CN112943180B - 模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统与方法，抽采主管路尾部并排安装多支抽采支管，在抽采支管上安装手动阀门和综合测量仪Ⅱ，在抽采支管的尾部连接三通，三通的一端与单向阀相连，另一端与气源容器相连，气源容器和三通连通的管路上安装电控阀门Ⅱ；输气管路的一端与气源容器相连，另一端与电控阀门Ⅲ的一端相连，电控阀门Ⅲ的另一端与气体罐相连，变频器与抽采泵连接，变频器、综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ均与监控中心相连，本发明能够模拟现场煤层瓦斯抽采系统，研究井下抽采管网不同抽采区域或煤层的瓦斯抽采规律，为真实煤层参数特征下瓦斯抽采参数的有效调控策略提供了模拟平台化。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下采气管网系统，具体是一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统与方法，属于煤层气、煤矿瓦斯开发技术领域。
背景技术
瓦斯抽采是煤矿治理瓦斯的治本之策。煤矿瓦斯抽采浓度普遍偏低，90％的煤层瓦斯抽采浓度低于10％，低浓度瓦斯抽采还伴生煤自燃和瓦斯燃爆风险，是制约矿井安全生产的主要问题。开展瓦斯抽采管网气体的流动规律研究可以有效的指导煤矿瓦斯抽采设计和及时预警管网抽采运行中的风险，为煤矿管网安全高效抽采提供依据。大量的实验系统开展了关于钻孔漏气、钻孔间距、应力环境、渗流-温度-应力耦合物理场、注气驱替瓦斯等方面的研究，中国发明专利2018年1月5日公开的一种公开号为CN107542486A的“钻孔瓦斯抽采实验室模拟系统及方法”，其研究了钻孔壁裂隙漏气对钻孔瓦斯抽采的影响情况；中国发明专利2020年1月17日公开的一种公开号为CN110700794A的“一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统”，其研究了煤层分支井的瓦斯抽采过程、煤储层的渗流-温度-应力耦合物理场变化规律；中国发明专利2015年3月11日公开的一种公开号为CN104407111A的“一种注气驱替煤层瓦斯物理相似模拟方法”，其研究不同种类注入气体、注气压力、注气流量对注气驱替瓦斯效果的影响；然而这些实验系统主要是针对单一煤层钻孔或局部钻孔开展的研究，模拟范围较小，没有做到对整个抽采管网系统的模拟研究，研究结果很难匹配实际矿井瓦斯抽采管网的流动规律，应用于实际工程指导受到很大限制。
随着近些年瓦斯抽采存在浓度低、人工调控难的问题，智能化成为了瓦斯抽采系统的发展趋势，中国发明专利2018年1月16日公开的一种公开号为CN105065057B的“一种矿井瓦斯抽采参数自动调控系统及方法”的现场调控装置，其原理是通过自动调节抽采泵的方式改变抽采泵运行状态参数，达到有效监测管道瓦斯抽采参数，自动调节抽采泵工作状态的效果；中国发明专利2018年11月20日公开的一种公开号为CN108843574A的“一种智能化煤矿瓦斯抽采泵站及其工作方法”，其提供了一种智能化煤矿瓦斯抽采泵站及其工作方法，运行连续可靠，能自动监测管道中和泵站周围环境中的参数变量，最终实现无人值守，但如何对现场参数进行控制，实现其提前模拟，现在还没有可靠的手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统与方法，该系统结构简单、操作方便，能够模拟现场煤层瓦斯抽采系统，模拟整个矿井井下抽采管网不同抽采区域或煤层的瓦斯抽采状况，实现最大瓦斯纯流量、最大瓦斯浓度，使得瓦斯抽采效率最大化。
为了实现上述目的，本发明提供一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统，包括抽采泵、抽采主管路，抽采泵与抽采主管路的一端连接，电控阀门Ⅰ和综合测量仪Ⅰ依次安装在抽采主管路上，在抽采主管路另一端的左右两侧并排安装多支抽采支管，并且在每个抽采支管上依次安装手动阀门和综合测量仪Ⅱ，在抽采支管的尾部连接三通，三通的一端与单向阀相连，另一端与气源容器相连，气源容器和三通连通的管路上安装电控阀门Ⅱ；输气管路的一端与气源容器相连，另一端与电控阀门Ⅲ的一端相连，电控阀门Ⅲ的另一端与盛放瓦斯的气体罐相连，变频器与抽采泵连接，用来控制抽采泵的抽采转速，变频器、综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ均通过连接线与监控中心相连。
