本发明涉及一种煤层瓦斯压力采集装置，尤其涉及一种用于煤层瓦斯动态压力测量的光纤传感阵列。
背景技术：
煤炭能源长期占据我国能源生产和消费的主导地位，但是煤层瓦斯时刻威胁着作业人员的生命和生产系统的安全，瓦斯灾害事故的防治是煤矿安全生产的重中之重。受煤层地压和煤层地质条件的影响，煤炭生产过程中，煤层瓦斯压力动态变化，如果监测和处理不到位随时有瓦斯突出和瓦斯爆炸的危险。煤层瓦斯压力的实时评测则是辨识和预防瓦斯灾害的“避雷针”，其测定工作是一切瓦斯防治措施的基础。
关于研究煤与瓦斯突出问题，仅凭某一点瓦斯压力测量值来做出煤与瓦斯突出预测、预警是很片面的，不具有说服力，生产中需要根据生产煤层瓦斯分布的特点，通过测量和评估掌握煤层瓦斯运动、动态分布和变化情况，为工作面安全生产和瓦斯突出预测和防突措施开展提供依据。因此，做好井下生产区域煤层的瓦斯动态压力的测量和实时评估是保证生产安全的重要举措。
煤层瓦斯动态压力测定的精确性、全面性、高效性对煤炭生产安全来说具有重要的意义，传统的电子压力表在瓦斯压力检测方面，简便快捷，应用广泛，但是随着科学技术的进步会发现压力表测压仍存在一些不足：由于其示值准确性依靠人工读数而得不到保证；获取数据点比较单一化，对煤层区域瓦斯动态压力的分布监测技术难度比较大，未曾有人采用。
现有的瓦斯压力测量方案主要存在如下几种:
1、瓦斯压力直接测量法
通过使用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定煤层瓦斯探测点钻孔，然后在钻孔中引出测压管，再将钻孔严密封孔，通过读取测压管上压力表的读数确定出瓦斯压力。
2、瓦斯压力间接测量法
利用瓦斯的一些物理特性推断出瓦斯压力，如通过直接测定瓦斯流量来推测瓦斯压力。
3、自钻式煤层瓦斯压力原位测定法
该装置能够在不抽出钻杆的前提下，实现煤层瓦斯压力的测定，重点用于钻孔易塌、易堵的松软煤层，这相对于传统的测定方法，可有效减少测定工作量，提高煤炭生产效率。
现有的瓦斯压力测量方案，由于受到煤层瓦斯压力采集装置的限制，存在以下缺点:
1、电子压力测量仪器和非电子压力测量仪器，读数需要靠人工读取，操作不方便，由于井下作业环境较为恶劣，当压力测试点较多时，压力测试变得十分繁琐；
2、仅能获得某一时段、某一位置的单一的煤层瓦斯压力数据，通过多点离散测量估计瓦斯压力情况，无法实时测量煤层瓦斯的动态压力状况；
3、测试过程中必须对压力表贴标签进行标识以及并记录相应位置点测量参数，由于环境恶劣压力表标签经常遗失或损坏，导致不能确定压力值对应的具体位置；也无法通过数据可视化方法实时显示测量和评估结果。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于煤层瓦斯动态压力测量的光纤传感阵列，能够针对煤层瓦斯压力高时空分辨率、多点分布式测量以及实时连续测量的需求，通过分布式光纤测量阵列对监测区域内各个探测点上的瓦斯压力参数进行实时测量，并将探测到的瓦斯压力信号转换为光学测量信号后发送至后续处理装置用于进行后续分析，为煤矿瓦斯压力的预测预警提供准确的数据基础。
本发明采用下述技术方案：
用于煤层瓦斯动态压力测量的光纤传感阵列，包括测量光源装置、多通道转换耦合装置、光缆和多组光纤传感器组；测量光源装置，用于产生指定带宽的激光信号；多通道转换耦合装置包括控制电路和扫描耦合光学系统；每组光纤传感器组均由若干个分别设置在煤层上所开设的瓦斯压力探测孔内的光纤传感装置组成；多组光纤传感器组以行或列的方式分布；多组光纤传感器组均通过光纤陶瓷准直接头连接扫描耦合光学系统。
