CN110513140B - 一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法，在进行瓦斯抽采时，微型轴流式风机对内管内部的抽采负压进行控制；瓦斯综合测量仪实时监测该微型轴流式风机出风口的多个数据；转速匹配器得出所需调整的转速信号；转速调节器根据该转速信号控制微型轴流式风机的转速；信号匹配器将反馈的监测数据与设定的各个数据阈值比对后，向邻近的监控分站发出信号；监控分站接收信号并切断微型轴流式风机和电控阀门供电；本发明能对每个抽采系统的负压进行按需供给，不仅保证抽采瓦斯浓度始终处于安全值以上，而且能有效提高抽采效率；另外在抽采过程中，若发生温度过高或CO浓度过高问题时，能够及时的停止并封闭该抽采系统。

Description

一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种抽采瓦斯的控制系统及方法，具体是一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法。

背景技术

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害的治本性措施，也是瓦斯资源化利用的最根本途径。煤层钻孔瓦斯抽采作为高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层区域性瓦斯灾害治理和资源化利用的最主要技术措施，已经在井下得到广泛的应用。但是目前煤矿瓦斯的抽采量及抽采利用率都很低；究其原因，我国煤矿90％以上的煤层瓦斯抽采工程投入-产出极不平衡，瓦斯抽采浓度小、达标效率和达标率低，煤层瓦斯平均抽采率仅为23％；特别地，因煤层钻孔群和管路联合漏气(简称管网漏气)引起瓦斯浓度沿管网气流方向逐渐衰减，多数矿井煤层瓦斯抽采系统主管路浓度不足10％，甚至低于5％。当管网瓦斯浓度处于5-16％(爆炸极限范围)时还可能诱发瓦斯燃爆风险。如2015年10月26日，某矿发生瓦斯抽采管路燃爆事故造成1人死亡。因此，瓦斯抽采不仅要考虑瓦斯抽采的高效性，还要兼顾瓦斯抽采的安全性。

对瓦斯抽采管网系统来说，抽采负压是影响瓦斯抽采效率与安全的重要参数。申请号为201610794010.6的中国发明专利公开了煤矿瓦斯预抽采钻场抽采瓦斯浓度自动调控方法及装置，其原理主要是基于瓦斯实时监测装置实时监测抽采管道的瓦斯浓度，进而基于管道调节阀门进行控制抽采阻力，最终实现控制抽采负压；申请号为201010591680.0的中国发明专利公开了井下瓦斯抽采管路浓度自动调控预警方法及其系统，其原理同样是基于浓度阈值来调控相应的阀门开度从而达到负压匹配。但是上述两种方法均存在如下问题：由于实际的管网抽采系统十分复杂，管网总长度达数千米甚至上万米，通过调控阀门改变系统的阻力与管网沿程阻力相比很小，因此其负压调控的范围十分有限，无法做到各个区域按需调控，并且无法对距离调控阀门较远的单元或个体进行有效调控。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法，能对每个抽采单元的负压进行按需供给，从而能保证抽采的瓦斯浓度始终处于安全值以上，不仅能保证抽采过程中的安全而且能有效提高抽采效率；另外在抽采过程中，若任一抽采系统发生温度过高或CO浓度过高问题时，能够及时进行处理，最终实现整个控制系统的安全可控进行瓦斯抽采。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统，包括由多个智能调控采气系统和抽采输运系统组成；多个智能调控采气系统并排设置且分别与抽采输运系统连通，所述智能调控采气系统由采气对象子系统和智能调控子系统组成；

所述采气对象子系统包括抽采支管、集流器和多个抽采分管，抽采分管的一端与集流器的一端连通，集流器的另一端分别与多个抽采支管的一端连通，多个抽采支管的另一端伸入煤层内部；

所述智能调控子系统包括金属管体、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器、信号匹配器和监控分站，金属管体由内管和外管组成的双层管体，内管的两端分别为进气端和出气端，在分别靠近内管的进气端及出气端的内管内部均装有电控阀门，用于控制内管的开启及关闭；内管的进气端与抽采分管的另一端连通，

所述微型轴流式风机装在靠近内管的进气端的内管内部，用于对内管内部的抽采负压进行控制；

所述瓦斯综合测量仪装在内管内部并处于微型轴流式风机的出风口一侧，用于实时监测该微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度；

所述转速匹配器放置在内管与外管之间的空间内，且转速匹配器与瓦斯综合测量仪电连接，用于接收瓦斯综合测量仪监测的数据，经过分析处理后得出所需调整的转速信号；

所述转速调节器放置在内管与外管之间的空间内、且转速调节器分别与微型轴流式风机和转速匹配器电连接，用于接收转速匹配器传来的所需调整的转速信号，并根据该转速信号控制微型轴流式风机的转速调整；

