CN114575914B - 一种用于井下防灭火的注氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于井下防灭火的注氮方法，一种用于井下防灭火的注氮方法，具体按照如下步骤进行：步骤1：在井下工作间内搭建注氮系统；注氮系统包括气体传感器和注氮管道；井下工作间还配置有工控机、IO模拟块、继电器以及电磁阀；步骤2：检查管道；步骤3：手动开启手动阀门，工控机控制进行注氮；步骤4、实时判定是否存在采空区氮气溢出情况；步骤5、实时调控注氮量与工作面的气体浓度；步骤6、通过工控机停止向采空区注氮；步骤7、工控机统计注氮时段中注氮量大小并生成和保存报表。本发明可提高井下注氮系统调节的安全性，降低井下人员安全隐患，在一定程度上实现了注氮的安全与自动化程度较高的控制效果。
Description
技术领域
本发明属于煤矿采空区防灭火控制技术领域，具体涉及一种用于井下防灭火的注氮方法。
背景技术
在当前，井下采空区注氮是井下火灾预防的一种重要途径，采空区火灾的高效预防对矿井安全、正常开采至关重要。在规定注氮时段，井下人员向采空区进行注氮的过程中，采空区具有一定的未知性，无法实时将采空区状态与注氮量大小进行相互关联，并且存在工作面氮气泄漏的危害，从而威胁到井下人员工作安全。这使得自动调控注氮速率成为不可避免的问题，如何关联采空区与工作面注氮时刻相关表征气体变化情况，分析气体变化对井下人员安全的影响，从而实时调节注氮速率、降低井下人员安全隐患、保障井下开采的稳定运行。
现有技术中，井下注氮实时判定主要依靠人员经验与便携传感器的方式，判断工作面氧气浓度是否低于18％，对上隅角CO浓度影响变化趋势，这种方式主要依靠员工经验，上手困难、潜在风险大；随着信号处理技术的发展，以气体传感器为监测信号输入，以综合插值算法与注氮状态判别计算为信号处理方法，以注氮速率调节为反馈手段，成本较低、能够高效为注氮系统提供可靠的判断依据。但是针对现有技术，单一安装传感器的方式，仍然无法第一时间发现泄漏位置，对潜在的泄漏位置没有及时管控，不能调节注氮系统注氮的速率等方面需要改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于井下防灭火的注氮方法，解决了现有技术中存在的安全保障与自动化的程度不高、以及对采空区注氮系统进行动态注氮量调控的有效性有待进一步提高和优化的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种用于井下防灭火的注氮方法，具体按照如下步骤进行：
步骤1：在井下工作间内搭建一种用于井下防灭火的注氮系统；
井下工作间包括煤壁和采空区，围绕所述煤壁形成有用于作业人员流动的进风巷、工作面以及出风巷；
注氮系统包括气体传感器和注氮管道；气体传感器多个液压支架之间，多个液压支架设置于采空区靠近工作通道的侧壁，注氮管道设置于进风巷，注氮管道沿采空区的方向依次设置有手动开关阀，减压阀，比例流量调节阀以及气体流量计，注氮管道延伸至采空区；
井下工作间还配置有工控机、IO模拟块、继电器以及电磁阀；位于井上的控制室通过环网与工控机连接，及时处理井下信息；IO模块与工控机通过以太网连接，继电器通过电线与工控机连接，气体传感器通过485信号线与工控机连接；继电器、IO模块通过直流电源与比例流量调节阀串联，以便用于控制比例流量调节阀的开关；
步骤2：开始注氮前，作业人员检查注氮管道是否存在泄漏的情况，若注氮管道存在管道泄漏的情况，则关闭泄漏点附近前后手动阀门的开关；反之若不存在管道泄漏情况，则进行步骤3；
步骤3：手动开启手动阀门，随后工控机控制IO模块、继电器开启比例流量调节阀向采空区进行注氮；
步骤4、利用工作面架间气体数据补充算法，实时判定是否存在采空区氮气溢出情况；
步骤5、利用井下采空区自动注氮调控算法，实时调控注氮量与工作面的气体浓度情况；
步骤6、注氮时段结束，通过工控机控制IO模块、继电器，最终控制电磁阀停止向采空区注氮；
步骤7、工控机统计注氮时段中注氮量大小并生成报表，用于记录、保存、追溯井下注氮情况。
本发明的特点还在于；
步骤3中，工控机通过采集和处理多个气体传感器的检测数值、并向继电器发送对应的电阻数值、向IO模块发送信号，以便控制开关比例调节阀。
气体传感器用于检测收集氧气和一氧化碳的浓度。
步骤4具体为：
步骤41：工控机实时采集各个气体传感器的氧气和一氧化碳的浓度数据；
步骤42：利用埃尔米特插值算法补充架间数据：利用氧气的浓度数据，利用如下公式(1)计算，得到各个液压支架之间氧气的浓度数据；
其中，xi为第i架间编号，y为架间编号与氧气下降速率之间的函数关系，yi’为函数在i点的导数，H(x)为经过数值计算，第x架的氧气下降速率数值；
