一种采空区气体多参数监测装置及方法
技术领域
本发明涉及煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种采空区气体多参数监测装置及方法。
背景技术
煤自燃事矿井的主要自然灾害之一，在我国国有重点煤矿中，存在有煤自燃性的矿井占矿井总数的60％以上，由煤自然而引起的火灾占矿井火灾总数的90％～94％。矿井火灾产生的有毒有害的气体威胁着职工生命安全，火灾烧毁设备、冻结资源、破坏开采部署，带来的损失不计其数。
例如，张集矿是淮河能源控股集团本土煤矿产量最高、规模最大的矿井之一，也是安徽省第一座千万吨级现代化矿井、国家瓦斯治理实验基地。张集矿为煤与瓦斯突出矿井，主采煤层13-1、11-2、8、6煤均为突出煤层，1煤层为非突煤层。所回采的5个煤层均具有自燃倾向性，均属自然发火的煤层，自然发火期为3～6个月，其作为淮河能源控股集团的主力煤炭生产矿井，在开采过程中多次出现工作面CO超标，深受煤层自燃带来的危害。
目前不同的矿井对采空区气体多采用束管(或措施管)进行监测，抽采负压源选用井下移动泵站抽采，负压源不稳定，同时采取人工取样，在实验室对气样化验分析，工作量大、间隔时间长、不能连续进行监测。
例如申请号为“CN201610935296.5”的发明专利申请公开了一种小体积、远距离、低功耗、高稳定性的煤矿采空区温度远程监测系统，包括温度监测中心、手机短信监控平台以及无线传感器网络三个部分。温度监测中心主要由上位机、打印机等设备组成；手机短信监控平台由GPRS模块、GPRS网络、SIM卡以及手机移动终端组成，可以通过GPRS网络将监测温度信息以短信形式发送到监控手机。无线传感器网络由通信网关、无线测温节点与信息汇聚节点组成，主要是测量采空区温度，并将温度数据进行汇总处理上传到上位机。但是该方案主要是对采空区温度进行测量，并不能够实现对多个采空区的气体进行连续监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服对多个采空区气体无法连续进行监测的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种采空区气体多参数监测装置，包括：
若干个采空区；
若干个阀门，若干个阀门的进口分别与若干个采空区相连通；
气体存储箱，所述气体存储箱为一个带有进口、出口的箱体，所述气体存储箱内部设置有容置空间，所述气体存储箱的进口与若干个阀门的出口相连通；
传感器，所述传感器与气体存储箱相连接以检测气体存储箱内气体，所述传感器还与外界的监控终端通信连接；
气体流量计，所述气体流量计与气体存储箱的出口相连通；
主控阀门，所述主控阀门的进气口与气体流量计的出气口相连通；
抽采设备，所述抽采设备与主控阀门的出气口相连通。
采空区处的气体受抽采设备作用，通过阀门进入气体存储箱内，气体存储箱上安设的传感器能够监测气体的参数并实时上传，实现连续监测。
作为本发明进一步的方案：所述采空区包括第一采空区、第二采空区、第三采空区、第四采空区，所述第一采空区为采空区A束管观测点，所述第二采空区为采空区B束管观测点，所述第三采空区为采空区3#束管观测点，所述第四采空区为采空区4#束管观测点。
作为本发明进一步的方案：所述束管为内径10mmPVC管。
作为本发明进一步的方案：所述阀门包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门，其中，所述第一阀门的一端通过束管与第一采空区相连通，所述第一阀门的另一端与气体存储箱相连通，所述第二阀门的一端通过束管与第二采空区相连通，所述第二阀门的另一端与气体存储箱相连通，所述第三阀门的一端通过束管与第三采空区相连通，所述第三阀门的另一端与气体存储箱相连通，所述第四阀门的一端通过束管与第四采空区相连通，所述第四阀门的另一端与气体存储箱相连通。
作为本发明进一步的方案：所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门采用DN10mm铜制阀门，且尺寸与束管尺寸相配套。
作为本发明进一步的方案：所述气体存储箱采用有机玻璃制成，所述气体存储箱进气端、出气端各连接口使用凝固胶或生料袋密封，保证装置的气密性、监测的准确性。
作为本发明进一步的方案：所述气体存储箱由φ159mm管路加工件制成，所述气体存储箱进气端、监测监控端及出气端各连接口使用凝固胶或生料袋密封，保证装置的气密性、监测的准确性。
作为本发明进一步的方案：所述传感器包括氧气传感器、CO传感器、温度传感器、CH4传感器，其中，所述氧气传感器、CO传感器、温度传感器、CH4传感器集成在一起。
作为本发明进一步的方案：一种基于所述的采空区气体多参数监测装置的监测方法，包括以下步骤：
S1、获取采空区的气体；
