CN113310757A - 一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，包括以下步骤：(a)将示踪气体SF6释放装置布置在抽采管道的进风侧，连续稳定地释放SF6示踪气体，并记录释放量；(b)计算示踪气体达到均匀混合的最短距离x；(c)监测点布置及测量；监测点应布置在最短均匀混合距离以外，在达到一定的时间之后，可测出一个稳定浓度；(d)计算整个管道内的气体流量；(e)测定整个管道内的压差；(f)计算抽采管道风阻值；(g)计算监测点实时气体流量。本发明主要是通过SF6示踪气体法测量抽采管道内气体流量，计算抽采管道内风阻，再结合管道内的压差测量数据，实时对管道内的瓦斯抽采数据以及管道流量进行测量，操作简单，可明显减少示踪气体SF6的用量。

Description

一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下气体监测领域，具体地说是涉及一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法。
背景技术
在煤矿井下开采过程中，为了确保开采工作的顺利进行，需要采取有效措施来对煤层瓦斯涌出量进行控制。瓦斯抽采效果是通过瓦斯抽采管网监测系统来进行判断的，而判断的依据就是两个重要参数：管道流量和甲烷浓度，因此对这两个参数实现实时监测以及保证监测数据的准确性就显得尤为重要。
当前井下管道内甲烷浓度、管道流量等数据主要依靠人工测量的方法，但是人工测量存在以下问题：1.效率较低，浪费大量的人力和时间；2.数据实时性差；3.数据准确度不高，不能反映实时在线监测数据，很难给抽放技术人员提供可靠的数据。
目前，SF6示踪气体在煤矿井下监测漏风通道、判断漏风方向、确定漏风量方面得到应用。但并未有记载可将其用于气体流量测量方面，而且现有SF6示踪气体测定法多是需要持续几天不间断释放SF6示踪气体，长期使用SF6气体成本高且危害环境，同时会影响井下氧气浓度，严重时对井下工作人员的正常呼吸造成影响。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，包括以下步骤：
(a)将示踪气体SF6释放装置布置在抽采管道的进风侧，示踪气体SF6释放装置的布置位置记为释放点或布置点；待整个实验巷道布置完成，连续稳定地释放SF6示踪气体，并根据示踪气体SF6释放装置所配备流量计的读数确定释放速率，记为q(m3/min)；
(b)计算示踪气体达到均匀混合的最短距离x；
最短距离x按照以下公式进行计算：
Figure BDA0003093228230000011
Figure BDA0003093228230000012
Figure BDA0003093228230000013
式中：c(x，0)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道中心处示踪气体浓度；c(x，r)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道壁中心示踪气体的浓度；c0(x，r)为无边界条件影响，距离释放点距离为x，距离巷道断面中心(或者说紊流中心)为r处，巷道中示踪气体的浓度；x为距离释放点的距离，m；r为与巷道断面中心的距离，非正方形断面为当量半径，m；Dr为径向紊流系数；q为释放速率，与步骤(a)中的q是同一含义；n为积分的数值，u为巷道的风速，m/s；
通过计算所得到的最短均匀混合距离x,找出示踪气体达到最短均匀混合距离的点；
(c)监测点布置及测量；
监测点应布置在最短均匀混合距离以外，确定监测点位置，将装置调零，开始持续监测；因管道内气体浓度随时间变换，可得到浓度-时间曲线；因恒定持续释放该示踪气体SF6，在达到一定的时间之后，可测出一个稳定浓度C0；监测点流量用Q1(m3/min)表示；
(d)计算整个管道内的气体流量；
根据以下公式计算：
Figure BDA0003093228230000021
式中，q为示踪气体恒定释放的速率(与步骤(a)中的释放速率q是同一含义)；C0为稳定浓度时的测量值；
则：
Figure BDA0003093228230000022
代入所测得数据q和C0，计算得到监测点流量Q1；
(e)测定整个管道内的压差；
通过压差法，计算求得管道内释放点与监测点的压差H(Pa)；
(f)计算抽采管道风阻值；
根据步骤(d)所计算求得的气体流量Q1，以及步骤(e)中所计算求得的压差H，通过风阻计算公式：
Figure BDA0003093228230000023
计算求得风阻，风阻为管道固有属性，在抽采管道没有改变的情况下，风阻视为常数；
(g)计算监测点实时气体流量；
通过抽采管道的风阻值，以及实时测得的压差值，利用以下公式：
Figure BDA0003093228230000024
求得抽采管道内的实时气体流量Q(m3/min)，实现对抽采管道中气体流量的实时监测。
上述步骤(b)中：Dr取值为0.52。
上述步骤(c)中：恒定持续释放示踪气体10-20min后，能够在监测点测出稳定浓度。这样相比于持续几天的不间断释放示踪气体SF6，本发明方法可大大降低了SF6示踪气体的释放量，有效规避了长期使用SF6示踪气体所带来的危害。
上述步骤(c)中：所述监测点可间隔设置多个，如可设置2-3个。这样可进一步提升测量的准确率。
抽采管道长期使用后，可因煤粉等因素导致抽采管道风阻值变化，这样可根据需要重复本发明方法步骤，以重新确定风阻值，从而确保本发明对监测点流量的长期精准测定。
本发明方法是一种基于示踪气体法来对抽采管道中气体流量进行实时监测的判别方法，该方法主要是通过SF6示踪气体法测量抽采管道内气体流量，计算抽采管道内风阻，再结合管道内的压差测量数据，实时对管道内的瓦斯抽采数据以及管道流量进行测量。
本发明的有益技术效果详述如下：
1.本发明适用于煤矿领域预防瓦斯抽采过程中实时监测瓦斯抽采量。
2.在针对目前井下抽采管道过程中监测混合气体流量时遇到的实际困难：①人工测量效率较低，浪费大量的人力和时间；②数据实时性差；③数据准确度不高，不能反映实时在线监测数据。本发明基于示踪气体法对抽采管道中气体流量的判别方法在前期，不仅可以实现对于抽采管道内瓦斯气体的实时测量，还可以计算出抽采管道内的风阻，操作简单、重复性好、便于安装和拆卸。后期直接利用前期所测数据计算出抽采管道中气体流量，能规避对该示踪气体的长期使用而造成的环境问题，节约资源，提高经济效益。
具体说明如下：
1.技术性分析：本发明方法既有效地利用了示踪气体测量抽采管道内各种数据的可靠性，又规避了长期使用SF6示踪气体所带来的危害，适用性好。
2.时间、经济成本节约性能分析：本发明方法所需设备简洁轻便，操作简单，安装使用便利，节约人工成本，经济效益好。
3.环境友好性能分析：本发明方法减少了SF6气体的使用，节约资源，保护环境。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明中所采用示踪气体SF6释放装置的结构示意图。
图2为抽采管道中示踪气体SF6释放过程原理示意图。
图1中：1为SF6示踪气体钢瓶；2为一级减压阀；3为二级减压阀；4为节流阀；5为流量计；图2中：A点为示踪气体释放点，B点为达到最短均匀混合距离x的位置点；C点为示踪气体监测点；箭头表示风流方向。
具体实施方式
结合附图，一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，包括以下步骤：
(a)将示踪气体SF6释放装置布置在抽采管道的进风侧，示踪气体SF6释放装置的布置位置记为释放点A或布置点。示踪气体SF6释放装置的结构示意图如图1所示。该装置由SF6示踪气体钢瓶1、一级减压阀2、二级减压阀3、节流阀4及流量计5等组成。
如图2所示，待整个实验巷道布置完成，连续稳定地释放SF6示踪气体，并根据示踪气体SF6释放装置所配备流量计的读数确定释放速率，记为q(m3/min)。
(b)计算示踪气体达到均匀混合的最短距离x。为了精确测量抽采管道漏风，合理布置监测点，需确定示踪气体最短均匀混合距离。
最短距离x按照以下公式进行计算：
Figure BDA0003093228230000041
Figure BDA0003093228230000042
Figure BDA0003093228230000043
式中：c(x，0)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道中心处示踪气体浓度；c(x，r)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道壁中心示踪气体的浓度；c0(x，r)为无边界条件影响，距离释放点距离为x，距离巷道断面中心为r处，巷道中示踪气体的浓度；x为距离释放点的距离，m；r为与巷道断面中心的距离，非正方形断面为当量半径，m；Dr为径向紊流系数；q为释放速率；n为积分的数值，u为巷道的风速，m/s；
通过计算所得到的最短均匀混合距离x,找出示踪气体达到最短均匀混合距离的点B。
(c)监测点布置及测量。
监测点应布置在最短均匀混合距离以外，如图2所示，确定布置点C点为监测点，将装置调零，开始持续监测。因管道内气体浓度随时间变换，可得到浓度-时间曲线。因恒定持续释放该示踪气体SF6，在达到一定的时间之后(一般为10-20min)，可测出一个稳定浓度C0。监测点流量用Q1(m3/min)表示。
(d)计算整个管道内的气体流量。
根据以下公式计算：
Figure BDA0003093228230000044
式中，q为示踪气体恒定释放的速率(与步骤(a)中的释放速率q是同一含义)；C0为稳定浓度时的测量值。
则：
Figure BDA0003093228230000051
代入所测得数据q和C0，计算得到监测点流量Q1。
(e)测定整个管道内的压差。
通过压差法，采用压差仪等计算求得管道内释放点与监测点的压差H(Pa)。
(f)计算抽采管道风阻值。
根据步骤(d)所计算求得的气体流量Q1，以及步骤(e)中所计算求得的压差H，通过风阻计算公式：
Figure BDA0003093228230000052
计算求得风阻，风阻为管道固有属性，在抽采管道没有改变的情况下，风阻视为常数。
当然，长时间使用后，抽采管道的风阻值会因煤粉等因素导致变化，此时可通过上述步骤重新确定。
(g)计算监测点实时气体流量。
通过抽采管道的风阻值，以及实时测得的压差值，利用以下公式：
Figure BDA0003093228230000053
求得抽采管道内的实时气体流量Q(m3/min)，实现对抽采管道中气体流量的实时监测。
本发明方法主要是通过SF6示踪气体法测量抽采管道内气体流量，计算抽采管道内风阻，再结合管道内的压差测量数据，实时对管道内的瓦斯抽采数据以及管道流量进行测量，操作简单，安装使用方便，能规避对该示踪气体SF6的长期使用而造成的环境问题等，降低成本。
上述实施方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述实施方式，本领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将示踪气体SF6释放装置布置在抽采管道的进风侧，示踪气体SF6释放装置的布置位置记为释放点或布置点；待整个实验巷道布置完成，连续稳定地释放SF6示踪气体，并根据示踪气体SF6释放装置所配备流量计的读数确定释放速率，记为q(ml/min)；
(b)计算示踪气体达到均匀混合的最短距离x；
最短距离x按照以下公式进行计算：
Figure FDA0003093228220000011
Figure FDA0003093228220000012
Figure FDA0003093228220000013
式中：c(x，0)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道中心处示踪气体浓度；c(x，r)为距释放点m处，释放时间为t时，巷道壁中心示踪气体的浓度；c0(x，r)为无边界条件影响，距离释放点距离为x，距离巷道断面中心为r处，巷道中示踪气体的浓度；x为距离释放点的距离，m；r为与巷道断面中心的距离，非正方形断面为当量半径，m；Dr为径向紊流系数；q为释放速率；u为巷道的风速，m/s；
通过计算所得到的最短均匀混合距离x,找出示踪气体达到最短均匀混合距离的点；
(c)监测点布置及测量；
监测点应布置在最短均匀混合距离以外，确定监测点位置，将装置调零，开始持续监测；因管道内气体浓度随时间变换，可得到浓度-时间曲线；因恒定持续释放该示踪气体SF6，在达到一定的时间之后，可测出一个稳定浓度C0；监测点流量用Q1(m3/min)表示；
(d)计算整个管道内的气体流量；
根据以下公式计算：
Figure FDA0003093228220000014
式中，q为示踪气体恒定释放的速率；C0为稳定浓度时的测量值；
则：
Figure FDA0003093228220000015
代入所测得数据q和C0，计算得到监测点流量Q1；
(e)测定整个管道内的压差；
通过压差法，计算求得管道内释放点与监测点的压差H(Pa)；
(f)计算抽采管道风阻值；
根据步骤(d)所计算求得的气体流量Q1，以及步骤(e)中所计算求得的压差H，通过风阻计算公式：
Figure FDA0003093228220000021
计算求得风阻，风阻为管道固有属性，在抽采管道没有改变的情况下，风阻视为常数；
(g)计算监测点实时气体流量；
通过抽采管道的风阻值，以及实时测得的压差值，利用以下公式：
Figure FDA0003093228220000022
求得抽采管道内的实时气体流量Q(m3/min)，实现对抽采管道中气体流量的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，其特征在于，步骤(b)中：Dr取值为0.52。
3.根据权利要求1所述的一种基于示踪气体对抽采管道中气体流量的判别方法，其特征在于，步骤(c)中：恒定持续释放示踪气体10-20min后，能够在监测点测出稳定浓度。
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