步骤43：工控机提取所有架间氧气的浓度数据，并计算架间各点氧气浓度下降速率，得到所有架间氧气浓度下降最快点信息，设置氧气浓度下降速率阈值ɑ，设置工作面氧气浓度下限为18％；
步骤44、工控机判断工作面架间氧气浓度是否低于工作面氧气浓度下限18％，若低于18％，则清除立刻疏散井下工人、停止注氮；反之则继续注氮；
步骤45、工控机判断工作面架间氧气浓度下降最快点速率是否高于阈值ɑ，若高于阈值ɑ，则立刻停止注氮；反之则继续注氮。
步骤5具体为：
步骤51：工控机通过多个气体传感器实时读取注氮管道上气体流量计、架间氧气浓度下降最快点速率ΔO2、上隅角CO浓度值；
步骤52：工控机利用ΔO2实时数值，设置注氮状态判别计算公式(2)，得到采空区实时判别评价数值；
其中，Cco为CO实时浓度，CΔO2为实时氧气下降速率，f(C)为采空区实时评价数值；
步骤53：工控机利用采空区实时评价数值，设置判别与注氮执行关联公式(3)，得到调控继电器的数值；
g(C)＝f(C)·K (3)；
其中，g(x)为继电器电阻输出数值，K为继电器最大量程；
步骤54：工控机通过氮浓度参数调节继电器的实时数值，实时调节比例流量调节阀的注氮速率。
步骤7中，报表内包含注氮地点、注氮方式、注氮方法、注氮开始时间、注氮结束时间、注氮纯度、注氮量、记录人、备注。
埃尔米特插值，是将架间中缺少的数值进行插值补充，得到所有架间的O2浓度数值具体为：将原有液压支架的架间中缺少的数值进行插值补充，得到所有架间中氧气的浓度数值。
氧气浓度下降速率为计算同一位置下十五分钟内氧气的变化值；ɑ设置为1。
本发明的有益效果是，本发明一种用于井下防灭火的注氮方法，通过插值算法、注氮状态判别计算公式、判别与注氮执行关联公式监测工作面、采空区指标气体变化情况，对动态调节注氮速率提供了先验条件，相比原有人工调控方法上手困难，潜在风险大的缺点，针对单个传感器无法分析泄漏源位置、泄漏倾向、采空区状态等问题，从而提高井下注氮系统调节的安全性，降低井下人员安全隐患、保障井下开采的稳定运行。
附图说明
图1是本发明一种用于井下防灭火的注氮方法的安装位置示意图；
图2是本发明一种用于井下防灭火的注氮方法的流程图；
图3是本发明一种用于井下防灭火的注氮方法的工作面架间气体数据补充算法的流程图；
图4是本发明一种用于井下防灭火的注氮方法的井下采空区注氮调控算法的流程图。
图中，1.手动开关阀，2.减压阀，3.比例流量调节阀，4.气体流量计，5.注氮管道，6.采空区，7.煤壁，8.进风巷，9.工作面，10.回风巷，11.支架，12.气体传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种用于井下防灭火的注氮方法进行详细说明。
本发明提供了一种用于井下防灭火的注氮方法，采用了一种井下自动注氮系统和调控算法，IO模块与工控机(就地处理单元)通过以太网连接，继电器通过电线与IO模块连接，气体传感器12通过485信号线与工控机连接，通过采集架间气体传感器12的O2浓度数据，利用公式(1)计算，得到采空区(6)架间各O2浓度数据，利用ΔO2实时数值，设置注氮状态判别计算公式(2)，得到采空区实时判别评价数值，工控机处理气体传感器12数值，向继电器发送对应电阻数值、向IO模块发送开关信号，达到开启比例调节阀3来实现主要的技术特征；获得提高井下注氮系统调节的安全性，降低井下人员安全隐患、保障井下开采的稳定运行方案，实现注氮的安全与自动化程度较高的控制效果。
步骤1、在井下工作间内搭建一种用于井下防灭火的注氮系统；
步骤2、开始注氮前，检查注氮管道5是否存在泄漏的情况，若注氮管道5存在管道泄漏的情况，则关闭泄漏点附近前后手动阀门开关；反之若不存在管道泄漏情况，则安全；
步骤3、打开注氮管道5的上手动阀门1开关，随后控制IO模块、继电器开启比例流量调节阀3，并开始注氮；
步骤4、利用工作面架间气体数据补充算法，实时判定是否存在采空区6氮气溢出情况；
步骤5、利用井下采空区自动注氮调控算法，实时调控注氮量与工作面9气体浓度情况；
步骤6、注氮时段结束，停止向采空区6注氮；
步骤7、统计注氮时段中；
步骤8：最后注氮量大小并生成报表，用于记录、保存、追溯井下注氮情况。
本发明一种用于井下防灭火的注氮方法，构建了动态调控的井下防灭火的注氮系统，在一定程度上，运用工作面架间气体数据补充算法，防止了井下注氮过程氮气溢出情况的出现；通过井下采空区自动注氮调控算法，提出了随着注氮时间的延长，注氮速率应与煤自燃指标性气体关联。能够通过工作面架间与上隅角气体浓度控制注氮速率变化、急停；提高了采空区注氮系统的自动化调控水平。在一定程度上提升了作业的安全系数。
Claims (6)
1.一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，具体按照如下步骤进行：
步骤1：在井下工作间内搭建一种用于井下防灭火的注氮系统；
