CN114323148A - 一种基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其包括光纤水位探测装置、光纤瓦斯探测装置和光纤振动通讯装置；光纤水位探测装置包括第一光纤、第一光源装置和第一信号处理装置，第一光纤呈正弦波或三角波形状沿矿井巷道延伸；光纤瓦斯探测装置包括第二光纤、第二光源装置、第二信号处理装置和串联在第二光纤上的若干个光栅传感装置；光纤振动通讯装置包括第三光纤、第三光源装置、第三信号处理装置和振动器。本发明能在发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致井下电源被切断情况下，对矿井巷道全域进行水位、瓦斯浓度探测，全面准确的掌握灾害情况，并能让井下被困人员通过振动光纤向外界发送求救信号和对被困人员位置进行定位。
Description
技术领域
本发明涉及矿井灾害探测技术领域，特别涉及一种矿井灾害探测及通讯系统。
背景技术
煤炭是重要的战略能源，煤矿开采中随着优质浅埋藏煤层开采殆尽，煤矿开采进入深部，煤矿灾害频率会随之增加。
目前煤矿灾害监测主要是电感式、点式监测为主，但矿井水灾、瓦斯爆炸灾害发生将引发井下通讯瘫痪、供电中断，监测设备将会失去作用，导致无法探测井下水情、各个巷道水位及瓦斯浓度情况。
并且目前的井下人员定位多依靠井下分站和井下人员随身的无线标签，但瓦斯与水灾事故发生后井下断电，分站无法工作，使得救援人员无法确定被困人员的具体位置，通讯中断会极大降低被困人员的生还几率。因此，传统的井下人员定位技术在灾后应急救援中存在劣势。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，以解决在井下发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致电源被切断情况下，对矿井巷道全域进行水位、瓦斯浓度探测的技术问题，以及解决井下被困人员与外界进行通讯及对被困人员进行定位的技术问题。
本发明基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统包括光纤水位探测装置、光纤瓦斯探测装置和光纤振动通讯装置；
所述光纤水位探测装置包括第一光纤、向第一光纤发射探测光信号的第一光源装置和处理第一光纤传回的反射光信号的第一信号处理装置，所述第一光纤布置在矿井巷道壁上，且第一光纤呈正弦波或三角波形状沿矿井巷道延伸；
所述光纤瓦斯探测装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第二光纤、向第二光纤发射探测光信号的第二光源装置、处理第二光纤传回的反射光信号的第二信号处理装置和串联在第二光纤上的若干个用于探测瓦斯浓度的光栅传感装置；
所述光纤振动通讯装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第三光纤、向第三光纤发射探测光信号的第三光源装置、处理第三光纤传回的反射光信号的第三信号处理装置和用于振动第三光纤以产生具有稳定频率的振动信号的振动器。
进一步，所述第一光纤的波峰靠近巷道的顶部布置，第一光纤的波谷靠近巷道的底部布置。
进一步，所述光栅传感装置包括底座、光耦合器、布拉格光栅传感器、光纤弹性护套和防爆护罩，所述底座固定在巷道壁上；
所述光耦合器包括固定在底座上的耦合座、通过螺钉固定在耦合座上的耦合盖和对耦合座和耦合盖进行定位的定位销，耦合座和耦合盖上分别设置有同轴布置的左圆弧槽、中间圆弧槽和右圆弧槽，耦合座和耦合盖上还分别设置有通气槽孔，所述通气槽孔位于中间圆弧槽和左圆弧槽之间以及中间圆弧槽和右圆弧槽之间，所述光耦合器还包括遮挡在通气槽孔上的防尘透气层；
所述布拉格光栅传感器设置在中间圆弧槽中，与拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别设置在左圆弧槽和右圆弧槽中；
所述底座的两端具有固定光纤弹性护套的凸块，与布拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别穿过光纤弹性护套后插入左圆弧槽和右圆弧槽；
所述防爆护罩固定在底座上，且防爆护罩罩在光耦合器外，防爆护罩的两端具有卡在光纤弹性护套上的U形槽。
