CN105651567A - 一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统及方法。该系统通过伸缩管与钢管连接，减缓因地质结构变化对束管带来的冲击，采用多级泵抽气的方式，降低束管内的压差，降低束管系统的耐压要求，采用多点取样，电磁阀控制取样点选择的方法，实现一套系统，多巷道监测，在每个气泵与管道连接处安装超声漏气检测器，以监测系统是否漏气，然后根据超声漏气传感器信号的强弱和频率，分析漏气点数量及其位置。该系统可以实现将矿井下多个巷道的待检气体安全、快速、可靠地抽取至矿井外的监测设备内，已保证矿井安全的实时、可靠监测。

Description

一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统及方法

【技术领域】

本发明涉及长距离多取样点气体采集领域，特别涉及对矿井自燃发火气体的束管在线监测领域。

【背景技术】

我国是一个能源消耗大国，其中近70％的能源需求是由我国境内的煤炭资源的开采来满足的。然而在我国的煤炭开采过程中，安全事故发生较多，这其中有70％以上是由于煤自燃导致的。为此，各大型煤矿采用束管的方式将井下的气体抽到井口，或者人工方式用气囊从井下取气到井口，然后用气相色谱仪进行定量分析，以确定气体的成分及含量，继而评定井下的安全等级。

人工采样一方面全凭取样人的经验操作，往往会影响到最终的分析结果，其实时性也相对较差，人工成本较高；另一方面，一旦煤自燃比较严重，取样工人的健康、甚至生命安全存在安全隐患。束管是目前大型煤矿通行的一种煤自燃发火监测方式，但因气路长，要把气体从井下抽到井口，部分束管内的气压很大，导致漏气时有发生，煤炭自燃发火气体无法抽取到井口。另外，目前的束管主要是用钢管硬链接的方式连接而成，由于矿井环境恶劣，巷道经常由于地质的变化而变形，这往往导致束管受到挤压而出现漏气，甚至束管断裂。

为了克服现有束管的缺陷，专利CN202693385U，CN204101338U、CN201560803U采用储气式、多路采样泵和车载式等方式，将束管改良成多个抽气泵，以及多个取样点的方式。这种改良可以降低束管内压力，实现多点取样分析，但无法克服矿井巷道变形导致束管漏气的缺陷，更无法确定漏气的严重程度和漏气位置。因此，这些方法无法从根本上提高矿井束管系统的可靠性。

【发明内容】

本发明的目的在于，提供了一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统及方法，可以实现矿井下气体的自动化样气采集和输送功能，实时、可靠、高效地为煤炭自燃发火气体仪器提供井下待检样气，满足煤炭开采等领域对安全生产的需求。

本发明采用如下技术方案：

一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，包括气泵，在每一个采气点均设置有所述气泵，气泵之间采用通气束管连接，每一个采气点均通过多级的气泵连接至监测设备，所述通气束管与气泵之间通过螺纹管连接，以避免由于煤矿巷道变形导致束管连接口断裂的情况发生。

进一步，在所述多个气泵的连接点设置有汇流排，该汇流排上安装有电磁气路阀，并与通气束管相连；当选择某一路抽气通路时，汇流排上其余通路的电磁气路阀关闭，保证仅开启被选择的一路电磁气路阀。

进一步，该监测系统进一步包括有漏气检测器，用于检测气体的泄露情况；所述漏气检测器安装在螺纹管与束管的连接点。

进一步，多个气泵形成气泵管路，包括连接至第一采气点的主管路，该主管路的多个气泵之间分出有多个并联的第一分支管路，每一个第一分支管路上通过多个串联的气泵连接至各自的采气点；另外，主管路上直接与采气点相连的气泵与采气点之间的结点分出多个并联的第二分支管路，每一个第二分支管路分别通过串联的多个气泵连接至各自的采气点。

进一步，所述监测系统包括有多个监测设备，每一个监测设备串联有一个气泵管路，多个监测设备的气泵管路之间并联连接。

一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统的监测方法，当监测设备给出导通的气路命令后，被选择的气路打开，其他气路关闭，保证采集与被选择气路连接的采气点的气体。

进一步，当被选择气路导通后，该气路上的电磁气路阀和电子开关均被打开，使得被选择气路开始抽气采样。

进一步，所述监测设备与漏气检测芯片通过通讯协议连接，当监测系统发生泄漏时，通过通讯端口进行报警，监测设备收到异常报警后，停止其余工作，并根据报警端口确定漏气位置。

进一步，每次采集样气之后，监测设备都会对采样的时间和位置进行记录，防止同一位置重复采集。

本发明采用多级泵抽气的方式，降低束管内的压差，降低束管系统的耐压要求，采用多点取样，电磁阀控制取样点选择的方法，实现一套系统，多巷道监测，在每个气泵与管道连接处安装超声漏气检测器，以监测系统是否漏气，然后根据超声漏气传感器信号的强弱和频率，分析漏气点数量及其位置。该系统可以实现将矿井下多个巷道的待检气体安全、快速、可靠地抽取至矿井外的监测设备内，已保证矿井安全的实时、可靠监测。

