖(3-3)长度为0.5m。
7.根据权利要求1所述的基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统，其特征在于：所述钻孔(2)为长距离钻孔，钻孔方向根据需求和地质情况制定，钻孔直径为113mm。
8.一种基于核磁传感器的煤矿井下含水量实时监测系统的监测方法，其特征在于步骤如下：
A、在煤巷(11)掘进过程中布置钻场(12)，根据监测需要，向掘进面前方、煤层(1)中、煤层顶底板中打直径为113mm的钻孔(2)，之后使用提拉钢丝(6)固定在微核磁传感器(8)前端的固定扣(17)上，并将提拉钢丝(9)穿过玻纤筒底部(3-1)的固定圆环(5)，在玻纤筒底部(3-1)上安装连接玻纤筒(3-1)同时将安装好的玻纤筒部分向钻孔(2)中安装，通过螺纹(7)把连接玻纤筒(3-2)依次连接起来，在连接玻纤筒(3-2)的连接过程中，将微核磁传感器(8)上连接的提拉钢丝(6)和信号线(9)穿过玻纤筒(3)，最后一节连接玻纤筒顶盖(3-3)，并将提拉钢丝(6)另一端绕过转轮(10)固定在微核磁传感器(8)的后端形成无极绳结构，将信号线(9)连接控制器(13)。
B、连接完成后设置好微核磁传感器(8)的射频脉冲参数；
C、微核磁传感器(8)的调整好后，开始监测；
D、在钻场(12)打垂直钻孔(2)安装核磁探测系统，能够监测顶板岩层的含水量变化；向底板打钻孔(2)安装核磁探测系统能够监测底板岩层的含水量变化情况；向煤层内打钻孔(2)安装核磁探测系统能够监测煤层含水量变化，向在地质勘探中遇到的地质构造异常区布置传感器，可监测地质异常区的含水量变化。每隔100m布置一个钻场，实现矿井各岩层含水量信息的三维立体监测。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于核磁探测系统的调整过程如下：
a1.由地面指挥中心(23)预先设定一组核磁参数，包括采样间隔时间，累加采样次数，回波个数和放大增益系数，然后将参数以无线信号(24)的方式发出，信号通过5G基站(22)和电缆(21)到达井下分站(20)，井下分站(20)通过地下电缆(14)进一步将信息传给对应微核磁传感器(8)的控制器(13)；
a2.控制器(13)根据参数要求通过信号线(9)改变微核磁传感器(8)内的线圈(18)供电状态，从而改变微核磁传感器(8)发出的射频脉冲，原本在永磁铁(19)作用下产生的静磁场作用下发生极化的水分子受到射频脉冲的影响，而发生偏转，射频脉冲结束后，水分子在重新恢复至原始状态时，磁场的变化在线圈(18)中产生感应电流，从而采集到回波信号；
a3.回波信号通过信号线(9)传递至控制器(13)，并进一步传递至井下分站(20)，井下分站(20)再将信号传回5G基站(22)，由最终指挥中心(23)接收信号，指挥中心(23)得到回波信息，通过相应的反演方法得出回波信息的质量；
a4.指挥中心(23)根据回波结果进一步调整参数，重复步骤a1～a3实现核磁探测信号参数的调整，每一个微核磁传感器(8)的参数均按照此步骤调节，直至参数合适。
10.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于钻孔(2)全长度煤岩含水量的监测的监测过程如下：
b1.转动转轮(10)将微核磁传感器(8)置于钻孔(2)内玻纤筒(3)的底部，并不接触固定圆环(5)；
b2.由指挥中心(23)发出监测信号，信号依次通过5G基站(22)，电缆(21)，井下主站(20)，井下电缆(14)至控制器(13)，控制器(13)控制微核磁传感器周期性的发射射频脉冲和采集数据，采集的数据原路返回值指挥中心(23)；
b3.指挥中心(23)获取实时回波信号，并根据核磁共振原理将信号反演成含水量信息；
b4.间隔一段时间转动轮转(10)调整微核磁传感器(8)移动到另一个测点处，并做好相关记录，如此班循环调整微核磁传感器(8)的位置，实现钻孔(2)全长度煤岩含水量的监测。
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