光纤传感装置包括光纤传感单元和煤层瓦斯压力取样单元，煤层瓦斯压力取样单元用于采集煤层探测点的瓦斯压力信号，光纤传感单元用于将瓦斯压力信号转变为光学测量信号；
光纤传感单元包括设置有中空腔体的壳体，壳体内设置有弹性金属板将中空腔体分为上部的弹簧容置腔和下部的瓦斯容置腔，光纤依次穿过壳体的上面板、弹性金属板和壳体的下面板，且位于壳体外侧的光纤上均套设有铠装电缆机械保护层，位于弹簧容置腔内的光纤带有布拉格光栅段，弹簧容置腔内设置有弹簧，且弹簧的下端与弹性金属板连接，弹簧的上端设置有精密螺纹且通过精密螺纹与壳体的上面板螺纹连接，弹簧的上下两端还分别与位于弹簧容置腔内的光纤的上下两端端部连接；位于弹簧容置腔内的光纤和弹簧均处于拉伸状态，壳体的下部还设置有与瓦斯容置腔导通的煤层瓦斯压力取样单元连接结构。
煤层瓦斯压力取样单元采用组合式导气管路，组合式导气管路包括导气管路起始段、若干个中间延伸段和导气管路末段，导气管路起始段的前端设置有光纤传感单元连接结构，导气管路起始段外表面设置有自张式密封结构，导气管路起始段的后端设置有中间延伸段前连接结构，中间延伸段的前端均设置有中间延伸段后连接结构，中间延伸段的后端均设置有中间延伸段前连接结构，导气管路末段的前端设置有中间延伸段后连接结构，导气管路末段的周向上设置有若干个导气孔，中间延伸段前连接结构与中间延伸段后连接结构相匹配，导气管路起始段、若干个中间延伸段和导气管路末段可拆卸连接。
导气孔均匀设置或随机设置。
自张式密封结构包括锥面导推机构、托架支撑件、密封盘组件、密封盘固定托架和橡胶密封圈；
托架支撑件套设在导气管路起始段上，托架支撑件包括管状的套管及与套管同轴设置且连接的环形支撑盘，环形支撑盘的前表面沿圆周方向均匀设置有四个支杆，四个支杆均与导气管路的轴线平行，密封盘固定托架的后表面通过四个支杆与托架支撑件固定；密封盘固定托架为圆环状，密封盘固定托架的前表面沿圆周方向均匀设置有四个密封盘子件滑动连接结构，密封盘组件包括四个相同的密封盘子件，每个密封盘子件均为弧度大于π/2的扇环，每个密封盘子件均通过对应密封盘子件滑动连接结构与密封盘固定托架滑动连接，且每个密封盘子件的运动轨迹均位于每个密封盘子件的径向；锥面导推机构采用圆台形的推导块，且圆台形的推导块的前表面的直径大于后表面的直径，推导块沿上同轴设置有贯穿推导块前表面和后表面的导气管路容置圆孔，导气管路容置圆孔的内表面设置有内螺纹，导气管路起始段外表面设置有外螺纹，锥面导推机构通过螺纹设置在导气管路起始段外表面；导气管路容置圆孔外侧的推导块前表面上还向前延伸形成旋紧部；密封盘固定托架后表面还设置有橡胶密封圈，橡胶密封圈的后表面固定在环形支撑盘的四个支杆前端，橡胶密封圈的内径小于推导块的前表面的直径且大于后表面的直径，橡胶密封圈的外径大于瓦斯压力探测孔的内径；四个密封盘子件沿对应密封盘子件滑动连接结构向外运动至最大位置时组成圆环形，且四个密封盘子件所组成圆环形的内圆圆周面与圆台形的推导块的侧表面接触，橡胶密封圈套设在圆台形的推导块的侧表面上。
弹簧两端与带有布拉格光栅段的光纤采用粘贴紧固的方式进行固定，弹簧的上端通过精密螺纹与壳体的上面板螺纹连接。
煤层瓦斯压力取样单元连接结构采用设置有外螺纹的连接杆，光纤传感单元连接结构采用设置有内螺纹的螺纹套；中间延伸段前连接结构采用连接栓，中间延伸段后连接结构采用“u”型连接槽。
