CN110702625A - 基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测*** - Google Patents

基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，包括光纤温度传感检测***和多气体光谱吸收监测***，所述光纤温度传感检测***包括光纤测温装置、矿用感温光缆、井下光纤测温分站主机和井上***监控主机，所述多气体激光光谱吸收监测***包括多气体吸收装置、抽气束管、井下光学多气体传感分站主机和井上多气体实时监控主机。本发明通过采空区防自然发火光学监测预警分析***充分利用光纤传感技术的优势，结合工业环网对煤矿采空区进行温度、气体在线监测，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。

Description

基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***
技术领域
本发明涉及煤矿防自然发火在线监测技术领域，特别涉及基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***。
背景技术
矿井火灾是煤矿主要灾害之一，56％的煤矿存在自然发火灾害，其中,采空区自然发火占很高比例。据统计，我国国有重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占51.3％，占总矿井火灾的90％以上。矿井火灾一旦发生，轻则影响安全生产，重则烧毁煤炭资源和物资设备，造成人员伤亡，甚至引发瓦斯、煤尘***。
目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过传统长距离束管***抽取样气到地面，对标志气体进行分析预警；由于传统长距离束管***的抽气管路长，存在漏气的情况，束管内漏容易造成取样气体被稀释，分析出来的气体浓度偏低，束管外漏会造成一氧化碳、甲烷等有毒有害气体扩散到巷道内造成危险。且该手段欠缺实时性和直观性，长距离束管传输气样存在的漏气等现象使在色谱分析仪对气样的浓度测量存在较大偏差,而导致测量不准确。
因此，发明基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***来解决上述问题很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，通过光纤温度传感检测***和气体激光光谱吸收监测***相结合，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，包括光纤温度传感检测***和多气体激光光谱吸收监测***，所述光纤温度传感检测***包括光纤测温装置、矿用感温光缆、井下光纤测温分站主机和井上***监控主机，所述光纤测温装置包括脉冲激光器、双通道光电探测器、波分复用器、同步信号器、A/D转换器、滤波器高速数据采集卡，所述矿用感温光缆从工作面推进的位置开始，敷设一路矿用感温光缆，并随工作面的推进埋入采空区，矿用感温光缆末端巷道敷设，到达井下光纤测温分站主机，所述煤矿内部开设若干个采区变电所，所述井下光纤测温分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光纤测温分站主机采用以太网交换机与井上***监控主机建立网络连接；
所述多气体激光光谱吸收监测***包括多气体吸收装置、抽气束管、井下光学多气体传感分站主机和井上多气体实时监控主机，所述多气体吸收装置包括控制调节器、激光器、多种气体吸收池、探测器和抽气泵，所述抽气束管铺设至煤矿采空区、回采工作面回风巷、高/低位抽巷、高顶区冒落点等易于积聚气体的部位，所述井下光学多气体传感分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光学多气体传感分站主机采用以太网交换机与井上多气体实时监控主机建立网络连接。
优选的，所述激光器、控制调节器与井下光学多气体传感分站主机之间均采用电信号传输方式进行输送数据。
优选的，所述井下光纤测温分站主机与井上***监控主机之前和井下光学多气体传感分站主机与井上多气体实时监控主机之间均采用TCP或IP通讯协议建立通信连接。
优选的，所述光纤温度传感检测***采用拉曼散射原理和光时域反射技术实现温度和距离的测定，其中拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。
优选的，所述多气体光谱吸收监测***中的探测器采用吸收型光纤气体探测器设置。
优选的，所述抽气束管位于进气管道位置可配设过滤器，所述抽气束管抽取甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、乙炔和乙烯气体。
