一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测方法与流程

本发明涉及煤矿矿井探测技术领域，具体涉及一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测方法。

背景技术：

随着对煤矿开采安全要求的不断提高，在进行煤矿采掘时，提前了解煤层结构等信息至关重要，煤层中含水结构、断层、破碎带等特殊地质，非常容易在采掘时出现塌方、透水等煤矿事故。因此亟需安全、可靠的超前检测设备和方法，预知煤矿煤层信息，避免人员和设备的损失。

煤层中的结构或者含水量异常时，煤层的电阻率也会随之发生变化，利用通过煤层的杂散电流可以有效地了解煤层情况，而压电陶瓷和光纤传感抗电磁干扰能力强，灵敏度大，可以快速准确地实现信息传递，为煤矿的安全开采提供保障。

传统的超前检测方法主要有地质勘探和物理勘探，地质勘探费事费力，物理勘探所用的声发射、地质雷达等技术，容易受电磁干扰，且成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测方法，能够实现煤矿的超前检测，且成本较低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测方法，使用的检测装置包括光路模块和电路模块，所述光路模块包括宽带光源、环形器、传感光纤、反射镜、光电探测器，所述电路模块包括电流激励源、压电陶瓷、过渡电阻、回流网、活动截齿，所述宽带光源与所述环形器的端口一相连，所述环形器的端口二通过所述传感光纤与所述反射镜相连，所述环形器的端口三与所述光电探测器相连，所述电流激励源的负极分别与所述压电陶瓷的电极一和所述过渡电阻的接口一相连，所述电流激励源的正极与所述活动截齿相连，所述压电陶瓷由极化方向相同的压电陶瓷片一和压电陶瓷片二叠加而成，传感光纤从压电陶瓷片一和压电陶瓷片二的间隙穿过并被压紧，压电陶瓷的电极二分别与过渡电阻的接口二和所述回流网相连；所述宽带光源、环形器和光电探测器一起封装在掘进机的主控室中，传感光纤从主控室被引入掘进机的截割部，电流激励源位于掘进机的主控室，压电陶瓷通过支架固定安装在掘进机截割部内，回流网分布在截割部内壁上，活动截齿通过受拉螺栓固定在截割部的头部，受拉螺栓与截割部之间设有绝缘垫片；

探测方法包括以下步骤：

a、宽带光源的输出光从端口一进入环形器，在端口一至端口二的传输光路中形成线偏振光，从端口二输出；从端口二输出的线偏振光经传感光纤到达反射镜，经反射镜反射后回到传感光纤，传感光纤中的线偏振光经端口二进入环形器，从端口三输出，从端口三输出的线偏振光进入到光电探测器，经光电转换后得到光的相位信息；

b、掘进机掘进时，电流激励源从正极输出的电流通过活动截齿进入煤层里形成杂散电流，杂散电流通过截割部壁被回流网收集后经过渡电阻回到电流激励源的负极，过渡电阻两端产生一定的电压差，电压差中携带了煤层含水量信息；

c、过渡电阻两端的电压作用在压电陶瓷两极形成电场，在电场作用下，压电陶瓷片一和压电陶瓷片二发生形变，同时挤压位于压电陶瓷片一和压电陶瓷片二之间的传感光纤；

d、传感光纤被挤压后，在应力作用下线偏振光的相位差发生变化，最终在光电探测器中经光电转换得到煤层的含水量信息，实现超前检测。

优选的，所述环形器的端口一与端口二之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥32db；环形器的端口二与端口三之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥32db。

优选的，所述传感光纤被压电陶瓷挤压部分为熊猫保偏光纤，其他部分为对振动不敏感的旋转高双折射光纤。

优选的，所述电流激励源为直流恒压电源，正极电势30v，负极电势0v。

优选的，所述压电陶瓷为经过极化后的钛酸钡压电陶瓷，极化方向为与压电陶瓷片一和压电陶瓷片二的结合面相垂直的方向，且在压电陶瓷的电极一和电极二的两端面施加一定的预应力。

优选的，所述过渡电阻的阻值≥500欧姆。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将光学器件与电学器件相结合构成了一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测装置，实现了煤矿矿井的超前探测，通过检测煤层中的杂散电流可得到煤层含水量等信息，利用压电陶瓷的逆压电效应实现了电与应变的转换，再利用光纤传感对应力的敏感性实现应变与光相位信息的转换，本发明具有抗电磁干扰能力强、结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明使用的检测装置的整体布置示意图。

