水位监测系统的制作方法

本实用新型涉及煤矿开采领域，尤其涉及一种水位监测系统。

背景技术：

随着浅部煤炭资源的日趋枯竭，某些目前在浅部开采的矿井也在设计规划进入深部开采阶段。深部矿井开采前煤岩体处于深部三维应力平衡状态，一旦煤层工作面进入开采掘进过程，其原有的应力平衡状态会发生改变及转移，进而导致采场围岩体变形破坏，若采动破坏了顶底板的隔水层，使得原先起到保护作用的隔水层变为承压水裂隙导通带，在深部极大的矿压下极易引发工作面巷道突涌水等严重安全事故。因此，实时准确地掌握矿区工作面顶底板范围的水位变化情况，对煤矿绿色安全可持续化开采具有重要的意义。

现有的水位监测系统，主要采用分布式温度光纤感测(Distributed Temperature Sensor，简称DTS)技术，通过在井下的钻孔中布设测温光缆，获得不同深度的温度变化情况，进而判断水位高度。其具有抗干扰、耐高温、防水、抗腐蚀等诸多优点，尤其是其传感数据点多，可明显提高测试精度。

然而，采用DTS技术的水位监测系统，在水体温度与周围岩土体温差较小时，无法监测到水体的分布位置，测量精度易受环境温差的影响，只能适用于温差较大的水位监测。

技术实现要素：

本实用新型提供一种水位监测系统，以降低测量精度受环境的影响。

本实用新型提供一种水位监测系统，包括：

加热装置、记录装置和多个测温装置；

每个所述测温装置均安装于待测井的不同检测孔内；每个所述测温装置均分别与所述加热装置和所述记录装置连接；

所述测温装置用于在所述加热装置的加热下发热并采集对应的检测孔周围的温度信息，所述温度信息用于确定所述检测孔周围的水位；

所述记录装置用于记录所述测温装置采集到的所述温度信息。

可选的，所述测温装置，包括：导杆和测温光缆；

所述测温光缆螺旋缠绕在所述导杆上；

所述导杆用于固定所述测温光缆并将所述测温光缆安装在所述检测孔内。

可选的，所述测温光缆，包括：加热光缆和感测光纤；

所述加热光缆与所述加热装置连接，所述感测光纤与所述记录装置连接；所述感测光纤设置在所述加热光缆的中心；

所述加热光缆，用于在所述加热装置的加热下发热；所述感测光纤，用于采集所述温度信息。

可选的，所述加热光缆包括：碳纤维加热丝、导线、内护套和外护套；

所述内护套套接在所述感测光纤上，所述碳纤维加热丝设置于所述内护套和所述外护套之间，所述导线设置于所述碳纤维加热丝两端并与所述加热装置连接。

可选的，所述导杆还设置有通孔；

所述通孔用于注入混凝土浆液以使所述测温装置与所述检测孔耦合。

可选的，所述导杆的外壁上还设置有多个出液口；

所述出液口用于使所述混凝土浆液从所述通孔涌入所述检测孔内。

可选的，所述测温光缆为碳纤维内加热分布式温度测量光缆。

可选的，还包括：远程报警装置；

所述远程报警装置与所述记录装置连接；

所述远程报警装置用于接收所述温度信息并发出报警信号。

可选的，所述记录装置为分布式光纤温度传感器DTS解调装置；

所述DTS解调装置通过信号传输光纤与所述测温装置连接。

可选的，加热装置的加热电压为220V。

本实用新型提供的水位监测系统，将测温装置安装与待测井的不同检测孔内，加热装置与每个测温装置连接并对每个测温装置加热，测温装置在发热的情况下采集检测孔周围的温度信息，并将温度信息发送给记录装置，通过温度信息的变化情况确定出检测孔周围的水位，由于本系统的加热装置主动对测温装置进行加热，使测温装置与周围介质间产生较大的温差，大大提高了测温装置对检测孔内水位高度变化的监测精度和敏感性，降低测量精度受环境的影响，可适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种水位监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种水位监测系统的井下内安装示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种水位监测系统的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种测温装置的结构示意图。

附图标记：

100-水位监测系统；

110-加热装置；

120-记录装置；

130-测温装置；

140-检测孔；

150-远程报警装置；

131-导杆；

132-测温光缆；

160-巷道。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面以具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

下面将对本申请技术方案进行详细介绍：

以下，首先对本申请实施例的应用场景进行介绍，水位监测系统可以应用于矿井水位的监测。通过加热装置对测温装置进行加热，测温装置收集在发热过程中检测孔内的温度信息并发送给记录装置，从而根据温度信息对检测孔内的水位情况进行判断，从而避免在井内深部极大的矿压下引发的工作面巷道突涌水等严重安全事故，对煤矿绿色安全可持续化开采具有重要的意义。