密封盘子件滑动连接结构采用直线滑道与滑块的滑动连接结构，密封盘固定托架的前表面沿圆周方向均匀设置有四个直线滑道，且四个直线滑道均沿密封盘固定托架的径向设置，每个密封盘子件的后表面均设置有滑块，每个密封盘子件均通过滑块与对应的直线滑道与密封盘固定托架滑动连接，并交错重叠。
导气管路起始段外表面设置的外螺纹上设置有固体油脂层。
导气管路起始段采用金属钢管，中间延伸段和导气管路末段均采用硬质塑料管。
本发明基于光纤传感技术上的独特优势，针对煤层瓦斯压力高时空分辨率、多点分布式测量以及实时连续测量的需求，将光纤传感测量单元采用波分复用的方式组成传感器组，并分成多路构建所监控的生产区域分布式光纤测量阵列，为煤矿瓦斯压力的预测预警提供准确的数据基础。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明中光纤传感装置的结构示意图；
图3为本发明中光纤传感单元的结构示意图；
图4为本发明中导气管路起始段和中间延伸段的连接结构示意图；
图5为本发明中导气管路末段的结构示意图；
图6为本发明中密封盘组件前表面的结构示意图；
图7为本发明中密封盘组件后表面的结构示意图；
图8为本发明中密封盘子件后表面的结构示意图；
图9为本发明中密封盘固定托架的结构示意图；
图10为本发明中锥面导推机构与导气管路起始段的连接结构示意图；
图11为本发明中自张式密封结构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1至图11所示，本发明所述的用于煤层瓦斯动态压力测量的光纤传感阵列，用于实时采集测量区域中各个探测点或指定的探测点的瓦斯压力信号，并将探测到的瓦斯压力信号转换为光学测量信号后发送至后续处理装置用于进行后续分析。
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
本发明中，光纤传感阵列用于实时采集测量区域中各个探测点的或指定的探测点的瓦斯压力信号，并将探测到的瓦斯压力信号转换为光学测量信号后发送至后续处理装置用于进行后续分析；
光纤传感阵列包括测量光源装置、多通道转换耦合装置、光缆6和多组光纤传感器组2，多组光纤传感器组2以行或列的方式分布，多通道转换耦合装置包括控制电路和扫描耦合光学系统，扫描耦合光学系统可采用分时多通道光开关，通道数量可根据光纤传感阵列中多组光纤传感器组2的行数或列数通过控制电路设定。每组光纤传感器组2均由若干个分别设置在煤层上所开设的瓦斯压力探测孔内的光纤传感装置3组成，多组光纤传感器组2均通过光纤陶瓷准直接头连接扫描耦合光学系统，多通道转换耦合装置通过光缆6与处理装置连接。
其中，测量光源装置用于产生指定带宽的激光信号，测量光源装置可采用激光光源。扫描耦合光学系统在控制电路的控制下向多组光纤传感器组2注入宽带激光，并以ns级速度扫描光纤传感阵列中所有光纤传感器组2中各个光纤传感装置3对应的探测点的压力动态变化并转换为光学参数的变化，从而形成测量光谱，然后通过光缆6传递给处理装置。
本发明中，每组光纤传感器组2均为由多个光纤传感装置3串联形成的光纤传感器链，每个光纤传感装置3均包括光纤传感单元4和煤层瓦斯压力取样单元5，煤层瓦斯压力取样单元5用于采集煤层探测点的瓦斯压力信号，光纤传感单元4用于将瓦斯压力信号转变为光学测量信号。