S2、传感器集成监测识别气体存储箱的气体，并将各种气体参数实时上传至监控终端，实现在线预测预报。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1还包括：
S11、获取第一采空区处的气体；打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门，然后打开主控阀门，使第一采空区处气体在抽采设备的抽采作用下流入气体存储箱内；
S12、获取第二采空区处的气体，打开第二阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门，然后打开主控阀门，使第二采空区处气体在抽采设备的抽采作用下流入气体存储箱内；
S13、获取第三采空区处的气体，打开第三阀门，关闭第一阀门、第二阀门、第四阀门，然后打开主控阀门，使第三采空区处气体在抽采设备的抽采作用下流入气体存储箱内；
S14、获取第四采空区处的气体，打开第四阀门，关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门，然后打开主控阀门，使第四采空区处气体在抽采设备的抽采作用下流入气体存储箱内。
本发明的优点在于：
1、本发明中，不同采空区处的气体受抽采设备作用，通过阀门进入气体存储箱内，气体存储箱上安设的传感器集成能够监测气体的参数并实时上传，实现连续监测，从而可快速掌握煤层自然发火预兆。
2、本发明中，地面泵采抽工作稳定，不受设备检修、线路故障等影响造成的监测中断；不需要使用化学试剂在实验室对气样化验分析，减少了出工及材料开支。
3、本发明中，当需要监测第一采空区处的数据时候，首先打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门，然后打开主控阀门，使第一采空区处气体在抽采设备的抽采作用下流入气体存储箱内；传感器能够监测气体存储箱内气体，实现实时监测，同时传感器将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；当需要监测第二采空区、第三采空区或者第四采空区时，采用相同方法即可。
4、本发明能够减少用工人数；按每天每处监测点1人次计算，可减少人工费用7.3万元/年(每工按200元计)，减少试剂、工器具等材料费约4万元。该装置全面推广应用后每年每矿井可节约费用约220万(按矿井每年6个收作面，14个采空区监测计算)；这样的话矿区8对矿井共计每年可节约费用约1760万元。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种采空区气体多参数监测装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的甲烷(CH4)实时监测曲线。
图3为本发明实施例提供的温度(℃)实时监测曲线。
图4为本发明实施例提供的氧气(O2)实时监测曲线。
图5为本发明实施例提供的一氧化碳(CO)实时监测曲线。
图中，1、采空区；101、第一采空区；102、第二采空区；103、第三采空区；104、第四采空区；2、阀门；201、第一阀门；202、第二阀门；203、第三阀门；204、第四阀门；3、气体存储箱；4、传感器集成；401、氧气传感器；402、CO传感器；403、温度传感器；404、CH4传感器；5-气体流量计；6、主控阀门；7、抽采设备。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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
如图1，图1为本发明实施例提供的一种采空区气体多参数监测装置的结构示意图，包括：
若干个采空区1；
若干个阀门2，若干个阀门2的进口分别与若干个采空区1相连通；
气体存储箱3，所述气体存储箱3为一个带有进口、出口的箱体，所述气体存储箱3内部设置有容置空间，所述气体存储箱3的进口与若干个阀门2的出口相连通；
传感器集成4，所述传感器集成4与气体存储箱3相连接以检测气体存储箱3内气体，所述传感器集成4还与外界的监控终端通信连接；
气体流量计5，所述气体流量计5与气体存储箱3的出口相连通；
主控阀门6，所述主控阀门6的进气口与气体流量计5的出气口相连通；
抽采设备7，所述抽采设备7与主控阀门6的出气口相连通。
采空区1处的气体受抽采设备7作用，通过阀门进入气体存储箱3内，气体存储箱3上安设的传感器4能够监测气体的参数并实时上传，实现连续监测。
进一步的，本实施例中，所述采空区1包括第一采空区101、第二采空区102、第三采空区103、第四采空区104，所述第一采空区101为采空区A束管观测点，所述第二采空区102为采空区B束管观测点，所述第三采空区103为采空区3#束管观测点，所述第四采空区104为采空区4#束管观测点；
