煤矿动力灾害多因素耦合监测装置、系统及方法

1.本发明涉及煤炭地下开采动力灾害监测技术领域，特别是涉及煤矿动力灾害多因素耦合监测装置、系统及方法。


背景技术：

2.随着煤炭开采深度的增加，煤岩体瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力逐渐增大。
3.煤炭地下开采过程中井下煤岩体内瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力是影响煤矿生产安全的重要因素。研究表明，煤炭深部开采冲击地压等动力灾害的发生与煤岩体物理力学性质密不可分，与地温和煤岩体赋存状态有关，是煤岩体瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力耦合作用的结果。煤岩体瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力的各种异常变化蕴含着动力灾害发生的前兆信息，同时，瓦斯压力、瓦斯流量又受到地温和地应力的影响。因此，对煤炭开采过程中井下煤岩体瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度、地应力在多场耦合作用下的有效测试，能够有效提高煤矿动力灾害发生前兆信息的捕捉与分析，对于分析与预测煤炭深部开采诱发的动力灾害，具有重要意义与应用前景。
4.现有的设备与技术无法同时测试煤炭地下开采煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数，导致目前对于煤炭深部开采多场耦合作用下动力灾害发生机理认识不足。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了煤矿动力灾害多因素耦合监测装置、系统及方法，可以解决同时测试煤炭地下开采煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力的耦合测试的问题。
6.本发明采用的技术方案在于：
7.煤矿动力灾害多因素耦合监测装置，包括圆柱体载体、瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器、数据采集仪、数据传输线路、金属管、透气圆盘一、透气圆盘二、正方形孔、钢板、瓦斯管、瓦斯管阀门和聚氨酯层；
8.所述圆柱体载体左侧开口右侧封闭，内部为空心结构，所述圆柱体载体中部开有正方形孔，所述圆柱体载体左侧开口处用聚氨酯层封口，所述地应力传感器、瓦斯压力传感器和温度传感器固定在金属管上，所述地应力传感器的底部与金属管连接，探测方向对应正方形孔，金属管通过透气圆盘一和透气圆盘二固定在圆柱体载体的内部，金属管靠近右侧的一端嵌入于右侧，不贯穿右侧；地应力传感器位于圆柱体载体中部正方形孔处，地应力传感器与钢板焊接连接，钢板置于探测方向，钢板位于圆柱体载体中部的正方形孔内，钢板与正方形孔之间有一定的空隙，钢板超出圆柱体载体外平面；所述瓦斯压力传感器靠近圆柱体载体出口处，温度传感器位于圆柱体载体右侧，所述瓦斯流量传感器与瓦斯管连接，瓦斯管与圆柱体载体外部连通，并在外部设置有瓦斯管阀门，数据采集仪的输入端通过布置
在金属管内的数据传输线路的不同数据线与瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器和地应力传感器连接。
9.煤矿动力灾害多因素耦合监测系统，包括瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器、数据采集仪、主控制单元、电源、分站；所述主控制单元包括a/d转换电路、cpu处理器、程序存储器、显示器、数据存储器、通讯电路、操作键盘和信号输出接口；
10.所述瓦斯压力传感器、瓦斯流量传感器、温度传感器、地应力传感器的输出端分别与数据采集仪的输入端连接，数据采集仪的输出端依次连接a/d转换电路和cpu处理器，程序存储器与cpu处理器连接，所述cpu处理器的输出端分别与显示器、数据存储器、通讯电路、操作键盘和信号输出接口的输入端连接；信号输出接口的输出端与分站连接，电源与系统的所有模块连接；
11.所述瓦斯压力传感器，用于采集瓦斯压力信息；
12.所述瓦斯流量传感器，用于采集瓦斯流量信息；
13.所述温度传感器，用于采集温度信息；
14.所述地应力传感器，用于采集地应力信息；
15.所述数据采集仪，用于接收所述瓦斯压力传感器、所述瓦斯流量传感器、所述温度传感器和所述地应力传感器的信号，并做相应的处理后输出给所述a/d转换电路；
