本發(fā)明涉及一種光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，特別是一種用于礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法。

本發(fā)明是光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，具體是基于光纖光柵監(jiān)測在高瓦斯礦井采動中以及后期瓦斯抽放中的應(yīng)用的布置方法，應(yīng)用于高瓦斯礦井采動中以及采空區(qū)后期瓦斯的抽放，也適合應(yīng)用于廢棄礦井瓦斯的利用。

背景技術(shù)：

中國煤炭資源量約為5×10¹²t，與其共生、伴生的煤層氣資源量也很大，居世界第3位，僅次于俄羅斯、加拿大，大約是美國蘊藏量的3倍。全國埋深在2000m以內(nèi)的煤層氣資源量為30×10¹²～35×10¹²m³，與中國天然氣總資源量大致相當(dāng)。我國是世界上煤炭產(chǎn)量最大的國家，煤田地質(zhì)比較復(fù)雜，大多數(shù)煤藏為煤層滲透率較低的無煙煤煤層，給煤層氣地面開發(fā)帶來了很大困難。目前全國年抽采煤層氣量逐年增長然而抽采率依舊很低，瓦斯災(zāi)害也是頻繁發(fā)生，并且還存在大量的廢棄礦井，其丼內(nèi)氣體環(huán)境無法探明，溢出大量的瓦斯氣體，數(shù)據(jù)顯示ch4比co2高20倍的溫室效應(yīng)。同時后期礦井廢棄中瓦斯儲量也是非?？捎^，可見廢棄礦井大量資源浪費的同時還破壞生態(tài)系統(tǒng)。

中國的煤層氣開發(fā)起步較晚，其發(fā)展大體可分為3個階段。第1階段：減少煤礦礦井瓦斯災(zāi)害的井下抽放與利用階段，主要是為減少煤礦瓦斯災(zāi)害而進行的煤礦井下瓦斯抽放；第2階段：煤層氣勘探開發(fā)試驗初期和煤層氣井下抽放利用階段，同時井下抽放和利用項目也逐步展開；第3階段：煤層氣勘探開采試驗全面展開和井下規(guī)模抽放利用階段，基本明確了當(dāng)前條件下煤層氣開采的有利地區(qū)和發(fā)展方向。

目前我國對于高瓦斯礦井采動中和后期瓦斯?jié)舛鹊臏y定大量依靠便于攜帶的測瓦斯傳感器。大多是人為進行測定，井下環(huán)境惡劣且通風(fēng)壞境有不良地段，存在很多安全隱患。廢棄礦井大多沒有妥善處理，溢出大量瓦斯污染壞境。考慮到如何能在采動中合理抽放瓦斯，在廢棄礦井中加以利用，并且大范圍長期在線監(jiān)測礦井瓦斯壞境避免瓦斯災(zāi)害。在此多方面因素下，基于光纖光柵監(jiān)測在高瓦斯礦井瓦斯抽放中的應(yīng)用孕育而生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是要提供一種靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、便于實現(xiàn)多路技術(shù)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、測量精度高，可靠性好的用于礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，解決的問題。

技術(shù)方案：本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明包括光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)及光纖光柵布置方法；

所述的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)包括：井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾孟到y(tǒng)、地面監(jiān)測站布置系統(tǒng)和瓦斯抽放鉆孔組；

所述的井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾孟到y(tǒng)：包括礦用傳輸光纜、光纖終端盒、通訊光纖和光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?；在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎惭b于運輸巷和回風(fēng)巷巷道頂部，在巷道頂部水平相距10～15m間隔布置；利用通訊光纖通過光纖耦合器將每個光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞔?lián)在一起，通訊光纖通過光纖終端盒與礦用傳輸光纜連接；

所述的地面監(jiān)測站布置系統(tǒng)：包括礦用傳輸光纜、光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀、監(jiān)控計算機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、礦山局域網(wǎng)和客戶端；礦用傳輸光纜與光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀輸入端連接，光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀的輸出端與監(jiān)控計算機連接，監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、礦山局域網(wǎng)與客戶端進行數(shù)據(jù)共享；

所述的瓦斯抽放鉆孔組每個鉆孔為一組。

所述的光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯墓饴费b置包括：超寬帶光源sled、光纖、氣體吸收池、第一耦合器、第一光纖布拉格光柵、隔離器、第二耦合器、第二光纖布拉格光柵、光電探測器、放大電路和數(shù)據(jù)采集處理，所述的光纖布拉格光柵英文縮寫為fbg，pd1和pd2均表示為光電探測器；超寬帶光源sled通過光纖、氣體吸收池、第一耦合器和第一光纖布拉格光柵；放大電路和數(shù)據(jù)采集處理輸出端控制光電探測器；光電探測器pd1的輸出端通過第一耦合器、第一光纖布拉格光柵、隔離器、第二耦合器和第二光纖布拉格光柵；光電探測器pd2的輸出端通過第二耦合器和第二光纖布拉格光柵。

