本发明属于能源安全装备领域，涉及一种基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统及预警方法。
背景技术：
1、煤矿是全球主要能源供应和经济发展的重要支柱。而瓦斯是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存在煤层内的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现在以下两方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，表现为缺氧、窒息等；第二、瓦斯煤爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，造成严重的经济损失和人员伤亡。
2、然而，在采用煤与瓦斯共采的资源开发模式过程中，随着开采强度和深度的不断增加，煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力呈持续上升趋势，同时地温梯度也逐渐增大。因此，大量原本瓦斯含量较低的浅部矿井不可避免地转化为高瓦斯矿井，甚至演变为煤与瓦斯突出矿井，导致煤矿井下的安全风险急剧上升，尤其是瓦斯涌出引起的事故威胁着矿工的生命安全和煤矿的正常运营。煤矿瓦斯检测是预防瓦斯事故的重要手段，现在检测随钻瓦斯检测设备如图1所示，在取样时，需要预先将采样管2’套设在钻机1’的钻杆11’的外部，然后利用再封堵漏斗3’中填装颗粒煤4’，随着钻杆在采样管中的，瓦斯随钻杆涌出，然后利用采样管分支中的流量传感器5’测定从钻孔中涌出的瓦斯流量，采样管与钻杆之间需要留有空隙，防止采样管阻碍钻杆的运动；但是上述装置存在以下问题：(1)测量工序繁琐：在测量时需要事先用钻屑漏斗对钻孔钻杆进行封堵，打钻时仍需不停添加钻屑，补充封堵钻屑高度，保持大部分随钻瓦斯涌出经过流量传感器；(2)测量结果不确定性大：由于封堵通常采用颗粒煤进行，而填充在封堵漏斗中的颗粒煤之间存在间隙，导致采样管与钻杆之间的间隙无法完全密封，从而导致随钻涌出瓦斯分成两路，一路从采样管的端部泄漏，一路进入采样管分支中进行测量，直接导致测量结果不够准确，再加上由于钻杆需要不停运行，会产生极大的振动，影响封堵漏斗的填充效果，使得封堵效果不稳定，进一步导致整个测量结果不准确；(3)该种检测装置无法及时预警，针对喷孔等瓦斯动力现象的识别不明确。
3、因此，亟需一种提高瓦斯涌出监测的准确性和实时性的随钻涌出瓦斯监测预警系统及预警方法。
技术实现思路
1、本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统及预警方法。该系统可以用于煤矿井下煤层掘进工作面和煤层钻孔内的瓦斯(甲烷)释放的流量和速度的实时监测，以便及时采取远程决策指挥和预警等措施。针对所要解决的技术问题，本发明能够使用ogi成像技术对煤层钻进过程中瓦斯(甲烷)的流量和速度的实时监测，并与管理人员的控制终端相连，对危险性识别并报警。
2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于，包括：
3、钻机，包括钻具总成，包括钻杆、设置于钻杆前端的冲击器以及与所述冲击器固定连接的钻头，用于钻进；
4、瓦斯采样单元，包括胶囊封孔器，所述胶囊封孔器套设在所述钻杆的外围并封堵所述钻杆形成的钻孔，在所述胶囊封孔器的内壁与所述钻杆的外壁之间形成一沿所述钻杆轴线方向延伸的气体通道，用于引导钻机作业时产生瓦斯沿钻杆轴线方向从气体通道中涌出；
5、瓦斯流量监测预警单元，安装在所述瓦斯采样单元的后端部，包括ogi流量监测模块和预警模块，所述ogi流量监测模块用于实时捕捉随钻涌出瓦斯释放的光谱信号，并将光谱信号进行处理生成瓦斯释放量与时间关系的图像，根据图像信息判定随钻瓦斯涌出流量超过安全阈值时控制预警模块发出预警信息；所述预警模块设置在ogi流量监测模块上，所述预警模块与所述ogi流量监测模块电连接，用于在随钻瓦斯涌出流量超过安全阈值时发出预警信息。
6、优选的，所述ogi流量监测模块包括：
7、外壳，设置在所述瓦斯采样单元的后端部；
8、气体传感器，设置于壳体内，用于实时捕捉随钻涌出瓦斯释放的光谱信号以表征流量状态；以及
9、光信号处理器，设置于壳体内，所述光信号处理器与所述气体传感器、所述预警模块电连接，所述光信号处理器与所述控制终端通过无线连接，用于将接收到的气体传感器输出的光谱信号转换成对应的瓦斯释放量信息，并将多组瓦斯释放量信息与时间相对应生成表征瓦斯释放量与时间关系的图像信息，根据图像信息中瓦斯释放量与时间的比值，判定随钻瓦斯气体涌出流速超过安全阈值时向预警模块发出预警指令。