所述的光纤传感单元4包括设置有中空腔体的壳体7，壳体7内设置有弹性金属板8将中空腔体分为上部的弹簧容置腔9和下部的瓦斯容置腔10，光纤依次穿过壳体7的上面板11、弹性金属板8和壳体7的下面板12，且位于壳体7外侧的光纤上均套设有铠装电缆机械保护层16，位于弹簧容置腔9内的光纤带有布拉格光栅段13，弹簧容置腔9内设置有弹簧14，且弹簧14的下端与弹性金属板8连接，弹簧14的上端设置有精密螺纹且通过精密螺纹与壳体7的上面板11螺纹连接，弹簧14的上下两端还分别与位于弹簧容置腔9内的光纤的上下两端端部连接；位于弹簧容置腔9内的光纤和弹簧14均处于拉伸状态，壳体7的下部还设置有与瓦斯容置腔10导通的煤层瓦斯压力取样单元连接结构15；
本实施例中，弹簧14两端与带有布拉格光栅段13的光纤采用粘贴紧固的方式进行固定，弹簧14的上端通过精密螺纹与壳体7的上面板11螺纹连接，以便于调整测量范围和校准，通过弹簧14与上面板11之间的精密螺纹拉伸弹簧14，使弹簧14和带有布拉格光栅段13的光纤均处于拉伸状态。由于弹簧14的拉伸和收缩具有较高的线性，大大提高了光纤光栅轴向应变的的线性度；同时由于弹簧14伸缩受温度影响忽略不计，因此温度和应变的交叉敏感问题也得到了很好的解决。
本发明中，由于每个煤层探测点设置的光纤传感单元4的中心波长不同，所以在煤层探测点的光纤传感单元4配置完成后，既可任意选用若干个光纤传感单元4进行组链，也可按照光纤传感单元4工作波长递增的顺序进行组链，然后构成光纤传感器阵列，每条由若干个光纤传感单元4组成的传感器链所包含的光纤传感单元4的数量可不相同。
光纤传感阵列中，任意一组光纤传感器组2中的光纤传感装置3所包括的光纤传感单元4均通过光纤接头接入光缆6，光纤传感阵列中光纤传感单元4的光栅周期各异，光谱也不同；因此与光纤传感阵列连接的处理装置能够接收扫描耦合光学系统反馈的光谱形成光谱阵列，并进行进一步分析处理。
所述的煤层瓦斯压力取样单元5采用组合式导气管路，组合式导气管路包括导气管路起始段17、若干个中间延伸段18和导气管路末段19，导气管路起始段17的前端设置有光纤传感单元连接结构20，导气管路起始段17外表面设置有自张式密封结构21，导气管路起始段17的后端设置有中间延伸段前连接结构22，中间延伸段18的前端均设置有中间延伸段后连接结构23，中间延伸段18的后端均设置有中间延伸段前连接结构22，导气管路末段19的前端设置有中间延伸段后连接结构23，导气管路末段19的周向上设置有若干个导气孔24，导气孔24可均匀设置或随机设置，中间延伸段前连接结构22与中间延伸段后连接结构23相匹配，导气管路起始段17、若干个中间延伸段18和导气管路末段19可拆卸连接。
本实施例中，煤层瓦斯压力取样单元连接结构15可采用设置有外螺纹的连接杆，光纤传感单元连接结构20可采用设置有内螺纹的螺纹套，煤层瓦斯压力取样单元连接结构15和光纤传感单元连接结构20相互匹配且采用螺纹连接方式，实现煤层瓦斯压力取样单元5和光纤传感单元4的可拆卸连接。中间延伸段前连接结构22采用连接栓，中间延伸段后连接结构23采用“u”型连接槽，连接栓与“u”型连接槽相匹配。连接栓为圆形筒状结构，连接栓的两侧沿连接栓径向设置有限位柱。当导气管路起始段17的后端与中间延伸段18的前端安装时，中间延伸段18的前端套设在连接栓上，且连接栓的两侧的限位柱位于“u”型连接槽内。中间延伸段18的后端与中间延伸段18的前端，以及中间延伸段18的后端与导气管路末段19的前端的连接方式与导气管路起始段17的后端与中间延伸段18的前端的安装方式相同。
所述的自张式密封结构21通过螺纹设置在导气管路起始段17外表面，自张式密封结构21包括锥面导推机构25、托架支撑件、密封盘组件、密封盘固定托架27和橡胶密封圈28。
