无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统及监测方法技术方案

无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统及监测方法,涉及煤矿安全监测系统及监测技术,是为了降低煤矿安全事故的发生概率，以及实现对煤矿井下挖掘面的地质及环境监测。本发明专利技术基于无线自组网技术，以及对布拉格光栅传感器的应用实现对煤矿井下挖掘面的地质及环境的监测，有效降低了煤矿安全事故的发生概率，同比可降低15％左右的发生概率。本发明专利技术适用于煤矿的安全生产监控场合。

Coal Mine Safety Monitoring System and Method Based on Fiber Bragg Grating Sensor in Wireless Ad Hoc Network

Coal mine safety monitoring system and monitoring method based on fiber Bragg grating sensor under wireless ad hoc network involves coal mine safety monitoring system and monitoring technology, in order to reduce the probability of coal mine safety accidents and realize geological and environmental monitoring of coal mine underground excavation. Based on wireless ad hoc network technology and the application of Bragg grating sensor, the invention realizes the monitoring of Geology and environment of underground mining face, effectively reduces the occurrence probability of coal mine safety accidents, and reduces the occurrence probability by about 15% year on year. The invention is suitable for the occasion of safety production monitoring in coal mines.

【技术实现步骤摘要】
无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统及监测方法
本专利技术涉及煤矿安全监测系统及监测技术，具体涉及一种煤矿安全监测系统及监测方法。
技术介绍
2011年我国煤炭总产量达到35亿吨，千万吨以上煤炭生产企业达到47家，产量占全国煤炭核定生产能力的63.24％。其中3000万吨以上煤矿企业12家，并创造了一批高产高效矿井，各地区、各部门和煤炭企业提高了认识、强化了管理，安全投入也普遍有所增加，使煤矿在产量大幅度增长的情况下，实现了安全生产状况的总体稳定，但煤矿仍然是我国工矿企业中事故发生最频繁、安全生产形势最严峻的工业部门，与国外的差距也仍然存在。分析已发生的煤矿安全事故，可以总结出以下规律：造成较大规模安全事故的，普遍源自采掘面坍塌所致，而采掘面坍塌的原因有：1、采掘面瓦斯浓度超标后发生的瓦斯爆炸；采掘面地质结构发生变化；因此，为了降低煤矿安全事故的发生概率，就有必要对煤矿的安全进行监测。
技术实现思路
本专利技术是为了降低煤矿安全事故的发生概率，以及实现对煤矿井下挖掘面的地质及环境监测，从而提供一种无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统及监测方法。无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统，它包括地上监控中心、井下无线接入点F0、N个井下无线监测点AP包括A个地埋式地质结构变化探测无线接入点，和B个穿戴式井下环境无线接入点，N＝A+B，A、B均为正整数；井下无线接入点F0位于矿井下，所述井下无线接入点F0的通信半径为Rz，所述井下无线接入点F0的通信覆盖范围是以其块为中心，以Rz为半径的圆所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信接入点F0通信覆盖区域；所述井下无线接入点F0能够与进入无线通信接入点F0通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信；所述地上监控中心与井下无线接入点F0通过光纤进行通信；每个地埋式地质结构变化探测无线接入点包括一个锥型桩体(11)、一号控制器U1、无线通信模块F1、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均嵌入锥型桩体(11)的主体上，所述锥型桩体(11)的柱体埋在矿井的采掘面巷道的侧壁或地面上；所述C1、C2、C3和C4均为正整数；所述C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均为布拉格光栅传感器；所述C1个横向应变传感器(12)的横向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C1个横向应变信号输入端连接；所述C2个纵向应变传感器(13)的纵向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C2个纵向应变信号输入端连接；C3个土压力计(14)的土压信号输出端分别与一号控制器U1的C3个土压信号输入端连接；C4个单点位移计(15)的位移信号输出端分别与一号控制器U1的C4个位移信号输入端连接；一号控制器U1的通信端与无线通信模块F1的信号输入或输出端连接；所述无线通信模块F1的通信半径为Ra，所述无线通信模块F1的通信覆盖范围是以无线通信模块为中心，以Ra为半径的圆形所覆盖的区域，命名为：无线通信模块F1通信覆盖区域；；所述无线通信模块F1能够与进入无线通信模块F1通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信，B个穿戴式井下环境无线接入点分别穿戴在B个井下矿工身上；每个穿戴式井下环境无线接入点包括二号控制器U2、瓦斯浓度探测器(21)、氧气浓度探测器(22)无线通信单元F2和存储器(23)；瓦斯浓度探测器(21)用于探测矿井下瓦斯浓度；氧气浓度探测器(22)用于探测矿井下氧气浓度；存储器(23)用于存储探测到的测矿井下瓦斯浓度数据和氧气浓度数据；瓦斯浓度探测器(21)的瓦斯浓度信号输出端与二号控制器U2的瓦斯浓度信号