一种煤层瓦斯压力测定仪及测定方法.pdf

一种煤层瓦斯压力测定仪，适用于煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定。它由设在煤层内的信号发射器和巷道内的便携式可移动接收器构成，信号发射器由压力变送器，与压力变送器顺序连接的A/D转换器、单片机I和无线或有线发射模块构成；便携式可移动信号接收器由无线或有线接收模块顺序连接单片机II和显示模块构成。将压力变送器置入煤层内，通过压力变送器将煤层内部的瓦斯压力转换为电信号传入传出煤层，再通过巷道中的接受装置对信号进行接收处理显示出煤层内部瓦斯压力的大小，使得煤层瓦斯含量和煤层突出危险性进行预测和评价结果准确，有效防治瓦斯事故的发生。其结构简单，造价低，分辨率高，测量数据精确，使用方便，具有广泛的实用性。

1、  一种煤层瓦斯压力测定仪，其特征在于：它由设在煤层内的信号发射器(1)和巷道内的便携式可移动接收器(2)构成，其中：信号发射器(1)由压力变送器(3)，与压力变送器(3)顺序连接的A/D转换器(4)、单片机(5)和收发模块(6)构成；便携式可移动接收器(2)由收发模块(6)顺序连接单片机(5)和显示模块(7)构成。

2、  根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定仪，其特征在于：所述的压力变送器(3)由恒流源U5和集成放大器U3组成的放大电路以及插接在单排插针JP1上的STI100型压力传感器构成。

3、  根据权利要求1所述的煤层瓦斯压力测定仪，其特征在于：所述的A/D转换器(4)的型号为MAX1240；所述单片机(5)的型号为LPC932；所述收发模块(6)的型号为nRF905；所述显示模块(7)的型号为3V工作电压的阵列1602。

4、  一种煤层瓦斯压力测定方法，其特征在于：
a.先用钻头对岩石(Y)向着煤层方向钻一小孔，直至钻到煤层(M)为止；
b.将信号发射器(1)置入小孔底部；
c.用孔径大于小孔径约40％的钻头对小孔进行扩孔，扩孔深度l约为2米；
d.对扩孔进行封孔，阻止瓦斯外溢；
e.将便携式可移动接收器(2)设在巷道(H)钻孔封孔位置附近，即可接收信号发射器(1)发出的数据。

一种煤层瓦斯压力测定仪及测定方法
技术领域
本发明涉及一种煤层瓦斯压力测定仪及测定方法，尤其适用于煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定。
背景技术
我国既是世界上煤炭产量最大的国家，也是煤矿瓦斯(甲烷)最为严重的国家之一。每年我国煤矿死亡人数是美国的200倍，印度的10多倍，百万吨死亡率是世界平均水平的10倍。据统计，我国现有国有重点煤矿600多个，其中高瓦斯和突出矿井约占一半。1983～2000年间，全国煤矿平均发生重大瓦斯事故9起，死亡185人，约占同期煤矿“一通三防”事故总数的16％，死亡人数的49％。此外，瓦斯是除二氧化碳外造成大气污染的主要污染源之一，它增大了大气层的温室效应，而全世界煤矿每年排放入大气的瓦斯量约为300亿m3。由此看来，煤矿瓦斯不仅对矿工生命及国家财产构成重大威胁、严重制约煤矿生产能力的发挥，造成了不良的社会和政治影响，而且还污染了人类赖以生存的大气环境。因此，瓦斯治理一直被作为我国煤矿安全生产工作的头等大事来抓。
近10多年来，为了掌握矿井瓦斯的赋存及涌出规律，以消除爆炸瓦斯源、防止煤与瓦斯突出事故的发生、开发与利用瓦斯资源，国家组织开展了矿井瓦斯涌出量预测、瓦斯抽放及局部瓦斯积聚防治技术的攻关研究，取得了一批重要成果，为保障煤矿安全生产起到了一定的积极作用。在长期治理瓦斯的实践中，我国已探索形成了“以煤层瓦斯含量测定为基础，以瓦斯危险程度预测(瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出危险性预测)为依据，以瓦斯防治措施为手段”的瓦斯综合治理模式。