本发明的气体由瓦斯和空气两部分组成，其中瓦斯流量可以根据现场实际情况按照指数函数Q(t)＝Q0*exp(-β*t)的递减规律进行供给，其中，Q为瓦斯流量、t为时间、Q0为初始时刻的瓦斯流量、β为流量衰减系数；由于电控阀门Ⅱ与气源容器相连，本发明通过调节电控阀门Ⅱ的开度，能够自动的控制瓦斯流量，实现实际煤层瓦斯抽采流量指数衰减的模拟；空气进气量与封孔质量有关，通过漏气孔进行控制，通过调节每一个单向阀的开度来模拟抽采过程中不同钻孔的漏气程度；通过调节每一个电控阀门Ⅱ的开度衰减系数来模拟不同渗透系数的煤层的抽采状况；通过调节每个手动阀门Ⅰ的开度，达到模拟调控管网支路阻力的效果。
为了保证抽采泵在工作过程中，不会因材料形变而干扰实验，本发明的抽采主管路和输气管路均采用的是钢管材质。
为了达到拆卸方便，便于组装的目的，本发明的抽采泵与抽采主管路之间选用螺纹或法兰连接，抽采主管路与抽采支管之间选用螺纹或法兰连接，三通与单向阀、气源容器之间采用螺纹或法兰连接，气源容器与输气管路之间选用螺纹或法兰连接，电控阀门Ⅲ与气体罐之间采用螺纹或法兰连接，为了保证实验气密性，在上述螺纹或法兰连接处设有橡胶垫片。
一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统方法，包括以下步骤：
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ、手动阀门、电控阀门Ⅱ处于全开的状态，电控阀门Ⅲ处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、抽采泵的电源；
②打开电控阀门Ⅲ，使气体罐中的气体与设备联通，启动抽采泵；
③控制电控阀门Ⅱ的阀门开度，使流量满足指数函数递减规律；
④待综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ的示数稳定之后，监控中心将监测瓦斯抽采过程中流过综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ气体的流量、压力、浓度变化数据，并将数据拟合成曲线上传至监控中心进行存储记录；
⑤分多次调控所需研究对象，可以得到一系列关于此试验下的气体流量、压力、浓度随着时间变化的数据曲线，将每个曲线和相应的阀门开度对应存储记录；
⑥依据不同的研究需求，改变研究对象，重复上述操作，继续对瓦斯进行抽采，将监测的数据进行存储；
⑦关闭抽采泵，然后令电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ的电源；将所有手动阀门开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
⑩监控中心将按照采集到的信息与所设定的信息对比，搜索出最佳工作点，并在工作中自动调控至该点。
本发明针对不同煤层对象的瓦斯效果模拟，包括以下步骤：
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ、手动阀门、电控阀门Ⅱ处于全开的状态，电控阀门Ⅲ处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、抽采泵的电源；
②打开电控阀门Ⅲ，使瓦斯气体罐中的气体与设备联通；启动抽采泵；
③控制电控阀门Ⅱ的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，令电控阀门Ⅱ的阀门开度自动变化满足瓦斯流量Q(t)＝Q0*exp(-β*t)；其中，Q为瓦斯流量、t为时间、Q0为初始时刻的瓦斯流量、β为流量衰减系数；设定一最小流量值，当瓦斯流量到达最小流量值时停止实验，令开始实验时刻为0，结束实验时刻为ti；以(0,ti)时间段为一个抽采周期；
④待综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ每隔若干秒记录一次数据，将瓦斯抽采过程的气体流量、气体压力、瓦斯浓度随着时间变化的数据拟合成曲线上传至监控中心进行存储记录；
⑤令流量衰减系数β变化，可以模拟不同煤层渗透系数下瓦斯抽采效果，重复步骤③④，记录对应的结束实验时刻为t1、t2、t3、……、tn；
⑥将综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ监测到的各个钻孔负压值、混合气体流量、瓦斯气体浓度随时间变化数据上传至监控中心，可以得到不同流量衰减系数β下，瓦斯抽采以时间(0,ti)为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑦关闭抽采泵，然后令电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ的电源；将所有手动阀门开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