进一步，所述振动器包括外壳、位于外壳中且两端与外壳转动配合的轮轴、设置在轮轴上的转轮、设置在轮轴外圆柱面上的至少一根用于敲击光纤的敲击杆和驱动轮轴旋转的驱动机构，所述敲击杆包括敲击头和连接敲击头与转轮的弹性棒，所述外壳的下端设置有用于卡在光纤外的U形槽。
进一步，所述驱动机构包括设置在外壳内的电机、对电机供电的电池和设置在外壳上控制电机转速的调速开关；或者所述驱动机构为设置在外壳外并与轮轴连接的手柄。
本发明的有益效果：
1、本发明基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其能在发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致井下电源被切断情况下，对矿井巷道全域进行水位、瓦斯浓度探测，全面准确的掌握灾害情况，避免了现有煤矿监测装置在井下断电后无法工作的技术问题。
2、本发明基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，在发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致井下电源被切断情况下，井下被困人员能通过振动器以稳定频率振动光纤，振动器产生的稳定频率的振动信号能与其它振动信号区别开来，从而让井下被困人员通过振动光纤向外界发送求救信号成为可能；同时通过第三信号处理装置对第三光纤传回的反射光信号处理，能得到振动信号发生的位置，从而能实现对被困人员位置进行定位。
3、本发明基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其不仅能探测矿井巷道全区域内的瓦斯浓度情况，而且其光栅传感装置具有良好的防尘、防爆炸冲击、防火防高温功能，能保证光纤布拉格光栅传感器在矿井复杂环境下长期稳定工作。
附图说明
图1为基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统的结构示意图；
图2为光纤水位探测装置的结构示意图；
图3为光纤温度传感原理图；
图4为由第一信号处理装置得到的温度变化与光纤距离的曲线关系图；
图5为水平巷道中水位高度计算原理图；
图6为光纤瓦斯探测装置的结构示意图；
图7为光栅传感装置的立体结构示意图；
图8为耦合座设置在底座上的立体结构示意图；
图9为布拉格光栅传感器及光纤端部设置在光耦合器中的立体示意图；
图10为耦合盖通过螺钉连接在耦合座上的立体示意图；
图11为防尘透气层设置在光耦合器上的立体示意图；
图12为光纤振动通讯装置的结构示意图；
图13为振动器卡在光纤上的立体结构示意图；
图14为振动器内部转轮及敲击杆的立体示意图；
图15为振动器内部驱动机构的立体示意图；
图16为振动器的驱动机构为手柄的立体示意图。
具体实施方式
本实施例中基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统包括光纤水位探测装置、光纤瓦斯探测装置和光纤振动通讯装置。
所述光纤水位探测装置包括第一光纤1、向第一光纤发射探测光信号的第一光源装置2和处理第一光纤传回的反射光信号的第一信号处理装置3，所述第一光纤布置在矿井巷道壁上，且第一光纤呈正弦波或三角波形状沿矿井巷道延伸。本实施例中第一信号处理装置包括DTS光纤感测系统。
本实施例中光纤水位探测装置的工作原理如下：
第一步：在井下发生水灾断电后，通过第一光源装置2向第一光纤发射探测光脉冲，并通过第一信号处理装置3对第一光纤传回的反射光脉冲进行处理，得到温度变化与光纤距离关系图。利用光纤探测温度的基本原理如下：
式中，R(T)为温度变化，Is和Ias分别为斯托克斯光的强度和反斯托克斯光的强度，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，△v为拉曼频移，T为绝对温度，Vs、Vas分别为斯托克斯光的散射频率和反斯托克斯光的散射频率。
再根据光脉冲的传输时间及光速，即可知道温度突变信号与光纤距离的关系。
第二步：在温度变化与光纤距离关系图上选择一个温度突变信号，根据温度变化与光纤距离关系图判断产生温度突变信号的光纤段在矿井巷道中的位置：
情况一：若该温度突变信号产生在水平巷道中，则根据所选择的温度突变信号的波形起点对应的光纤距离L1和波形终点对应的光纤距离L2，通过公式L＝L1-L2计算得到巷道壁上因被水淹没而产生该温度突变信号的光纤段的长度L，再根据公式
计算得到该温度突变信号所对应巷道部位的水位高度H，式中h1为产生该温度突变信号的巷道壁上光纤的波形底部距巷道底面的高度，h2为产生该温度突变信号的巷道的底面距水位为0的基准平面的高度，θ为光纤在巷道壁上的布置倾角。
情况二：若该温度突变信号产生在倾斜巷道中，则根据该温度突变信号的波形波形终点对应的光纤距离L3和该倾斜巷道低端对应的光纤距离L4，并根据公式L5＝(L3-L4)×cosθ计算得到被水淹没的倾斜巷道的长度L5,再根据公式H1＝L5×sinα+h3得到倾斜巷道中的水位H1，α为倾斜巷道相对于水平面的倾斜角度，h3倾斜巷道的低端距水位为0的基准平面的高度。
本实施例中，所述第一光纤的波峰靠近巷道的顶部布置，第一光纤的波谷靠近巷道的底部布置，探测范围大。当然在具体实施中，光纤的波峰距离巷道的顶部的位置和光纤的波谷距离巷道底部的位置可根据需要调整。
所述光纤瓦斯探测装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第二光纤4、向第二光纤发射探测光信号的第二光源装置5、处理第二光纤传回的反射光信号的第二信号处理装置6和串联在第二光纤上的若干个用于探测瓦斯浓度的光栅传感装置7。本实施例中第二光源装置包括FBG光纤光栅解调仪。
所述光纤振动通讯装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第三光纤8、向第三光纤发射探测光信号的第三光源装置9、处理第三光纤传回的反射光信号的第三信号处理装置10和用于振动第三光纤以产生具有稳定频率的振动信号的振动器11。本实施例中第三信号处理装置包括DAS光纤感测系统。
采用光纤振动通讯装置进行通讯的方法如下：
1)通过第三光源装置向第三光纤发射光脉冲；
2)井下被困人员通过振动器以稳定频率振动第三光纤，以使第三光纤内反向散射的光携带对应频率的振动信号；每种固定频率振动信号所代表的语义信息预先编码确定；
3)通过第三信号处理装置对光纤传回的反向散射光进行处理，解调出振动信号及振动信号所代表的语义，并根据如下公式确定被困人员位置：
式中，D为振动事件发生点与相干光源之间的距离，C为光速，n为光纤的折射率，t为光在事件发生点与光源间的来回传输的时间。
本实施例中基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其能在发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致井下电源被切断情况下，对矿井巷道全域进行水位、瓦斯浓度探测，全面准确的掌握灾害情况，避免了现有煤矿监测装置在井下断电后无法工作的技术问题。
且本实施例中基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，在发生矿井透水、瓦斯爆炸等灾害导致井下电源被切断情况下，井下被困人员能通过振动器以稳定频率振动光纤，振动器产生的稳定频率的振动信号能与其它振动信号区别开来，从而让井下被困人员通过振动光纤向外界发送求救信号成为可能；同时通过第三信号处理装置对第三光纤传回的反射光信号处理，能得到振动信号发生的位置，从而能实现对被困人员位置进行定位。
本实施例中所述光栅传感装置7包括底座71、光耦合器、布拉格光栅传感器72、光纤弹性护套73和防爆护罩74，所述底座通过锚钉固定在巷道壁上。
所述光耦合器包括固定在底座上的耦合座75、通过螺钉固定在耦合座上的耦合盖76和对耦合座和耦合盖进行定位的定位销77，耦合座和耦合盖上分别设置有同轴布置的左圆弧槽78、中间圆弧槽79和右圆弧槽710，耦合座和耦合盖上还分别设置有通气槽孔711，所述通气槽孔位于中间圆弧槽和左圆弧槽之间以及中间圆弧槽和右圆弧槽之间，所述光耦合器还包括遮挡在通气槽孔上的防尘透气层712。
所述布拉格光栅传感器设置在中间圆弧槽中，与拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别设置在左圆弧槽和右圆弧槽中。
所述底座的两端具有固定光纤弹性护套的凸块，与布拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别穿过光纤弹性护套后插入左圆弧槽和右圆弧槽。
所述防爆护罩固定在底座上，且防爆护罩罩在光耦合器外，防爆护罩的两端具有卡在光纤弹性护套上的U形槽。
本实施例中的光栅传感装置具有良好的防尘、防爆炸冲击、防火防高温功能，能保证光纤布拉格光栅传感器在矿井复杂环境下长期稳定工作。