要有效地进行瓦斯治理工作，首先必须进行比较准确的瓦斯压力测量，其任务是测定煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素，同时也是对煤层突出危险性进行预测和评价的基础性参数。由此可见，煤层瓦斯压力的测定工作是一切瓦斯防治措施的基础，具有不可替代的重要地位。瓦斯压力值的准确性不但制约矿井瓦斯危险程度预测的可靠性，而且将影响以此为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性与经济性。
目前人们对煤层瓦斯压力的测定方法进行了大量研究，并开展了广泛的煤层瓦斯压力测定工作。但最常用和最可靠的方法还是通过井下直接测定法得到的。直接测定煤层瓦斯压力方法(简称直接测压法)是用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量煤层瓦斯压力的地点打一钻孔、然后在钻孔中放置测压管再将钻孔严密封闭堵塞并将压力表和测压管相连来测出瓦斯压力。直接测压法的关键是钻孔封闭的质量，但是由于有测压管的存在，造成封孔介质和测压管之间存在微间隙，导致封孔不严，测压的时间较长，可能致使煤层瓦斯压力的测量值与真实压力值有很大误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单，测试方便，精度高，灵敏度高，使用效果好的煤层瓦斯压力测定仪及测定方法。
本发明的煤层瓦斯压力测定仪，由设在煤层内的信号发射器和巷道内的便携式可移动接收器构成，其中：信号发射器由压力变送器，与压力变送器顺序连接的A/D转换器、单片机和收发模块构成；便携式可移动接收器由收发横块顺序连接单片机和显示模块构成。
所述的压力变送器由恒流源U5和集成放大器U3组成的放大电路以及插接在单排插针JP1上的STI100型压力传感器构成；所述的A/D转换器的型号为MAX1240；所述的单片机的型号为LPC932；所述的收发模块为nRF905；所述的显示模块的型号为3V工作电压的阵列1602。
本发明的煤层瓦斯压力测定方法：
a.先用钻头对岩石向着煤层方向钻一小孔，直至钻到煤层为止；
b.用钢管将封装好的信号发射器拥入小孔底部；
c.用直径大于小孔径约40％的钻头对小孔进行扩孔，扩孔深度l约为2米；
d.对扩孔进行封孔，阻止瓦斯外溢；
e.将便携式可移动接收器设在巷道钻孔封孔位置附近，即可接收信号发射器发出的数据。
本发明的有益效果：通过设在煤层中的压力变送器，将压力信号转变为电信号，通过收发模块或有线方式通信，在巷道中可精确的测量煤层内部瓦斯压力。利用无线或有线测压时，封孔简单严密，整个操作过程耗时短，分辨率高，测量数据精确。大大提高了工作效率，能提供更加准确的煤层瓦斯压力值，使得煤层瓦斯含量和煤层突出危险性进行预测和评价结果更加准确，从而可以得出更加合理的治理瓦斯的方案，有效防治瓦斯事故的发生。其结构简单，造价低，测试方便，精度高，灵敏度高，使用效果好，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的位置结构示意图。
图2是本发明的信号发射器构成框图。
图3是本发明的信号发射器电路原理图。
图4是本发明的可移动接收器构成框图。
图5是本发明的可移动接收器电路原理图。
其中：1-信号发射器；2-便携式可移动接收器；3-压力变送器，4-A/D转换器；5-单片机；6-收发模块；7-显示模块；M-煤层；H-巷道；Y—岩石；l-扩孔深度。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
图1所示，本发明的煤层瓦斯压力测定仪由信号发射器1和便携式可移动接收器2构成，其测定方法：采用直径为45～75mm小钻头，对岩石Y向着煤层方向钻一小孔，直至钻到煤层M为止，抽出钻杆；用钢管将信号发射器1拥入小孔底部煤层；再用孔径大于小孔径约40％的钻头对小孔进行扩孔，扩孔深度l约为2米；用砂浆或封孔器对扩孔进行封孔，并用硅橡胶进行密封，以保证瓦斯不外溢；将便携式可移动接收器2悬挂在巷道H内或手持距离钻孔封孔最近的位置，即可接收信号发射器1发出的瓦斯压力数据。
图2所示，信号发射器1由压力变送器3，与压力变送器3顺序连接的A/D转换器4、单片机5和收发模块6构成，其中压力变送器由恒流源U5和集成放大器U3组成的放大电路以及插接在单排插针JP1上的STI100型压力传感器构成；A/D转换器4的型号为MAX1240；单片机5的型号为LPC932；收发模块6为nRF905。
图3所示，变送器的压力传感器STI100的四线接入单排插针JP1的4个管脚，单排插针JP1的4脚接稳流二极管1N457的正向输出端，恒流源U5的1脚链接电源正极，恒流源U5的2脚同时连接电位器JP6、JP7的1、2两脚，恒流源U5的3脚同时连接JP6的3脚和二极管1N457的正向输入端，二极管1N457的正向输出端连接着电位器JP7的3脚，恒流源U5通过电位器调节大小，选择适当电流值为压力传感器提供电源；JP1的1脚接电源负极，单排插针JP1的3脚的压力信号负极输出连接信号放大器U3的2脚，单排插针JP1的2脚的压力信号正极输出连接信号放大器U3的3脚，信号放大器U3的1脚与8脚之间连接有电阻R5，7脚接电源正极，4脚5脚接电源负极，电阻R5的大小决定信号的放大倍数。信号放大器U3将放大设定倍数的电压信号通过6脚传入型号为MAX1240的A/D转换器U4的输入端AIN的2脚，A/D转换器U4的1脚接电源正极，5脚接电源负极，4脚接电容C15接电源负极，完成使用内部参考电压0～2.5V的功能。A/D转换器U4的引脚7连接单片机5的P0.6CMP脚，引脚8连接单片机LPC932(U1)的P0.4CMP脚，6脚为数字信号输出脚连接单片机U1的P0.7CMP脚，3脚连接单片机的P0.5CMP脚，始终置高，即保持高电平为1。工作时：(1)保持SCLK为0，使CS＝0，AD转换器开始采样，保持器开始工作，然后进行A/D转换操作；转换期间，必须保持SCLK＝0(第0个SCLK周期)；在数据输出结束前，保持CS＝0。(2)等待T_CON时间大约8uS，转换结束，其标志为D_OUt端输出一个上升沿；然后可在SCLK的时序控制下将数据从D_out端输出。(3)在Dout端串行输出12位数据，在12个(时序图中第1～12个SCLK时钟周期)SCLK时钟周期作用下，将12位转换结果以高位在前的格式从端_DOUt输出给单片机LPC932(U1)；单片机U1的7脚接电源正极，21脚接电源负极，6脚即P1.5RST复位脚接电阻和电容组成复位电路，使用内部晶振，单片机U1的8脚、9脚悬空。单片机U1对数据进行处理后和收发模块进行通信，单片机U1的24脚P0.3CIN接收发模块nRF905的32脚TXEN，单片机U1的25脚P0.2CIN接收发模块nRF905的31脚TRXCE，单片机U1的26脚P0.1CIN接收发模块nRF905的2脚PWRUP，单片机U1的3脚P0.0CMP接收发模块nRF905的3脚uCLK，单片机U1的2脚P2.1CCD接收发模块nRF905的6脚CD，单片机U1的13脚P2.2MOSI接收发模块nRF905的7脚AM，单片机U1的24脚P2.3MISO接收发模块nRF905的8脚DR，单片机U1的15脚P2.4SS接收发模块nRF905的10脚MOSI，单片机U1的16脚P2.5PICLK接收发模块nRF905的11脚MISO，单片机5U1的27脚P2.6OCA接收发模块nRF905的12脚SCK，单片机U1的28脚P2.7ICA接收发模块nRF905的13脚CSN，接收发模块nRF905的20脚ANT1、21脚ANT1外接天线，14脚XC1、15脚XC2外接晶振。当单片机U1有数据要发送时，按时序地址和要发送的数据发送给收发模块nRF905，单片机U1置高收发模块nRF905的引脚TRXCE1和TXEN32，收发模块nRF905的发送模式被激发，收发模块nRF905进入发送状态，射频寄存器自动开启，把数据打包(包括给数据加字头和CRC校验码)，发送数据包，当数据发送完成，数据准备好引脚CD被置高；收发模块nRF905按发送状态模式编程不断重发，直到TRX-CE被置低，即保持低电平为0，收发模块nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。
图4所示，便携式可移动接收器2由收发模块6顺序连接单片机5和显示模块7构成。单片机5的型号为LPC932；收发模块6为NewMsg-RF905，显示模块7的型号为3V工作电压的阵列1602。
图5所示，电位器JP2为显示模块JP1与单片机LPC932(U1)的16管脚接口，显示模块JP1的1脚同时接电源负极和电位器JP2的3脚，2脚同时接电源正极和电位器JP2的1脚，3脚接电位器JP2的2脚，通过调节电位器调节字符显示的亮度，4脚CS是片选脚连接单片机U1的5脚P1.6OCB，5脚接电源负极，6脚连接单片机U1的10脚P1.4NTI，7—14脚依次连接单片机U1的P0口即P0.0—P0.7，15脚接电源正极，16脚接电源负极，为显示模块JP1的背光提供电源。工作时初始化完成后，将显示模块JP1引的脚4置低，写入地址，延时后置高引脚6，再延时后置低引脚6，将显示模块JP1的引脚4置高数据写入，延时后置高引脚6，再延时后置低引脚6，如此循环进行数据的刷新显示；单片机U1的7脚接电源正极，21脚接电源负极，6脚P1.5RST接复位电路，使用内部晶振，单片机U1的8脚、9脚悬空，单片机U1对数据进行处理后和收发模块进行通信，单片机U1的18脚P1.0TXD接收发模块nRF905的32脚TXEN，单片机5U1的17脚P1.1RXD)接收发模块nRF905的31脚TRXCE，单片机U1的12脚P1.2TSCL接收发模块nRF905的2脚PWRUP，单片机U1的5脚P1.6OCB接收发模块nRF905的3脚uCLK，单片机U1的4脚P1.7OCC接收发模块nRF905的6脚CD，单片机U1的1脚P2.0OCB接收发模块nRF905的7脚AM，单片机U1的2脚P2.1OCD接收发模块nRF905的8脚DR，单片机U1的13脚P2.2MOSI接收发模块nRF905的10脚MOSI，单片机U1的14脚P2.3 MISO接收发模块nRF905的11脚MISO，单片机U1的15脚P2.4SS接收发模块nRF905的12脚SCK，单片机U1的16脚P2.5UCLK接收发模块nRF905的13脚CSN，接收发模块nRF905的20脚ANT1、21脚ANT1外接天线，14脚XC115脚XC2外接晶振。当收发模块nRF905引脚TRXCE1为高、TXEN32为低时，收发模块nRF905进入接受模式；等待模式转换650uS后，收发模块nRF905不断监测，等待接受数据；当收发模块nRF905检测到同一频段的载波时，引脚6载波检测置高；当接受到一个相匹配的地址，引脚7被置高；当一个正确的数据包接收完毕时，收发模块nRF905自动移去数据包的字头、地址和CRC校验位，然后把引脚8置高；单片机U1把TRXCE1脚置低，收发模块nRF905进入空闲模式；收发模块nRF905的内部存储器把数据移到单片机U1内，当所以的数据接受完毕，收发模块nRF905把DR引脚8和AM引脚7置低，收发模块nRF905此时可以进入到接收模式、发送模式或关机模式。单片机U1的27脚P2.6OCA连接电阻器R21和触点式开关JP4的1脚，电阻器接电源正极，触点式开关JP4的3脚接电源负极，单片机U1的28脚P2.7UCA连接电阻器和触点式开关JP5的1脚，电阻器R3接电源正极，触点式开关JP5的3脚接电源负极，通过用手按两个触点式开关JP4、JP5查询历史数据，可以通过显示模块JP1把压力数据以十进制的标准值显示出来，并可通过编程控制显示接收次数及时间等参数。