【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供了一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统及方法，属于煤层瓦斯突出监测。
技术介绍
1、瓦斯突出是指煤层或岩层中的瓦斯在一定条件下突然大量释放的现象，是煤矿安全生产的重大隐患之一，可能导致瓦斯爆炸等严重事故。而且90％的瓦斯突出事故发生前都会有地形构造方面的变化，因此，对瓦斯突出的监测和预防具有重要的意义。
2、目前，对瓦斯突出的监测方法主要有两类：一类是基于瓦斯浓度的监测，利用瓦斯传感器或瓦斯分析仪等设备，对瓦斯浓度进行点式或区域式的测量，以判断瓦斯突出的风险等级；另一类是基于瓦斯突出的前兆现象的监测，利用采煤过程中表面应力、温度、振动、变形等物理量的传感器或仪器，对瓦斯突出的影响因素进行点式或区域式的测量，以判断瓦斯突出的发生可能性。
3、上述两类监测方法都存在一些缺陷，如：
4、点式或区域式的测量不能覆盖整个瓦斯突出的范围，可能漏掉一些关键的监测点或区域，导致瓦斯突出的预警不及时或不准确；传统的传感器或仪器需要大量的布线和安装，增加了系统的复杂度和成本，也增加了系统的故障发生率和维护难度；传统的传感器或仪器受到电磁干扰、温湿度变化、机械损伤等因素的影响，可能导致系统的测量精度和稳定性降低；传统的传感器或仪器只能测量单一或少数的物理量，不能实现对瓦斯突出的多参量、多维度的监测，不能全面反映瓦斯突出的实际情况。
5、因此，需要一种新的监测方法，能够实现对瓦斯突出的全分布式、实时、动态、多参量、多维度的监测，以及对瓦斯突出的预警和定位，提高系统的安全性和可靠性。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有瓦斯突出监测方法存在的问题，提出了一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统及方法，可以提高分布式光纤传感技术在瓦斯突出监测中的性能和可靠性，并且克服了传输距离、空间分辨率、复杂物理环境下的交叉耦合以及多参量分布式光纤传感系统解调等方面的局限性。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，包括主机、多参量信号解调仪和分布式多物理量感知光纤，其中分布式多物理量感知光纤铺设在煤层内的监测钻孔内；所述分布式多物理量感知光纤通过线缆与连接多参量信号解调仪相连，所述多参量信号解调仪通过线缆与主机相连；
3、所述分布式多物理量感知光纤包括串联或并联在光纤上的光纤传感器，所述光纤传感器包括温度感知光纤、应力感知光纤、振动感知光纤；
4、所述主机内嵌有煤体失稳的力学判据和分级预警模型，煤体失稳的力学判据是通过建立煤体温度变化与瓦斯解吸速率以及瓦斯压力梯度之间的函数关系得到的，其表达式如下：
5、；
6、上式中： σ x、 σ y和 σ z分别是沿x-、y-和z-方向的应力； dx中的 x是监测点距离煤壁的距离； p x是对应坐标在 x上的监测点的气体压力； ξ为与煤体振动幅值相关的修正系数；为摩擦角； c为煤的内聚力； σ t为抗张强度； c m为突出的风险识别指标， c m<1表示系统保持稳定； c m=1表示系统处于临界不稳定状态； c m≥1表示系统失稳；
7、根据风险识别指标 c m将煤巷掘进过程中煤层发生煤与瓦斯突出的风险划分为低、中、高风险三级。
8、所述多参量信号解调仪和主机均布置在底板岩巷中。
9、所述温度感知光纤、应力感知光纤是基于受激布里渊散射的光纤传感器，利用光纤中的布里渊频移来测量温度和应力的分布；所述振动感知光纤是基于瑞利散射的光纤传感器，利用光纤中的瑞利散射光强来测量振动的分布。
10、将分布式多物理量感知光纤铺设在监测钻孔内后采用耦合材料使光纤与监测钻孔的壁面有效耦合。
11、所述耦合材料采用混凝土。
12、分级预警模型的判定规则如下：
13、当0≤ c m<0.4时为低风险，无需采取额外措施，当0.4≤ c m<0.8时为中风险，此时需要采取额外的防突措施，当0.8≥ c m时为高风险，此时需要立即停止掘进作业并采取额外的防突措施直到危险消除方可进行作业。
14、所述多参量信号解调仪上还设置有报警器。
15、一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警方法，采用基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，包括以下步骤：
16、s1、从施工中煤层顶板的底板岩巷向煤层底板与煤层顶板之间的煤层施工定向钻孔作为监测钻孔；
17、s2、将分布式多物理量感知光纤通过定向钻机均匀铺设在监测钻孔内，然后，向监测钻孔内带压注入耦合材料，确保分布式多物理量感知光纤与监测钻孔的壁面有效耦合；
18、s3、待监测钻孔内的耦合材料完全凝固后，将分布式多物理量感知光纤与布置于底板岩巷中的多参量信号解调仪连接，并通过线缆将多参量信号解调仪连接到地面的主机上，实现数据的传输；
