本发明涉属于煤矿自燃火灾监测领域，具体的说是一种井下光谱束管监测系统。

背景技术：

煤矿自燃火灾预报技术是指在煤层开采后，根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征，辨识自然状态，对自燃火灾进行识别并预警的技术。它是矿井火灾预防与处理的基础，是矿井煤层火灾防治的关键，占有及其重要的地位。井下煤层火灾预报得越早、越准确，则扑灭火灾所需的人力物力越少，且越容易。只要能够准确、适时地进行煤层火灾的预报，就能做到有的放矢地采取预防煤层火灾的措施，提高措施的针对性和有效性，从而提高煤矿防灭火工程的经济效益。

煤矿自燃火灾的预报和检测技术，根据反应产物和气象特征的变化，除人工直接辨识气味、挂汗、热气和煤温等粗略预测外，常借助于专门的测定、分析仪器仪表来判定、掌握其自燃隐患程度。

目前，国内应用比较广泛的大多是测温法与气体分析法来预测自燃火灾的预报。应用测温法存在的问题是：测温装置只能监测到其就近区域内的温度变化，只能针对已经点进行测量，而未知点无法测量，因此测量的数据无法全面地反应采空区真实的情况。气体分析法主要有红外线监测和束管色谱监测两种技术。红外监测的问题是检测组分少，仅能检测co、co2、ch4、o2四种组分的气体，而一氧化碳、乙烯、乙炔、链烷比、烯烷比、等都是预报煤自燃发展过程重要指标。管色谱监测存在的问题是：由于采用负压监测系统，所以对较长的束管管路，束管难维护，一旦发生漏气，检测的结果就不可靠。在长管路时取气需要较长的时间，一次循环周期长，连续检测的分析频度不足。当前使用的色谱仪器虽然经过改进，但仍然基于实验室分析设备，操作维护都比较复杂，分析工作需要专业人员操作。不是专业化学分析人员，很难做好分析和维护工作。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题的不足，本发明提供一种井下光谱束管监测系统。该系统通过光谱技术分析煤矿井下气体环境的变化情况，从而实现煤矿自燃火灾预测预报，为煤矿的安全生产提供保障。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括井下部分和地面部分，所述的井下部分包括进气束管、正压输气泵、多组分气体光谱分析分站和工业电网；所述的地面部分包括监控主机和监控屏；所述进气束管连接输气泵进气端，输气泵出气端连接多组分气体光谱分析分站；多组分气体光谱分析分站通过工业电网连接监控主机，监控主机与监控屏通信连接。

为了进一步实现本发明，还可以采用以下技术方案：所述的井下部分为至少三组设置，每组包括有进气束管、正压输气泵、多组分气体光谱分析分站和工业电网。所述多组分气体光谱分析分站包括电路部分和气路部分，所述电路部分包括电源、电脑、通讯控制板、光谱分析模块、第一电磁阀、第二电磁阀、电磁阀组和压力传感器，电脑与监控主机和通讯控制板通信连接，通讯控制板与光谱分析模块、第一电磁阀、第二电磁阀、电磁阀组、压力传感器和电源通信连接；所述气路部分包括氮气瓶、标气瓶、减压阀、第一电磁阀、第二电磁阀、电磁阀组、光谱分析模块，抽气泵站、冷却管、滤水器、流量计；所述氮气瓶内充装有高浓度氮气，且通过管道连接减压阀、，后经第一电磁阀管道连接光谱分析模块；所述标气瓶内的标气管道连接减压阀，后经电磁阀管道连接光谱分析模块；所述电磁阀组与抽气泵站连接，同时依次连接冷却管、滤水器、流量计、第二电磁阀和光谱分析模块；所述电磁阀组与采样端相连，采样端与输气泵出气端连接，抽气泵站为双泵头设计，一端为抽气端，另一端为采样端，抽气端和采样端分别与电磁阀组的两端相连，抽气泵站采样端的另一端与冷却管相连。所述的光谱分析模块是基于可调谐光谱吸收光谱技术。所述的多组分气体光谱分析分站采用单根光缆实现温度监测和信号传输。所述的多组分气体光谱分析分站还设置有第一外壳和第二外壳，第二外壳设置在第一外壳内，所述的电路部分设置在第二外壳内；所述的气路部分设置在第一外壳的内壁和第二外壳的外壁之间。所述的第二外壳为防爆外壳。