需要说明的是，所述第一采空区101、第二采空区102、第三采空区103、第四采空区104均为采空区预埋监测点，具体的，预先将束管埋入采空区预定深度(预埋在第一采空区101的束管与阀门2之间的间距为80m、预埋在第二采空区102的束管与阀门2之间的间距为60m、预埋在第三采空区103的束管与阀门2之间的间距为40m、预埋在第四采空区104的束管与阀门2之间的间距为20m)。
优选的，所述束管为内径10mm PVC管，在工作面回采过程中预定深度埋入。
所述阀门2包括第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204，其中，所述第一阀门201的一端通过束管与第一采空区101相连通，所述第一阀门201的另一端与气体存储箱3相连通，所述第二阀门202的一端通过束管与第二采空区102相连通，所述第二阀门202的另一端与气体存储箱3相连通，所述第三阀门203的一端通过束管与第三采空区103相连通，所述第三阀门203的另一端与气体存储箱3相连通，所述第四阀门204的一端通过束管与第四采空区104相连通，所述第四阀门204的另一端与气体存储箱3相连通。
所述第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204采用DN10mm铜制阀门，尺寸与束管尺寸相配套。
本实施例中，所述气体存储箱3采用有机玻璃或φ159mm管路加工件制成，进气端、出气端各连接口使用凝固胶或生料袋密封，保证装置的气密性、监测的准确性。
实际运行中，最在乎的数据是氧气、CO、温度、CH4这四组数据，所以本实施例中，所述传感器集成4包括氧气传感器401、CO传感器402、温度传感器403、CH4传感器404，其中，所述氧气传感器401、CO传感器402、温度传感器403、CH4传感器404集成在一起，且所述氧气传感器401、CO传感器402、温度传感器403、CH4传感器404数据感应灵敏，所述传感器集成4用于采集气体存储箱3内气体的数据，可以粘贴设置于气体存储箱3的内部，同时所述传感器集成4还能够与外界监控终端通信连接。
需要强调的是，将多个传感器集成在一起为现有技术，本发明并不对如何将传感器集成在一起进行保护。
所述气体流量计5优选为矿用煤气表，安装在气体存储箱3的出气端处。
所述主控阀门6采用DN10mm铜制阀门，所述主控阀门6安装在气体流量计5与抽采设备7之间，用于总控气体流量、流速。
需要说明的是，第四采空区104、第三采空区103、第二采空区102、第一采空区101之间的间距一般为均等最好，且本实施例中，所述第四采空区104与第三采空区103间距可以为20m，所述第三采空区103与第二采空区102间距可以为20m，所述第二采空区102与第一采空区101间距可以为20m。
经过使用发现，当采用井下移动泵站抽采时，而该移动泵站无法连续工作，会导致负压源不稳定的情况，所以本实施例中，所述抽采设备7为地面(非井下)的抽采泵，通过导线连接，从而具有连续性强、稳定性高的优点，实现连续性抽采。
具体工作的时候，当需要监测第一采空区101处的数据时候，首先打开第一阀门201，关闭第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第一采空区101处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；
传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，且所述监控终端能够设置数据预测报警值，实现采空区气体多参数的连续实时监测。
当需要监测第二采空区102处的数据时候，首先打开第二阀门202，关闭第一阀门201、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第二采空区102处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；
当需要监测第三采空区103处的数据时候，首先打开第三阀门203，关闭第一阀门201、第二阀门202、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第三采空区103处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；
当需要监测第四采空区104处的数据时候，首先打开第四阀门204，关闭第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203，然后打开主控阀门6，使第四采空区104处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；
这样就能够实现任意且实时监测不同区域的气体数据。
工作原理：