19、s4、煤巷掘进工作面推进过程中，开启多参量信号解调仪，通过分布式多物理量感知光纤实时采集煤体的温度变化、应力变化以及振动幅值；
20、s5、将采集到的数据从多参量信号解调仪通过线缆传到主机，主机通过内嵌的煤体失稳的力学判据和分级预警模型对采集到的数据进行分析，从而得到煤与瓦斯突出灾害的风险预警等级，进而以图形或数字的形式显示在屏幕上。
21、从底板岩巷使用水平定向钻机进行定向钻孔200~400m；在垂直于煤巷掘进方向均匀分布3~5个监测钻孔，覆盖范围为煤巷轮廓线两侧各15m。
22、耦合材料的注入压力为1-3mpa。
23、本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：
24、（1）本专利技术利用分布式光纤传感技术，可以实现对未开采的煤层中的温度、应力、振动等参数的连续分布式监测，避免了监测盲区，且采用接触式的监测方式克服了传统的非接触式探本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：包括主机、多参量信号解调仪（6）和分布式多物理量感知光纤（7），其中分布式多物理量感知光纤（7）铺设在煤层（4）内的监测钻孔（5）内；所述分布式多物理量感知光纤（7）通过线缆与连接多参量信号解调仪（6）相连，所述多参量信号解调仪（6）通过线缆与主机相连；
2.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述多参量信号解调仪（6）和主机均布置在底板岩巷（1）中。
3.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述温度感知光纤（71）、应力感知光纤（72）是基于受激布里渊散射的光纤传感器，利用光纤中的布里渊频移来测量温度和应力的分布；所述振动感知光纤（73）是基于瑞利散射的光纤传感器，利用光纤中的瑞利散射光强来测量振动的分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：将分布式多物理量感知光纤（7）铺设在监测钻孔（5）内后采用耦合材料（8）使光纤与监测钻孔（5）的壁面有效
5.根据权利要求4所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述耦合材料（8）采用混凝土。
6.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：分级预警模型的判定规则如下：
7.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述多参量信号解调仪（6）上还设置有报警器。
8.一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警方法，采用如权利要求1-7任一项所述的基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警方法，其特征在于：从底板岩巷（1）使用水平定向钻机进行定向钻孔200~400m；在垂直于煤巷（9）掘进方向均匀分布3~5个监测钻孔（5），覆盖范围为煤巷（9）轮廓线两侧各15m。
10.根据权利要求8所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警方法，其特征在于：耦合材料（8）的注入压力为1-3MPa。
...【技术特征摘要】
1.一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：包括主机、多参量信号解调仪（6）和分布式多物理量感知光纤（7），其中分布式多物理量感知光纤（7）铺设在煤层（4）内的监测钻孔（5）内；所述分布式多物理量感知光纤（7）通过线缆与连接多参量信号解调仪（6）相连，所述多参量信号解调仪（6）通过线缆与主机相连；
2.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述多参量信号解调仪（6）和主机均布置在底板岩巷（1）中。
3.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：所述温度感知光纤（71）、应力感知光纤（72）是基于受激布里渊散射的光纤传感器，利用光纤中的布里渊频移来测量温度和应力的分布；所述振动感知光纤（73）是基于瑞利散射的光纤传感器，利用光纤中的瑞利散射光强来测量振动的分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于多元信息感知的煤与瓦斯突出监测预警系统，其特征在于：将分布式多物理量感知光纤（7）铺设在监测钻孔（5）内后采用耦合材料（8）使光纤与监测钻孔（5...
【专利技术属性】
技术研发人员：华明国，詹平，刘厅，白志鹏，马帅，刘和平，陈晓鹏，刘坤陇，
申请(专利权)人：山西潞安环保能源开发股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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