一种模拟矿井灾后灾情探测的实验装置的制作方法

1.本发明涉及矿井灾害探测技术领域，特别涉及一种模拟矿井灾情及探测的实验装置。


背景技术：

2.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。
3.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以及各个巷道水位情况。
4.而现有技术中，利用光纤进行矿井水灾范围及水位探测还没有过相关的研究，利用光纤对矿井全域进行水灾及水位探测是否可行还有待研究，但现有技术中还缺少能实现对光纤进行水灾范围及水位探测进行研究的试验设备。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，以解决现有技术中缺少能研究用光纤探测矿井水灾范围及水位的试验设备的技术问题。
6.本发明模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，包括模拟矿井巷道，所述模拟矿井巷道包括若干不在同一水平高度的水平巷道和若干连接水平巷道的倾斜巷道，位置最低的水平巷道上设置有注水口和排水口；
7.所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括光纤、向光纤发送光脉冲的光源装置和处理光纤返回信号的信号处理装置，所述光纤布置在模拟矿井巷道的巷道壁上，且光纤呈正弦波或三角波形状沿模拟矿井巷道延伸；
8.所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括与位置最低的水平巷道连接的水位管，所述水位管与模拟矿井巷道构成连通器结构，所述水位管中设置有水位传感器。
9.进一步，所述光纤的波峰靠近模拟矿井巷道的顶部布置，光纤的波谷靠近模拟矿井巷道的底部布置。
10.本发明的有益效果：
11.本发明模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，其能通过注水口向模拟矿井巷道注水以模拟井下巷道发生水灾的情况，通过光纤、光源装置和信号处理装置构成的探测系统能研究采用呈正弦波或三角波形状布置的光纤探测巷道水灾范围及水位的情况，并能利用水位管与模拟巷道构成的连通器结构及水位传感器的检测数据验证由光纤、光源装置和信号处理装置构成的探测系统所得到的水位数据是否正确。该实验装置解决了现有技术中没有能研究用光纤探测矿井水灾范围及水灾水位的试验设备的技术问题。
附图说明
12.图1为模拟矿井灾后灾情探测的实验装置的立体结构示意图；
13.图2为模拟矿井灾后灾情探测的实验装置的内部透视示意图；
14.图3为光纤温度传感原理图；
15.图4为由信号处理装置得到的温度变化与光纤距离的曲线关系图；
16.图5为水平巷道中水位高度计算原理图。
具体实施方式
17.本实施例中模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，包括模拟矿井巷道，所述模拟矿井巷道包括若干不在同一水平高度的水平巷道1和若干连接水平巷道的倾斜巷道2，位置最低的水平巷道上设置有注水口3和排水口4。在具体实施中，水平巷道1和倾斜巷道2可采用胶水粘接、内外止口插接、法兰连接等可拆卸连接方式组装构成。
18.所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括光纤5、向光纤发送光脉冲的光源装置6和处理光纤返回信号的信号处理装置7，所述光纤布置在模拟矿井巷道的巷道壁上，且光纤呈正弦波或三角波形状沿模拟矿井巷道延伸。本实施例中，所述光纤的波峰靠近模拟矿井巷道的顶部布置，光纤的波谷靠近模拟矿井巷道的底部布置；当然在不同实施例中，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。
19.所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括与位置最低的水平巷道连接的水位管8，所述水位管与模拟矿井巷道构成连通器结构，所述水位管中设置有水位传感器9。水位传感器具体可选择电阻式液位计、超声波液位计、激光液位计等现有种类的水位传感器。
20.本实施例中模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，其能通过注水口向模拟矿井巷道注水以模拟井下巷道发生水灾的情况，通过光纤、光源装置和信号处理装置构成的探测系统能研究采用呈正弦波或三角波形状布置的光纤探测巷道水灾范围及水位的情况，并能利用水位管与模拟巷道构成的连通器结构及水位传感器的检测数据验证由光纤、光源装置和信号处理装置构成的探测系统所得到的水位数据是否正确。该实验装置能方便的对用光纤探测矿井水灾范围及水位的进行实验。
21.采用本实施例中模拟矿井灾后灾情探测的实验装置探测水位的原理如下：
22.在井下发生水灾断电后，通过光源装置6向光纤5中发射探测光脉冲，并通过信号处理装置7对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。信号处理装置7可以选择现有的分布式光纤测温系统。利用光纤探测温度的原理是已知的，基本原理如下：
[0023][0024]
式中，r(t)为温度变化，is和i
as
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、v
as
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。
[0025]
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。
[0026]
在温度变化与光纤距离关系图上选择一个温度突变信号，再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模拟矿井巷道中的位置：
[0027]
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＝l
1-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。
[0028]
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＝(l
3-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。
[0029]
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。


技术特征：
1.模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，包括模拟矿井巷道，其特征在于：所述模拟矿井巷道包括若干不在同一水平高度的水平巷道和若干连接水平巷道的倾斜巷道，位置最低的水平巷道上设置有注水口和排水口；所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括光纤、向光纤发送光脉冲的光源装置和处理光纤返回信号的信号处理装置，所述光纤布置在模拟矿井巷道的巷道壁上，且光纤呈正弦波或三角波形状沿模拟矿井巷道延伸；所述模拟矿井灾后灾情探测的实验装置还包括与位置最低的水平巷道连接的水位管，所述水位管与模拟矿井巷道构成连通器结构，所述水位管中设置有水位传感器。2.根据权利要求1中所述的模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，其特征在于：所述光纤的波峰靠近模拟矿井巷道的顶部布置，光纤的波谷靠近模拟矿井巷道的底部布置。

技术总结
本发明公开了一种模拟矿井灾后灾情探测的实验装置，包括模拟矿井巷道、光纤、光源装置和信号处理装置，模拟矿井巷道包括若干水平巷道和倾斜巷道，位置最低的水平巷道上设置有注水口和排水口；光纤布置在模拟矿井巷道的巷道壁上，且光纤呈正弦波或三角波形状沿模拟矿井巷道延伸；位置最低的水平巷道与水位管连接，水位管与模拟矿井巷道构成连通器结构，水位管中设置有水位传感器。本发明能通过注水口向模拟矿井巷道注水以模拟井下巷道发生水灾的情况，并能利用水位管与模拟巷道构成的连通器结构及水位传感器的检测数据验证由光纤、光源装置和信号处理装置构成的探测系统所得到的水位数据是否正确。位数据是否正确。位数据是否正确。


技术研发人员：魏立科 袁强 姜德义 陈结 王翀 尹慧敏 任奕玮 蒲源源
受保护的技术使用者：北京景通科信科技有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/4/5