本发明的有益效果为：本发明井下部分放置于井下采空区或密闭区附近，使用正压输气泵通过进气束管从多路监测点抽取气体，样品气在束管内以正压的方式进入井下多组份气体光谱分析分站，在样品气输送过程中，束管内气压始终大于束管外气压，保证样品气不会被外部气体所污染，保证样品气的纯净有效，从源头保证所检测数据的可靠性；在气体分析单元中利用光谱分析模块对监测点样气进行连续分析，对工作面及采空区有关得火灾参量进行监测；所监测数据将通过工业环网传输至井上监控主机，并通过监控大屏展示给监测人员。本发明中气体分析分站置于井下监测点附近，实施安装灵活，极大缩短了束管输气的长度，维护简单，成本低，增加了束管使用的可靠性。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明结构框图；

图2为图1中多组分气体光谱分析分站结构示意图；

图3为光谱直接吸收测量方法结构图。

附图标记：1采样端2第一外壳3电磁阀组4第二外壳5光谱分析模块6通讯控制板7电脑8压力传感器9第二电磁阀10第一电磁阀11标气瓶12氮气瓶13减压阀14滤水器15流量计16抽气泵站17冷却管18电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

井下光谱束管监测系统，如图1所示，包括井下部分和地面部分，所述的井下部分包括进气束管、正压输气泵、多组分气体光谱分析分站和工业电网；所述的地面部分包括监控主机和监控屏；所述进气束管连接输气泵进气端，输气泵出气端连接多组分气体光谱分析分站；多组分气体光谱分析分站通过工业电网连接监控主机，监控主机与监控屏通信连接。本发明井下部分放置于井下采空区或密闭区附近，使用正压输气泵通过进气束管从多路监测点抽取气体，样品气在束管内以正压的方式进入井下多组份气体光谱分析分站，在样品气输送过程中，束管内气压始终大于束管外气压，保证样品气不会被外部气体所污染，保证样品气的纯净有效，从源头保证所检测数据的可靠性；在气体分析单元中利用光谱分析模块对监测点样气进行连续分析，对工作面及采空区有关得火灾参量进行监测；所监测数据将通过工业环网传输至井上监控主机，并通过监控大屏展示给监测人员。本发明中气体分析分站置于井下监测点附近，实施安装灵活，极大缩短了束管输气的长度，维护简单，成本低，增加了束管使用的可靠性。

为了增加提取样品气的范围，进一步增加检测数据的准确性，所述的井下部分为至少三组设置，每组包括有进气束管、正压输气泵、多组分气体光谱分析分站和工业电网。

如图2所示，所述多组分气体光谱分析分站包括电路部分和气路部分，所述电路部分包括电源18、电脑7、通讯控制板6、光谱分析模块5、第一电磁阀10、第二电磁阀9、电磁阀组3和压力传感器8，电脑7与监控主机和通讯控制板6通信连接，通讯控制板6与光谱分析模块5、第一电磁阀10、第二电磁阀9、电磁阀组3、压力传感器8和电源18通信连接；电脑7负责下达操作指令并显示数据结果，通讯控制板6负责将电脑7下达的指令信号传达给其他部光谱分析模块5、第一电磁阀10、第二电磁阀9和电磁阀组3，控制它们作出动作，同时将光谱分析模块5、压力传感器8采集分析的数据传输回电脑7上，由电脑7显示给使用者；所述气路部分包括氮气瓶12、标气瓶11、减压阀13、第一电磁阀10、第二电磁阀9、电磁阀组3、光谱分析模块5，抽气泵站16、冷却管17、滤水器14、流量计15；所述氮气瓶12内充装有高浓度氮气，且通过管道连接减压阀、13，后经第一电磁阀10管道连接光谱分析模块5；所述标气瓶11内的标气管道连接减压阀13，后经电磁阀2管道连接光谱分析模块5；所述电磁阀组3与抽气泵站16连接，同时依次连接冷却管17、滤水器14、流量计15、第二电磁阀9和光谱分析模块5；所述电磁阀组3与采样端1相连，采样端1与输气泵出气端连接，抽气泵站16为双泵头设计，一端为抽气端，另一端为采样端，抽气端和采样端分别与电磁阀组3的两端相连，抽气泵站16采样端的另一端与冷却管17相连。氮气瓶12内为高浓度氮气，经过减压阀13、第一电磁阀10进入光谱分析模块5，对光谱分析模块5进行零点标定，第一电磁阀10的开闭由电脑7控制；标气瓶11内标气通过减压阀13、第二电磁阀9进入光谱分析模块5，对光谱分析模块5进行标校；电磁阀组3的开闭动作由电脑7控制，当电脑7下达指令要求检测其中某通过通讯控制板6将指令传递到电磁阀组3，当电磁阀组3不动作时，采样端的样品气经由电磁阀组3，被抽至泵站16抽气端，通过抽气泵站16抽气端排出，一路样品气时，对应该路的电磁阀动作，样品气经由泵站16采样端、冷却管17、流量计15、第二电磁阀9进入光谱分析模块5，通过光谱分析模块5对样品气的组份含量进行检测分析，分析结果经由通讯控制板6传回电脑。

