[发明专利]一种煤层瓦斯含量原位动态探测系统及方法

权利要求书

1.一种煤层瓦斯含量原位动态探测系统，其特征在于，包括多个电极棒、电缆、采集终端、光纤环网、环网交换机和地面主控计算机；

所述采集终端与电缆一端连接，电缆上设有多个电极开关，每个电极开关分别与每个个电极棒一一对应连接；采集终端通过控制各个电极开关的通断，用于对每个电极棒供电或获取该电极棒的测量电位值；

所述采集终端通过光纤环网和环网交换机与地面主控计算机进行双向通信；

所述地面主控计算机包括控制模块、通信模块、反演模块、计算模块和监控模块，其中控制模块用于设置测试参数，并通过通信模块向采集终端发送采集指令；反演模块用于接收采集终端反馈的电位信息并进行反演处理；计算模块用于对反演后获得的数据进行计算；监控模块用于将计算模块得出的数据生成区域状态监控图，并在地面主控计算机的显示器上显示。

2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯含量原位动态探测系统，其特征在于，所述电缆为10芯，其中2芯用于控制信号传输，对各个电极开关的通断进行控制；其余8芯分配作为供电或获取测量电位的通道。

3.一种根据权利要求1所述的煤层瓦斯含量原位动态探测系统的探测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、首先在回风巷、运输巷和切眼各自靠近工作面的侧帮，将多个电极棒等间距的布设，且各个电极棒处在同一水平面；然后完成煤层瓦斯含量原位动态探测系统的组装；并采集工作面煤样，在实验室确定煤样的工业分析参数，包括煤样吸附常数a、b值，煤挥发分、固定碳、灰分、水分和煤阶；

步骤二、通过地面主控计算机向控制模块中设置测试参数，控制模块通过通信模块向采集终端发送采集指令，进而使采集终端通过电缆控制各个电极开关的通断及供电电压，使各个电极棒作为供电电极或测量电极，从而采集终端获得各个电极棒所在位置的电位分布，并通过光纤环网和环网交换机反馈给地面主控计算机；

步骤三、反演模块接收到采集终端获得的各个电极棒所在位置的电位分布数据后，采用光滑约束最小二乘法进行反演消除地形影响，得到复杂地形下目标位置的空间参数及目标地质体的电阻率分布，为储量计算和评价提供量化参数，所述空间参数包括目标地质体的平面投影位置、埋深和范围；

步骤四、控制模块根据电阻率ρ与瓦斯压力p符合ρ＝x+yln(p+z)的关系，其中x，y，z为常数，建立电阻率与瓦斯压力计算模型；根据电阻率ρ与煤层孔隙度n符合ρ＝F(n)的关系，建立电阻率与煤层孔隙度计算模型；

步骤五、将步骤三反演得到的目标地质体的电阻率分布数据传递给计算模块，计算模块将电阻率数据输入步骤四建立的两个计算模型，从而计算获得工作面煤层瓦斯压力p和煤层孔隙度n，并结合步骤一获得的煤样的工业分析参数，按照如下(1)式计算出煤层瓦斯含量：

式中：X——瓦斯含量；

V——单位质量煤的孔隙容积，m³/t；

P——瓦斯压力，MPa；

T₀、p₀——标准状态下的绝对温度、压力；

T——瓦斯的绝对温度，K；T＝273+t；

ξ——瓦斯压缩系数；

a、b——吸附常数，m³/t、MPa^-1；

——经验系数，按下式确定；

B——系数，m³(t·MPa)，取值为1；

t——瓦斯的摄氏温度，℃；

t₀——实验室测定煤的吸附常数时的实验室温度℃；

A、M——煤中灰分与水分，％、％；

步骤六、监控模块根据步骤五获得的煤层瓦斯含量分布数据，并结合步骤三确定的空间参数，通过地面主控计算机的显示器显示出煤层目标位置的瓦斯储量三维分布图和已抽含量、残存含量、预计达标时间柱状图的信息；

步骤七、每间隔设定时间，则重复步骤二至步骤六，从而能实时更新煤层目标位置的瓦斯储量三维分布图，并根据实时更新的三维分布图，实时更新已抽含量、残存含量、预计达标时间柱状图的信息。