一種用于礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，具體步驟如下：

a、礦用傳輸光纜通過光纖終端盒分為兩個通道，兩通道分別連接通訊光纖；

b、在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，安裝于運輸巷和回風(fēng)巷巷道頂部；在巷道頂部水平相距10～15m間隔布置光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎粋鞲衅髦g利用通訊光纖通過光纖耦合器連接在一起；

c、距離初采工作面后方5米相距運輸巷30m布置1個瓦斯抽放鉆孔組，在回風(fēng)巷道中水平相距200m間隔布置瓦斯抽放鉆孔組；

d、安裝好光纖光柵瓦斯傳感器，從而監(jiān)測巷道中瓦斯?jié)舛茸兓瑫r開始進行瓦斯抽放工作；

e、將地下光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉墓獠ㄐ盘柾ㄟ^礦用傳輸光纜傳輸至光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀，通過光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀將光波信號解調(diào)為電信號，傳輸至監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、煤礦局域網(wǎng)與客戶端進行數(shù)據(jù)共享，客戶端實時監(jiān)測井下瓦斯環(huán)境，預(yù)防瓦斯災(zāi)害，同時進行瓦斯?jié)舛葴y定，滿足抽取濃度值，瓦斯抽放組利用各個相應(yīng)鉆孔組進行瓦斯抽放；

f、利用礦山局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，全礦共享瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，瓦斯抽放組及時進行瓦斯抽放，預(yù)防瓦斯事故，形成高瓦斯礦井采動中以及后期全礦井與瓦斯抽放的合理利用實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

所述的光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅骼貌罘治辗ǎ瑲怏w對光強滿足的吸收滿足beer-lambert定律：

i＝i0exp(-acl)

式中i和i0分別是入射和透射光強，a是一定波長下單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸收系數(shù)；a1是工作光束下的吸收系數(shù)；a2是參考光束下的吸收系數(shù)；l是待測氣體與光相互作用的長度；c是待測氣體濃度；

當(dāng)工作光束(波長λ1)和參考光束(波長λ2)同時通過待測氣體時，輸出光強為：

i(λ1)＝i0exp[-(a1cl)]i(λ2)＝i0exp[-(a2cl)]

則氣體濃度可以表示為：

不含光源光強i0項，消除了光源波動和光纖隨機彎曲所引入的誤差，獲得光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯摹?/p>

所述的監(jiān)控計算機內(nèi)嵌分析處理軟件，能夠進行輸入、存儲、歷史查詢、實時畫面顯示、數(shù)據(jù)處理和報表生成，瓦斯抽放組實時進行測定瓦斯?jié)舛戎笜恕?/p>

有益效果，由于采用了上述方案，用于高瓦斯礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，配置了光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀、光纖終端盒等高端連接設(shè)備，測定精度高、安裝方便、方法簡便，光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞅举|(zhì)安全、可有效避免復(fù)雜惡劣環(huán)境下電磁干擾的影響、無安全隱患存在；通過光纖進行瓦斯?jié)舛刃盘柕膫鬏敚盘杺鬏斁嚯x遠、安全可靠及穩(wěn)定；對巷道瓦斯連續(xù)長距離實時測定、在線監(jiān)測、易安裝、易操作，避免上隅角瓦斯積聚和防止瓦斯災(zāi)害，采動中和后期礦井與瓦斯抽放的合理利用、保護大氣層、提高資源利用率、實現(xiàn)高產(chǎn)高效。靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、便于實現(xiàn)多路技術(shù)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、測量精度高，可靠性好，達到了本發(fā)明的目的。

優(yōu)點：為了克服現(xiàn)有在線監(jiān)測抽放瓦斯技術(shù)中的不足，本發(fā)明是為了適應(yīng)現(xiàn)在煤礦安全高效生產(chǎn)，滿足高瓦斯礦井采動中以及后期對瓦斯的抽取，提供基于光纖光柵監(jiān)測在高瓦斯礦井采動中以及后期瓦斯抽放中的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾孟到y(tǒng)圖。

圖2是本發(fā)明的地面監(jiān)測站布置系統(tǒng)圖。

圖3是本發(fā)明的瓦斯抽放鉆孔組布置系統(tǒng)圖。

圖4是本發(fā)明的光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞴饴费b置圖。

圖中，0、瓦斯抽放鉆孔組；1、光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀；2、監(jiān)控計算機；3、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端；4、礦山局域網(wǎng)；5、客戶端；6、礦用傳輸光纜；7、光纖終端盒；80、運輸巷；81、回風(fēng)巷；9、通訊光纖；10、采煤工作面；11、光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎?2、采空區(qū)；13、光纖耦合器；sled：超寬帶光源；1101、光纖；1102：氣體吸收池；1103：第一耦合器；1104：fbg1(第一光纖布拉格光柵)；1105：隔離器；1106：第二耦合器；1107：fbg2(第二光纖布拉格光柵)；pd1，pd2：光電探測器。