为了保证样品气干燥，不至于对光谱分析模块5形成损伤，本发明采用了多级除尘除水功能，包括冷却管17，滤水器14，通过冷却管17将样品气中的水汽冷凝，随后通过滤水器14排出，保证了样品气的干燥，及光谱分析模块5的正常使用。

为了可以对多种组分进行及检测分析，增加本系统的实用性，所述的光谱分析模块5是基于可调谐光谱吸收光谱技术。采用可调谐光谱光谱吸收技术，结合电化学、红外等多种传感监测手段，可以有效地对井下自燃火灾气体中的co、ch4、o2、co2、c2h4等气体组分进行精确监测分析。

基于可调谐光谱吸收光谱技术的气体检测和基于内部参考气室、光谱基线自修正方法的抗粉尘、抗潮湿技术；由于大部分有害气体在近红外光谱区都有明显的光谱吸收特性，认真研究各个有害气体的吸收光谱，利用光谱吸收技术进行气体浓度的检测将具有明显优势。近年来快速发展起来的可调谐二极管光谱吸收光谱技术是一种能实现高灵敏度、实时、动态测量的痕量气体检测技术，利用光谱二极管的波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量。由于光谱二极管的高单色性，因此可以利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而可方便地从混合成分中鉴别出不同的分子，避免其他光谱的干扰。近红外波段与光纤的低损耗窗口匹配,利用光纤及光纤器件可以方便地对光束进行远距离传输。结合调谐二极管光谱吸收光谱技术和光纤传感技术就可以实现气体浓度的远程在线实时检测。

光谱吸收法所依据的主要定律就是朗姆伯特-比尔定律。根据lambert-beer定律，当一束光强为的平行光通过装有待测气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个该气体的吸收谱线，则透射光强与入射光强及气体浓度之间的关系为

(1)

其中，为介质的吸收系数；为光吸收气体的长度；为该气体特征谱线的线强度，它表示谱线的吸收强度，只与温度有关；为气体介质的总压；为气体的体积浓度；为线型函数，它表示了被测吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关，一般常用的三种线型函数为lorentz线型函数、gauss线型函数和voigt线型函数。

对式(1)两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则可得：

(2)

因此，气体浓度可以直接通过下式计算而得：

(3)

在知道压力、线强度、光吸收气体的长度等参数的情况下，将在频域上的积分值带入到式(3)中，就可以最终得到气体浓度值。通常情况下不直接对光谱吸收率信号进行积分，而采用对应的线型函数进行拟合，从线型拟合结果中精确得到该积分值，减小直接积分时测量误差的影响。其系统结构如图3所示。因此，采用高分辨率光谱吸收光谱技术，消除了气体交叉干扰，测量不受粉尘、水汽影响，相应速度快，可实现连续测量。

所述的多组分气体光谱分析分站采用单根光缆实现温度监测和信号传输。综合利用光纤拉曼散射效应和光时域反射测量技术来获取空间温度分布信息，其中光纤拉曼散射效应用于实现温度测量，光时域反射测量技术用于实现温度定位，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。

为了满足系统在井下复杂环境的应用要求，分站内所有设备都放置在者普通外壳内，保证外部复杂环境不会影响分站内容的正常工作。所述的多组分气体光谱分析分站还设置有第一外壳2和第二外壳4，第二外壳4设置在第一外壳2内，所述的电路部分设置在第二外壳4内；所述的气路部分设置在第一外壳2的内壁和第二外壳4的外壁之间。

为了进一步防止系统内的电路受到水分侵蚀，导致系统故障，所述的第二外壳4为防爆外壳。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。