煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备及巡检方法与流程

本发明属于矿业安全监测技术领域，具体涉及煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备及巡检方法。

背景技术：

我国煤层赋存地质条件复杂，煤碳开采过程将面冒顶、瓦斯、火灾、水灾、粉尘等多种灾害发生，生产环境恶劣，各类灾害严重制约着矿井的安全高效开采，同时造成大量的人员伤亡和财产损失。现有技术中，最常用的采矿区安全监测方式是，在密闭采空区以外的轨道铺设巡检装置，对煤矿的巷道进行巡检。

专利申请号为cn201810889050.8的发明专利公布了一种采空区煤自燃温度场实时可视化监测装置、系统及方法，通过监测装置进行数据采集，通过信号传输线连接至井下的红外热成像分析主机，进而通过井下的环网传输至地面监控中心，实现采空区危险区域的温度场监测。该采空区煤自燃温度场实时可视化监测装置、系统及方法摒弃了现有的光纤测温及束管监测的缺点，不再是对有限的点进行监测，而是对采空区内的所有的遗煤进行温度场的全面监测，对采空区内危险区域的温度场实现一目了然的监测，任何一个点出现温度异常，都能直观、及时的发现，该系统属于非接触式测温，不需要在采空区内布置测温，只需要将红外热成像仪安装于采空区支架，一次性投入，在煤矿领域有着广阔的应用前景。

该设备及方法是一个较为完整的煤矿采空区巡检方案，但是其及其至于采空区内不能取出，对于设备的检查和维修十分不利。而且对采空区自燃的防治并不需要对采空区进行全面的检查，只需要在采空区密闭墙附近区域与进行监控即可。因为遗煤自燃需要氧气，氧气是通过密闭墙缝隙进入的，故氧气极其稀薄的采空区深处不具备氧化条件，对其测量并没有多大实际意义。岩状的变形会挤压密闭墙使其变形从而产生空隙，容易引发采空区煤炭自燃，上述装置无法对采空区内密闭墙附近的岩状变形进行监测。

采空区在形成过程中，会使矿体围岩内部的应力重新分布，引起围岩松散导致采空区内巷道变形，破坏采空区的密闭设施，使得漏风通道形成进而导致采空区煤自燃。因此，对采空区内壁变形进行监测非常必要。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种能对采空区内部变形情况进行监测的煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备及巡检方法。

本发明所采用的技术方案为：

煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备，包括安装于采空区密闭墙外壁的数据采集盒，数据采集盒内安装有数据采集分析装置，数据采集分析装置电连接有摄像头，数据采集盒上连接有安装管，安装管的另一端伸进采空区密闭墙内侧，摄像头安装于安装管远离数据采集盒的一端，摄像头的镜头伸进采空区密闭墙内侧，安装管上还安装有光源；采空区内壁上安装有若干光杠杆机构，光杠杆机构的输出端连接有用于将光源的光线反射到摄像头的反光镜。

优选地，所述光杠杆机构包括分别铰接于采空区内壁不同位置的第一杠杆和第二杠杆，第二杠杆上固定有第一锥齿轮，第一锥齿轮可转动连接有转动轴，第一杠杆与转动轴固定，第一锥齿轮上啮合有第二锥齿轮，第二锥齿轮上固定有固定轴，反光镜固定于固定轴的另一端，采空区的内壁上固定有支架，固定轴与支架可转动连接。

优选地，所述安装管伸进采空区内部的一端还安装有温度传感器和热成像摄像头，温度传感器和热成像摄像头均与数据采集分析装置电连接。

优选地，所述数据采集盒内还安装有气体采集分析装置，气体分析装置与数据采集分析装置电连接。

优选地，所述气体采集装置包括密闭气体分析盒，密闭气体分析盒上分别连接有采气管和排气管，采气管和排气管的另一端均从安装管伸出，排气管内安装有气泵，密闭气体分析盒上安装有若干气体传感器，若干气体传感器均与数据采集分析装置电连接。

优选地，所述采气管和排气管内均安装有单向阀。

优选地，煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备还包括安装于采空区以外的轨道上的巡检机器人，巡检机器人上安装有数据传输天线；所述数据采集盒内安装有通信装置，通信装置与数据采集分析装置电连接，通信装置与数据传输天线通信连接。

煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检方法，包括如下步骤：

采空区内巷道墙体变形监测：在巷道的壁面上安装若干光杠杆机构，由光源发出的光经光杠杆机构上的反光镜反射，由摄像头捕捉生成的光学影像；将图像上的反光区域坐标化处理，检测时通过对图像进行对比分析，得巷道的位移偏量。

采空区内温度监测：使用温度传感器和热成像摄像头对采空区内空气温度进行检测，数据采集分析装置可根据环境温度信号的采集绘制出空气温度变化图像。

采空区内气体成分及浓度监控：对采空区内气体进行采集，若干气体传感器对气体的成分和浓度进行探测，并将数据传输到数据采集分析装置。

优选地，煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检方法还包括以下步骤：

将监测数据传输到巡检机器人：采空区外的巡检机器人通过通信连接，获取采集的采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据。

优选地，煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检方法还包括以下步骤：

通过数据采集分析装置对采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据设置临界值，当超过临界值时，数据采集分析装置触发报警器。

本发明的有益效果为：

1.本发明的光杠杆机构安装于采空区的内壁上，当采空区的内壁发生一定变形时，光杠杆产生一定移位，则反光镜会产生相应的偏转或移位。反光镜将反射光线反射到摄像头上，反射光角度的偏移，在距离反光镜一定距离的摄像头中成像明显变化。因此，数据采集分析装置能对反射光图像数据进行视觉分析，依次判断采空区内壁是否出现变形或变形量的大小。当采空区的内壁变形量达到一定程度时，采空区密闭墙可能出现裂缝，则此时可对采空区密闭墙进行修复或采取其他措施。

2.当采空区内壁发生一定变形时，第一杠杆和第二杠杆的相对位置变化。由于第二杠杆上固定有第一锥齿轮，第一杠杆与转动轴固定，则第一杠杆和第二杠杆的相对位置变化时，第一锥齿轮发生一定转动。第一齿轮驱动第二锥齿轮转动一定角度，则固定在第二锥齿轮上的反光镜产生相应倾转。反射光线的角度、位置变化能被摄像头采集，并由数据采集分析装置进行视觉分析。因此，光杠杆机构能准确反应采空区内壁的变形，实现了对密闭的采空区的内壁进行变形监测的目的。

3.安装管伸进采空区内部的一端还安装有温度传感器和热成像摄像头，则采空区内部的温度能被温度传感器和热成像摄像头实时监测。采空区内部的温度数据由数据采集分析装置进行采集并处理，方便对采空区内部的温度进行实时监测，方便及时发现采空区内遗煤蓄热升温超过临界线的情况。

4.气体采集分析装置能实时采集采空区内的气体，并对气体种类或含量进行分析，并将数据传输给数据采集分析装置。通过遗煤自燃标志性气体的实验室测定，在遗煤温度升高的不同阶段，会有不同的烷烃、烯烃生成。故通过监测采空区内是否有不同温度阶段特有的烃类，就可判定采空区是否有达到某温度的部位。所以设备还应具备气体采集和分析功能，监测气体信息，从而更加提高采空区内安全程度判定的精度。

5.气泵启动后，采空区内的气体能从采气管进入密闭气体分析盒，密闭气体分析盒内的若干气体传感器能对相应的气体进行检测。气体传感器为各种烃类物质传感器，则通过监测采空区内是否有不同温度阶段特有的烃类，就可判定采空区是否有达到某温度的部位。若干气体传感器均与数据采集分析装置电连接，则数据采集分析装置能将采空区内气体成分数据进行存储和处理。

6.单向阀能避免气体倒流，保证密闭气体分析盒内各气体传感器能充分接触气体，保证各气体传感器对采空区内部的气体成分和浓度进行准确检测。

7.巡检机器人的数据传输天线与通信装置通信连接，可收回图像、温度、气体等数据。巡检机器人沿轨道在规定线路上巡检，经过采空区密封墙的数据采集盒附近时，巡检机器人将数据结果收回，不需要人工处理。

8.本发明可对采空区内壁的变形状况、采空区内空气温度、采空区内气体成分及浓度进行监测，并进行智能分析及危险预警。本发明可分别采集和分析采空区内壁的变形状况、空气温度、气体成分及浓度数据，信息采集更加全面，从而从多个维度对采空区内状况进行监测，保证获取的采空区状况更加准确，为预警和其他措施提供依据。

9.采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据经采集和分析后，采空区外的巡检机器人可通过通信连接将这些数据进行传输，方便巡检机器人在轨道上移动时将数据信息带出来。

10.当采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据的某项指标超过设定值时，数据采集分析装置能触发报警器，及时提醒工作人员进行相应处理。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的安装结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是图1中安装管的a向结构示意图；

图4是光杠杆机构的结构示意图；

图5是气体采集分析装置的结构示意图；

图6是巡检机器人的安装结构示意图。

图中：1-数据采集盒；2-数据采集分析装置；3-安装管；4-光杠杆机构；5-反光镜；6-气体采集分析装置；7-巡检机器人；11-通信装置；12-usb数据接口；13-蓄电池；31-摄像头；32-光源；33-温度传感器；34-热成像摄像头；41-第一杠杆；42-第二杠杆；43-第一锥齿轮；44-转动轴；45-第二锥齿轮；46-固定轴；47-支架；61-密闭气体分析盒；62-采气管；63-排气管；64-气泵；65-气体传感器；66-单向阀；71-数据传输天线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1～图4所示，煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备，包括安装于采空区密闭墙外壁的数据采集盒1，数据采集盒1内安装有数据采集分析装置2，数据采集分析装置2电连接有摄像头31，数据采集盒1上连接有安装管3，安装管3的另一端伸进采空区密闭墙内侧，摄像头31安装于安装管3远离数据采集盒1的一端，摄像头31的镜头伸进采空区密闭墙内侧，安装管3上还安装有光源32；采空区内壁上安装有若干光杠杆机构4，光杠杆机构4的输出端连接有用于将光源32的光线反射到摄像头31的反光镜5。

数据采集盒1上设设置usb数据接口12，usb数据接口12与数据采集分析装置2电连接。对数据采集盒1内装置进行功能配置或维护升级等操作时，使用usb数据接口12进行数据传输。

考虑到矿下不同位置铺设电线的成本与施工难度不同，根据不同情况，部分一体化巡检设备使用铺设的电线进行供电，部分不便于铺设电线或铺设电线成本十分高昂的地段采用蓄电池13对一体化巡检设备供电。

本发明的光杠杆机构4安装于采空区的内壁上，当采空区的内壁发生一定变形时，光杠杆产生一定移位，则反光镜5会产生相应的偏转或移位。反光镜5将反射光线反射到摄像头31上，反射光角度的偏移，在距离反光镜5一定距离的摄像头31中成像明显变化。因此，数据采集分析装置2能对反射光图像数据进行视觉分析，依次判断采空区内壁是否出现变形或变形量的大小。当采空区的内壁变形量达到一定程度时，采空区密闭墙可能出现裂缝，则此时可对采空区密闭墙进行修复或采取其他措施。

如图4所示，所述光杠杆机构4包括分别铰接于采空区内壁不同位置的第一杠杆41和第二杠杆42，第二杠杆42上固定有第一锥齿轮43，第一锥齿轮43可转动连接有转动轴44，第一杠杆41与转动轴44固定，第一锥齿轮43上啮合有第二锥齿轮45，第二锥齿轮45上固定有固定轴46，反光镜5固定于固定轴46的另一端，采空区的内壁上固定有支架47，固定轴46与支架47可转动连接。

当采空区内壁发生一定变形时，第一杠杆41和第二杠杆42的相对位置变化。由于第二杠杆42上固定有第一锥齿轮43，第一杠杆41与转动轴44固定，则第一杠杆41和第二杠杆42的相对位置变化时，第一锥齿轮43发生一定转动。第一齿轮驱动第二锥齿轮45转动一定角度，则固定在第二锥齿轮45上的反光镜5产生相应倾转。反射光线的角度、位置变化能被摄像头31采集，并由数据采集分析装置2进行视觉分析。因此，光杠杆机构4能准确反应采空区内壁的变形，实现了对密闭的采空区的内壁进行变形监测的目的。

第二锥齿轮45的直径小于第一锥齿轮43的直径，则第一锥齿轮43转动较小的角度时，第二锥齿轮45也能转动较大角度，则反光镜5的偏转程度被放大。摄像头31接收的反射光的偏转方向相应放大，因此，采空区内壁微笑变形也能被检测出来，提高了采空区内壁形变监测的精度。

更进一步，所述安装管3伸进采空区内部的一端还安装有温度传感器33和热成像摄像头34，温度传感器33和热成像摄像头34均与数据采集分析装置2电连接。安装管3伸进采空区内部的一端还安装有温度传感器33和热成像摄像头34，则采空区内部的温度能被温度传感器33和热成像摄像头34实时监测。采空区内部的温度数据由数据采集分析装置2进行采集并处理，方便对采空区内部的温度进行实时监测，方便及时发现采空区内遗煤蓄热升温超过临界线的情况。

更进一步，如图1所示，所述数据采集盒1内还安装有气体采集分析装置6，气体分析装置与数据采集分析装置2电连接。气体采集分析装置6能实时采集采空区内的气体，并对气体种类或含量进行分析，并将数据传输给数据采集分析装置2。通过遗煤自燃标志性气体的实验室测定，在遗煤温度升高的不同阶段，会有不同的烷烃、烯烃生成。故通过监测采空区内是否有不同温度阶段特有的烃类，就可判定采空区是否有达到某温度的部位。所以设备还应具备气体采集和分析功能，监测气体信息，从而更加提高采空区内安全程度判定的精度。

如图5所示，所述气体采集装置包括密闭气体分析盒61，密闭气体分析盒61上分别连接有采气管62和排气管63，采气管62和排气管63的另一端均从安装管3伸出，排气管63内安装有气泵64，密闭气体分析盒61上安装有若干气体传感器65，若干气体传感器65均与数据采集分析装置2电连接。

气泵64启动后，采空区内的气体能从采气管62进入密闭气体分析盒61，密闭气体分析盒61内的若干气体传感器65能对相应的气体进行检测。气体传感器65为各种烃类物质传感器，则通过监测采空区内是否有不同温度阶段特有的烃类，就可判定采空区是否有达到某温度的部位。若干气体传感器65均与数据采集分析装置2电连接，则数据采集分析装置2能将采空区内气体成分数据进行存储和处理。

所述采气管62和排气管63内均安装有单向阀66。单向阀66能避免气体倒流，保证密闭气体分析盒61内各气体传感器65能充分接触气体，保证各气体传感器65对采空区内部的气体成分和浓度进行准确检测。

更进一步，如图6所示，煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检设备还包括安装于采空区以外的轨道上的巡检机器人7，巡检机器人7上安装有数据传输天线71；所述数据采集盒1内安装有通信装置11，通信装置11与数据采集分析装置2电连接，通信装置11与数据传输天线71通信连接。

巡检机器人7的数据传输天线71与通信装置11通信连接，可收回图像、温度、气体等数据。巡检机器人7沿轨道在规定线路上巡检，经过采空区密封墙的数据采集盒1附近时，巡检机器人7将数据结果收回，不需要人工处理。

实施例2

煤矿采空区密闭环境监测预警一体化巡检方法，包括如下步骤：

采空区内巷道墙体变形监测：在巷道的壁面上安装若干光杠杆机构4，由光源32发出的光经光杠杆机构4上的反光镜5反射，由摄像头31捕捉生成的光学影像；将图像上的反光区域坐标化处理，检测时通过对图像进行对比分析，得巷道的位移偏量。

采空区内温度监测：使用温度传感器33和热成像摄像头34对采空区内空气温度进行检测，数据采集分析装置2可根据环境温度信号的采集绘制出空气温度变化图像。

采空区内气体成分及浓度监控：对采空区内气体进行采集，若干气体传感器65对气体的成分和浓度进行探测，并将数据传输到数据采集分析装置2。

本发明可对采空区内壁的变形状况、采空区内空气温度、采空区内气体成分及浓度进行监测，并进行智能分析及危险预警。本发明可分别采集和分析采空区内壁的变形状况、空气温度、气体成分及浓度数据，信息采集更加全面，从而从多个维度对采空区内状况进行监测，保证获取的采空区状况更加准确，为预警和其他措施提供依据。

将监测数据传输到巡检机器人7：采空区外的巡检机器人7通过通信连接，获取采集的采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据。

采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据经采集和分析后，采空区外的巡检机器人7可通过通信连接将这些数据进行传输，方便巡检机器人7在轨道上移动时将数据信息带出来。

通过数据采集分析装置2对采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据设置临界值，当超过临界值时，数据采集分析装置2触发报警器。

当采空区内巷道墙体变形数据、采空区内温度数据、采空区内气体成分及浓度数据的某项指标超过设定值时，数据采集分析装置2能触发报警器，及时提醒工作人员进行相应处理。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。