图2是本发明使用的检测装置的连接原理图。

图中：1、宽带光源，2、光纤环形器，21、端口一，22、端口二，23、端口三，3、传感光纤，4、反射镜，5、光电探测器，6、电流激励源，61、负极，62、正极，7、压电陶瓷，71、压电陶瓷片一，72、压电陶瓷片二，711、电极一，712、电极二，8、过渡电阻，81、接口一，82、接口二，9、回流网，10、活动截齿，11、截割部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种用于掘进机的煤矿矿井超前探测方法，使用的检测装置包括光路模块和电路模块，如图1、图2所示，所述光路模块包括宽带光源1、环形器2、传感光纤3、反射镜4、光电探测器5，所述电路模块包括电流激励源6、压电陶瓷7、过渡电阻8、回流网9、活动截齿10。

所述宽带光源1与所述环形器2的端口一21相连，所述环形器2的端口二22通过所述传感光纤3与所述反射镜4相连，所述环形器2的端口三23与所述光电探测器5相连，所述电流激励源6的负极61分别与所述压电陶瓷7的电极一711和所述过渡电阻8的接口一81相连，所述电流激励源6的正极62与所述活动截齿10相连，所述压电陶瓷7由极化方向相同的压电陶瓷片一71和压电陶瓷片二72叠加而成，传感光纤3从压电陶瓷片71和压电陶瓷片二72的间隙穿过并被压紧，压电陶瓷7的电极二712分别与过渡电阻8的接口二82和所述回流网9相连。

所述宽带光源1、环形器2和光电探测器5一起封装在掘进机的主控室中，所述环形器2的端口一21与端口二22之间的传输光路具备单向性，传输光路的消光比≥32db；环形器2的端口二22与端口三23之间的传输光路具备单向性，且传输光路的消光比≥32db。

所述传感光纤3从主控室被引入掘进机的截割部11，所述传感光纤3被压电陶瓷7挤压部分为熊猫保偏光纤，其他部分为对振动不敏感的旋转高双折射光纤。

所述反射镜4通过支架固定安装在掘进机截割部11内。

所述电流激励源6位于掘进机的主控室，所述电流激励源6为直流恒压电源，正极电势30v，负极电势0v。

所述压电陶瓷7通过支架固定安装在掘进机的截割部11内，所述压电陶瓷7为经过极化后的钛酸钡压电陶瓷，极化方向为与压电陶瓷片一71和压电陶瓷片二72的结合面相垂直的方向，且在压电陶瓷7的电极一711和电极二712的两端面施加一定的预应力。

所述过渡电阻8安装在掘进机的截割部11内，过渡电阻8的阻值≥500欧姆。

所述回流网9分布在截割部11内壁上，并通过铜导线与压电陶瓷7的电极二712相连。

所述活动截齿10位于截割部11的头部，通过四个受拉螺栓固定在截割部11上，受拉螺栓与截割部11之间设有绝缘垫片，例如采用绝缘橡胶垫隔离活动截齿10与截割部11，活动截齿10通过导线与所述电流激励源6的正极相连。

探测方法包括以下步骤：

a、宽带光源1的输出光从端口一21进入环形器2，在端口一21至端口二22的传输光路中形成线偏振光，从端口二22输出；从端口二22输出的线偏振光经传感光纤3到达反射镜4，经反射镜4反射后回到传感光纤3，传感光纤3中的线偏振光经端口二22进入环形器2，从端口三23输出；从端口三23输出的线偏振光进入到光电探测器5，经光电转换后得到光的相位信息；

b、掘进机掘进时，电流激励源6从正极62输出的电流通过活动截齿10进入煤层里形成杂散电流，杂散电流通过截割部11侧壁被回流网9收集后经过渡电阻8回到电流激励源6的负极61，过渡电阻8两端产生一定的电压差，电压差中携带了煤层含水量信息；由于煤层的电阻率和煤层的含水量等特征有关，当煤层的含水量等信息变化时，杂散电流及过渡电阻两端的电势差也随之变化，煤层的含水量信息就转变为电信号；

c、过渡电阻8两端的电压作用在压电陶瓷7两极形成电场，在电场作用下，压电陶瓷片一71和压电陶瓷片二72发生形变，同时挤压位于压电陶瓷片一71和压电陶瓷片二72之间的传感光纤3；过渡电阻8两端的电势差加在压电陶瓷7两端时，压电陶瓷7伸长或压缩，电信号转变为应变信号；

d、传感光纤3被挤压后，在应力作用下线偏振光的相位差发生变化，相位变化为：其中：为相位变化；λ为光的波长；l是光纤长度；n是传感光纤的纤芯折射率；pe是光弹系数；p是应力；e为杨氏模量，最终在光电探测器5中经光电转换得到煤层的含水量信息；传感光纤3受压电陶瓷7的挤压，将应变信号转变为光信号，光信号通过传感光纤3到达光电探测器5，经分析解调后的光信号可得到煤层含水量信息，从而实现超前检测。

以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围；凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改或同等变化，均落入本发明的保护范围之内。