所述温度传感器放置在内管与外管之间的空间内，用于实时检测金属管体的温度值；

所述信号匹配器放置在金属管体周围，且信号匹配器分别与瓦斯综合测量仪和温度传感器电连接，用于接收瓦斯综合测量仪和温度传感器反馈的监测数据，然后将反馈的监测数据与设定的各个数据阈值比对后，向邻近的监控分站发出信号；

所述监控分站为电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，并接收信号匹配器发来的信号，根据信号切断微型轴流式风机和电控阀门供电，使微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭；

所述抽采输运系统包括抽采泵、抽采主管和抽采连接管，抽采主管的一端与抽采连接管连通、抽采主管的另一端与瓦斯站连通，抽采泵装在抽采主管上，抽采连接管的管壁上开设多个抽采口，每个抽采口分别与一个智能调控采气系统对应、且抽采口与该智能调控采气系统的内管出气端连通。

进一步，所述每个抽采口内均装有单向阀，用于防止从内管进入到抽采连接管中的抽采气体逆向回流。

一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯控制系统的控制方法，具体步骤为：

将多个智能调控采气系统并排设置装在煤层中并依次进行编号，然后开启抽采泵，各个智能调控采气系统分别进行瓦斯抽采；各个智能调控采气系统的抽采过程相同，其中任意一个智能调控采气系统的具体过程为：

①该智能调控采气系统中的监控分站对电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，此时电控阀门通电后打开，微型轴流式风机以转速n₀开始运行；

②瓦斯综合测量仪实时监测微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度，其中将监测到的流过微型轴流式风机的气体流量Q₀和瓦斯浓度

传到转速匹配器，转速匹配器根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量

乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量

的值是设定的漏风量(瓦斯纯量占气体总量的六分之五，保证初始瓦斯浓度在80％以上)，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过风机的初始流量值；

由于流过微型轴流式风机的气体流量变换与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的风机转速n_s；

转速匹配器将得出风机转速n_s数据传给转速调节器，转速调节器控制微型轴流式风机的转速从n₀调至到n_s，使微型轴流式风机在转速为n_s的状态下运行；

③随着抽采时间持续进行，煤层中的瓦斯解吸量可能会慢慢变小，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪重新采集一次数据，并将检测的数据传递给转速匹配器，转速匹配器进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤②，重新调整微型轴流式风机的转速，保证流过该智能调控采气系统的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

④在抽采过程中，信号匹配器实时接收瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度及CO浓度，同时实时接收温度传感器检测的金属管体温度；若瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度T_A大于35℃或CO浓度C_CO大于24ppm、或者温度传感器检测金属管体的温度值T_B大于50℃时，信号匹配器发出报警信号给该智能调控采气系统对应的监控分站，监控分站接收到报警信号后，切断对电控阀门、微型轴流式风机、转速匹配器和转速调节器供电，此时微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭使内管封闭；然后监控分站将超过阈值的数据及该智能调控采气系统的编号以无线电发送给井下控制中心。

与现有技术相比，本发明采用智能调控采气系统和抽采输运系统相结合方式，其中智能调控采气系统在进行瓦斯抽采时，微型轴流式风机用于对内管内部的抽采负压进行控制；瓦斯综合测量仪用于实时监测该微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度；转速匹配器用于接收瓦斯综合测量仪监测的数据，经过分析处理后得出所需调整的转速信号；转速调节器用于接收转速匹配器传来的所需调整的转速信号，并根据该转速信号控制微型轴流式风机的转速调整；温度传感器用于实时检测金属管体的温度值；信号匹配器用于接收瓦斯综合测量仪和温度传感器反馈的监测数据，然后将反馈的监测数据与设定的各个数据阈值比对后，向邻近的监控分站发出信号；监控分站为电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，并接收信号匹配器发来的报警信号，根据报警信号切断微型轴流式风机和电控阀门供电，使微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭；因此本发明能对每个抽采系统的负压进行按需供给，从而能保证抽采的瓦斯浓度始终处于安全值以上，不仅能保证抽采过程中的安全而且能有效提高抽采效率；另外在抽采过程中，若任一抽采系统发生温度过高或CO浓度过高问题时，能够及时的停止并封闭该抽采系统，同时通知工作人员进行处理，最终实现整个控制系统的安全可控进行瓦斯抽采。