具體實施方式

本發(fā)明包括光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)及光纖光柵布置方法；

所述的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)包括：井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾孟到y(tǒng)、地面監(jiān)測站布置系統(tǒng)和瓦斯抽放鉆孔組；

所述的井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾孟到y(tǒng)：包括礦用傳輸光纜6、光纖終端盒7、通訊光纖9和光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1；在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1，安裝于運輸巷和回風(fēng)巷巷道頂部，在巷道頂部水平相距10～15m間隔布置；利用通訊光纖9通過光纖耦合器13將每個光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1串聯(lián)在一起，通訊光纖9通過光纖終端盒7與礦用傳輸光纜6連接；所述的地面監(jiān)測站布置系統(tǒng)：包括礦用傳輸光纜6、光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀1、監(jiān)控計算機2、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端3、礦山局域網(wǎng)4和客戶端5；礦用傳輸光纜6與光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀1輸入端連接，光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀1的輸出端與監(jiān)控計算機2連接，監(jiān)控計算機2通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端3、礦山局域網(wǎng)4與客戶端5進行數(shù)據(jù)共享；

所述的瓦斯抽放鉆孔組0每4個鉆孔為一組。

所述的光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1的光路裝置包括：超寬帶光源sled、光纖1101、氣體吸收池1102、第一耦合器1103、第一光纖布拉格光柵1104、隔離器1105、第二耦合器1106、第二光纖布拉格光柵1107、光電探測器、放大電路和數(shù)據(jù)采集處理，所述的光纖布拉格光柵英文縮寫為fbg，pd1和pd2均表示為光電探測器；超寬帶光源sled通過光纖1101、氣體吸收池1102、第一耦合器11103和第一光纖布拉格光柵1104；放大電路和數(shù)據(jù)采集處理輸出端控制光電探測器；光電探測器pd1的輸出端通過第一耦合器1103、第一光纖布拉格光柵1104、隔離器1105、第二耦合器1106和第二光纖布拉格光柵1107；光電探測器pd2的輸出端通過第二耦合器1106和第二光纖布拉格光柵1107。

一種用于礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，具體步驟如下：

a、礦用傳輸光纜通過光纖終端盒分為兩個通道，兩通道分別連接通訊光纖；

b、在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎惭b于運輸巷和回風(fēng)巷巷道頂部；在巷道頂部水平相距10～15m間隔布置光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?；傳感器之間利用通訊光纖通過光纖耦合器連接在一起；

c、距離初采工作面后方5米相距運輸巷30m布置1個瓦斯抽放鉆孔組，在回風(fēng)巷道中水平相距200m間隔布置瓦斯抽放鉆孔組；

d、安裝好光纖光柵瓦斯傳感器，從而監(jiān)測巷道中瓦斯?jié)舛茸兓?，同時開始進行瓦斯抽放工作；

e、將地下光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉墓獠ㄐ盘柾ㄟ^礦用傳輸光纜傳輸至光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀，通過光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀將光波信號解調(diào)為電信號，傳輸至監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、煤礦局域網(wǎng)與客戶端進行數(shù)據(jù)共享，客戶端實時監(jiān)測井下瓦斯環(huán)境，預(yù)防瓦斯災(zāi)害，同時進行瓦斯?jié)舛葴y定，滿足抽取濃度值，瓦斯抽放組利用各個相應(yīng)鉆孔組進行瓦斯抽放；

f、利用礦山局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，全礦共享瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，瓦斯抽放組及時進行瓦斯抽放，預(yù)防瓦斯事故，形成高瓦斯礦井采動中以及后期全礦井與瓦斯抽放的合理利用實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

所述的光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅骼貌罘治辗?，氣體對光強滿足的吸收滿足beer-lambert定律：

i＝i0exp(-acl)

式中i和i0分別是入射和透射光強，a是一定波長下單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸收系數(shù)；a1是工作光束下的吸收系數(shù)；a2是參考光束下的吸收系數(shù)；l是待測氣體與光相互作用的長度；c是待測氣體濃度；

當(dāng)工作光束(波長λ1)和參考光束(波長λ2)同時通過待測氣體時，輸出光強為：

i(λ1)＝i0exp[-(a1cl)]i(λ2)＝i0exp[-(a2cl)]

則氣體濃度可以表示為：

不含光源光強i0項，消除了光源波動和光纖隨機彎曲所引入的誤差，獲得光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯摹?/p>