图1为本实用新型实施例提供的一种水位监测系统的结构示意图。

请参照图1，水位监测系统100，包括：

加热装置110、记录装置120和多个测温装置130；

每个测温装置130均安装于待测井的不同检测孔140内；每个测温装置130均分别与加热装置110和记录装置120连接；

测温装置130用于在加热装置110的加热下发热并采集对应的检测孔140周围的温度信息，温度信息用于确定检测孔140周围的水位；

记录装置120用于记录测温装置130采集到的温度信息。

在实际应用中，每个检测孔140最多设置一个测温装置130，检测孔140可以设置在待测井的内部也可以设置在待测井附近的地面上，检测孔140的具体的位置以及数量可以根据待测井的具有情况设置。

结合实际情况举例来说，检测孔140也可以直接使用待测井地面上的已有的多个不同位置处的水文孔监测孔。在监测过程中，将以一定间隔或密度分布在待采煤层工作面上方或附近的多个水文孔作为检测孔140，可有效获得工作面煤层采动过程中其上方的检测孔140控制深度范围内的水体高度实时变化情况。因此，可以根据现场实际监测需要，在相应的检测孔140内布设测温装置130进行联合监测，从而获得该区域内的工作面上方岩层的水位高度三维变化情况。

图2为本实用新型实施例提供的一种水位监测系统100的井下内安装示意图；

请参照图2，在另一种可实施方式中，检测孔140也可为待测井下巷道160周围已有的顶底板水文监测孔或工作面内已有的可使用的探测孔。在监测过程中，通过在井下各监测孔内布设测温装置130，并将各测温装置130进行联合监测，即可获得工作面及其附近顶底板范围内的水位随着回采工作面采动前后变化的三维动态变化情况。

将已有的水文孔或探测孔作为检测孔140，不但可以满足现场实际监测需求，而且可以节省人力物力财力，此外，也可根据现场监测需要，在必要的位置补打检测孔140。具体的，地表的检测孔140需垂直方向开设，井下的检测孔140则无固定的方向角度要求，只需其有效孔长度满足实际的监测需要即可。

在实际应用中，每个测温装置130均与记录装置120连接，具体的，每个测温装置130均需外留有一定的长度的测温光缆，其目的是为了将各测温装置130通过外留的测温光缆依次用熔接机进行熔接串联在一起，通过信号传输光缆将测线引出至安全区域并与记录装置120连接，形成一次采集即可获得所有测温装置130在检测孔140测得的温度数据的三维分布式采集系统。

可选的，记录装置120为分布式光纤温度传感器DTS解调装置；

DTS解调装置通过信号传输光纤与测温装置130连接。

在实际应用中，可以根据现场矿区水位监测要求，确定DTS解调装置的监测周期及监测频率，DTS解调装置可按照要求进行参数设置。随着回采工作面的不断推进，重复性记录测温装置130采集的温度数据变化。并且DTS解调装置，还可以利用其内置的数据处理分析系统直观观察采动影响下检测孔140内的温度的变化特征，进而可分析得到水位分布情况。

利用温度信息确定检测孔140周围的水位，具体可以理解为，利用测温装置130采集检测孔140内的水和空气、水和围岩体介质中的温度，利用温度梯度来反推水位的高低程度，从而确定各监测孔内的水位变化情况。进一步可以解释为：水和空气、水和围岩体两种介质，其能量的传递速率差异明显，水的比热容较大，其热传导能力要远比空气、围岩体中大，将测温装置130植入检测孔140内部，通电后发热，温度升高，在水中能量损失较空气、围岩体中损失的多，该处温度下降较大，在水和空气、水和围岩体交界处形成温度梯度，据此温度梯度即可判断各监测孔中的水位高度变化情况。

此外，本实施例提供的水位监测系统100，采用了碳纤维光缆内加热的方法，对测温装置130进行主动加热，使测温装置130与周围介质间产生较大的温差，大大提高了DTS解调设备对检测孔140内水位高度变化的监测精度和敏感性，可适用范围更广，同时在地表和井下的多个检测孔内植入测温装置130并熔接串联在一起，通过设置手动采集或者自动定时采集模式，即可实时动态获得工作面顶底板监测孔内的温度数据，进而分析出水位高度的变化情况，另外，对地表和井下采集到的温度信息运用三维成图处理软件进行三维可视化成图处理，即可获得整个矿区水位的三维分布式动态变化情况，为研究采动影响下的各部位水体运移等演变规律以及煤矿防治水提供科学指导。

本实施例提供的水位监测系统，将测温装置安装与待测井的不同检测孔内，加热装置与每个测温装置连接并对每个测温装置加热，测温装置在发热的情况下采集检测孔周围的温度信息，并将温度信息发送给记录装置，通过温度信息的变化情况确定出检测孔周围的水位，由于本系统的加热装置主动对测温装置进行加热，使测温装置与周围介质间产生较大的温差，大大提高了测温装置对检测孔内水位高度变化的监测精度和敏感性，降低测量精度受环境的影响，可适用范围更广。

图3为本实用新型实施例提供的另一种水位监测系统100的结构示意图。

请参照图，水位监测系统100，还包括：远程报警装置150；

远程报警装置150与记录装置120连接；

远程报警装置150用于接收温度信息并发出报警信号。

在实际应用中，记录装置120记录的温度信息可通过现场安装的装置发送给远程报警装置150。

的远程报警装置150可以当水位异常时发出报警信号，以提示井内人员快速撤离。具体的，判断根据温度信息判断水位异常可以由DTS解调装置完成，也可以由外接的分析设备完成。