优选的，所述激光器采用可调谐激光二极管设置，且激光器输出端可增设锁相放大器，所述激光器与多种气体吸收池之间可增设光纤耦合怀特池。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过采空区防自然发火光学监测预警分析***充分利用光纤传感技术的优势，结合工业环网对煤矿采空区进行温度、气体在线监测，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。
附图说明
图1为本发明的光纤温度传感检测***结构示意图；
图2为本发明的多气体激光光谱吸收监测***结构示意图；
图3为本发明的工作面分布式温度监测***结构示意图；
图4为本发明的激光在光纤中传播实现定位结构示意图；
图5为本发明的光纤耦合怀特池结构原理示意图；
图6为本发明的激光光谱扫描测试结构原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
根据图1-6所示的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，包括光纤温度传感检测***和多气体激光光谱吸收监测***，所述光纤温度传感检测***包括光纤测温装置、矿用感温光缆、井下光纤测温分站主机和井上***监控主机，所述光纤测温装置包括脉冲激光器、双通道光电探测器、若干个光纤光栅温度传感器、波分复用器、同步信号器、A/D转换器和滤波器，所述矿用感温光缆从工作面推进的位置开始，敷设一路矿用感温光缆，并随工作面的推进埋入采空区，矿用感温光缆末端巷道敷设，到达井下光纤测温分站主机，所述煤矿内部开设若干个采区变电所，所述井下光纤测温分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光纤测温分站主机采用以太网交换机与井上***监控主机建立网络连接；
所述多气体激光光谱吸收监测***包括多气体吸收装置、抽气束管、井下光学多气体传感分站主机和井上多气体实时监控主机，所述多气体吸收装置包括控制调节器、激光器、多种气体吸收池、探测器和抽气泵，所述抽气束管铺设至煤矿采空区、回采工作面回风巷、高/低位抽巷、高顶区冒落点等易于积聚气体的部位，所述井下光学多气体传感分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光学多气体传感分站主机采用以太网交换机与井上多气体实时监控主机建立网络连接，通过采空区防自然发火光学监测预警分析***充分利用光纤传感技术的优势，结合工业环网对煤矿采空区进行温度、气体在线监测，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。
进一步的，在上述技术方案中，所述脉冲激光器、双通道光电探测器、波分复用器、A/D转换器、滤波器和高速数据采集卡之间均采用光信号传输方式进行传输数据，所述滤波器与井下光纤测温分站主机之间采用电信号传输方式进行输送数据。
进一步的，在上述技术方案中，所述激光器、控制调节器与井下光学多气体传感分站主机之间均采用电信号传输方式进行输送数据。
进一步的，在上述技术方案中，所述井下光纤测温分站主机与井上***监控主机之前和井下光学多气体传感分站主机与井上多气体实时监控主机之间均采用TCP/IP通讯协议建立通信连接，分别监测上述回采面进风巷、回风巷以及监测点的实时气体情况，最后通过井下分站以及环网传到井上实现实时监测预警。
进一步的，在上述技术方案中，所述光纤温度传感检测***采用拉曼散射原理和光时域反射技术实现温度和距离的测定，其中拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应，当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞，弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光，由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，***采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。
进一步的，在上述技术方案中，所述多气体激光光谱吸收监测***中的探测器采用吸收型光纤气体探测器设置，使得光被吸收和散射而产生衰减，由于气体分子对光的散射很微弱，远小于气体的吸收光能，故衰减主要由吸收这一过程产生，散射可以忽略。
进一步的，在上述技术方案中的，所述抽气束管位于进气管道位置可配设过滤器，有利于对水汽、灰尘等起到过滤的作用，所述抽气束管抽取甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、乙炔和乙烯气体。
进一步的，在上述技术方案中，所述激光器采用可调谐激光二极管设置，且激光器输出端可增设锁相放大器，可利用可调谐激光二极管的波长可以随电流大小调制的特点对激光输出波长进行调制，再利用锁相放大器优异的微弱信号的提取能力实现气体吸收激光光谱线好的恢复，就可以实现很好的探测灵敏度，从而测得精度较高的气体浓度，所述激光器与多种气体吸收池之间可增设光纤耦合怀特池，使光线在池内进行多次折返的光学***，同时为保证能量尽可能少的损失。