附图说明

图1是本发明的采气流程示意图；

图2是本发明中智能调控子系统的运行流程图；

图3是本发明的系统结构示意图；

图4是图3中金属管体的内部结构示意图。

图中：1、抽采支管，2、集流器，3、抽采分管，4、智能阀门,5、金属管体，6、瓦斯综合测量仪，7、微型轴流式风机，8、转速匹配器，9、转速调节器，10、温度传感器，11、信号匹配器，12、监控分站，13、单向阀，14、抽采连接管，15、抽采主管，16、抽采泵。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统，包括由多个智能调控采气系统和抽采输运系统组成；多个智能调控采气系统并排设置且分别与抽采输运系统连通，所述智能调控采气系统由采气对象子系统和智能调控子系统组成；

所述采气对象子系统包括抽采支管、集流器和多个抽采分管，抽采分管的一端与集流器的一端连通，集流器的另一端分别与多个抽采支管的一端连通，多个抽采支管的另一端伸入煤层内部；

所述智能调控子系统包括金属管体、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器、信号匹配器和监控分站，金属管体由内管和外管组成的双层管体，内管的两端分别为进气端和出气端，在分别靠近内管的进气端及出气端的内管内部均装有电控阀门，用于控制内管的开启及关闭；内管的进气端与抽采分管的另一端连通，

所述微型轴流式风机装在靠近内管的进气端的内管内部，用于对内管内部的抽采负压进行控制；

所述瓦斯综合测量仪装在内管内部并处于微型轴流式风机的出风口一侧，用于实时监测该微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度；

所述转速匹配器放置在内管与外管之间的空间内、且转速匹配器与瓦斯综合测量仪电连接，用于接收瓦斯综合测量仪监测的数据，经过分析处理后得出所需调整的转速信号；

所述转速调节器放置在内管与外管之间的空间内、且转速调节器分别与微型轴流式风机和转速匹配器电连接，用于接收转速匹配器传来的所需调整的转速信号，并根据该转速信号控制微型轴流式风机的转速调整；

所述温度传感器放置在内管与外管之间的空间内，用于实时检测金属管体的温度值；

所述信号匹配器放置在金属管体周围，且信号匹配器分别与瓦斯综合测量仪和温度传感器电连接，用于接收瓦斯综合测量仪和温度传感器反馈的监测数据，然后将反馈的监测数据与设定的各个数据阈值比对后，向邻近的监控分站发出信号；

所述监控分站为电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，并接收信号匹配器发来的信号，根据信号切断微型轴流式风机和电控阀门供电，使微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭；

所述抽采输运系统包括抽采泵、抽采主管和抽采连接管，抽采主管的一端与抽采连接管连通、抽采主管的另一端与瓦斯站连通，抽采泵装在抽采主管上，抽采连接管的管壁上开设多个抽采口，每个抽采口分别与一个智能调控采气系统对应、且抽采口与该智能调控采气系统的内管出气端连通。

进一步，所述每个抽采口内均装有单向阀，用于防止从内管进入到抽采连接管中的抽采气体逆向回流。

一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯控制系统的控制方法，具体步骤为：

将多个智能调控采气系统并排设置装在煤层中并依次进行编号，然后开启抽采泵，各个智能调控采气系统分别进行瓦斯抽采；各个智能调控采气系统的抽采过程相同，其中任意一个智能调控采气系统的具体过程为：

①该智能调控采气系统中的监控分站对电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，此时电控阀门通电后打开，微型轴流式风机以转速n₀开始运行；

②瓦斯综合测量仪实时监测微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度，其中将监测到的流过微型轴流式风机的气体流量Q₀和瓦斯浓度

传到转速匹配器，转速匹配器根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量

乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量

的值是设定的漏风量(瓦斯纯量占气体总量的六分之五，保证初始瓦斯浓度在80％以上)，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过风机的初始流量值；

由于流过微型轴流式风机的气体流量变换与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的风机转速n_s；

转速匹配器将得出风机转速n_s数据传给转速调节器，转速调节器控制微型轴流式风机的转速从n₀调至到n_s，使微型轴流式风机在转速为n_s的状态下运行；

③随着抽采时间持续进行，煤层中的瓦斯解吸量可能会慢慢变小，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪重新采集一次数据，并将检测的数据传递给转速匹配器，转速匹配器进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤②，重新调整微型轴流式风机的转速，保证流过该智能调控采气系统的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

④在抽采过程中，信号匹配器实时接收瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度及CO浓度，同时实时接收温度传感器检测的金属管体温度；若瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度T_A大于35℃或CO浓度C_CO大于24ppm、或者温度传感器检测金属管体的温度值T_B大于50℃时，信号匹配器发出报警信号给该智能调控采气系统对应的监控分站，监控分站接收到报警信号后，切断对电控阀门、微型轴流式风机、转速匹配器和转速调节器供电，此时微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭使内管封闭；然后监控分站将超过阈值的数据及该智能调控采气系统的编号以无线电发送给井下控制中心。

Claims (3)

1.一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统，其特征在于，包括多个智能调控采气系统和抽采输运系统；多个智能调控采气系统并排设置且分别与抽采输运系统连通，所述智能调控采气系统由采气对象子系统和智能调控子系统组成；

所述采气对象子系统包括抽采支管、集流器和多个抽采分管，抽采分管的一端与集流器的一端连通，集流器的另一端分别与多个抽采支管的一端连通，多个抽采支管的另一端伸入煤层内部；

所述智能调控子系统包括金属管体、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器、信号匹配器和监控分站，金属管体是由内管和外管组成的双层管体，内管的两端分别为进气端和出气端，在分别靠近内管的进气端及出气端的内管内部均装有电控阀门，用于控制内管的开启及关闭；内管的进气端与抽采分管的另一端连通；

所述微型轴流式风机装在靠近内管的进气端的内管内部，用于对内管内部的抽采负压进行控制；

所述瓦斯综合测量仪装在内管内部并处于微型轴流式风机的出风口一侧，用于实时监测该微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度；

所述转速匹配器放置在内管与外管之间的空间内、且转速匹配器与瓦斯综合测量仪电连接，用于接收瓦斯综合测量仪监测的数据，经过分析处理后得出所需调整的转速信号；

所述转速调节器放置在内管与外管之间的空间内，且转速调节器分别与微型轴流式风机和转速匹配器电连接，用于接收转速匹配器传来的所需调整的转速信号，并根据该转速信号控制微型轴流式风机的转速调整；

所述温度传感器放置在内管与外管之间的空间内，用于实时检测金属管体的温度值；

所述信号匹配器放置在金属管体周围,且信号匹配器分别与瓦斯综合测量仪和温度传感器电连接，用于接收瓦斯综合测量仪和温度传感器反馈的监测数据，然后将反馈的监测数据与设定的各个数据阈值比对后，向监控分站发出信号；

所述监控分站为电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，并接收信号匹配器发来的信号，根据信号切断微型轴流式风机和电控阀门供电，使微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭；

所述抽采输运系统包括抽采泵、抽采主管和抽采连接管，抽采主管的一端与抽采连接管连通、抽采主管的另一端与瓦斯站连通，抽采泵装在抽采主管上，抽采连接管的管壁上开设多个抽采口，每个抽采口分别与一个智能调控采气系统对应、且抽采口与该智能调控采气系统的内管出气端连通。

2.根据权利要求1所述的一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统，其特征在于，所述每个抽采口内均装有单向阀，用于防止从内管进入到抽采连接管中的抽采气体逆向回流。

3.一种根据权利要求1所述的促进煤层管网安全高效抽采瓦斯控制系统的控制方法，其特征在于，具体步骤为：

将多个智能调控采气系统并排设置装在煤层中并依次进行编号，然后开启抽采泵，各个智能调控采气系统分别进行瓦斯抽采；各个智能调控采气系统的抽采过程相同，其中任意一个智能调控采气系统的具体过程为：

①该智能调控采气系统中的监控分站对电控阀门、瓦斯综合测量仪、微型轴流式风机、转速匹配器、转速调节器、温度传感器和信号匹配器供电，此时电控阀门通电后打开，微型轴流式风机以转速n₀开始运行；

②瓦斯综合测量仪实时监测微型轴流式风机出风口的气体温度、流量、瓦斯浓度和CO浓度，其中将监测到的流过微型轴流式风机的气体流量Q₀和瓦斯浓度

传到转速匹配器，转速匹配器根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量

乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量

的值是设定的漏风量，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过风机的初始流量值；

由于流过微型轴流式风机的气体流量变换与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的风机转速n_s；

转速匹配器将得出风机转速n_s数据传给转速调节器，转速调节器控制微型轴流式风机的转速从n₀调至到n_s，使微型轴流式风机在转速为n_s的状态下运行；

③随着抽采时间持续进行，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪重新采集一次数据，并将检测的数据传递给转速匹配器，转速匹配器进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤②，重新调整微型轴流式风机的转速，保证流过该智能调控采气系统的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

④在抽采过程中，信号匹配器实时接收瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度及CO浓度，同时实时接收温度传感器检测的金属管体温度；若瓦斯综合测量仪监测的微型轴流式风机的气体温度T_A大于35℃或CO浓度C_CO大于24ppm、或者温度传感器检测金属管体的温度值T_B大于50℃时，信号匹配器发出报警信号给该智能调控采气系统对应的监控分站，监控分站接收到报警信号后，切断对电控阀门、微型轴流式风机、转速匹配器和转速调节器供电，此时微型轴流式风机停止工作及电控阀门关闭使内管封闭；然后监控分站将超过阈值的数据及该智能调控采气系统的编号以无线电发送给井下控制中心。

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