【附图说明】

图1基于分级式气泵的束管连接矿井下气体采集系统的整体示意图；

图2是基于分级式气泵的束管连接矿井下气体采集系统的另一形式的整体示意图；

图3是基于分级式气泵的束管连接矿井下气体采集系统的第三种形式的整体示意图；

图4基于分级式气泵的束管连接矿井下气体采集系统的硬件结构图；

图5系统采用的螺纹管结构示意图；

图6操作软件运行流程图。

【具体实施方式】

可自诊断的软连接分级抽气束管系统，其整体方案图如附图1所示。该系统由硬件和软件两部分组成，以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

1.硬件部分

可自诊断的软连接分级抽气束管系统的硬件结构如图2所示。其中包括井下防爆气泵、中央控制计算机、通气束管、螺纹管、汇流排及电磁气路阀、漏气检测芯片、电子开关、通讯连接线，对于井下采用无线通讯的，还需要无线收发设备。

井下防爆气泵是为抽取矿井下样气提供动力的设备，由于矿井等环境对电气设备安全性要求较高，此处选用的抽气泵需要按照国家相应标准进行防爆改装后才能实地使用。抽气泵在安装时采用分级式的思路，在矿井下每间隔一段距离便设置一个气泵，气泵间以通气束管和螺纹管连接，即前置气泵的进气口通过束管连接后置气泵的出气口，以保证气路中气压和抽气速率保持稳定。每个气泵与束管的接头处安装一个压力计和超声波传感器，以监测束管内的气压，以及是否漏气，在应用中，气体采集系统可以设立多个井下采气点，当检测仪器需要监测、化验某一采样点的气体样本时，系统将采用电磁气路阀选择相应支路，并将井下待检气体安全、快速、可靠地抽取至井外的监测设备内。对于气泵的选型，一般不要求太高，通常每分钟抽气几十升的小型气泵即可满足要求。

中央控制计算机(即监测设备)是实现系统自动化采集样气的核心，它用于接收操作人员的采集命令，并将其处理后传达至各执行机构。控制计算机放置在井上的主控室中，通过通讯连接线或者无线收发装置与诸如电磁气路阀、漏气检测芯片、电子开关等执行元件相连。对于控制计算机的选型，一般常规配置的工业控制计算机均可满足要求。选择取气支路时，由控制计算机通过通讯连接线路或者无线通讯设备控制汇流排上的电磁气路阀，使得除被选支路外其余气路全部关闭，同时开启被选气路上防爆气泵的电子开关，从而可以达到仅使得井下被选采样点内气体被抽取到监测设备中的目的。

通气束管是系统的骨架，它是用于抽取样气的气路管道。需要注意的是本系统的通气束管应使用螺纹管做内管，以避免由于煤矿井下震动、偏移导致束管连接口断裂的情况发生。

汇流排、电磁气路阀及电子开关都是执行切换抽气通路的元件。汇流排上加装有电磁气路阀，并与通气束管相连，当需要选择某一路抽气通路时，汇流排上其余通路的电磁气路阀会自动关闭，仅开启被选择的一路的气阀，同时这一支气路上控制抽气泵开启的电子开关也打开，使得抽气泵运行，样品气体被成功采集。这些执行元件的运作都是接受中央控制计算机通过通讯连接线路下达的指令后进行的。

漏气检测芯片需要加装在取气系统的每个关键节点上，包括而不局限于螺纹管内接口、防爆气泵抽气口和排气口、汇流排接口等处。一旦束管发生破裂泄露，检测模块将第一时间对中央控制计算机进行报警，控制计算机在接警后便可对操作人员进行漏气示警并显示出漏气位置，以便检修。漏气检测芯片现都已规模化生产，选型时应尽量选择体积小、已安装且通讯协议标准化的器件，如超声漏气传感器。

2.软件部分

软件是在控制电脑中运行的，其执行流程如图4所示，功能主要包括：气路切换及抽气命令下达、漏气示警、信息记录。该软件可以使用C#语言进行开发。

气路切换及采气是实现一套系统监控多采样点的关键。当操作人员需要选择不同采样位置进行监测时，只需在人机操作界面上下达切换采样点指令，系统将立刻停止现采样点的采集任务，同时对电磁气路阀及电子开关下达指示，使得除了被选择采样点的支气路外其余全部汇流排上的电磁气路阀关闭，同时仅开启被选支气路上抽气泵的电子开关，使得被选支气路开始抽气采样。这一过程由软件通过通讯连接口下达相关操作指令实现。

漏气示警是保证系统可靠性的核心。软件和漏气检测芯片通过相关通讯协议连接，并在采集系统运行过程中长期监听该通讯端口，一旦漏气芯片检测到漏气现象，便通过通讯端口对计算机进行报警。当软件在通讯端口捕捉到该异常报警时，便立即停止其余工作，并根据报警端口号确定漏气位置，后对操作人员示警漏气并显示出相关漏气位置。

信息记录功能也集成在操作软件中，每当进行了一次样气采集，软件就在主界面上显示并在硬盘中记录下相关时间信息和被采样位置信息，防止同一位置重复采集同时也便于操作人员日后查看。

