井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警方法及其系统

摘要

一种井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警方法，①将信号采集单元和执行单元组装为一体，安装在瓦斯抽采管路上；②操作执行单元，确定管路瓦斯浓度与抽采负压之间的最长负压滞后时间、最高管路瓦斯浓度；③根据获得的最长负压滞后时间和最高管路瓦斯浓度，设定预警瓦斯浓度和预警负压滞后时间；④实时采集当前瓦斯浓度值和负压值；若当前瓦斯浓度值大于最高管路瓦斯浓度，则提示最高管路瓦斯浓度有误，重新执行步骤②；若当前瓦斯浓度值小于最高管路瓦斯浓度，但是大于预警瓦斯浓度设定值，则保持电动阀门开度不变；若当前瓦斯浓度值小于预警瓦斯浓度设定值，则发出报警，同时搜索最佳抽采负压，然后在最佳抽采负压上继续抽采瓦斯；⑤系统正常运转后，定期重复步骤②～④。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，尤其涉及井下瓦斯抽采管路中瓦斯浓度的调控和隐患预警方法。

背景技术

近十年来，我国煤炭产量由10亿吨增加到30亿吨，开采深度逐年加大，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井越来越多。国家规定，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井必须实施瓦斯抽采，抽采不达标不允许开采。井下瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的主要手段之一，是高突矿井高产高效的重要的安全保证，也是瓦斯利用的基础和前提，同时也是煤矿安全生产和节能减排的需要。

煤矿井下钻孔瓦斯抽采，通常是向煤层施工大量的钻孔，然后进行封孔和联孔，最终汇入巷道内的抽采管路。我国绝大多数煤层属于低透气煤层，瓦斯抽采困难，且抽采钻孔存在较为严重封孔漏气、联孔漏气现象，目前尚未解决。钻孔漏气后，会导致瓦斯抽采总体浓度降低，若抽采管路内的瓦斯浓度处在爆炸限之内（甲烷含量5%-16%），将会给抽采管路安全带来威胁，国内已出现过瓦斯爆炸导致抽采管路爆炸而使事故扩大化的案例。

若瓦斯抽采浓度过低，达不到可利用浓度，低浓度瓦斯将被迫排入大气，不仅增加了温室气体的排放，同时也是一种能源资源的浪费。国外早期的鲁尔矿区，为了瓦斯利用和管路安全，定期对抽采管路进行关停和启动，以期获得安全的可利用瓦斯浓度。国内某些矿区为了提高管路抽采浓度，基本上是靠关孔，发现哪个钻孔抽采浓度低不经分析就关闭，一个钻孔漏气有时就要通过关闭整条巷道的抽采系统来处理，造成极大的浪费，起不到消突作用，也为以后采煤留下安全隐患。

上述做法虽然可以在一定程度上提高瓦斯抽采浓度，但由于关孔使瓦斯未得到充分释放，既降低了资源利用效率又给煤矿开采留下了安全隐患，同时这部分瓦斯直接排入大气还会加重温室效应，污染大气环境。

总之，由于钻孔封孔存在漏气问题，加之钻孔深度的差别、煤层透气性的变化以及封孔质量的差异，使得本煤层钻孔的瓦斯抽采浓度存在以下问题：

1、没有从煤层自身条件，透气性、瓦斯含量、瓦斯压力等结合点去整体考虑瓦斯浓度控制；

2、同一区域不同钻孔的抽采浓度有高有低，而瓦斯浓度衰减速度有快有慢，差别较大；

3、抽采负压要多大全凭经验，没有具体的浓度控制理论和使用方法作指导，过于片面和草率。

发明内容

本发明要解决的关键技术问题是改变现有瓦斯抽采管路中瓦斯浓度的人工调节和盲目调控的现状，解决瓦斯抽采管路负压与瓦斯浓度和流量的匹配问题；目的是提供一种井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统及其使用方法，提高和稳定抽采管路内的瓦斯浓度，并对抽采管路的隐患实施预警。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警方法，它包括如下步骤：

