一种煤矿地下空间监测系统

1.本实用新型属于地下空间开发利用领域，具体涉及一种煤矿地下空间监测系统。


背景技术：

2.我国煤矿资源丰富，长期开发形成了巨大的可利用特殊地下空间，为发展地下生态城市创造了得天独厚的条件。据调查，我国现有煤矿地下空间约139亿立方米，到2030年，预计将达到241亿立方米，长度约160万千米，可绕赤道40圈。
3.开发利用废弃煤矿地下空间，既可以避免煤矿采空区被充填造成极大的特殊地下空间浪费，又可以缓解地面城市发展面临的土地紧缺等问题，可为废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持续发展新路径，不断推动资源枯竭型城市的转型发展。
4.煤矿地下空间开发利用的模式主要包括：地下储库、博物馆、地下旅游和文娱活动场所、抽水蓄能电站、地下生态城市示范区等。
5.煤矿地下空间埋深较大，地质环境条件复杂，地下水、温湿度、空气质量、地热、瓦斯及其他有害物质等都会对其空间环境适宜性产生重要影响，在开发利用时需要额外注意并采取相应措施。为了实时了解煤矿地下空间环境条件，需要开展相应的实时监测。
6.然而，相对于城市地下空间开发而言，煤矿地下空间开发利用更为复杂，起步较晚，相应的监测仪器设备并不成熟。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种煤矿地下空间监测系统。
8.具体方案如下：
9.一种煤矿地下空间监测系统，包括空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块和总控服务器，其中，所述空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块均与所述总控服务器通信连接。
10.所述监测系统中还设置有矿用4g基站或工业以太网，所述空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块均通过工业以太网或矿用4g基站与所述总控服务器通信连接。
11.所述空气监测模块包括温湿度监测子模块、空气质量监测子模块、风速监测子模块、甲烷监测子模块和第一监控主机，所述温湿度监测子模块为矿用温度检测仪，所述空气质量监测子模块为空气质量传感器，所述风速监测子模块为煤矿用风速传感器，所述甲烷监测子模块为催化燃烧式甲烷传感器，其中，所述矿用温度检测仪与第一监控主机通过usb接口电连接，所述空气质量传感器通过网口与第一监控主机电连接，所述煤矿用风速传感器和催化燃烧式甲烷传感器均通过rs485与所述第一监控主机电连接。
12.所述水文监测模块包括地面水文监测子模块、地下空间水温监测子模块和第二监控主机，所述地面水文监测子模块包括地表微型气象站、地表水体监测站和包气带地下水监测站，所述地表微型气象站包括自动气象站和风速风向仪，所述地表水体监测站包括水
位计和流速流向仪，所述包气带地下水监测站包括液位计i和多功能水质监测计i，所述地下空间水文监测子模块包括液位计ii、流量计和多功能水质监测计ii，其中，所述自动气象站、风速风向仪、水位计、流速流向仪、液位计i、多功能水质监测计i、液位计ii、流量计和多功能水质监测计ii均通过串口与第二监控主机电连接。
13.所述矿压监测模块包括巷道围岩压力监测子模块、顶板压力监测子模块、底板压力监测子模块和第三监控主机，其中，所述巷道围岩压力监测子模块为巷道围岩压力传感器，所述顶板压力监测子模块为顶板压力传感器，所述底板压力监测子模块为底板压力传感器，所述巷道围岩压力传感器、顶板压力传感器和底板压力传感器均通过串口与所述第三监控主机电连接。
14.所述位移监测模块包括巷道巷帮位移监测子模块、覆岩位移监测子模块、底板位移监测子模块和第四监控主机，其中，所述巷道巷帮位移监测子模块为表面位移测量器、所述覆岩位移监测子模块和底板位移监测子模块均为多点位移计，所述表面位移测量器内和多点位移计内均设置有位移传感器，所述表面位移测量器和多点位移计均通过位移传感器与所述第四监控主机电连接。
15.所述第一监控主机、第二监控主机、第三监控主机和第四监控主机均通过工业以太网或矿用4g与所述总控服务器通信连接，所述第一监控主机、第二监控主机、第三监控主机和第四监控主机均为pc机。
16.本实用新型公开了一种煤矿地下空间监测系统，所述煤矿地下空间监测系统包括空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块和总控服务器，所述空气监测模块中包括第一监控主机、空气监测仪器或传感器，所述水文监测模块包括第二监控主机、水文监测仪器或传感器，所述矿压检监测模块包括第三监控主机和矿压传感器，所述移位监测模块包括第四监控主机和移位传感器，各监测仪器或传感器将采集到的数据通过对应的监控主机传输至总控服务器中，所述煤矿地下空间监测系统为地下空间的评估提供了硬件支撑，具有采集便捷，数据全面的优点。