本发明通过采用多段式分级抽气方法，可以保证气路中气压和抽气速率保持稳定，避免了因输气管道过长、导致束管内气压差过大，进气口气压过高，而出气口气压过低，使得样气无法通畅地达到井口监测设备的问题。

气体采集系统的高效性体现在以下方案上，当操作人员需要分析矿井下不同巷道，不同位置处的气体时，束管系统可以根据需要用电磁气路阀切换取气支路，这是由控制计算机通过通讯连接线路控制汇流排上的电磁气路阀通断来实现的。当选择完待检支路后，系统会使得除被选支路外其余气路全部关闭，同时开启被选气路上防爆气泵的电子开关，以此使得井下被选采样点内的气体可以被抽取到监测设备中。

气体采集系统的高可靠性是通过加装防漏气检测装置和采用螺纹内管的方案来实现的，束管通常是钢管，它的一头和气泵连接时，中间加装螺纹管，以避免由于受地质变化影响导致煤矿井下巷道发生形变导致束管连接口漏气，甚至断裂的情况发生。同时在每个连接节点均加装漏气检测模块，一旦束管发生破裂泄露，检测模块将信息发送到井口的监测中心，第一时间报警并提示泄露位置，使得维修人员可以快速进行检修。这两种设计可以有效避免因气路渗漏导致外界杂气渗入并污染待检气体的现象，保障矿井束管的可靠性，以及煤矿自燃发火气体在线分析的准确性。

另外，需要说明的是，对于多个气泵形成的气泵管路，可以采用多种布置方式，例如图1所示，为其中的一种布置，为方便起见，将与监测设备直接相连且与采气点2相连的支路称为主支路，该主支路上设置有两个串联的气泵，两个气泵之间的通气束管上分出有一个第一分支路，该第一分支路上进一步设置有一个连接至采气点1的气泵，而在直接连接至采气点2的气泵上又分出多个相互并联的第二支路，这些第二支路中的每一个支路，均通过一个气泵连接至采气点3、采气点4、…...采气点n。

请参阅图2所示，为另外一种气泵管路的布置方式：该种布置方式与图1类似，区别在于：图2的布置方式中，第一分支路包括两路并联的支路，而第二分支路仅包括一路支路。

请参阅图3所示，为第三种气泵管路的布置方式，在该布置方式中，监测设备包括有两个，每一个监测设备均连接有一个气泵管路，分别称为第一气泵管路和第二气泵管路，对于每一个气泵管路而言，其结构与图1和图2中的布置均类似，其中，在第三种气泵管路中，第一气泵管路的第一分支路包括一路，与图1布置相同，第二分支路包括一路；第二气泵管路的第一分支路包括并列的两路支路，第二分支路包括多个并列的支路。

除了以上三种布置方式外，在此基础上变形的其他布置方式也是可以实现本发明目的的，只要保证，对于每一个气泵管路而言，每一个采气点对应一个气泵，该气泵通过多级而连接至监测设备。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，其特征在于，包括气泵，在每一个采气点均设置有所述气泵，气泵之间采用通气束管连接，每一个采气点均通过多级的气泵连接至监测设备，以降低管道内部的压力，所述通气束管与气泵之间通过螺纹管连接，以避免由于煤矿巷道变形导致束管连接口断裂的情况发生。

2.根据权利要求1所述的一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，其特征在于：在所述多个气泵的连接点设置有汇流排，该汇流排上安装有电磁气路阀，并与通气束管相连；当选择某一路抽气通路时，汇流排上其余通路的电磁气路阀关闭，保证仅开启被选择的一路电磁气路阀。

3.根据权利要求1所述的一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，其特征在于：该监测系统进一步包括有漏气检测器，用于检测气体的泄露情况；所述漏气检测器安装在螺纹管与束管的连接点。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，其特征在于：多个气泵形成气泵管路，包括连接至第一采气点的主管路，该主管路的多个气泵之间分出有多个并联的第一分支管路，每一个第一分支管路上通过多个串联的气泵连接至各自的采气点；另外，主管路上直接与采气点相连的气泵与采气点之间的结点分出多个并联的第二分支管路，每一个第二分支管路分别通过串联的多个气泵连接至各自的采气点。

5.根据权利要求4所述的一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统，其特征在于：所述监测系统包括有多个监测设备，每一个监测设备串联有一个气泵管路，多个监测设备的气泵管路之间并联连接。

6.一种基于权利要求5所述的一种可自诊断的软连接分级抽气矿井束管系统的监测方法，其特征在于：当监测设备给出导通的气路命令后，被选择的气路打开，其他气路关闭，保证采集与被选择气路连接的采气点的气体。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：当被选择气路导通后，该气路上的电磁气路阀和电子开关均被打开，使得被选择气路开始抽气采样。

8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述监测设备与漏气检测芯片通过通讯协议连接，当监测系统发生泄漏时，通过通讯端口进行报警，监测设备收到异常报警后，停止其余工作，并根据报警端口确定漏气位置。

9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：每次采集样气之后，监测设备都会对采样的时间和位置进行记录，防止同一位置重复采集。