本实施例中的振动器11包括外壳111、位于外壳中且两端与外壳转动配合的轮轴112、设置在轮轴上的转轮113、设置在轮轴外圆柱面上的至少一根用于敲击光纤的敲击杆和驱动轮轴旋转的驱动机构，所述敲击杆包括敲击头114和连接敲击头与转轮的弹性棒115，所述外壳的下端设置有用于卡在光纤外的U形槽116。本实施例中，所述驱动机构包括设置在外壳内的电机117、对电机供电的电池118和设置在外壳上控制电机转速的调速开关119。将振动器卡在第三光纤上，通过调速开关开启电机，电机驱动转轮以一定速度旋转，即能使敲击杆以一定频率敲击第三光纤，进而能使第三光纤传回的反射光信号中携带该频率的振动信号。并且通过调速开关能改变敲击杆敲击光纤的频率，从能发送代表不同信息的振动信号，通过信号处理装置对光纤传回的信号进行处理，即可知道井下被困人员的更多信息。当然在不同实施例中，所述驱动机构还可为其它形式，如驱动机构还可为设置在外壳外并与轮轴连接的手柄120，通过手柄平稳转动转轮，也能实现振动光纤发送稳定频率振动信号。
本实施例中振动器结构简单，便于井下人员随声携带，同时也可沿第三光纤布置在巷道壁上。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其特征在于：包括光纤水位探测装置、光纤瓦斯探测装置和光纤振动通讯装置；
所述光纤水位探测装置包括第一光纤、向第一光纤发射探测光信号的第一光源装置和处理第一光纤传回的反射光信号的第一信号处理装置，所述第一光纤布置在矿井巷道壁上，且第一光纤呈正弦波或三角波形状沿矿井巷道延伸；
所述光纤瓦斯探测装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第二光纤、向第二光纤发射探测光信号的第二光源装置、处理第二光纤传回的反射光信号的第二信号处理装置和串联在第二光纤上的若干个用于探测瓦斯浓度的光栅传感装置；
所述光纤振动通讯装置包括沿矿井巷道延伸方向布置的第三光纤、向第三光纤发射探测光信号的第三光源装置、处理第三光纤传回的反射光信号的第三信号处理装置和用于振动第三光纤以产生具有稳定频率的振动信号的振动器。
2.根据权利要求1中所述的基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其特征在于：所述第一光纤的波峰靠近巷道的顶部布置，第一光纤的波谷靠近巷道的底部布置。
3.根据权利要求1中所述的基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其特征在于：所述光栅传感装置包括底座、光耦合器、布拉格光栅传感器、光纤弹性护套和防爆护罩，所述底座固定在巷道壁上；
所述光耦合器包括固定在底座上的耦合座、通过螺钉固定在耦合座上的耦合盖和对耦合座和耦合盖进行定位的定位销，耦合座和耦合盖上分别设置有同轴布置的左圆弧槽、中间圆弧槽和右圆弧槽，耦合座和耦合盖上还分别设置有通气槽孔，所述通气槽孔位于中间圆弧槽和左圆弧槽之间以及中间圆弧槽和右圆弧槽之间，所述光耦合器还包括遮挡在通气槽孔上的防尘透气层；
所述布拉格光栅传感器设置在中间圆弧槽中，与拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别设置在左圆弧槽和右圆弧槽中；
所述底座的两端具有固定光纤弹性护套的凸块，与布拉格光栅传感器两端光连接的光纤的端部分别穿过光纤弹性护套后插入左圆弧槽和右圆弧槽；
所述防爆护罩固定在底座上，且防爆护罩罩在光耦合器外，防爆护罩的两端具有卡在光纤弹性护套上的U形槽。
4.根据权利要求1中所述的基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其特征在于：所述振动器包括外壳、位于外壳中且两端与外壳转动配合的轮轴、设置在轮轴上的转轮、设置在轮轴外圆柱面上的至少一根用于敲击光纤的敲击杆和驱动轮轴旋转的驱动机构，所述敲击杆包括敲击头和连接敲击头与转轮的弹性棒，所述外壳的下端设置有用于卡在光纤外的U形槽。
5.根据权利要求1中所述的基于光纤感测的矿井多灾种综合探测及通讯系统，其特征在于：所述驱动机构包括设置在外壳内的电机、对电机供电的电池和设置在外壳上控制电机转速的调速开关；或者所述驱动机构为设置在外壳外并与轮轴连接的手柄。
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