本实施例提供的水位监测系统，具有无线信号传输的能力，可根据实际需要在现场安装基站进行无线数据传输，通过距离现场很远的工作室内的接收机进行数据接收并由工作人员对数据进行处理分析，进而可以及时进行水位判断和报警，从而提高井下作业的安全性。

图4为本实用新型实施例提供的一种测温装置130的结构示意图。

请参照图1，测温装置130，包括：

导杆131和测温光缆132；

测温光缆132螺旋缠绕在导杆131上；

导杆131用于固定测温光缆132并将测温光缆132安装在检测孔140内。

可选的，测温光缆132为碳纤维内加热分布式温度测量光缆。

其中，碳纤维内加热分布式温度测量光缆与常规电磁传感器相比较，具有抗电磁干扰、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，采集信号具备较好稳定性。

在实际应用中，可以根据检测孔140的直径大小选择合适的导杆131，导杆131的两端口可拼接固定；测温光缆132长度根据导杆131总长度按照合适的螺旋密度进行绕制，导杆总长度需根据各监测孔的实际可安装长度进行拼接固定。

此外，螺旋式测温装置130的高分辨率优势明显，由于目前DTS技术的空间分辨率只有1米，因此为了提高监测精度，可以设计管外径5-10cm的PVC导杆131，将碳纤维内加热分布式温度测量光缆按图4所述的方法缠绕在导杆131上，绕圈密度为75-320圈/m，从而增加单位长度内测温光缆132的长度。

结合实际情况举例来说，测温光缆132盘绕的光缆总长度与绕圈密度有如公式(1)：

L≈NπrL0 (1)

其中，导杆的直径为r、导杆长度为L0，测温光缆盘绕的光缆总长度为L、绕圈密度为N。

根据公式(1)可知螺旋缠绕使得测温光缆132的长度增加了Nπr倍，因此，空间分辨率也提高了Nπr倍。例如，当测温光缆132绕圈密度为320圈/m，管外径为5cm时，计算得到空间分辨率提高约50倍，达到2cm。

通过螺旋缠绕方式有效使得测试分布点距内的传感数据点增多，与同等直线布置类型相比，能够明显的提高测量精度，进而提高测试准确性和温度信息的质量。

可选的，测温光缆132，包括：加热光缆和感测光纤；

加热光缆与加热装置110连接，感测光纤与记录装置120连接；感测光纤设置在加热光缆的中心；

加热光缆，用于在加热装置110的加热下发热；感测光纤，用于采集温度信息。

可选的，加热光缆包括：碳纤维加热丝、导线、内护套和外护套；

内护套套接在感测光纤上，碳纤维加热丝设置于内护套和外护套之间，导线设置于碳纤维加热丝两端并与加热装置110连接。

在实际应用中，采用碳纤维光缆内加热的方法，对碳纤维光缆进行主动加热，使碳纤维光缆与周围介质间产生较大的温差，大大提高了DTS解调设备对水文监测孔内水位高度变化的监测精度和敏感性，可适用范围更广

可选的，加热装置110的加热电压为220V。

在实际应用中，需要形成合适的温度梯度区间从而提高水位监控精度，温度梯度区间的选取取决于内加热光缆的发热功率、测量对象的热力学性质和测量精度，可以通过率定试验加以调试确定。在实际应用中，经试验确定，加热装置110以电压220V，功率500W通电加热，即可形成明显的温度梯度。

可选的，导杆131还设置有通孔；

通孔用于注入混凝土浆液以使测温装置130与检测孔140耦合。

可选的，导杆131的外壁上还设置有多个出液口；

出液口用于使混凝土浆液从通孔涌入检测孔140内。

在实际应用中，针对位于井下的检测孔140可以进行灌浆封孔。具体的步骤可以包括，将测温光缆132绕制在导杆131前需对第一节PVC导杆131的侧壁钻出若干个小孔洞，便于后期注浆过程中浆液从导杆131中涌出；通过PVC导杆131向井下的检测孔140内注入混凝土浆液，具体的，混凝土浆液采用高标号水泥中添加细骨料和速凝剂制配而成，灌浆时根据通孔孔径和孔深调整注浆压力，以防注浆过程中对测温装置的损坏。采用注浆方式，使测温装置130与顶底板钻孔围岩体更好的耦合，注浆后待浆液凝固方可进行测试。

本实用新型提供的水位监测系统，将测温装置安装与待测井的不同检测孔内，加热装置与每个测温装置连接并对每个测温装置加热，测温装置在发热的情况下采集检测孔周围的温度信息，并将温度信息发送给记录装置，通过温度信息的变化情况确定出检测孔周围的水位，由于本系统的加热装置主动对测温装置进行加热，使测温装置与周围介质间产生较大的温差，大大提高了测温装置对检测孔内水位高度变化的监测精度和敏感性，降低测量精度受环境的影响，可适用范围更广。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。