一种基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警方法和装置

本发明涉及煤矿安全监测，特别是涉及一种基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警方法和装置。

背景技术：

1、煤矿井下往往含有一定浓度的瓦斯气体，瓦斯气体的主要成分包括一氧化碳、硫化氢和甲烷等烃类化合物。瓦斯爆炸往往与矿井管道的环境因素有关，由于空气流通不畅，瓦斯容易积聚；同时，温度、湿度、气压等也会影响瓦斯的积聚情况，一旦瓦斯气体浓度超标，就会引发瓦斯爆炸事故，产生极大的破坏力，不仅破坏煤矿区域的巷道和器材设施，带来巨大的经济损失，甚至爆炸后会产生有毒有害气体，造成人员伤亡。瓦斯的涌出可分为普通涌出和特殊涌出两种形式。普通涌出是指瓦斯从煤层或岩层表面非常细微的缝隙中缓慢、均匀而持久的涌出。其涌出的面积广、时间长，是瓦斯涌出的主要形式。而特殊涌出，如瓦斯喷出和煤或岩与瓦斯突出。瓦斯喷出是指大量瓦斯突然喷出的现象，喷出的时间可长可短(数天或数年)，每昼夜的喷出量可达数百立方米；煤或岩与瓦斯突出，足在一瞬间(几秒或几分钟)突然喷出大量瓦斯和煤炭，甚至可以在1分钟内涌出上万吨煤和岩石以及上百万立方米瓦斯，并伴随有强烈的声响和强大的冲击力，当高浓度的瓦斯气体遇到高温热源时，就会形成瓦斯爆炸。因此对于煤矿的瓦斯爆炸不仅要监测瓦斯浓度，类似特殊涌出这种情况也需要进行监测预警，而特殊涌出这种现象可以根据煤矿巷道的顶板的分布式应变以及振动状况进行判断，因此还需要对于顶板的应力和振动进行监测。除此之外还需对环境温度进行全面监测。

2、目前防治矿井爆炸事故的方法主要是监测井下瓦斯浓度，瓦斯气体浓度监测传感器目前主要有安全灯式、催化燃烧式、热导式、电化学式、气敏半导体、光干涉式、非色散红外吸收式、声速差式，离子化式、气相色谱式、压力式和容积式等传感器；随着半导体激光器技术的进步，近年来基于激光技术的甲烷传感器获得了快速发展，逐步进入工业领域。

3、但瓦斯浓度超限仅仅是引起矿井爆炸的必要条件之一，如果不具备矿井爆炸的其他条件如高温火源，即使瓦斯浓度超限也不会引起爆炸，而且由于甲烷传感器安装于易爆现场附近，当爆炸发生时易造成直接损害，无法再采集数据，所以传统的瓦斯监测报警方式，在矿井爆炸发生前并不能准确预警，在爆炸发生后也不能准确报警。除瓦斯监测法以外，基于烟雾、温度和振动等特征的矿井爆炸监测方法也得到了应用，但由于目前监测的数据及方法仍比较单一，无法同时对多个环境因素进行检测，而矿井爆炸又往往受到多个不同的外界因素的影响，因此现有的监测方法的报警准确度并不十分理想。

4、鉴于此，克服该预设技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何同时对煤矿巷道中的多个外界因素进行监测，从而提高煤矿巷道中爆炸预警的准确度。

2、第一方面，提供一种基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警装置，包括：多根多芯光纤1、第一耦合器2、气体传感模块3、解调仪4和上位机5，其中：

3、所述多根多芯光纤1依次串连，相邻两根多芯光纤1之间设置有所述气体传感模块3；

4、位于尾端的多芯光纤1通过所述第一耦合器2分成多个单芯光纤11，所有所述单芯光纤11均和所述解调仪4相接，所述解调仪4和所述上位机5相接，所述多芯光纤1内沿轴向设置有多个散射单元；

5、所述解调仪4用于向串连后的多根多芯光纤1发送光信号，所述多芯光纤1中的散射单元将光信号反射回所述解调仪4，所述气体传感模块3用于根据气体浓度变化改变光信号的波长，所述解调仪4用于根据接收到的光信号得到气体浓度、温度、分布式应变和振动状态的测量数据，所述上位机5用于对所述测量数据进行处理分析并做出相应预警。

6、优选的，所述基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警装置还包括：第二耦合器6和法兰盘7，其中：

7、在相邻两根多芯光纤1中，相邻两根多芯光纤1用于对接的一端均通过所述第二耦合器6分成多个单芯光纤11；

8、在相邻两根多芯光纤1中，所述气体传感模块3的一端和其中一根多芯光纤1的其中一根单芯光纤11通过法兰盘7相接，所述气体传感模块3的另一端和另一根多芯光纤1的其中一根单芯光纤11通过法兰盘7相接；其中一根多芯光纤1的其余单芯光纤11和另一根多芯光纤1的其余单芯光纤11通过法兰盘7一一对应相接。