当需要监测第一采空区101处的数据时候，首先打开第一阀门201，关闭第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第一采空区101处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；当需要监测第二采空区102处的数据时候，首先打开第二阀门202，关闭第一阀门201、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第二采空区102处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；当需要监测第三采空区103处的数据时候，首先打开第三阀门203，关闭第一阀门201、第二阀门202、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第三采空区103处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；当需要监测第四采空区104处的数据时候，首先打开第四阀门204，关闭第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203，然后打开主控阀门6，使第四采空区104处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；传感器集成4能够监测气体存储箱3内气体，实现实时监测，同时传感器集成4将监测的参数数据上传至监控终端处，方便后台人员进行观察；这样就能够实现任意且实时监测不同区域的气体数据；
同时不需要采用各种试剂来区分是气体种类、气体多少等，这样就能够避免消耗试剂的问题，从而节约了材料费用。
实施例2
一种基于实施例1所述的一种采空区气体多参数监测装置的监测方法，包括以下步骤：
S1、获取采空区气体；
S11、获取第一采空区101处的气体；打开第一阀门201，关闭第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第一采空区101处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；
S12、获取第二采空区102处的气体，打开第二阀门202，关闭第一阀门201、第三阀门203、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第二采空区102处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；
S13、获取第三采空区103处的气体，打开第三阀门203，关闭第一阀门201、第二阀门202、第四阀门204，然后打开主控阀门6，使第三采空区103处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；
S14、获取第四采空区104处的气体，打开第四阀门204，关闭第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203，然后打开主控阀门6，使第四采空区104处气体在抽采设备7的抽采作用下流入气体存储箱3内；
S2、传感器集成4监测识别气体存储箱3的气体，并将各种气体参数实时上传至监控终端，实现在线预测预报。
示例性的，本实施例中，以某个煤矿的1613(3)工作面为例(需要说明的是，煤矿领域中的工作面很多，为了方便区分，通常使用不同的编号来代替，这里的1613(3)是具体某个工作面的编号)，第一采空区101预埋位置为1613(3)，工作面退尺点(即采煤长度)1606m，第二采空区102预埋位置为1613(3)工作面退尺点1636m，第三采空区103预埋位置为1613(3)工作面退尺点1656m，第四采空区104预埋位置为1613(3)工作面退尺点1676m。
同时以1613(3)工作面为例，进行数据采集，如图2、图3、图4、图5，如图2、图3、图4、图5，图2为本发明实施例提供的甲烷(CH4)实时监测曲线，图3为本发明实施例提供的温度(℃)实时监测曲线，图4为本发明实施例提供的氧气(O2)实时监测曲线，图5为本发明实施例提供的一氧化碳(CO)实时监测曲线；
本发明能够减少用工人数；按每天每处监测点1人次计算，可减少人工费用7.3万元/年(每工按200元计)，减少试剂、工器具等材料费约4万元。
本发明全面推广应用后每年每矿井可节约费用约220万(按矿井每年6个收作面，14个采空区监测计算)；这样的话矿区8对矿井共计每年可节约费用约1760万元。
此外，本发明相比人工监测具有性能稳定、功能齐全、自动化程度高、灵敏可靠、抽采负压源稳定可靠等优点，可实现24小时无间断监测采空区气样参数的变化，第一时间扑捉发火隐患，降低发火概率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