本发明工作原理：
参照说明书附图1-6，当对煤矿防自然发火在线监测时，经过矿用感温光缆对所铺设的区域温度进行在线监测，并且将检测的数据输送给波分复用器，经过波分复用器经过拉曼散射原理将温度信息发送给双通道光电探测器，双通道光电探测器经过A/D转换器进行转换成电信号发送给井下光纤测温分站主机，经过井下光纤测温分站主机采用以太网交换机发送给井上***监控主机，经过井上***监控主机进行数据分析、显示和报警，并且井下光纤测温分站主机将处理后的数据经过同步信号器发送给脉冲激光器，再次经过波分复用器经过发送，当多气体激光光谱吸收监测***运行时，经过抽气泵抽取束管铺设区域的气体，将气体输送至多种气体吸收池中，经过探测器将信息发送给井下光学多气体传感分站主机，经过井下光学多气体传感分站主机采用以太网交换机发送给井上多气体实时监控主机，经过井上多气体实时监控主机进行数据分析、显示和报警，并且经过井下光学多气体传感分站主机进行调节控制调制器，使激光器发射光谱线，从而实现多气体激光光谱吸收监测***的探测灵敏度，从而得到精密度较高的气体浓度，从而通过将光纤温度传感检测***和多气体激光光谱吸收监测***相结合对煤矿防自然发火在线监测，实现对煤矿采空区进行温度、气体在线监测，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，包括光纤温度传感检测***和多气体激光光谱吸收监测***，其特征在于：所述光纤温度传感检测***包括光纤测温装置、矿用感温光缆、井下光纤测温分站主机和井上***监控主机，所述光纤测温装置包括脉冲激光器、双通道光电探测器、波分复用器、同步信号器、A/D转换器、滤波器和高速数据采集卡，所述矿用感温光缆从工作面推进的位置开始，敷设一路矿用感温光缆，并随工作面的推进埋入采空区，矿用感温光缆末端巷道敷设，到达井下光纤测温分站主机，所述煤矿内部开设若干个采区变电所，所述井下光纤测温分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光纤测温分站主机采用以太网交换机与井上***监控主机建立网络连接；
所述多气体激光光谱吸收监测***包括多气体吸收装置、抽气束管、井下光学多气体传感分站主机和井上多气体实时监控主机，所述多气体吸收装置包括控制调节器、激光器、多种气体吸收池、探测器和抽气泵，所述抽气束管铺设至煤矿采空区、回采工作面回风巷、高/低位抽巷、高顶区冒落点等易于积聚气体的部位，所述井下光学多气体传感分站主机位于采区变电所内部设置，且井下光学多气体传感分站主机采用以太网交换机与井上多气体实时监控主机建立网络连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述脉冲激光器、双通道光电探测器、波分复用器、A/D转换器、滤波器和高速数据采集卡之间均采用光信号传输方式进行传输数据，所述滤波器与井下光纤测温分站主机之间采用电信号传输方式进行输送数据。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述激光器、控制调节器与井下光学多气体传感分站主机之间均采用电信号传输方式进行输送数据。
4.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述井下光纤测温分站主机与井上***监控主机之前和井下光学多气体传感分站主机与井上多气体实时监控主机之间均采用TCP/IP通讯协议建立通信连接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述光纤温度传感检测***采用拉曼散射原理和光时域反射技术实现温度和距离的测定，其中拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射激光光谱的温度效应。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述多气体激光光谱吸收监测***中的探测器采用吸收型光纤气体探测器设置。
7.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述抽气束管位于进气管道位置可配设过滤器，所述抽气束管抽取甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、乙炔和乙烯气体。
8.根据权利要求1所述的基于光纤传感和激光光谱分析的煤矿防自然发火监测***，其特征在于：所述激光器采用可调谐激光二极管设置，且激光器输出端可增设锁相放大器，所述激光器与多种气体吸收池之间可增设光纤耦合怀特池。
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