①、将信号采集单元和执行单元组装为一体，安装在瓦斯抽采管路上；所述的信号采集单元包括管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪；所述的执行单元由电动阀门构成；

②、操作执行单元，确定管路瓦斯浓度与抽采负压之间的最长负压滞后时间、最高管路瓦斯浓度，从而得到管路瓦斯浓度与抽采负压的变化曲线图；

③、根据获得的最长负压滞后时间和最高管路瓦斯浓度，设定预警瓦斯浓度和预警负压滞后时间；所述的预警瓦斯浓度设定值低于最高管路瓦斯浓度值，且高于抽采瓦斯所要求的最低值；预警负压滞后时间为最长负压滞后时间的1.5～2倍；

④、实时采集当前瓦斯浓度值和负压值；若当前瓦斯浓度值大于最高管路瓦斯浓度，则提示最高管路瓦斯浓度有误，重新执行步骤②；若当前瓦斯浓度值小于最高管路瓦斯浓度，但是大于预警瓦斯浓度设定值，则保持电动阀门开度不变；若当前瓦斯浓度值小于预警瓦斯浓度设定值，则发出报警，同时搜索最佳抽采负压，然后在最佳抽采负压上继续抽采瓦斯；

⑤、系统正常运转后，定期重复步骤②～④。

信号采集单元的管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪集成安装于一节管道内，并将该节管道安装于电动阀门装置负压较低的一侧。

在所述的步骤②中，最长负压滞后时间的测定是将电动阀门开度从开90%以上关闭到开10%以下，同时在管路末端注入少量一氧化碳并计时开始，当位于电动阀门旁的一氧化碳传感器检测到CO时，计时结束。

在所述的步骤②中，通过每次关闭1%~5%角度的电动阀门，等待最长负压滞后时间后，记录管道浓度值和管道负压值，重复这个过程可得到管路瓦斯浓度与抽采负压的变化曲线图，从而确定最高管路瓦斯浓度对应的负压。

在所述的步骤④中，搜索最佳抽采负压的步骤为：将电动阀门完全打开，等待滞后时间后，记录初始浓度值C0、负压值P0和流量值Q0，将电动阀门关闭1%~5%角度，等待滞后时间后读取新的浓度值Ci、负压值Pi和流量值Qi（i=1，2，3…n），记录当前的电动阀门开度Ki；当电动阀门开度Ki＞＝99%时停止关阀操作，并从浓度值Ci（i=0，1，2，3…n）中找出最大值浓度值Cmax，然后判断Cmax对应的负压是否唯一，如果唯一则把最大值Cmax对应的电动阀门开度Ki送给电动阀门装置，如果不唯一则将负压较高时的阀门开度Ki送给电动阀门装置。

实施上述方法的井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统，在瓦斯抽采管路上设置信号采集单元和执行单元，其中信号采集单元连接控制单元的输入端，执行单元连接控制单元的输出端；所述的信号采集单元包括管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪；所述的执行单元由电动阀门构成。

所述信号采集单元中的管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪集成安装于一节管道内，并将该节管道安装于电动阀门装置负压较低的一侧。

采用上述技术方案的本发明，针对不同矿区的煤层情况，研究不同抽采阶段抽采浓度与抽采负压之间的互变关系，提出一种井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统及其使用方法，对管路瓦斯抽采浓度进行科学的自动化调控，提高和稳定管路内的瓦斯抽采浓度，在一定范围内满足瓦斯利用的需要和管路安全的需要。这里所述的管路安全是指：尽可能将瓦斯抽采浓度调整到爆炸限之外，另外对钻孔漏气引发的钻孔煤体自燃和管路损坏引起的浓度骤降进行预警，对抽采管路中的负压骤降或突变为正压时，迅速关闭阀门。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的结构图。