16.所述a/d转换电路，用于将模拟信号转换成数字信号；
17.所述cpu处理器，用于处理整个系统输入和输出的信息；
18.所述程序存储器，用于储存系统工作时调用的系统程序；
19.所述显示器，用于显示数据波形信息，软件操作界面；
20.所述数据存储器，用于存储系统工作生成的数据；
21.所述通讯电路，用于与外接设备进行通讯；
22.所述操作键盘，用于控制操作系统；
23.所述信号输出接口，用于与分站通讯；
24.所述电源，用于给整个系统的所有模块供电；
25.所述分站，用于远程显示数据。
26.煤矿动力灾害多因素耦合监测方法，包括以下步骤：
27.步骤s1、在煤岩体内布置测试孔，根据实际需要设置测试孔的方位和深度；
28.步骤s2、将煤矿动力灾害多因素耦合监测装置的圆柱体载体放入测试孔内，将正方形孔的垂直方向作为拟测试地应力的方向，根据不同地应力测试方向调整圆柱体载体正方形孔的方位；
29.步骤s3、将瓦斯管和金属管引出至测试孔外部，将瓦斯管连接瓦斯管阀门，将金属管内的数据传输线路与数据采集仪连接；
30.步骤s4、固定圆柱体载体，并封闭测试孔，保证圆柱体载体的方位和稳定性以及测试孔的良好气密性；
31.步骤s5、关闭瓦斯管阀门，开启数据采集仪，通过瓦斯压力传感器、温度传感器和地应力传感器测试所述测试孔内的煤岩体瓦斯压力、温度和地应力，经数据采集仪接收、处理以及传输煤岩体瓦斯压力、温度和地应力数据，将数据传输至主控制单元进行数据处理，处理后的信息由显示器实时显示数据并由数据存储器将数据存储，并将信息输送至分站；
32.步骤s6、当需要采集瓦斯流量数据时，打开瓦斯管阀门，开启数据采集仪，通过瓦斯管排放瓦斯气体，通过瓦斯流量传感器感应瓦斯的流量，数据采集仪采集瓦斯流量、瓦斯压力、温度和地应力信号并处理以及传输，显示器实时显示数据并由数据存储器将数据存储，并将信息输送至分站。
33.本发明的有益效果是：
34.1、可同时测量多场耦合作用下煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数，减少了煤矿井下煤岩体参数多钻孔测试的钻孔成本、劳动工序和工作量。
35.2、实现煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力参数数据的动态变化监测与储存，为煤矿动力灾害机理研究提供基础研究数据统计与分析，为煤矿动力灾害研究提供监测信息。
附图说明
36.图1为煤矿动力灾害多因素耦合监测装置的结构示意图；
37.图2为图1中装置的透气圆盘的结构示意图；
38.图3为煤矿动力灾害多因素耦合监测系统的结构框图；
39.图4为煤矿动力灾害多因素耦合监测方法的流程图；
40.图5为图1中装置的地应力传感器的安装结构示意图；
41.图中：1-圆柱体载体，2-瓦斯压力传感器，3-瓦斯流量传感器，4-温度传感器，5-地应力传感器，6-数据采集仪，7-数据传输线路，8-金属管，9-透气圆盘一，10-透气圆盘二，11-正方形孔，12-钢板，13-瓦斯管，14-瓦斯管阀门，15-聚氨酯层，16-a/d转换电路，17-cpu处理器，18-程序存储器，19-显示器，20-数据存储器，21-通讯电路，22-操作键盘，23-信号输出接口，24-电源，25-分站，26-主控制单元。
具体实施方式
42.本实施例的目的是提供一种能够同时测试煤炭地下开采煤岩体的瓦斯压力、瓦斯流量、温度和地应力的耦合测试装置及方法。
43.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
44.如图1和2所示，一种煤炭地下开采煤岩体多场耦合测试装置，包括圆柱体载体1、瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4、地应力传感器5和数据采集仪6，其中：
45.所述圆柱体载体1由钢构件一体成型制成，左侧开口，内部为空心结构，中部开有正方形孔11，左侧开口处用聚氨酯层15封口；所述圆柱体载体1外圆周直径50mm，长度200mm，厚度4mm。
46.所述地应力传感器5、瓦斯压力传感器2和温度传感器4固定在金属管8上，地应力传感器5的底部与金属管8连接，探测方向对应正方形孔11，金属管8通过透气圆盘一9和透气圆盘二10固定在圆柱体载体1的内部，金属管8靠近右侧的一端嵌入于右侧，不贯穿右侧。
47.其中：地应力传感器5位于圆柱体载体1中部正方形孔11处，正方形孔11尺寸为10mm
×
10mm，地应力传感器5与6mm
×
6mm钢板12焊接连接，钢板置于探测方向，钢板12位于圆柱体载体1中部的正方形孔11内，保证钢板12与正方形孔11之间有一定的空隙用于瓦斯气体流通，并且钢板12超出圆柱体载体1外平面2mm；