所述的監(jiān)控計算機內(nèi)嵌分析處理軟件，能夠進行輸入、存儲、歷史查詢、實時畫面顯示、數(shù)據(jù)處理和報表生成，瓦斯抽放組實時進行測定瓦斯?jié)舛戎笜恕?/p>

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的描述：

實施例1：一種用于高瓦斯礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，在運輸巷80和回風(fēng)巷81掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1，安裝于巷道頂部，巷道每一側(cè)水平相距10～15m間隔布置光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1。通過通訊光纖9將每個光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?1串聯(lián)在一起，通訊光纖9通過光纖終端盒7與礦用傳輸光纜6連接；礦用光纜6與光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀1輸入端連接，解調(diào)儀1的輸出端與監(jiān)控計算機2連接，監(jiān)控計算機2通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器3、礦山局域網(wǎng)4與客戶端5進行數(shù)據(jù)共享；距離采空區(qū)12前方70米布置1個瓦斯抽放鉆孔組0，在回風(fēng)巷81中水平相距200m間隔布置瓦斯抽放鉆孔組0，通過客戶端5進行瓦斯?jié)舛葴y定，滿足抽取濃度值，瓦斯抽放組及時通過相應(yīng)瓦斯抽放鉆孔組0進行瓦斯抽放。

其中光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅飨到y(tǒng)工作原理為：寬帶光源sled發(fā)出的寬帶光信號首先進入氣體吸收池1103，由于氣體吸收，出射光譜中對應(yīng)于氣體吸收峰處有一凹陷，從吸收池1102出來的光信號進入第一耦合器1103，分出倆路光，一路進入fbg11104，該反射峰λ1對準氣體的吸收峰反射回來的信號再經(jīng)過第一耦合器1103進入pd1，另一路經(jīng)第二耦合器1106進入fbg21107，該反射峰λ2與氣體的吸收峰偏離一個小量，這一路光作為參考信號經(jīng)fbg21107反射在此經(jīng)過第二耦合器1106，進入pd2，倆個光電探測器輸出的光信號輸入處理電路進行差分運算，就可以反演出氣體濃度。

一種用于礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法：

a、礦用傳輸光纜通過光纖終端盒分為兩個通道，兩通道分別連接通訊光纖；

b、在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，安裝于運輸巷與回風(fēng)巷巷道頂部。在巷道頂部水平相距10～15m間隔布置光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。傳感器之間利用通訊光纖通過光纖耦合器連接在一起；

c、距離初采工作面后方5米相距運輸巷30m布置1個瓦斯抽放鉆孔組，在回風(fēng)巷道中水平相距200m間隔布置瓦斯抽放鉆孔組；

d、安裝好光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，開始監(jiān)測巷道中瓦斯?jié)舛茸兓?，同時開始準備瓦斯抽放工作；

e、將地下光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉墓獠ㄐ盘柾ㄟ^礦用傳輸光纜傳輸至光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀，通過光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀將光波信號解調(diào)為電信號，傳輸至監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端、煤礦局域網(wǎng)與客戶端進行數(shù)據(jù)共享，客戶端實時監(jiān)測井下瓦斯環(huán)境，預(yù)防瓦斯災(zāi)害，同時進行瓦斯?jié)舛葴y定，滿足抽取濃度值，利用各個相應(yīng)瓦斯抽放鉆孔組進行瓦斯抽放；

f、利用礦山局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，全礦共享瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，瓦斯抽放組及時進行瓦斯抽放，預(yù)防瓦斯事故，形成高瓦斯礦井采動中以及后期全礦井與瓦斯抽放的合理利用實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

通過以上的具體實施，本發(fā)明為一種用于高瓦斯礦井瓦斯抽放的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置方法，通過三部分的合理布置。在運輸巷和回風(fēng)巷掘進期間同時布設(shè)光纖光柵瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，在地面進行監(jiān)測系統(tǒng)布置，同時在初采工作面以及回風(fēng)巷中瓦斯抽放鉆孔組的布置。在避免瓦斯災(zāi)害出現(xiàn)的同時，長距離、大范圍的對瓦斯進行測定，瓦斯抽放組利用相關(guān)相應(yīng)鉆孔組進行瓦斯的抽取。在煤礦采動中和后期都能加大對瓦斯的利用，在提高經(jīng)濟效益的同時，避免瓦斯災(zāi)害和保護生態(tài)系統(tǒng)。通過光纖進行瓦斯?jié)舛刃盘柕膫鬏?，信號傳輸距離遠、安全可靠及穩(wěn)定。對巷道瓦斯連續(xù)長距離實時測定、在線監(jiān)測、易安裝、易操作，避免上隅角瓦斯積聚和防止瓦斯災(zāi)害，采動中和后期礦井與瓦斯抽放的合理利用、保護大氣層、提高資源利用率、實現(xiàn)高產(chǎn)高效。