输入端连接；所述氧气浓度探测器(22)的氧气浓度信号输出端与二号控制器U2的氧气浓度信号输入端连接；存储器(23)的存储器数据输出或输入端与二号控制器U2的存储器数据输入或输出端连接；二号控制器U2的通信端与无线通信单元F2的通信端连接；所述无线通信单元F2的通信半径为Rb，所述无线通信单元F2的通信覆盖范围是以无线通信单元F2为中心，以Rb为半径的圆形所覆盖的区域，命名为：无线通信单元F2通信覆盖区域；；所述无线通信单元F2能够与进入无线通信单元F2通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信；实现上述无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测方法，它包括以下步骤：步骤一、将井下无线接入点F0设置在煤矿井下采掘面的巷道中，将A个地埋式地质结构变化探测无线接入点埋在矿井的采掘面巷道的侧壁或地面上；每个地埋式地质结构变化探测无线接入点实时探测其所在地的地质结构数据，生成所在地地质结构数据包所述地质结构数据包括：该地埋式地质结构变化探测无线接入点ID、该地点的横向应变数据、纵向应变数据、土压力数据和单点位移数据；步骤二B个穿戴着穿戴式井下环境无线接入点的矿工在煤矿井下采掘面随机移动进行作业，穿戴式井下环境无线接入点进入无线通信模块通信覆盖区域后与无线通信模块F1进行自组网通信，获取组网的无线通信模块F1所在地埋式地质结构变化探测无线接入点探测到的地地质结构数据包并存入存储器(23)，形成携带地质结构变化探测数据无线接入点；步骤三、在B个穿戴着穿戴式井下环境无线接入点的矿工在煤矿井下采掘面随机移动进行作业的过程中，每个穿戴式井下环境无线接入点采集煤矿井下采掘面的瓦斯浓度数据和氧气浓度数据，并生成煤矿井下采掘面瓦斯及氧气浓度数据包并存入存储器(23)步骤四、当步骤三中携带有煤矿井下采掘面瓦斯及氧气浓度数据包的穿戴式井下环境无线接入点进入步骤二所述的携带有地质结构变化探测数据的无线接入点F1的通信覆盖区域后，步骤三中携带有煤矿井下采掘面瓦斯及氧气浓度数据包的穿戴式井下环境无线接入点将自身所携带的采掘面瓦斯及氧气浓度数据包发送给步骤二所述的携带有地质结构变化探测数据的无线接入点，将z这些节点命名为：携带有采掘面环境数据的无线节点；步骤五、当步骤四中携带有采掘面环境数据的无线节点进入无线通信接入点F0通信覆盖区域后，步骤四中携带有采掘面环境数据的无线节点将自身所携带的所携带的采掘面瓦斯及氧气浓度数据包和地质结构变化探测数据发送给步骤二所述的井下无线接入点；步骤六、井下无线接入点将收到的采掘面瓦斯及氧气浓度数据包和地质结构变化探测数据通过光纤发送给地上监控中心，步骤七、地上监控中心对煤矿井下采掘面瓦斯及氧气浓度数据和各地埋式地质结构变化探测无线接入点ID、该地点的横向应变数据、纵向应变数据、土压力数据和单点位移数据进行解析，实现对煤矿安全的监测；本专利技术基于无线自组网技术，以及对布拉格光栅传感器的应用实现对煤矿井下挖掘面的地质及环境的监测，有效降低了煤矿安全事故的发生概率，同比可降低15％左右的矿难发生概率。附图说明图1是地埋式地质结构变化探测无线接入点的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统，它包括地上监控中心、井下无线接入点F0、N个井下无线监测点AP包括A个地埋式地质结构变化探测无线接入点，和B个穿戴式井下环境无线接入点，N＝A+B，A、B均为正整数；井下无线接入点F0位于矿井下，所述井下无线接入点F0的通信半径为Rz，所述井下无线接入点F0的通信覆盖范围是以其块为中心，以Rz为半径的圆所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信接入点F0通信覆盖区域；所述井下无线接入点F0能够与进入无线通信接入点F0通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信；所述地上监控中心与井下无线接入点F0通过光纤进行通信；每个地埋式地质结构变化探测无线接入点包括一个锥型桩体(11)、一号控制器U1、无线通信模块F1、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均嵌入锥型桩体(11)的主体上，所述锥型桩体(11)的柱体埋在矿井的采掘面巷道的侧壁或地面上；所述C1、C2、C3和C4均为正整数；所述C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均为布拉格光栅传感器；所述C1个横向应变传感器(12)的横向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C1个横向应变信号输入端连接；所述C2个纵向应变传感器(13)的纵向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C2个纵向应变信号输入端连接；C3个土压力计(14)的土压信号输出端分别与一号控制器U1的C3个土压信号输入端连接；C4个单点位移计(15)的位移信号输出端分别与一号控制器U1的C4个位移信号输入端连接；一号控制器U1的通信端与无线通信模块F1的信号输入或输出端连接；所述无线通信模块F1的通信半径为Ra，所述无线通信模块F1的通信覆盖范围是以无线通信模块为中心，以Ra为半径的圆形所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信模块F1通信覆盖区域；所述无线通信模块F1能够与进入无线通信模块F1通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信，B个穿戴式井下环境无线接入点分别穿戴在B个井下矿工身上；每个穿戴式井下环境无线接入点包括二号控制器U2、瓦斯浓度探测器(21)、氧气浓度探测器(22)无线通信单元F2和存储器(23)；瓦斯浓度探测器(21)用于探测矿井下瓦斯浓度；氧气浓度探测器(22)用于探测矿井下氧气浓度；存储器(23)用于存储探测到的测矿井下瓦斯浓度数据和氧气浓度数据；瓦斯浓度探测器(21)的瓦斯浓度信号输出端与二号控制器U2的瓦斯浓度信号输入端连接；所述氧气浓度探测器(22)的氧气浓度信号输出端与二号控制器U2的氧气浓度信号输入端连接；存储器(23)的存储器数据输出或输入端与二号控制器U2的存储器数据输入或输出端连接；二号控制器U2的通信端与无线通信单元F2的通信端连接；所述无线通信单元F2的通信半径为Rb，所述无线通信单元F2的通信覆盖范围是以无线通信单元F2为中心，以Rb为半径的圆形所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信单元F2通信覆盖区域；所述无线通信单元F2能够与进入无线通信单元F2通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信；...