48.所述瓦斯压力传感器2靠近圆柱体载体1出口处，位于远离正方形孔处，处于瓦斯压力稳定区域。温度传感器4位于圆柱体载体1右侧；
49.所述瓦斯流量传感器3与瓦斯管13连接，瓦斯管13与圆柱体载体1外部连通，并在外部设置有瓦斯管阀门14。
50.如图1和3所示，本实施例包括瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4、地应力传感器5、数据采集仪6、主控制单元26、分站25和电源24。主控制单元26包括a/d转换电路16、cpu处理器17、程序存储器18、显示器19、数据存储器20、通讯电路21、操作键盘22和信号输出接口23。
51.数据采集仪6的输入端通过布置在金属管8内的数据传输线路7的不同数据线与瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4和地应力传感器5的输出端连接。所述数据采集仪6的输出端与a/d转换电路16的输入端连接，a/d转换电路16的输出端与cpu处理器17的输入端连接，cpu处理器17的输入端接有程序存储器18、cpu处理器17的输出端依次连接显示器19、数据存储器20、通讯电路21、操作键盘22和信号输出接口23的输入端。信号输出接口23与分站25连接，电源24与系统中所有模块连接为其供电。
52.所述瓦斯压力传感器2，用于采集瓦斯压力信息。
53.所述瓦斯流量传感器3，用于采集瓦斯流量信息。
54.所述温度传感器4，用于采集温度信息。
55.所述地应力传感器5，用于采集地应力信息。
56.所述数据采集仪6，用于接收所述瓦斯压力传感器2、所述瓦斯流量传感器3、所述温度传感器4和所述地应力传感器5的信号，并做相应的处理后输出给所述a/d转换电路16。
57.所述a/d转换电路16，用于将模拟信号转换成数字信号。
58.所述cpu处理器17，用于处理整个系统输入和输出的信息。
59.所述程序存储器18，用于储存系统工作调用的系统程序。
60.所述显示器19，用于显示数据波形信息，软件操作界面。
61.所述数据存储器20，用于存储系统工作生成的数据。
62.所述通讯电路21，用于与外接设备进行通讯。
63.所述操作键盘22，用于控制操作系统。
64.所述信号输出接口23，用于与分站25通讯。
65.所述电源24，用于给整个系统的所有模块供电。
66.所述分站25，用于远程显示数据。
67.瓦斯压力传感器2、瓦斯流量传感器3、温度传感器4和地应力传感器5将信号传递给数据采集仪6，由数据采集仪6进行采集处理，然后数据采集仪6将信号传递给a/d转换电路16，a/d转换电路16将模拟信号转换成数字信号传递给cpu处理器17，cpu处理器17通过调用程序存储器18的程序，对信号信息进行处理，将处理后的数据存储于数据存储器20，通过操作键盘22控制系统软件界面操控其功能，通过显示器19显示数据处理结果及波形等信息，通讯电路21用于与外接设备进行通讯传递数据，所述信号输出接口23用于与分站25连接用于数据信息通信，所述电源24用于供电。
68.如图4所示，本实施例使用上述测试装置测试煤炭地下开采煤岩体多场耦合下瓦斯气体压力、瓦斯流量、温度和地应力的方法，包括下述步骤：
69.(1)在煤岩体内布置测试孔，根据实际需要测试孔可选择不同方位和深度，施工完成后，孔内清理干净；
70.(2)将煤矿动力灾害多因素耦合监测装置的圆柱体载体1放入测试孔内，将正方形孔11的垂直方向作为拟测试地应力的方向，根据不同地应力测试方向调整圆柱体载体正方形孔11的方位；
71.(3)将瓦斯管13和金属管8引出至测试孔外部，瓦斯管13连接瓦斯管阀门14，金属管8内的数据传输线路7与数据采集仪6连接；
72.(4)为了保证圆柱体载体1的方位和稳定性以及测试孔的良好气密性，固定圆柱体载体1，并封闭测试孔；
73.(5)关闭瓦斯管阀门14，开启数据采集仪6，通过瓦斯压力传感器2、温度传感器4和地应力传感器5测试所述测试孔内的煤岩体瓦斯压力、温度和地应力，经数据采集仪6接收、处理以及传输煤岩体瓦斯压力、温度和地应力数据，将数据传输至主控制单元26进行数据处理，处理后的信息由显示器19实时显示数据并由数据存储器20将数据存储，并将信息输送至分站25；
74.(6)当需要采集瓦斯流量数据时，打开瓦斯管阀门14，开启数据采集仪6，通过瓦斯管13排放瓦斯气体，通过瓦斯流量传感器3感应瓦斯的流量，数据采集仪6采集瓦斯流量、瓦斯压力、温度和地应力信号并处理以及传输，显示器19实时显示数据并由数据存储器20将数据存储，并将信息输送至分站25。