本发明针对钻孔漏气对瓦斯抽采效果的影响模拟，包括以下步骤：
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ、手动阀门、电控阀门Ⅱ处于全开的状态，电控阀门Ⅲ处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、抽采泵的电源；
②打开电控阀门Ⅲ，使瓦斯气体罐中的气体与设备联通；启动抽采泵；
③控制电控阀门Ⅱ的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个单向阀的开度，达到模拟控制钻孔漏气程度的效果；
④待综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ每隔若干秒记录一次数据，通过综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ监测到的各项数据可以得到数组不同单向阀的开度下，瓦斯抽采以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑤关闭抽采泵，然后令电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ的电源；将所有手动阀门开度调至最大；
⑥将综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ；
⑦做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
本发明针对抽采管路能量损失对抽采效果的影响模拟，包括以下步骤：
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ、手动阀门、电控阀门Ⅱ处于全开的状态，电控阀门Ⅲ处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ、抽采泵的电源；
②打开电控阀门Ⅲ，使瓦斯气体罐中的气体与设备联通；启动抽采泵；
③控制电控阀门Ⅱ的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个手动阀门Ⅰ的开度，可以达到模拟调控管网支路阻力的效果；
④待综合测量仪Ⅰ、综合测量仪Ⅱ的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ每隔若干秒记录一次数据，通过综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ监测到的各项数据可以得到数组不同手动阀门的开度下，以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑤关闭抽采泵，然后令电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ、电控阀门Ⅱ、电控阀门Ⅲ的电源；将所有手动阀门的开度调至最大；
⑥将综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ和综合测量仪Ⅱ；
⑦做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
与现有技术相比，本发明的抽采泵与抽采主管路连接，并在抽采主管路上安装电控阀门Ⅰ和综合测量仪Ⅰ，在抽采主管路尾部左右两侧并排安装多支抽采支管，在每个抽采支管上依次安装手动阀门和综合测量仪Ⅱ，在抽采支管的尾部连接三通，三通的一端与单向阀相连，另一端与气源容器相连，气源容器和三通连通的管路上安装电控阀门Ⅱ；输气管路的一端与气源容器相连，另一端与电控阀门Ⅲ的一端相连，电控阀门Ⅲ的另一端与气体罐相连，通过本发明的上述实验系统，本发明能够自动控制阀门开度和抽采泵的转速，并在线监测管路气体流量、瓦斯浓度、气体压力等数据，能够模拟不同煤层对象的瓦斯抽采效果，模拟钻孔漏气对瓦斯抽采效果的影响，模拟抽采动力变动对整个抽采系统的影响，模拟抽采管路能量损失对抽采效果的影响，模拟真实钻孔群之间竞争关系以及内在的协调机理，为煤矿现场瓦斯抽采管网优化和智能调控提供科学的理论指导，并调控瓦斯抽采过程中的各项参数使得瓦斯抽采效率最大化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、抽采泵，2、变频器，3、抽采主管路，4、电控阀门Ⅰ，5、综合测量仪Ⅰ，6、抽采支管，7、手动阀门，8、综合测量仪Ⅱ，9、三通，10、单向阀，11、气源容器，12、电控阀门Ⅱ，13、输气管路，14、电控阀门Ⅲ，15、气体罐，16、监控中心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统，包括抽采泵1、抽采主管路3，抽采泵1与抽采主管路3的一端连接，电控阀门Ⅰ4和综合测量仪Ⅰ5依次安装在抽采主管路3上，在抽采主管路3另一端的左右两侧并排安装多支抽采支管6，并且在每个抽采支管6上依次安装手动阀门7和综合测量仪Ⅱ8，在抽采支管6的尾部连接三通9，三通9的一端与单向阀10相连，另一端与气源容器11相连，气源容器11和三通9连通的管路上安装电控阀门Ⅱ12；输气管路13的一端与气源容器11相连，另一端与电控阀门Ⅲ14的一端相连，电控阀门Ⅲ14的另一端与盛放瓦斯的气体罐15相连，变频器2与抽采泵1连接，通过控制变频器2的频率来控制可变频式抽采泵1的转速，进而控制抽采区供给的负压，变频器2、综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8、电控阀门Ⅰ4、电控阀门Ⅱ12、电控阀门Ⅲ14均通过连接线与监控中心16相连，电控阀门Ⅰ4的开度可控，并将电控阀门Ⅰ4的开度信号传到监控中心16；电控阀门Ⅱ12的流量可控，并将流量信号传到监控中心；综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8可以同时监测气体流量、压力以及瓦斯的浓度数据；抽采主管路3和输气管路13采用的是钢管；抽采泵1与抽采主管路3之间通过螺纹或法兰连接，抽采主管路3与抽采支管6之间通过螺纹或法兰连接，三通9与单向阀10、气源容器11之间采用螺纹或法兰连接，气源容器11与输气管路13之间通过螺纹或法兰连接，电控阀门Ⅲ14与气体罐15之间采用螺纹或法兰连接，并在上述螺纹或法兰连接处设有橡胶垫片。
气体由瓦斯和空气两部分组成，三通9的一个进口连接气源容器11，瓦斯作为此进口的气体源，而三通9的另一个进气口进入的是空气，通过调控电控阀门Ⅱ12的开度来控制钻孔抽采瓦斯初始进气量；通过单向阀10的开度来控制进入的空气量，其中瓦斯流量可以根据现场实际情况按照指数函数——Q(t)＝Q0*exp(-β*t)递减的规律进行供给，电控阀门Ⅱ12与气源容器11相连，能够自动的控制气体流量，实现实际煤层抽采流量指数衰减的规律；而空气进气量与封孔质量有关，可以通过漏气孔进行控制，通过调节每一个单向阀10的开度来模拟抽采过程中不同钻孔的漏气程度；通过调节每一个电控阀门Ⅱ12的开度衰减系数来模拟不同渗透系数的煤层的抽采状况；通过不同程度的阀门调节来达到模拟井下真实抽采效果。
一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验方法，包括以下步骤：
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ4、手动阀门7、电控阀门Ⅱ12处于全开的状态，电控阀门Ⅲ14处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8、抽采泵1的电源；
②打开电控阀门Ⅲ14，使气体罐15中的气体与设备联通，启动抽采泵1；
③控制电控阀门Ⅱ12的阀门开度，使流量满足指数函数递减规律；
④待综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8的示数稳定之后，监控中心16将监测瓦斯抽采过程中流过综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8气体的流量、压力、浓度变化数据，并将数据拟合成曲线上传至监控中心16进行存储记录；
⑤分多次调控所需研究对象，可以得到一系列关于此试验下的气体流量、压力、浓度随着时间变化的数据曲线，将每个曲线和相应的阀门开度相对应并存储记录；
⑥依据不同的研究需求，改变研究对象，重复上述操作，继续对瓦斯进行抽采，将监测的数据进行存储；
⑦关闭抽采泵1，然后令电控阀门Ⅰ4、电控阀门Ⅱ12、电控阀门Ⅲ14开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ4、电控阀门Ⅱ12、电控阀门Ⅲ14的电源；将所有手动阀门7开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心；
⑩监控中心将按照采集到的信息与所设定的信息对比，搜索出最佳工作点，并在工作中自动调控相关部分使工作点为该点。
利用本发明的实验系统可以对一系列的瓦斯抽采工程实际问题进行分析研究，下面将分为两部分列举几个具体实验的操作过程：
第一部分：瓦斯抽采规律模拟
实施例一：不同煤层对象的瓦斯抽采效果模拟
①将设备按上述方式连接好，令电控阀门Ⅰ4、手动阀门7、电控阀门Ⅱ12处于全开的状态，电控阀门Ⅲ14处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8、抽采泵1的电源；
②打开电控阀门Ⅲ14，使瓦斯气体罐15中的气体与设备联通；启动抽采泵1；
③控制电控阀门Ⅱ12的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，令电控阀门Ⅱ12的阀门开度自动变化满足瓦斯流量Q(t)＝Q0*exp(-β*t)；其中，Q为瓦斯流量、t为时间、Q0为初始时刻的瓦斯流量、β为流量衰减系数；设定一最小流量值，当瓦斯流量到达最小流量值时停止实验，令开始实验时刻为0，结束实验时刻为ti；以(0,ti)时间段为一个抽采周期；
④待综合测量仪Ⅰ5、综合测量仪Ⅱ8的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8每隔若干秒记录一次数据，将瓦斯抽采过程的气体流量、气体压力、瓦斯浓度随着时间变化的数据拟合成曲线上传至监控中心16进行存储记录；
⑤令流量衰减系数β变化，可以模拟不同煤层渗透系数下瓦斯抽采效果，重复步骤③④，记录对应的结束实验时刻为t1、t2、t3、……、tn；
⑥将综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8监测到的各个钻孔负压值、混合气体流量、瓦斯气体浓度随时间变化数据上传至监控中心16，可以得到不同流量衰减系数β(反应煤层渗透系数和吸附解吸特性等)下，瓦斯抽采以时间(0,ti)为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑦关闭抽采泵1，然后令电控阀门Ⅰ4、电控阀门Ⅱ12、电控阀门Ⅲ14开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ4、电控阀门Ⅱ12、电控阀门Ⅲ14的电源；将所有手动阀门7开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心，在针对不同煤层对象的瓦斯抽采效果模拟实验中，单向阀10的开度可以随意调节满足不同工况实际漏气程度的模拟。
通过对此一系列曲线进行分析，可以定量研究不同的煤层渗透特征对抽采效果的影响。
若每次实验仍控制电控阀门Ⅱ12使流量满足指数衰减规律，但只控制其中一个电控阀门的流量衰减系数变化，其它电控阀门的流量衰减系数恒定，可以达到调节某一个钻孔渗透系数的效果；模拟各钻孔在不同渗透系数下抽采瓦斯时钻孔群之间的竞争与协调机理。
实施例二：钻孔漏气对瓦斯抽采效果的影响模拟
与实施例一类似，每次实验仍控制电控阀门Ⅱ12使流量满足指数衰减规律，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个单向阀10的开度，可以达到模拟控制钻孔漏气程度的效果，通过综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8监测到的各项数据可以得到数组不同单向阀10的开度(钻孔漏气程度)下，瓦斯抽采以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线。
通过对此一系列曲线进行分析，可以定量研究钻孔的不同漏气程度对抽采效果的影响。
若每次实验变化某个单向阀的开度，控制其它单向阀开度不变，可以达到调节某一个钻孔漏气量的效果，模拟各个钻孔的漏气量不同时钻孔群之间相互影响。
实施例三：抽采管路能量损失对抽采效果的影响模拟
与实施例一类似，每次实验仍控制电控阀门Ⅱ12使流量满足指数衰减规律，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个手动阀门Ⅰ7的开度，可以达到模拟调控管网支路阻力的效果，通过综合测量仪Ⅰ5和综合测量仪Ⅱ8监测到的各项数据可以得到数组不同手动阀门7的开度(管路阻力)下，以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线。
通过对比这几组曲线之间两个不同测量仪处的示数差异，可以研究支路阻力的大小对抽采效果的影响。
若每次实验变化某个手动阀门的开度，控制其它手动阀门开度不变，可以达到模拟调控某一个支管的管网阻力的效果，模拟并联管网阻力变化对其它管路的影响；在针对抽采管路能量损失对抽采效果的影响模拟实验中，单向阀10的开度可以随意调节满足不同工况实际漏气程度的模拟。
对以上所有实验结果进行综合分析：
根据上述曲线数据，可以得到一系列某一煤层渗透系数、管网阻力、钻孔漏气性下气体压力P、气体流量
和瓦斯浓度C随着时间t变化的函数关系式
通过此关系式：
分析气体流量
瓦斯浓度C和时间t三者之间的关系，可以直观显示出每个区域渗流进入的空气量和瓦斯气体流量随时间的变化情况，以及抽采泵1提供的输运瓦斯气体和其他气体所占的能量比例随着时间的变化；分析气体压力P和时间t二者之间的关系，可以得出抽采过程中管路损耗能量随时间的变化情况；分析对比不同位置之间的气体压力P的大小可以计算出各个区域等效的阻力值。
第二部分：模拟实际现场抽采的多级调控，实现实际煤层的最优化抽采调控策略，具体步骤为：
①首先实地测量待研究煤矿的煤层渗透系数、设备的封孔质量、抽采管路内部的结构；按照实地测量的情况，确定电控阀门Ⅱ12的变化规律(模拟实际煤层渗透系数)、各个单向阀10的开度(模拟设备的封孔质量)、各个手动阀门Ⅰ7的开度(模拟抽采管路内部的结构)；以上三个参数在以下实验中始终保持不变；
②令变频器2的频率为100％；
③设定电控阀门Ⅰ4的最小开度值K0，电控阀门Ⅰ4的开度从最大开度100％到最小开度K0的范围内，每次实验关闭10％，令综合测量仪Ⅰ5每隔若干秒记录一次数据，将数据按时间分组，将综合测量仪Ⅰ5监测到的相同时刻的气体压力、气体流量、瓦斯浓度参数随电控阀门Ⅰ4开度的变化拟合成一条曲线，其中横坐标为阀门开度，将此若干曲线上传至监控中心16；
④设定变频器的最小频率值，将变频器2的频率从最大频率100％到最小频率范围内，每次实验递减10％，在每个不同的频率下重复步骤③；
以上为数据采集部分步骤，下述为检索最佳频率和开度的操作部分：
⑤监控中心16分析各个拟合曲线，将其分为3种情况
A若该曲线中瓦斯最大浓度Max(C瓦斯)>30％时，选取该曲线中瓦斯纯流量最大值时所对应的开度；确定该开度为当前时刻、频率下电控阀门Ⅰ4的最佳开度；
B若该曲线中瓦斯最大浓度16％<Max(C瓦斯)<30％时，选取该曲线中瓦斯最大浓度Max(C瓦斯)所对应的开度；确定该开度为当前时刻、频率下电控阀门Ⅰ4的最佳开度；
C若该曲线中瓦斯最大浓度Max(C瓦斯)<16％时，系统自动预警；
⑥实际工作时监控中心按照：时刻-频率-开度的顺序依次进行检索，首先将第一个时刻的数据提取出来，然后将此时刻下100％频率下的气体压力、气体流量、瓦斯浓度参数随电控阀门开度的变化的曲线提取出来，重复步骤⑤。这样便得出了第一个时刻下的100％开度下应取的阀门开度，作为工况点储存；
⑦重复步骤⑥，时刻不变，逐步改变检索频率，直至将第一个时刻下的每个频率下的工况点检索出来，将这些工况点的数据相比较，可以选出第一个时刻下的最佳工况点，记录下此工作点的频率和阀门开度；
⑧重复步骤⑦，选出第二个、第三个、……、第n个时刻下的最佳工况点；
⑨根据以上的最佳工况点数据，在实际工作中按时刻自动实时调控变频器频率与阀门开度至该最佳工况点，确保在瓦斯抽采的整个时间段里每个时刻都处于最佳工作状态。
本发明可以用于研究不同的抽采工况(不同煤层状况、封孔质量、抽采系统阻力等)运行的整个瓦斯抽采周期中的最佳工况点，实时调控使瓦斯抽采处于最佳的抽采动力、阀门开度下，实现最大瓦斯纯流量，最大瓦斯浓度等达到抽采效率最大化，为瓦斯抽采参数智能调控提供控制策略。
Claims (7)
1.一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统，包括抽采泵(1)、抽采主管路(3)，抽采泵(1)与抽采主管路(3)的一端连接，其特征在于，电控阀门Ⅰ(4)和综合测量仪Ⅰ(5)依次安装在抽采主管路(3)上，在抽采主管路(3)另一端的左右两侧并排安装多支抽采支管(6)，并且在每个抽采支管(6)上依次安装手动阀门(7)和综合测量仪Ⅱ(8)，在抽采支管(6)的尾部连接三通(9)，三通(9)的一端与单向阀(10)相连，另一端与气源容器(11)相连，气源容器(11)和三通(9)连通的管路上安装电控阀门Ⅱ(12)；输气管路(13)的一端与气源容器(11)相连，另一端与电控阀门Ⅲ(14)的一端相连，电控阀门Ⅲ(14)的另一端与盛放瓦斯的气体罐(15)相连，变频器(2)与抽采泵(1)连接，用来控制抽采泵(1)的抽采转速，变频器(2)、综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)、电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)均通过连接线与监控中心(16)相连；气体由瓦斯和空气两部分组成，其中瓦斯流量根据现场实际情况按照指数函数递减Q(t)＝Q0*exp(-β*t)的规律进行供给，其中，Q为瓦斯流量、t为时间、Q0为初始时刻的瓦斯流量、β为流量衰减系数；通过调节每一个单向阀(10)的开度来模拟抽采过程中不同钻孔的漏气程度；通过调节每一个电控阀门Ⅱ(12)的开度衰减系数来模拟不同渗透系数的煤层的抽采状况；通过调节每个手动阀门 (7)的开度，达到模拟调控管网支路阻力的效果。
2.根据权利要求1所述的一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统，其特征在于，抽采主管路(3)和输气管路(13)采用的是钢管。
3.根据权利要求1所述的一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统，其特征在于，抽采泵(1)与抽采主管路(3)之间通过螺纹或法兰连接，抽采主管路(3)与抽采支管(6)之间通过螺纹或法兰连接，三通(9)与单向阀(10)、气源容器(11)之间采用螺纹或法兰连接，气源容器(11)与输气管路(13)之间通过螺纹或法兰连接，电控阀门Ⅲ(14)与气体罐(15)之间采用螺纹或法兰连接，在上述螺纹或法兰连接处设有橡胶垫片。
4.一种基于权利要求1-3任一项模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①连接好所述模拟瓦斯抽采系统气体流动级参数调控的实验系统，令电控阀门Ⅰ(4)、手动阀门(7)、电控阀门Ⅱ(12)处于全开的状态，电控阀门Ⅲ(14)处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)、抽采泵(1)的电源；
②打开电控阀门Ⅲ(14)，使气体罐(15)中的气体与设备联通，启动抽采泵(1)；
③控制电控阀门Ⅱ(12)的阀门开度，使流量满足指数函数递减规律；
④待综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)的示数稳定之后，监控中心(16)将监测瓦斯抽采过程中流过综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)气体的流量、压力、浓度变化数据，并将数据拟合成曲线上传至监控中心(16)进行存储记录；
⑤分多次调控所需研究对象，得到一系列关于此实验下的气体流量、压力、浓度随着时间变化的数据曲线，将每个曲线和相应的阀门开度对应存储记录；
⑥依据不同的研究需求，改变研究对象，重复上述操作，继续对瓦斯进行抽采，将监测的数据进行存储；
⑦关闭抽采泵(1)，然后令电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)的电源；将所有手动阀门(7)开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心(16)；
⑩监控中心(16)将按照采集到的信息与所设定的信息对比，搜索出最佳工作点，并在工作中自动调控至该最佳工作点。
5.如权利要求4所述的一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统的方法，其特征在于，针对不同煤层对象的瓦斯效果模拟，包括以下步骤：
①连接好所述模拟瓦斯抽采系统气体流动级参数调控的实验系统，令电控阀门Ⅰ(4)、手动阀门(7)、电控阀门Ⅱ(12)处于全开的状态，电控阀门Ⅲ(14)处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)、抽采泵(1)的电源；
②打开电控阀门Ⅲ(14)，使瓦斯气体罐(15)中的气体与设备联通；启动抽采泵(1)；
③控制电控阀门Ⅱ(12)的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，令电控阀门Ⅱ(12)的阀门开度自动变化满足瓦斯流量Q(t)＝Q0*exp(-β*t)；其中，Q为瓦斯流量、t为时间、Q0为初始时刻的瓦斯流量、β为流量衰减系数；设定一最小流量值，当瓦斯流量到达最小流量值时停止实验，令开始实验时刻为0，结束实验时刻为ti；以(0,ti)时间段为一个抽采周期；
④待综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)每隔若干秒记录一次数据，将瓦斯抽采过程的气体流量、气体压力、瓦斯浓度随着时间变化的数据拟合成曲线上传至监控中心(16)进行存储记录；
⑤令流量衰减系数β变化，可以模拟不同煤层渗透系数下瓦斯抽采效果，重复步骤③④，记录对应的结束实验时刻为t1、t2、t3、……、tn；
⑥将综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)监测到的各个钻孔负压值、混合气体流量、瓦斯气体浓度随时间变化数据上传至监控中心(16)，得到不同流量衰减系数β下，瓦斯抽采以时间(0,ti)为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑦关闭抽采泵(1)，然后令电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)的电源；将所有手动阀门(7)的开度调至最大；
⑧将综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)；
⑨做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
6.如权利要求4所述的一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统的方法，其特征在于，针对钻孔漏气对瓦斯抽采效果的影响模拟，包括以下步骤：
①连接好所述模拟瓦斯抽采系统气体流动级参数调控的实验系统，令电控阀门Ⅰ(4)、手动阀门(7)、电控阀门Ⅱ(12)处于全开的状态，电控阀门Ⅲ(14)处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)、抽采泵(1)的电源；
②打开电控阀门Ⅲ(14)，使瓦斯气体罐(15)中的气体与设备联通；启动抽采泵(1)；
③控制电控阀门Ⅱ(12)的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个单向阀(10)的开度，达到模拟控制钻孔漏气程度的效果；
④待综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)每隔若干秒记录一次数据，通过综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)监测到的各项数据可以得到数组不同单向阀(10)的开度下，瓦斯抽采以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑤关闭抽采泵(1)，然后令电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14) 开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)的电源；将所有手动阀门(7)的开度调至最大；
⑥将综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)；
⑦做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
7.如权利要求4所述的一种模拟瓦斯抽采系统气体流动及参数调控的实验系统的方法，其特征在于，针对抽采管路能量损失对抽采效果的影响模拟，包括以下步骤：
①连接好所述模拟瓦斯抽采系统气体流动级参数调控的实验系统，令电控阀门Ⅰ(4)、手动阀门(7)、电控阀门Ⅱ(12)处于全开的状态，电控阀门Ⅲ(14)处于关闭状态，接通综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)、抽采泵(1)的电源；
②打开电控阀门Ⅲ(14)，使瓦斯气体罐(15)中的气体与设备联通；启动抽采泵(1)；
③控制电控阀门Ⅱ(12)的阀门开度随着抽采时间呈指数衰减，取流量衰减系数恒定，设定一最小开度值，从最大开度100％到最小开度范围内，每次实验依次变化每个手动阀门(7)的开度，可以达到模拟调控管网支路阻力的效果；
④待综合测量仪Ⅰ(5)、综合测量仪Ⅱ(8)的示数稳定之后，综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)每隔若干秒记录一次数据，通过综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)监测到的各项数据可以得到数组不同手动阀门(7)的开度下，以时间为横坐标，气体压力、气体流量、瓦斯浓度为纵坐标的拟合曲线；
⑤关闭抽采泵1，然后令电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)开度开到最大，关闭电控阀门Ⅰ(4)、电控阀门Ⅱ(12)、电控阀门Ⅲ(14)的电源；将所有手动阀门(7)的开度调至最大；
⑥将综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)的流量、压力、浓度参数设置为零，关闭综合测量仪Ⅰ(5)和综合测量仪Ⅱ(8)；
⑦做完上述实验之后，将数据汇总，将以上采集到的瓦斯浓度、气体流量、气体压力的信息上传至监控中心。
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