附图说明
17.图1是本实用新型的总体结构示意图。
18.图2是本实用新型监测系统的电连接关系结构示意图。
19.图3是本实用新型监测系统的安装示意图。
20.图4是图3中a-a剖面中巷道中监测仪器设备安装示意图。
21.图5是图3中b-b剖面中采空区中监测仪器安装示意图。
22.其中，
23.1、总控服务器；2、包气带地下水监测站；3、地表微型气象站；4、地表水体；5、地表水体监测站；6、水仓水文监测站；7、水仓；8、明渠；9、主巷道；10、采空区；11、采掘巷道；12、巷道上覆围岩多点位移计；13、巷道上覆围岩监测钻孔；14、巷道上覆围岩压力传感器；15、巷道；16、巷道空气监测模块；17、巷道巷帮围岩压力传感器；18、巷道围岩表面位移测量器；19、巷道明渠水文监测站；20、巷道明渠；21、巷道下伏围岩压力传感器；22、巷道下伏围岩监测钻孔；23、巷道下伏围岩多点位移计；24、采区顶板压力传感器；25、采区顶板监测钻孔；26、采区顶板多点位移计；27、采空区空气监测模块；28、采空区压力传感器；29、采空区围岩
表面位移测量器； 30、采空区明渠水文监测站；31、采空区明渠；32、采空区底板多点位移计；33、采空区底板监测钻孔；34、采空区底板压力传感器。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施，而不是全部的实施，基于本实用新型的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.一种煤矿地下空间监测系统，包括空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块和总控服务器，其中，所述空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块均与所述总控服务器通信连接。
26.所述监测系统中还设置有矿用4g基站或工业以太网，所述空气监测模块、水文监测模块、矿压监测模块、位移监测模块均通过工业以太网或矿用4g基站与所述总控服务器通信连接。
27.空气监测模块主要用于监测煤矿地下空间的温度、湿度、空气质量包括含氧量、风速和瓦斯等重要空气特征参数的实时变化，
28.如图1至图2所示，图1中的实心箭头表示包含关系，图2中的空心箭头表示数据流向，所述空气监测模块包括温湿度监测子模块、空气质量监测子模块、风速监测子模块、甲烷监测子模块和第一监控主机，所述温湿度监测子模块为矿用温度检测仪，所述空气质量监测子模块为空气质量传感器，所述风速监测子模块为煤矿用风速传感器，所述甲烷监测子模块为催化燃烧式甲烷传感器，其中，所述矿用温度检测仪与第一监控主机通过usb接口电连接，所述空气质量传感器通过网口与第一监控主机电连接，所述煤矿用风速传感器和催化燃烧式甲烷传感器均通过rs485与所述第一监控主机电连接。
29.在本实施例中，所述温湿度监测仪用于采集和传输煤矿地下空间的温湿度数据，所述矿用温湿度检测仪的型号优选为ywsd50/100，所述空气质量传感器用于采集和传输地下空间的空气质量，如一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度和矿尘浓度等，所述空气质量传感器优选为矿井气分析专用色谱仪，所述色谱仪的型号优选为gc-4085b，所述矿用风速传感器用于采集和传输地下空间的风速数据，所述煤矿用风速传感器的型号优选为gfy15x，所述催化燃烧式甲烷传感器用于采集和传输地下空间的瓦斯的含量，所述催化燃烧式甲烷传感器的型号优选为ch-d3。
30.优选的，温湿度监测仪、空气质量传感器、矿用风速传感器和催化燃烧式甲烷传感器均安装于线状煤矿地下空间的两段，同时在线状煤矿地下空间的末端，即远离出口的一段进行适当密集布置监测仪或传感器；或者面状煤矿地下空间的四边位置处，同时在中间部位进行适当密集布置监测仪或传感器。
31.由于煤矿水存在地下水和地面水联动关系，因此，监测地下水必须同时监测地面水的变化情况。
32.所述水文监测模块包括地面水文监测子模块、地下空间水文监测子模块和第二监控主机，所述地面水文监测子模块包括地表微型气象站、地表水体监测站和包气带地下水监测站，所述地表微型气象站包括自动气象站和风速风向仪，所述自动气象站内包括气象
传感器和微电脑气象数据采集仪，微电脑气象数据采集仪将采集到的气象传感器数据通过第二监控主机传输至总控服务器中，所述风速风向仪通过串口rs232与监控主机电连接。
33.所述地表水体监测站包括水位计和流速流向仪，所述包气带地下水监测站包括液位计i和多功能水质监测计i，所述地下空间水文监测子模块包括液位计ii、流量计和多功能水质监测计ii，其中，所述自动气象站、风速风向仪、水位计、流速流向仪、液位计i、多功能水质监测计i、液位计ii、流量计和多功能水质监测计ii均通过串口与第二监控主机电连接。