9、优选的，所述多芯光纤1中包括中间纤芯12和多个外环纤芯13，其中：

10、所述多个外环纤芯13分布于所述中间纤芯12的周圈位置。

11、优选的，所述解调仪4包括温度解调模块41、气体浓度解调模块42、应变解调模块43和振动解调模块44，其中：

12、所述中间纤芯12和所述温度解调模块41相连，所述温度解调模块41用于根据接收到的光信号得到温度的测量数据；

13、至少一根外环纤芯13和所述气体浓度解调模块42相接，所述气体浓度解调模块42用于根据接收到的光信号得到气体浓度的测量数据；

14、至少一根外环纤芯13和所述应变解调模块43相接，所述应变解调模块43用于根据接收到的光信号得到分布式应变的测量数据；

15、至少一根外环纤芯13和所述振动解调模块44相接，所述振动解调模块44用于根据接收到的光信号得到振动状态的测量数据。

16、优选的，所述基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警装置还包括保护壳8，其中：

17、所述基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警装置用于设置在煤矿巷道的顶板9上；

18、所述保护壳8用于设置在所述顶板9上，并将相邻两根多芯光纤1的串连连接处罩住；

19、所述保护壳8上设置有漏孔83，保证两根多芯光纤1的串连连接处和外界空气相接触。

20、优选的，所述上位机5包括数据接收模块51、数据处理模块52和数据预警模块53，其中：

21、所述数据接收模块51、数据处理模块52和数据预警模块53依次相接；

22、所述数据接收模块51用于接收来自所述解调仪4的测量数据，并将所述测量数据进行存储；

23、所述数据处理模块52用于对所述测量数据进行处理分析，并将处理分析后的测量数据发送给所述数据预警模块53；

24、所述数据预警模块53用于将处理分析后的测量数据和相应的阈值进行对比，并发出相应的预警。

25、第二方面，一种基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警方法，用于应用于所述的基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警装置，包括：

26、所述解调仪4向串连后的多根多芯光纤1发送光信号，所述多芯光纤1中的散射单元将光信号反射回所述解调仪4，所述气体传感模块3用于根据气体浓度变化改变光信号的波长；

27、所述解调仪4根据接收到的光信号得到气体浓度、温度、分布式应变和振动状态的测量数据，并将所述测量数据发送给所述上位机5；

28、所述上位机5对所述测量数据进行处理分析并做出相应预警。

29、优选的，温度的相应计算公式为：

30、

31、其中，t为当前温度，t0为初始温度，h为普朗克常数，k为系数，δv为频移量，r(t)为当前温度下拉曼散射光的反斯托克斯与斯托克斯光强比，r(t0)为初始温度下拉曼散射光的反斯托克斯与斯托克斯光强比；

32、通过温度对分布式应变进行补偿，得到分布式应变的变化，相应计算公式为：

33、

34、其中，δε为应变差，ct为温度灵敏度系数，cε为应变灵敏度系数。

35、优选的，所述上位机5对所述测量数据进行处理分析并做出相应预警，具体包括：

36、根据所述气体浓度、分布式应变以及振动状态判断气体是否为特殊涌出；

37、当判断气体为特殊涌出时，判断温度是否大于或者等于温度阈值；当温度大于或者等于所述温度阈值时，所述上位机5发出爆炸预警；当温度小于所述温度阈值时，所述上位机5发出气体特殊涌出预警；

38、当判断气体不为特殊涌出时，判断气体浓度是否大于或者等于浓度阈值；当气体浓度小于所述浓度阈值时，所述上位机5不发出预警；当气体浓度大于或者等于浓度阈值时，判断温度是否大于或者等于温度阈值；当温度小于所述温度阈值时，所述上位机5发出气体抽放提示；当温度大于或者等于温度阈值时，所述上位机5发出爆炸预警。

39、优选的，所述根据所述气体浓度、分布式应变以及振动状态判断气体是否为特殊涌出，具体包括：

40、获取所述气体浓度同分布式应变以及振动状态之间的相关系数，判断所述相关系数是否大于或者等于系数阈值；

41、当所述相关系数小于所述系数阈值时，则判断气体不为特殊涌出；

42、当所述相关系数大于或者等于系数阈值时，判断分布式应变的测量数据是否大于或者等于应变阈值，以及判断振动状态的测量数据是否大于或者等于振动阈值；当分布式应变的测量数据大于或者等于应变阈值，并且振动状态的测量数据大于或者等于振动阈值时，则判断气体为特殊涌出，否则，判断气体不为特殊涌出。

43、本发明提供了一种基于多芯光纤的煤矿爆炸监测预警方法和装置，通过将多根多芯光纤依次串连，在相邻两根多芯光纤之间设置气体传感模块，位于尾端的多芯光纤通过耦合器分成多个单芯光纤，所有单芯光纤均和所述解调仪相接，所述解调仪和所述上位机相接，通过气体传感模块感应气体浓度，解调仪发射并接收回反光，根据接收到的光信号得到气体浓度、温度、分布式应变和振动状态的测量数据，通过上位机对测量数据进行处理分析并做出相应预警；实现同时对煤矿巷道中的多个外界因素进行监测，从而提高煤矿巷道中爆炸预警的准确度。