图3为本发明中调控预警程序流程图。

图4为本发明中最佳抽采负压搜索程序流程图。

图5为本发明中曲线绘制程序流程图。

图6为初期抽采钻孔浓度与负压关系图。

图7为后期抽采钻孔浓度与负压关系图。

具体实施方式

在设计本发明之前，作了如下分析研究：不同抽采阶段瓦斯抽采浓度与瓦斯抽采负压之间的关系是变化的，不同阶段对负压高低的需求不一样，存在一个合理抽采负压。如图6所示，抽采初期负压过高会导致抽采浓度降低，抽采中期负压过低也会导致抽采浓度降低，抽采后期管路瓦斯浓度与抽采负压成近抛物线关系，如图7所示，负压过高过低都会导致抽采浓度降低，存在一个抽采浓度峰值。基于上述发现，本发明可在不同抽采阶段自动调节管路抽采负压，稳定瓦斯抽采浓度，并对管路异常情况进行预警。

本发明中，井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警方法，它包括如下步骤：

①、将信号采集单元和执行单元组装为一体，安装在瓦斯抽采管路上；上述的信号采集单元包括管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪；上述的执行单元包括阀门和电动阀门装置。更好地，可将信号采集单元的管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪集成安装于一节管道内，并将该节管道安装于电动阀门装置负压较低的一侧。

②、操作执行单元，确定管路瓦斯浓度与抽采负压之间的最长负压滞后时间、最高管路瓦斯浓度，从而得到管路瓦斯浓度与抽采负压的变化曲线图。

上述最长负压滞后时间是这样确定的：由于瓦斯抽采管路很长，那么调节负压的电动阀门动作后，管道内的瓦斯浓度将会改变，最终达到一个新的浓度值这个过程需要的时间就是最长负压滞后时间。

实际测的时候，最长负压滞后时间的测定是将电动阀门开度从开90%以上关闭到开10%以下，同时在管路末端注入少量一氧化碳并计时开始，当位于阀门旁的一氧化碳传感器检测到CO时，计时结束。需要说明的是，电动阀门开度是固定两个开度，在90%开度下浓度稳定后，将阀门关到10%以下，同时注入CO，等CO扩散到传感器时，就可以认为此时管道内浓度达到均匀了。记录的时间其实就是CO从管路末端扩散到传感器所在位置所需要的时间。

上述的最高管路瓦斯浓度是这样确定的：将上述确定最长负压滞后时间的过程多次执行，每一个过程均通过关闭一定角度的阀门来增大负压，就可以得到一组由浓度和负压的对应曲线，这就是管路瓦斯浓度与抽采负压的变化曲线图。当负压增加到一定程度的时候，管道内浓度不再上升，有时反而会下降。这是因为，管道密闭性不够好，负压增加导致管道漏气量增大，进而降低了管道内瓦斯浓度。当曲线确定了，那么对应最高管路瓦斯浓度的负压就确定下来。具体实施时，通过每次关闭1%、2%、3%、4%、5%中任意角度的阀门，等待最长负压滞后时间后，记录管道浓度值和管道负压值，重复这个过程可得到管路瓦斯浓度与抽采负压的变化曲线图。

③、根据获得的最长负压滞后时间和最高管路瓦斯浓度，设定预警瓦斯浓度和预警负压滞后时间；上述的预警瓦斯浓度设定值低于最高管路瓦斯浓度值，且高于抽采瓦斯所要求的最低值；预警负压滞后时间为最长负压滞后时间的1.5～2倍。

预警瓦斯浓度设定值是根据矿上的要求进行设定的，不同的煤矿，设定的值不一样，有的要求瓦斯浓度要达到30%，有的要求25%。还有的只有5%，地面取这样浓度的瓦斯气体可以用来发电，供热等，也可以进行储存，浓度过低会被直接排放到大气中。设定预警瓦斯浓度和预警负压滞后时间这两个参数，是为了保证瓦斯管路里抽出来的瓦斯浓度符合地面使用条件，当管道内瓦斯浓度达不到设定的预警瓦斯浓度时，进行报警。而设定预警负压滞后时间是保证管路内瓦斯浓度达到均匀稳定，不至于在浓度没有达到均匀时提前报警。