10、优选的，所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于，还包括控制终端，所述控制终端与所述瓦斯流量监测预警单元通过无线连接，用于显示表征瓦斯释放量与时间关系的图像。
11、优选的，所述气体传感器为利用气体光谱视觉成像技术的监测传感器，该种传感器能够准确捕捉瓦斯(即甲烷)气体的光谱段的特征信号来生成视觉图像，并最终实现气体释放量的监测，能及时发现瓦斯释放量的突变，以此减少瓦斯的涌出量异常而造成的事故机率。
12、更优选的，所述光信号处理器位于所述气体传感器的上方并与其连接为一整体。该种设计可以尽量节约部件占用空间，同时可以保证光信号处理器和气体传感器之间可靠连接，信号传输稳定。
13、优选的，所述预警单元包括蜂鸣器，所述蜂鸣器安置在所述ogi流量监测模块的外壳的顶部，所述蜂鸣器与所述ogi流量监测模块的光信号处理器电连接。当光信号处理器根据获取的图像信息判定随钻瓦斯涌出流量超过安全阈值时，向蜂鸣器发送报警指令，蜂鸣器开始发出预警信息。
14、优选的，所述控制终端上设有显示模块，用于显示瓦斯释放量与时间关系的图像信息。
15、优选的，所述随钻涌出瓦斯监测预警系统还包括无线传输单元，所述无线传输单元包括无线信号发射器、与所述无线信号发射器相适配的无线信号接收器，所述无线信号发射器设置在所述瓦斯流量监测预警单元上，所述无线信号接收器设置在所述控制终端上，所述无线信号发射器与所述光信号处理器电连接，用于将光信号处理器输出的图像信息转换成无线信号；所述无线信号接收器与所述控制终端电连接，用于将接收到的无线信号转换成数字信号传输给控制终端。ogi流量监测模块所获得的数据通过所述光信号处理器判断其危险性，传输至所述终端，确保管理人员能在第一时间了解井下瓦斯涌出量变化。
16、优选的，所述钻机还包括回转供风机构和推进调压机构，所述回转供风机构的动力输出轴与所述钻杆的后端连接，用于带动冲钻机构的钻头以及冲击器回转运动；所述推进调压机构的推进部与所述回转供风机构的输入部连接，用于带动所述回转供风机构带动所述钻具总成沿所述钻杆的轴线方向移动。
17、优选的，所述胶囊封孔器包括用于封堵钻孔的胶筒，所述胶筒的前端部插设于所述钻杆形成的钻孔中，所述胶囊封孔器的外壁与所述钻孔的内壁紧贴，所述胶筒的后端部伸出所述钻孔并同轴连接管状套件；所述胶筒的内壁与所述钻杆的外壁之间形成气体通道进气段，所述管状套件的内壁与所述钻杆的外壁之间形成气体通道出气段，所述气体通道进气段与所述气体通道出气段共同构成连通钻孔内外的气体通道。
18、优选的，所述管状套件的外壁上安装有用于固定瓦斯流量监测预警单元的固定机构，所述固定机构包括底盘、支撑架以及固定环，所述底盘可拆卸地安装在所述管状套件上，所述支撑架的一端与所述底盘连接，另一端安装固定环，所述固定环悬于所述气体通道的后端出口处。
19、优选的，所述支撑架为三角支撑架。
20、本技术是基于ogi成像技术(又称为光学成像技术)构建的监测预警系统及预警方法。ogi成像技术利用光学原理，通过探测光的传输时间和强度变化，实现对瓦斯涌出情况的实时监测技术。相比于传统方法，ogi成像技术具有较高的灵敏度、稳定性、新兴性和便捷性，能够准确捕捉瓦斯释放的光谱信号的微小变化，然后将生成表征瓦斯释放量与时间关系的图像(即q-t图像)，通过无线数据传输至管理人员的控制终端进行显示，确保管理人员能在第一时间了解井下瓦斯涌出量变化，一旦ogi流量监测模块判定为危险，蜂鸣器发出报警，从而及时发现瓦斯释放量的突变，以此减少瓦斯的涌出量异常而造成的事故机率。
21、本技术还提供了一种利用所述基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统对随钻瓦斯的监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
22、将钻机安装在煤矿井下煤层掘进工作面；
23、钻机钻进至设定掘进深度，停止作业；
24、将胶囊封孔器紧密插设于打好的钻孔的封孔段中，气体传感器的探头对准气体通道的后端出口；
25、钻机继续作业，气体传感器实时捕捉随钻涌出瓦斯释放的光谱信号，并将光谱信号传输至光信号处理器；
26、光信号处理器接收气体传感器到的光谱信号，将光谱信号转换成对应的瓦斯释放量信息，将多组瓦斯释放量信息与时间相对应生成表征瓦斯释放量与时间关系的图像信息，将图像信息通过无线传输单元传输给控制终端进行显示；同时，光信号处理器对图像信息进行流量的危险性分析，若判断随钻瓦斯流速未超过安全阈值，钻机继续作业；若判断随钻瓦斯流速超过安全阈值，钻机停止作业，光信号处理器向预警模块发送预警指令；
27、预警模块根据光信号处理器传输的预警指令发出危险预警信息，管理人员通知工作人员立即撤离。