【技术特征摘要】
1.无线自组网下基于光纤布拉格光栅传感器的煤矿安全监测系统，它包括地上监控中心、井下无线接入点F0、N个井下无线监测点AP包括A个地埋式地质结构变化探测无线接入点，和B个穿戴式井下环境无线接入点，N＝A+B，A、B均为正整数；井下无线接入点F0位于矿井下，所述井下无线接入点F0的通信半径为Rz，所述井下无线接入点F0的通信覆盖范围是以其块为中心，以Rz为半径的圆所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信接入点F0通信覆盖区域；所述井下无线接入点F0能够与进入无线通信接入点F0通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信；所述地上监控中心与井下无线接入点F0通过光纤进行通信；每个地埋式地质结构变化探测无线接入点包括一个锥型桩体(11)、一号控制器U1、无线通信模块F1、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均嵌入锥型桩体(11)的主体上，所述锥型桩体(11)的柱体埋在矿井的采掘面巷道的侧壁或地面上；所述C1、C2、C3和C4均为正整数；所述C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)；、C1个横向应变传感器(12)、C2个纵向应变传感器(13)、C3个土压力计(14)和C4个单点位移计(15)均为布拉格光栅传感器；所述C1个横向应变传感器(12)的横向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C1个横向应变信号输入端连接；所述C2个纵向应变传感器(13)的纵向应变信号输出端分别与一号控制器U1的C2个纵向应变信号输入端连接；C3个土压力计(14)的土压信号输出端分别与一号控制器U1的C3个土压信号输入端连接；C4个单点位移计(15)的位移信号输出端分别与一号控制器U1的C4个位移信号输入端连接；一号控制器U1的通信端与无线通信模块F1的信号输入或输出端连接；所述无线通信模块F1的通信半径为Ra，所述无线通信模块F1的通信覆盖范围是以无线通信模块为中心，以Ra为半径的圆形所覆盖的圆形区域，命名为：无线通信模块F1通信覆盖区域；所述无线通信模块F1能够与进入无线通信模块F1通信覆盖区域内的每一个无线通信节点组成自组网，并进行通信，B个穿戴式井下环境无线接入点分别穿戴在B个井下矿工身上；每个穿戴式井下环境无线接入点包括二号控制器U2、瓦斯浓度探测器(21)、氧气浓度探测器(22)无线通信单元F2和存储器(23)；瓦斯浓度探测器(21)用于探测矿井下瓦斯浓度；氧气浓度探测器(22)用于探测矿井下氧气浓度；存储器(23)用于存储探测到的测矿井下瓦斯浓度数据和氧气浓度数据；瓦斯浓度探测器(21)的瓦斯浓度信号输出端与二号控制器U2的瓦斯浓度信号输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张妍，李佳，张静，王颖，
申请(专利权)人：黑龙江工业学院，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23