④、实时采集当前瓦斯浓度值和负压值；若当前瓦斯浓度值大于最高管路瓦斯浓度，则提示最高管路瓦斯浓度有误，重新执行步骤②；若当前瓦斯浓度值小于最高管路瓦斯浓度，但是大于预警瓦斯浓度设定值，则保持阀门开度不变；若当前瓦斯浓度值小于预警瓦斯浓度设定值，则发出报警，同时搜索最佳抽采负压，然后在最佳抽采负压上继续抽采瓦斯。

在上述的步骤④中，搜索最佳抽采负压的步骤为：将阀门完全打开，等待滞后时间后，记录初始浓度值C0、负压值0和流量值Q0，将电动阀门关闭1%~5%角度，等待滞后时间后读取新的浓度值Ci、负压值Pi和流量值Qi（i=1，2，3…n），记录当前的电动阀门开度Ki；当电动阀门开度Ki＞＝99%时停止关阀操作，并从浓度值Ci（i=0，1，2，3…n）中找出最大值浓度值Cmax，然后判断Cmax对应的负压是否唯一，如果唯一则把最大值Cmax对应的电动阀门开度Ki送给电动阀门装置，如果不唯一则将负压较高时的阀门开度Ki送给电动阀门装置。

⑤、系统正常运转后，定期重复步骤②～④。上述的定期是指：由于在系统工作一年或两年后，井下的压力、瓦斯浓度等参数都发生了很大的变化，需要重新对设定的浓度、浓度与负压滞后时间进行校正和调整。

本发明的井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统及其使用方法，首先处理单元根据信号采集单元传送过来的各种参量的采集数据信号，判断瓦斯抽采管路中的瓦斯浓度是否大于设定浓度值，若大于，执行单元不动作，若接近或小于设定浓度值，处理单元驱动执行单元动作，通过执行单元的阀门开度调节管路中的瓦斯抽采负压，并依照程序指令搜寻合理抽采负压，合理抽采负压是指在该负压下瓦斯抽采浓度高于设定浓度值，且在该浓度下纯甲烷流量为最大的那个负压。此外，当处理单元接收到一氧化碳信号时，预警单元进行一氧化碳报警；当处理单元检测到瓦斯浓度突变情况时，预警单元进行浓度报警。处理单元根据传感器和测试仪器获取的信号直接在显示单元显示，瓦斯单位时间内的抽采纯量由程序计算得出。

本发明还提供了一种井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统，它在瓦斯抽采管路上设置信号采集单元4和执行单元1，其中信号采集单元4连接控制单元3的输入端，执行单元1连接控制单元3的输出端，上述的控制单元3由控制柜8以及位于控制柜中的可编程控制器7构成。上述的信号采集单元4为传感器组6，传感器组6包括管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪；执行单元包括阀门和电动阀门装置。

更好地，可将信号采集单元中的管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪集成安装于一节管道内，该节管道位于瓦斯抽采主管路9上，并将该节管道安装于电动阀门装置负压较低的一侧。

上述方案中信号采集单元包括管路负压传感器、瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器和管路流量测试仪等，将其采集到的信号分别接入处理单元的输入端。执行单元为数控电动阀2，它包括阀门和阀门电动装置两部分。数控电动阀门接收来自处理单元的控制信号，可执行全开、全闭、点动开、点动关等操作；能够精确调节阀门的开度，并将阀门的开度信息反馈给处理单元。数控电动阀的控制信号与处理单元输出节点相连，数控电动阀的阀门开度信号与处理单元输入节点相连。处理单元为可编程控制器，显示单元可以是LCD、LED或触摸屏。