托架支撑件套设在导气管路起始段17上，托架支撑件包括管状的套管30及与套管30同轴设置且连接的环形支撑盘26，环形支撑盘26的前表面沿圆周方向均匀设置有四个支杆29，四个支杆29均与导气管路的轴线平行，密封盘固定托架27的后表面通过四个支杆29与托架支撑件固定。密封盘固定托架27为圆环状，密封盘固定托架27的前表面沿圆周方向均匀设置有四个密封盘子件31滑动连接结构，密封盘组件包括四个相同的密封盘子件31，每个密封盘子件31均为弧度大于π/2的扇环，每个密封盘子件31均通过对应密封盘子件31滑动连接结构与密封盘固定托架27滑动连接，且每个密封盘子件31的运动轨迹均位于每个密封盘子件31的径向。锥面导推机构25采用圆台形的推导块，且圆台形的推导块的前表面的直径大于后表面的直径，推导块沿上同轴设置有贯穿推导块前表面和后表面的导气管路容置圆孔32，导气管路容置圆孔32的内表面设置有内螺纹，导气管路起始段17外表面设置有外螺纹34，锥面导推机构25通过螺纹设置在导气管路起始段17外表面。导气管路容置圆孔外侧的推导块前表面上还向前延伸形成旋紧部33，旋紧部33的形状为六角螺母状，便于驱动锥面导推机构25通过螺纹在导气管路起始段17外表面前后运动。密封盘固定托架27后表面还设置有橡胶密封圈28，橡胶密封圈28的后表面固定在环形支撑盘26的四个支杆29前端，橡胶密封圈28的内径小于推导块的前表面的直径且大于后表面的直径，橡胶密封圈28的外径大于瓦斯压力探测孔的内径；四个密封盘子件31沿对应密封盘子件31滑动连接结构向外运动至最大位置时组成圆环形，且四个密封盘子件31所组成圆环形的内圆圆周面与圆台形的推导块的侧表面接触，橡胶密封圈28套设在圆台形的推导块的侧表面上。
本实施例中，密封盘子件31滑动连接结构可采用直线滑道35与滑块的滑动连接结构，密封盘固定托架27的前表面沿圆周方向均匀设置有四个直线滑道35，且四个直线滑道35均沿密封盘固定托架27的径向设置，每个密封盘子件31的后表面均设置有滑块36，每个密封盘子件31均通过滑块36与对应的直线滑道35与密封盘固定托架27滑动连接，并交错重叠。未张开时4片密封盘子件31沿着滑到滑离圆心最近的地方，张开时密封盘子件31滑到离圆心最远的地方，并依次交错构成整圆。
当旋动锥面导推机构25使其在导气管路起始段17外表面向后运动时，锥面导推机构25将驱动四个密封盘子件31向外运动即沿密封盘固定托架27的径向朝向远离圆心的方向运动。
当锥面导推机构25驱动四个密封盘子件31向外运动至最大位置时，四个密封盘子件31依次交错构成圆环，且此时四个密封盘子件31依次交错构成圆环外边缘将插入瓦斯压力探测孔四周的煤壁中。由于橡胶密封圈28的外径大于瓦斯压力探测孔的内径，橡胶密封圈28与密封盘组件配合，提高了密封效果。
当锥面导推机构25驱动四个密封盘子件31向外运动至最大位置时，由于橡胶密封圈28的内径小于推导块的前表面的直径且大于后表面的直径，橡胶密封圈28将紧密地套设在圆台形的推导块的侧表面上，进一步提高密封效果。同时，密封盘组件、密封盘固定托架27以及橡胶密封圈28紧贴在一起，导气管路起始段17外表面设置的外螺纹可通过涂加固体油脂既起到固定密封件功能，又能再次对钻孔内气体起到很好的密封作用。
自张式密封结构21能够确保测量过程中，钻孔内的瓦斯气体不能涌出，保证生产安全。材质选择上，10米以上的导气管道，若采用金属管道由于太重不便安装，因此本发明中，导气管路起始段17采用金属钢管外，中间延伸段18和导气管路末段19均采用高强度硬质塑料管，并具有一定的柔韧性。