所述井下工作间包括煤壁（7）和采空区（6），围绕所述煤壁（7）形成有用于作业人员流动的进风巷（8）、工作面（9）以及出风巷（10）；
注氮系统包括气体传感器（12）和注氮管道（5）；气体传感器（12）位于多个液压支架（11）之间，多个所述液压支架（11）设置于采空区（6）靠近工作通道的侧壁，所述注氮管道（5）设置于进风巷（8），所述注氮管道（5）沿采空区（6）的方向依次设置有手动开关阀（1），减压阀（2），比例流量调节阀（3）以及气体流量计（4），所述注氮管道（5）延伸至采空区（6）；
所述井下工作间还配置有工控机、IO模块、继电器以及电磁阀；位于井上的控制室通过环网与工控机连接，及时处理井下信息；IO模块与工控机通过以太网连接，继电器通过电线与工控机连接，气体传感器（12）通过485信号线与工控机连接；继电器、IO模块通过直流电源与比例流量调节阀（3）串联，以便用于控制比例流量调节阀（3）的开关；
步骤2：开始注氮前，作业人员检查注氮管道（5）是否存在泄漏的情况，若注氮管道（5）存在管道泄漏的情况，则关闭泄漏点附近前后手动阀门的开关；反之若不存在管道泄漏情况，则进行步骤3；
步骤3：手动开启手动开关阀（1），随后工控机控制IO模块、继电器开启比例流量调节阀（3）向采空区（6）进行注氮；
步骤4、利用工作面架间气体数据补充算法，实时判定是否存在采空区（6）氮气溢出情况；
所述步骤4具体为：
步骤41：工控机实时采集气体传感器（12）的氧气和一氧化碳的浓度数据；
步骤42：利用埃尔米特插值算法补充架间数据：利用氧气的浓度数据，利用如下公式（1）计算，得到各个液压支架（11）之间氧气的浓度数据；
（1）；
其中，x i为第i架间编号，y为架间编号与氧气下降速率之间的函数关系，y i ’为函数在i点的导数，H(x)为经过数值计算，第x架的氧气下降速率数值；
步骤43：工控机提取所有架间氧气的浓度数据，并计算架间各点氧气浓度下降速率，得到所有架间氧气浓度下降最快点信息，设置氧气浓度下降速率阈值ɑ，设置工作面（9）氧气浓度下限为18%；
步骤44、工控机判断工作面（9）架间氧气浓度是否低于工作面（9）氧气浓度下限18%，若低于18%，则清除立刻疏散井下工人、停止注氮；反之则继续注氮；
步骤45、工控机判断工作面（9）架间氧气浓度下降最快点速率是否高于阈值ɑ，若高于阈值ɑ，则立刻停止注氮；反之则继续注氮；
步骤5、利用井下采空区自动注氮调控算法，实时调控注氮量与工作面（9）的气体浓度情况；
所述步骤5具体为：
步骤51：工控机通过多个气体传感器（12）实时读取注氮管道（5）上气体流量计（4）、架间氧气浓度下降最快点速率ΔO2、上隅角CO浓度值；
步骤52：工控机利用ΔO2实时数值，设置注氮状态判别计算公式（2），得到采空区实时判别评价数值；
（2）；
其中，C co为CO实时浓度，C ΔO2为实时氧气下降速率，f(C)为采空区实时评价数值；
步骤53：工控机利用采空区实时评价数值，设置判别与注氮执行关联公式（3），得到调控继电器的数值；
（3）；
其中，g(C)为继电器电阻输出数值，K为继电器最大量程；
步骤54：工控机通过氮浓度参数调节继电器的实时数值，实时调节比例流量调节阀（3）的注氮速率；
步骤6、注氮时段结束，通过工控机控制IO模块、继电器，最终控制电磁阀停止向采空区（6）注氮；
步骤7、工控机统计注氮时段中注氮量大小并生成报表，用于记录、保存、追溯井下注氮情况。
2.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，步骤3中，所述工控机通过采集和处理多个气体传感器（12）的检测数值、并向继电器发送对应的电阻数值、向IO模块发送信号，以便控制比例流量调节阀（3）。
3.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，所述气体传感器（12）用于检测收集氧气和一氧化碳的浓度。
4.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，步骤7中，所述报表内包含注氮地点、注氮方式、注氮方法、注氮开始时间、注氮结束时间、注氮纯度、注氮量、记录人、备注。
5.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，所述埃尔米特插值，是将架间中缺少的数值进行插值补充，得到所有架间的O2浓度数值具体为：将原有液压支架（11）的架间中缺少的数值进行插值补充，得到所有架间中氧气的浓度数值。
6.根据权利要求1所述的一种用于井下防灭火的注氮方法，其特征在于，氧气浓度下降速率为计算同一位置下十五分钟内氧气的变化值；ɑ设置为1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |