一种钻孔煤体破裂多参量测量装置
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，特别涉及一种钻孔煤体破裂多参量测量装置。
背景技术
煤矿重大灾害有煤层冲击、瓦斯突出、软岩变形等，随着煤炭进入深部开采，各种灾害复合性质显现严重，这些灾害发生机理非常复杂，具有复合灾害性质，分类相当困难。煤岩是固液气体三元复合材料，不但有各自材料属性还有复合材料属性，灾害孕育过程相互耦合、发生过程前兆信息很难捕捉，灾害发生相互扰动，具有动静扰动因素，可靠预测防治难度很大，复合灾害的发生造成矿山安全事故、人员伤亡。掌握瓦斯速度、瓦斯流量、温湿度和煤体破裂电荷、煤体破裂电位，以及煤体破裂瓦斯运移速度、瓦斯流量多参数信息才能更好的解决复杂的复合灾害分类预测防治，已有的单一物理参数测量设备不能同时进行多参数的测量，因此，发明多参量一体化测量设备是现阶段亟待解决的问题。
多参量一体化测量对于复合灾害的预测和防治具有重大实际意义，专利CN201310378990.8、CN201811176208.3、CN201510141088.3进行了一些多参数一体化测量，但是，这些专利一方面仅适用于实验室屏蔽电磁干扰条件，而现场工作空间有电磁干扰，因此不能应用于实际煤体，另一方面这些专利的装置采用现成的传感器，现成的瓦斯含量传感器不能测量瓦斯的流量和流速，非接触的电场传感器由于受离煤体距离影响很大，几乎误差大于电场测量值，声发射接收与煤体接触程度影响很大，煤体压力传感器与煤体耦合程度影响更大，这些传感器钻孔影响了瓦斯的流动，再者钻孔受煤体压力作用易变形塌陷堵塞。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种钻孔煤体破裂多参量测量装置，其屏蔽了供电线路和生产设备的电磁干扰，能够实现对煤体钻孔不同深度位置进行多参量探测，为预测受力煤体冲击破坏和瓦斯解吸突出问题提供测量数据。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种钻孔煤体破裂多参量测量装置，安装于煤体钻孔，所述钻孔煤体破裂多参量测量装置包括微处理器单元、瓦斯流量测量单元、若干个瓦斯流速测量单元和若干个透气接管，所述瓦斯流量测量单元与若干个瓦斯流速测量单元依次通过透气接管连接；
所述瓦斯流速测量单元包括依次设置的左接头一、内绝缘管和右接头一，所述内绝缘管的内壁嵌有左内电极和右内电极，用于感应瓦斯电荷信号；所述内绝缘管的外部依次套设有屏蔽铜管一和外绝缘管，所述外绝缘管的外部套设有左外电极和右外电极，用于感应煤体电荷信号；
所述透气接管包括管体以及分别套设于管体两端的左堵头和右堵头，所述管体设置有若干个透气孔；
所述瓦斯流量测量单元包括依次设置的左接头二、绝缘管和右接头二，所述绝缘管内壁嵌有用于接收瓦斯电荷的左电极和右电极以及用于采集瓦斯温湿度的温湿度传感器；所述绝缘管的外部套设有屏蔽铜管二；
所述微处理器单元分别与左内电极、右内电极、左外电极和右外电极连接，用于接收左内电极、右内电极、左外电极和右外电极的电荷信号；所述微处理器单元还分别与左电极和右电极连接，用于接收左电极和右电极之间的电压信号；所述微处理器单元还与温湿度传感器连接，用于接收温湿度信号。
进一步的，所述若干个瓦斯流速测量单元和若干个透气接管均设置于煤体钻孔内部，所述微处理器单元和瓦斯流量测量单元均设置于煤体钻孔外部，所述瓦斯流量测量单元与煤体钻孔的连接处进行密封。
进一步的，所述左接头一、内绝缘管和右接头一的内部形成瓦斯流速测量单元的圆管形内腔，用于瓦斯通过。
进一步的，所述左堵头和右堵头的外径均分别与煤体钻孔的内径相等。
优选的，所述左堵头和右堵头均采用橡胶材质；所述管体采用硬质塑料材质。
进一步的，所述左内电极、右内电极、左外电极和右外电极均为圆环形铜片。
进一步的，所述绝缘管内壁还嵌有上永久磁铁和下永久磁铁，所述上永久磁铁和下永久磁铁均采用高强度永久磁铁。
进一步的，所述左电极、上永久磁铁、右电极和下永久磁铁均分别为圆弧形结构，所述左电极、上永久磁铁、右电极和下永久磁铁围成瓦斯流量测量单元的圆管形内腔，并且左电极、上永久磁铁、右电极和下永久磁铁彼此之间绝缘。
本发明的有益效果：
本发明安装于煤体钻孔，通过安装于煤体钻孔内的瓦斯流速测量单元，以及安装于煤体钻孔外的屏蔽的瓦斯流量测量单元，屏蔽了供电线路和生产设备的电磁干扰，能够实现对煤体钻孔不同深度位置进行多参量探测，即通过煤体钻孔不同深度位置的感应电荷以及瓦斯流量测量单元的瓦斯温湿度，进行瓦斯流速、瓦斯流量、瓦斯温度、瓦斯湿度、煤体电荷和瓦斯电荷多参量同时探测，为预测受力煤体冲击破坏和瓦斯解吸突出问题提供测量数据，而且本发明通过多个瓦斯流速测量单元可分多段监测瓦斯流速和瓦斯流量。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种钻孔煤体破裂多参量测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的瓦斯流速测量单元的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的透气接管的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的瓦斯流量测量单元的结构示意图，其中(a)为瓦斯流量测量单元的剖视图；(b)为图4(a)的A-A剖视图；
图5是本发明实施例提供的微处理器单元的结构示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
图1中，1-瓦斯流速测量单元，2-透气接管，3-瓦斯流量测量单元，4-微处理器单元，5-煤体钻孔，6-煤体；
图2中，11-左接头一，12-屏蔽铜管一，13-右接头一，14-内绝缘管，15-外绝缘管，16-左外电极，17-左内电极，18-右外电极，19-右内电极；
图3中，21-左堵头，22-管体，23-透气孔，24-右堵头；
图4中，31-左接头二，32-屏蔽铜管二，33-右接头二，34-绝缘管，35-上永久磁铁，36-下永久磁铁，37-左电极，38-右电极，39-温湿度传感器；
图5中，41-放大模块，42-AD模块，43-处理模块，44-无线发射模块。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“内”、“外”等指示的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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种钻孔煤体破裂多参量测量装置，安装于煤体钻孔5，钻孔煤体破裂多参量测量装置包括微处理器单元4、瓦斯流量测量单元3、若干个瓦斯流速测量单元1和若干个透气接管2，瓦斯流量测量单元3与若干个瓦斯流速测量单元1依次通过透气接管2连接；
瓦斯流速测量单元1包括依次设置的左接头一11、内绝缘管14和右接头一13，内绝缘管14的内壁嵌有左内电极17和右内电极19，用于感应瓦斯电荷信号；内绝缘管14的外部依次套设有屏蔽铜管一12和外绝缘管15，外绝缘管15的外部套设有左外电极16和右外电极18，用于感应煤体6电荷信号；
透气接管2包括管体22以及分别套设于管体22两端的左堵头21和右堵头24，管体22设置有若干个透气孔23；
瓦斯流量测量单元3包括依次设置的左接头二31、绝缘管34和右接头二33，绝缘管34内壁嵌有用于接收瓦斯电荷的左电极37和右电极38以及用于采集瓦斯温湿度的温湿度传感器39；绝缘管34的外部套设有屏蔽铜管二32；
所述微处理器单元4分别与左内电极17、右内电极19、左外电极16和右外电极18连接，用于接收左内电极17、右内电极19、左外电极16和右外电极18的电荷信号；所述微处理器单元4还分别与左电极37和右电极38连接，用于接收左电极37和右电极38之间的电压信号；所述微处理器单元4还与温湿度传感器39连接，用于接收温湿度信号。
本实施例中，瓦斯流速测量单元1、透气接管2和瓦斯流量测量单元3都具有圆管形的内腔，具体的，左接头一11、内绝缘管14和右接头一13依次固定连接，左内电极17和右内电极19嵌入内绝缘管14的内壁，具有屏蔽作用的屏蔽铜管一12的两端分别与左接头一11和右接头一13固定连接，以及屏蔽铜管一12、外绝缘管15、左外电极16和右外电极18之间固定连接，形成具有圆管形内腔的瓦斯流速测量单元1；左堵头21和右堵头24分别固定连接于具有圆管形内腔的管体22的两端的外部，若干个透气孔23均匀设置于管体22，透气孔23的直径为2mm，相邻两个透气孔23的孔距为5mm；左接头二31、绝缘管34和右接头二33依次固定连接，具有屏蔽作用的屏蔽铜管二32的两端分别与左接头二31、绝缘管34和右接头二33固定连接，绝缘管34的内部嵌有相互绝缘设置的左电极37、上永久磁铁35、右电极38和下永久磁铁36，并且左电极37、上永久磁铁35、右电极38和下永久磁铁36围成瓦斯流量测量单元3的圆管形内腔。
如图1所示，若干个瓦斯流速测量单元1和若干个透气接管2均设置于煤体钻孔5内部，微处理器单元4和瓦斯流量测量单元3均设置于煤体钻孔5外部，瓦斯流量测量单元3与煤体钻孔5的连接处进行密封。
如图2所示，左接头一11、内绝缘管14和右接头一13的内部形成瓦斯流速测量单元1的圆管形内腔，用于瓦斯通过。
如图3所示，左堵头21和右堵头24的外径均分别与煤体钻孔5的内径相等，优选的，左堵头21和右堵头24均采用橡胶材质；管体22采用硬质塑料材质。
如图4所示，左内电极17、右内电极19、左外电极16和右外电极18均为圆环形铜片，绝缘管34内壁还嵌有上永久磁铁35和下永久磁铁36，上永久磁铁35和下永久磁铁36均采用高强度永久磁铁，左电极37、上永久磁铁35、右电极38和下永久磁铁36均分别为圆弧形结构，左电极37、上永久磁铁35、右电极38和下永久磁铁36围成瓦斯流量测量单元3的圆管形内腔，并且左电极37、上永久磁铁35、右电极38和下永久磁铁36彼此之间绝缘。优选的，左电极37和右电极38均采用铜片。
如图5所示，微处理器单元4包括放大模块41、AD模块42、处理模块43和无线发射模块44，放大模块41、AD模块42、处理模块43和无线发射模块44集成于一块线路板、无线发射光刻在线路板上，左内电极17、右内电极19、左外电极16和右外电极18的电荷信号，左电极37和右电极38之间的电压信号以及温湿度传感器39的温湿度信号经放大模块41和AD模块42输入到处理模块43进行处理，处理模块43根据采集的电荷信号、电压信号、瓦斯温湿度信号，进行瓦斯流速、瓦斯流量运算，得到煤体6电荷、瓦斯电荷、瓦斯流速、瓦斯流量以及瓦斯温度和瓦斯湿度多个参量，处理模块43输出的多个参量通过无线发射模块44发送以及网络传输到地面数据库服务器，在后续处理中，根据多个参量的数据对冲击地压与瓦斯突出复合灾害进行分类预测分析。优选地，放大模块41采用放大器，AD模块42采用AD转换器。
实施例
煤体钻孔5的尺寸为：孔径10cm，深度10m，煤体钻孔5以1m为一段，分为10段，通过10个瓦斯流速测量单元1分10段对钻孔煤体6破裂多参量进行同时监测；具体的，10个瓦斯流速测量单元1依次设置并通过透气接管2连接，其中，每个瓦斯流速测量单元1的长度为20cm、内腔直径为72mm、外壁直径为84mm，位于煤体钻孔5最里面的第一个瓦斯流速测量单元1与相邻的第二个瓦斯流速测量单元1通过透气接管2连接，第一个瓦斯流速测量单元1的右接头一13和第二个瓦斯流速测量单元1的左接头一11均插入到透气接管2管体22中并且与透气接管2固定连接，透气接管2的长度为80mm，接下来，第二个瓦斯流速测量单元1与第三个瓦斯流速测量单元1通过透气接管2连接，依次类推，第十个瓦斯流速测量单元1的左接头一11与第九个瓦斯流速测量单元1的右接头一13通过透气接管2连接，第十个瓦斯流速测量单元1的右接头一13与位于煤体钻孔5外部的瓦斯流量测量单元3的左接头二31通过透气接管2连接；
将连接好的10个瓦斯流速测量单元1和透气接管2送入煤体钻孔5，煤体钻孔5的出口处密封处理，瓦斯通过10个瓦斯流速测量单元1和透气接管2的内腔流入瓦斯流量测量单元3的内腔，最终通过瓦斯流量测量单元3的内腔流出；瓦斯流经瓦斯流速测量单元1时，瓦斯中携带的电荷经过左内电极17，在左内电极17产生感应信号，该信号传给微处理器单元4，瓦斯向前运输，电荷前行经过右内电极19，在右内电极19产生感应信号，该信号传给微处理器单元4，微处理器单元4记录下电荷经过同一个瓦斯流速测量单元1内的左内电极17和右内电极19的时间间隔Δt和感应电荷电量Q，左内电极17和右内电极19的距离为l，瓦斯流速为
温湿度传感器39测量煤体6中瓦斯的温湿度；
煤体6电荷的测量由瓦斯流速测量单元1完成，左外电极16和右外电极18感应煤体6电荷信号，该信号传给微处理器单元4，微处理器单元4记录下煤体钻孔5内每段的煤体6电荷。
在冲击地压和煤瓦斯突出复合动力灾害发生前，瓦斯流速、瓦斯流量、瓦斯温度、瓦斯湿度、煤体6电荷、瓦斯电荷参数会出现异常，利用本发明的装置能够测量出这些异常参数，结果由微处理器单元4的无线发射模块44通过网络传输到地面数据库服务器，根据测量数据可以对这些前兆信息作出判断，发出报警，从而实现对冲击地压和煤瓦斯突出复合动力灾害的预测和防治。
本发明的工作原理：
本发明基于受压煤体钻孔弹塑性理论和煤体破坏物理学原理，煤体在高原岩应力、采动应力和冲击应力的作用下，煤体破裂同时瓦斯解吸，煤体瓦斯体积变化带来电荷增加并温度变化，解吸的瓦斯携带电荷在裂隙中流动。那么，测量破裂煤体电荷就能判断煤体受力破裂程度，测量解吸的瓦斯携带电荷多少就能判断瓦斯多少，温度可以判断是破裂升温还是瓦斯解吸降温，湿度的大小可以对透水进行预判，因此通过测量破裂煤体电荷、瓦斯电荷和瓦斯流速、瓦斯含量能够对冲击地压与瓦斯突出复合灾害进行分类预测。测量原理是通过两个外环电极测量煤体接触电荷和两环电极电位；流动瓦斯通过透气接管流入瓦斯流速测量单元管中通过两个内环电极感应的电荷时间差计算流速；当瓦斯携带电荷流入瓦斯流量测量单元，流动电荷在上下N、S极磁场中发生偏转，正电荷偏向左电极，负电荷偏向右电极，测量左右电极电荷量能够计算瓦斯流量；温度敏感元件测量瓦斯温度反映煤体破裂和瓦斯解吸情况；湿度敏感元件测量瓦斯的含水量。因此，本发明可实时监测瓦斯流速、瓦斯流量、瓦斯温度、瓦斯湿度、煤体电荷、瓦斯电荷多个参量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