28、有利的是，本发明基于ogi成像技术的实时监测装中钻头与冲击器、钻杆相连，并依次位于前者后端，可以确保钻机保持良好的人员操控性，保持其稳定性。回转供风机构与推进调压机构处于最后端，以确保在煤层掘进过程中高压空气可以便捷地连接至推进调压机构。胶囊封孔器设在钻进一定距离的钻孔中，以确保所述恒稳钻机可以在煤层内保持稳定运行，并保持煤层内瓦斯涌出方向确定，使得瓦斯沿钻杆的轴线方向涌出，可以保持ogi流量监测模块获取数据准确。
29、更有利的是，本发明的装置中的ogi流量监测模块是通过固定机构安装在瓦斯采样单元的后部，固定机构稳固，可以有效保证ogi流量监测模块在煤层掘进过程中，不受高频震动脱离装置，使其在复杂环境内保持监测准确性。而ogi流量监测模块仅与固定机构的固定环以拆卸方式连接，可以确保所述ogi流量监测模块可以便捷拆卸检修，保证其准确性。
30、本发明的有益效果是：本技术对传统的测量装置进行改进，通过胶囊封孔器封堵在所述钻杆与钻孔之间，并利用胶囊封孔器与钻杆形成的气体通道引导钻机作业时产生瓦斯从气体通道中涌出，限定了瓦斯随钻杆涌出时只能沿钻杆的轴线方向涌出，不会从其他方向逃逸，而且整个封堵过程简单、封堵可靠，再结合ogi技术实现对瓦斯涌出情况的实时监测，相比于传统方法，具有较高的灵敏度、稳定性和便捷性，能够准确捕捉瓦斯释放的微小变化，并生成瓦斯释放量和时间的关系图，通过数据传输至管理人员的终端同时配合蜂鸣器的报警，形成双重保障效果，从而及时发现瓦斯释放量的突变，对危险性识别并报警，形成双重保障效果有效地减少瓦斯的涌出量异常而造成的事故概率。
1.基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于，所述ogi流量监测模块包括：
3.根据权利要求2所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述随钻涌出瓦斯监测预警系统还包括控制终端，所述控制终端与所述瓦斯流量监测预警单元通过无线连接，用于显示表征瓦斯释放量与时间关系的图像。
4.根据权利要求2所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述预警单元包括蜂鸣器，所述蜂鸣器安置在所述ogi流量监测模块的外壳的顶部，所述蜂鸣器与所述ogi流量监测模块的光信号处理器电连接。
5.根据权利要求3所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述控制终端上设有显示模块，用于显示瓦斯释放量与时间关系的图像信息。
6.根据权利要求1所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述随钻涌出瓦斯监测预警系统还包括无线传输单元，所述无线传输单元包括无线信号发射器、与所述无线信号发射器相适配的无线信号接收器，所述无线信号发射器设置在所述ogi流量监测模块的外壳上，所述无线信号接收器设置在所述控制终端上，所述无线信号发射器与所述光信号处理器电连接，用于将光信号处理器输出的图像信息转换成无线信号；所述无线信号接收器与所述控制终端电连接，用于将接收到的无线信号转换成数字信号传输给控制终端。
7.根据权利要求1所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述钻机还包括回转供风机构和推进调压机构，所述回转供风机构的动力输出轴与所述钻杆的后端连接，用于带动冲钻机构的钻头以及冲击器回转运动；所述推进调压机构的推进部与所述回转供风机构的输入部连接，用于带动所述回转供风机构带动所述钻具总成沿所述钻杆的轴线方向移动。
8.根据权利要求1所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述胶囊封孔器包括用于封堵钻孔的胶筒，所述胶筒的前端部插设于所述钻杆形成的钻孔中，所述胶囊封孔器的外壁与所述钻孔的内壁紧贴，所述胶筒的后端部伸出所述钻孔并同轴连接管状套件；所述胶筒的内壁与所述钻杆的外壁之间形成气体通道进气段，所述管状套件的内壁与所述钻杆的外壁之间形成气体通道出气段，所述气体通道进气段与所述气体通道出气段共同构成连通钻孔内外的气体通道。
9.根据权利要求8所述的基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统，其特征在于：所述管状套件的外壁上安装有用于固定瓦斯流量监测预警单元的固定机构，所述固定机构包括底盘、支撑架以及固定环，所述底盘可拆卸地安装在所述管状套件上，所述支撑架的一端与所述底盘连接，另一端安装固定环，所述固定环悬于所述气体通道的后端出口处。
10.一种利用权利要求2～9中任一项基于ogi成像技术的随钻涌出瓦斯监测预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