34.所述水位计优选为雷达水位计，所述水位计通过串口rs485与第二监控主机电连接，所述流速流向仪通过串口rs232与第二监控主机电连接。所述液位计i和液位计ii优选为超声波液位计，所述超声波液位计通过rs45与第二监控主机电连接。多功能水质监测仪i和多功能水质监测仪ii的型号优选为knf-106，所述多功能水质监测仪i和多功能水质监测仪ii均通过rs485与第二监控主机电连接，所述流量计优选为电磁流量计，所述电磁流量计通过rs485与第二监控机电连接。
35.如图3所示，水文监测模块中各个模块的分布位置，所述地表上设置有地表微型气象站3用于气象监测，地表水体4中设置有地表水体监测站用于监测地表水，在地表以下，地下水位以上的岩土内设置有包气带地下水监测站2，包气带地下水监测站2主要通过钻孔形式，将各类水文地质传感器安装至预定埋深处，以监测包气带地下水情况；在地下空间内的水仓7内设置地下空间水文监测模块6，以监测地下空间水文，其中，液位计ii安装在水仓7或钻孔等处，监测水仓及地下空间周边围岩中的地下水水位和水压，流量计安装在明渠8的断面处，用于监测地下水流量，多功能水质监测计ii安装在明渠8、水仓7和钻孔等处以监测地下水水质。
36.如图4所示，为主巷道9沿a-a的剖面图，在巷道15内设置有巷道空气监测模块16，以监测巷道内的空气，在巷道15底部内的巷道明渠20内设置有巷道明渠水文监测站19，以监测巷道内的水文。
37.如图3，在采掘巷道11之间还包括有采空区10，采空区10的截面图如图5所示，在采空区10内设置有采空区空气监测模块27，以监测采空区内的空气，采空区明渠31内设置有采空渠明渠水文监测站用于监测采空区内的水文。
38.所述矿压监测模块包括巷道围岩压力监测子模块、顶板压力监测子模块、底板压力监测子模块和第三监控主机，其中，所述巷道围岩压力监测子模块为巷道围岩压力传感器，所述顶板压力监测子模块为顶板压力传感器，所述底板压力监测子模块为底板压力传感器，所述巷道围岩压力传感器、顶板压力传感器和底板压力传感器均通过串口与所述第三监控主机电连接。所述巷道围岩压力传感器、顶板压力传感器和底板压力传感器的型号均为gpd60，所述压力传感器内设置有模数转换器，将压力量转换为数字量并通过rs485传输至第三监控主机内。
39.巷道围岩压力传感器，安装在巷道围岩中，用以监测巷道围岩压力变化，顶板压力传感器安装在顶板岩层中，用以监测顶板围岩压力变化。优选的，顶板压力传感器应重点安装在顶板关键层中，通过监测顶板关键层岩层压力预防冒顶事故，底板压力传感器安装在底板岩层中，尤其需要安装在底板岩层“下三带”中的底板隔水带岩层中，用以监测底板岩层的压力，对于预防底板隆起具有重要意义。
40.所述位移监测模块包括巷道巷帮位移监测子模块、覆岩位移监测子模块、底板位移监测子模块和第四监控主机，其中，所述巷道巷帮位移监测子模块为表面位移测量器、所述覆岩位移监测子模块和底板位移监测子模块均为多点位移计，所述表面位移测量器内和多点位移计内均设置有位移传感器，所述表面位移测量器和多点位移计均通过位移传感器与所述第四监控主机电连接。所述表面位移测量器可以采用公开号为cn212253976u的专利所提供的巷道表面位移测量装置进行监测，并在推动位移杆1上加装位移传感器，多点位移计可以采用公开号为cn206440253u的专利中提供的方法进行加工制造。
41.如图4至图5所示，巷道15的顶部设置有巷道上覆围岩监测钻孔13，在巷道上覆围岩监测钻孔13内分别安装有巷道上覆围岩压力传感器14和巷道上覆围岩多点位移计12，以用于监测巷道围岩压力和位移变化，在巷道15的侧面设置有巷道巷帮围岩压力传感器17和巷道围岩表面位移测量器18，以用于监测巷道巷帮围岩压力和位移；所述巷道15的底部设置有巷道下伏围岩监测钻孔22，所述巷道下伏围岩监测钻孔22内安装有巷道下伏围岩压力传感器21和巷道下伏围岩多点位移计23，用于监测巷道下伏围岩的压力和位移。
42.在采空区的顶板岩层内设置有采区顶板监测钻孔25，采空区顶板监测钻孔25内安装有采区顶板压力传感器24和采区顶板多点位移计25，用于监测采空区顶板处的压力和位移，在采空区10内还设置有采空区压力传感器28和采空区围岩表面位移测量器29用于监测采空区的压力和位移；在采空区10的底部岩层中设置有采空区底板监测钻孔33，所述采空区底板监测钻孔33内安装有采空区底板压力传感器34和采空区底板多点位移计32，用于监测采空区底部岩层的压力和位移。
43.所述第一监控主机、第二监控主机、第三监控主机和第四监控主机均通过工业以太网或矿用4g与所述总控服务器通信连接，所述第一监控主机、第二监控主机、第三监控主机和第四监控主机均为pc机。
44.本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。