煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)自更新檢漏技術(shù)研究

熊偉

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400037)

0 引言

我國煤礦瓦斯災(zāi)害十分嚴(yán)重，且隨著開采深度和強(qiáng)度的增加，瓦斯防治難度日益加大，給煤礦安全生產(chǎn)帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。利用抽采泵組提供負(fù)壓動(dòng)力，將煤層中的瓦斯通過管網(wǎng)系統(tǒng)輸送至地面進(jìn)行排空或有效利用，是我國進(jìn)行瓦斯治理的主要手段[3]。同時(shí)，瓦斯是一種高效、清潔的綠色能源，對其進(jìn)行合理利用，能夠優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境壓力[4]。但目前瓦斯抽采效果并不理想，抽采系統(tǒng)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)普遍低于30%[5]，有的甚至處于5%～16%的爆炸范圍內(nèi)，不僅增大了瓦斯利用成本，還存在很大的安全隱患。研究人員對如何提高瓦斯抽采濃度展開了大量研究，形成了包括密集鉆孔、預(yù)裂爆破、水力增透等提高煤層透氣性的技術(shù)措施，有效提高了煤層透氣性[6-7]；研發(fā)了“兩堵一注”封孔工藝和裝備[8-9]，提高了鉆孔孔口瓦斯抽采濃度。

煤礦井下瓦斯抽采管路沿巷道敷設(shè)，由3～5 m的管道連接為總長10 km左右的管網(wǎng)系統(tǒng)，管道之間主要用法蘭盤連接。由于井下工作環(huán)境惡劣，抽采管道易受到碰撞、落煤墜砸等損傷而造成漏氣，當(dāng)巷道內(nèi)空氣大量進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)后，管網(wǎng)內(nèi)瓦斯抽采濃度可能遠(yuǎn)低于鉆孔孔口濃度。因此，開展高效、精準(zhǔn)的瓦斯抽采管網(wǎng)檢漏技術(shù)研究，對管網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確堵漏和維護(hù)，是瓦斯利用和礦井安全生產(chǎn)的技術(shù)保障，具有重要意義。

目前我國僅有少數(shù)科研人員對抽采管路檢漏技術(shù)進(jìn)行了探索性研究[10]，但在煤礦井下特殊工作條件下，由于有限空間內(nèi)不同聲波相互疊加、抵消等影響，導(dǎo)致目標(biāo)聲波獲取困難，加之檢測技術(shù)相對單一，檢漏準(zhǔn)確率無法得到有效保證。高斯聲束模型建立在近軸近似的理論基礎(chǔ)上，能夠準(zhǔn)確描述外近半場區(qū)和遠(yuǎn)場的聲場分布。多元高斯聲束模型由若干單個(gè)高斯聲束疊加而成，以滿足聲場邊界條件。本文將多元高斯聲束模型應(yīng)用到瓦斯抽采管路檢漏中，利用多元高斯模型對漏氣點(diǎn)聲音進(jìn)行提取和加強(qiáng)處理，降低有限空間內(nèi)同時(shí)傳播的多種聲源的干擾，得到準(zhǔn)確的聲音樣本；將聲音樣本與預(yù)存模型比對，判斷是否漏氣；將實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)頻率高的聲音模型自動(dòng)加入噪聲模型庫，實(shí)現(xiàn)模型的自更新，使檢漏技術(shù)具有更強(qiáng)的適用性和準(zhǔn)確性。

1 瓦斯抽采管網(wǎng)檢漏原理及模型

1.1 瓦斯抽采管網(wǎng)檢漏原理

瓦斯抽采時(shí)，若管網(wǎng)某處存在漏氣點(diǎn)，則巷道內(nèi)空氣在負(fù)壓作用下進(jìn)入管道中。因?yàn)槁饪壮叽邕h(yuǎn)小于管道及巷道的尺寸，且管道內(nèi)外壓差較大，所以漏氣點(diǎn)附近流體出現(xiàn)旋渦、脈動(dòng)等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，而因此產(chǎn)生的部分能量以熱量形式耗散在流體介質(zhì)中，其余能量轉(zhuǎn)化為聲波形式在巷道中傳播。漏氣檢測過程如下：氣體擾動(dòng)→聲波產(chǎn)生→在空氣中傳播→進(jìn)入檢測設(shè)備→判斷是否漏氣，如圖1所示。

圖1 瓦斯抽采管網(wǎng)漏氣檢測過程Fig.1 Gas leakage detection process of gas drainage pipe network

1.2 漏氣模型

瓦斯抽采時(shí)，需將鉆孔用封孔管連接到匯流裝置，為了監(jiān)測抽采參數(shù)變化情況，在鉆孔與匯流裝置之間會(huì)加裝導(dǎo)流管。這一部分管道連接主要采用擴(kuò)口對接方式，即連接處一端的管道外徑基本等于另一端管道的內(nèi)徑，將2段管道插入后用膠水或鐵絲等捆綁固定。匯流裝置另一端與抽采支管連接，抽采支管再通過法蘭盤與抽采主管連接，形成瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)。瓦斯抽采管道連接方式及主要漏氣點(diǎn)如圖2所示。

1-封孔管與導(dǎo)流管連接處；2-封孔管三通處；3-鉆孔與封孔管連接處；4-法蘭盤連接處；5-封孔管與匯流裝置連接處；6-管道破損處。圖2 瓦斯抽采管道連接方式及主要漏氣點(diǎn)Fig.2 Connection mode of gas drainage pipeline and main gas leakage points

瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)中主要存在如圖2所示的6種漏氣點(diǎn)。其中封孔管與導(dǎo)流管連接處、封孔管三通處、鉆孔與封孔管連接處、封孔管與匯流裝置連接處的連接方式都是插入式管道連接，漏氣通道主要存在于小管道的外壁和大管道內(nèi)壁之間，因此，這些位置漏氣產(chǎn)生的聲波基本相同，可劃分為同類漏氣模型。而長達(dá)幾千米甚至十幾千米的抽采主管、支管大多采用法蘭盤連接，由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，管道易受到擊穿等損害，形成孔眼，造成漏氣。因此，瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)的主要漏氣現(xiàn)象可分為管路插接漏氣、法蘭盤漏氣和管道破損漏氣，建立這3種漏氣模型進(jìn)行預(yù)存儲(chǔ)。

1.3 主要噪聲模型

瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)敷設(shè)在巷道中，而巷道中還要開展運(yùn)輸、通風(fēng)、采掘等工作，因此，井下聲音來源種類較多。各種聲音在狹小空間內(nèi)同時(shí)傳播并互相擾動(dòng)，會(huì)對檢漏準(zhǔn)確性造成影響。因此，需對井下主要噪聲進(jìn)行分析和處理，降低對檢漏結(jié)果的不利影響，井下巷道中存在的主要噪聲如下。

(1) 人聲噪聲。在同一時(shí)間，大多礦井的井下工作人員在200人以上，進(jìn)行檢漏工作時(shí)，檢測設(shè)備不可避免地會(huì)采集到工作人員聲音，甚至檢測人員自身也會(huì)發(fā)出聲音，影響瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)檢漏的準(zhǔn)確性。因此，人聲是井下常見的一種噪聲。

(2) 設(shè)備機(jī)械噪聲。煤礦井下安裝有采煤機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、鉆機(jī)等大功率機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備都處于長時(shí)間持續(xù)工作狀態(tài)，噪聲等級均較高。以局部通風(fēng)機(jī)為例，其噪聲一般為90～120 dB(A)[11]，隨著功率和使用時(shí)間增加，噪聲等級會(huì)進(jìn)一步增高。局部通風(fēng)機(jī)使用1 a后，噪聲升高約10～15 dB(A)；使用時(shí)間超過5 a后，噪聲可達(dá)120～140 dB(A)；若未及時(shí)維護(hù)、保養(yǎng)，導(dǎo)致局部通風(fēng)機(jī)變形，則噪聲等級會(huì)更高[12]。

(3) 金屬碰撞噪聲。煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生的金屬碰撞噪聲最多。刮板輸送機(jī)和膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的噪聲一般為90～106 dB(A)[13]，尤其是空載時(shí)，由于鏈條、刮板、膠帶滾輪等部件質(zhì)量分布不均勻及中部槽結(jié)合不平整，在運(yùn)行速度相對較快的情況下，噪聲會(huì)顯著增大。井下礦車運(yùn)行時(shí)與軌道連接處碰撞所產(chǎn)生的噪聲也十分明顯。

(4) 氣體動(dòng)力噪聲。煤礦井下巷道中持續(xù)不斷地存在空氣流動(dòng)，由于巷道斷面十分粗糙，尤其是在巷道交叉點(diǎn)和某些通風(fēng)構(gòu)造物位置處，氣流波動(dòng)可能產(chǎn)生明顯的空氣動(dòng)力性噪聲。部分礦井在掘進(jìn)工作中采用炸藥爆破，雖然放炮時(shí)間短，但其產(chǎn)生的巨大沖擊波傳播距離遠(yuǎn)，噪聲等級也較高。

2 自更新檢漏技術(shù)及裝備

2.1 自更新檢漏技術(shù)

通過檢測設(shè)備采集井下聲音，用多元高斯聲束對原始聲音進(jìn)行加強(qiáng)處理后形成清晰的聲音模型，采用聲波分頻等技術(shù)進(jìn)行處理，得到多個(gè)聲音樣本。將所得聲音樣本分別與預(yù)存的漏氣模型和噪聲模型進(jìn)行比對，若與漏氣模型匹配即可判斷為漏氣，發(fā)出聲光報(bào)警信號，提示該檢測點(diǎn)漏氣。如果聲音樣本與漏氣模型和噪聲模型均不匹配，則存儲(chǔ)該樣本，并將出現(xiàn)頻率超過30%的聲音樣本自動(dòng)存儲(chǔ)為噪聲模型，以保證檢漏技術(shù)在不同礦井環(huán)境下均有很高的準(zhǔn)確率。自更新檢漏技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 自更新檢漏技術(shù)流程Fig.3 Process of self-renewing leakage detection technology

2.2 多元高斯聲束模型

J. Wen等[14]在近軸近似的理論基礎(chǔ)上，基于赫姆霍茲波動(dòng)方程提出了多元高斯聲束模型的概念，即采用多個(gè)高斯聲束疊加的方法近似一個(gè)圓盤源輻射聲場，并且僅用10個(gè)Wen and Breazeale系數(shù)就可獲得較好的近似效果。文獻(xiàn)[15]將Wen and Breazeale 系數(shù)增加到15個(gè)，進(jìn)一步提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)漏氣點(diǎn)尺寸相對較小，難以發(fā)現(xiàn)，可用circ二元函數(shù)描述聲波在無窮大不透明屏上半徑為1的圓孔中的透過率。管道破損形成的漏氣點(diǎn)可簡化成圓盤聲源，其不可分離變量的circ二元函數(shù)為

(1)

式中：ρ為傳播介質(zhì)密度，kg/m3；r為圓盤聲源的半徑，m；An，Bn為圓盤聲源的Wen and Breazeale系數(shù)，具體取值見表1,其中i表示虛部。

表1 Wen and Breazeale 系數(shù)Table 1 Wen and Breazeale factors

管件插接、法蘭盤對接等位置密封不嚴(yán)形成的漏氣點(diǎn)可用矩形聲源模型進(jìn)行描述，其circ二元函數(shù)為

(2)

式中：x1和y1分別為探頭中心位置在x,y坐標(biāo)軸(分別平行于矩形聲源的長邊和短邊)上的坐標(biāo)(圖4)，m；a和b為矩形探頭長和寬的1/2，m；Aq，Bq為矩形聲源的Wen and Breazeale 系數(shù)，其值分別與An，Bn相同。

圖4 聲源與探頭位置Fig.4 Location of sound source and probe

將circ二元函數(shù)代入沿z方向(由聲源中心點(diǎn)指向探頭中心點(diǎn))的傳播波動(dòng)方程，得到聲壓近軸近似的波動(dòng)方程：

(3)

式中：P為聲壓，Pa；k為傳播常數(shù)。

求解式(3)可得聲壓的高斯聲束形式：

(4)

式中：P(z)為復(fù)數(shù)標(biāo)量；ω為角頻率，rad/s；M(z)為2×2階的復(fù)數(shù)對稱矩陣。

通過多元高斯聲束模型對聲音進(jìn)行修復(fù)加強(qiáng)，可提高聲音識別準(zhǔn)確度。

2.3 YJL40檢漏儀

YJL40檢漏儀是基于自更新檢漏技術(shù)研發(fā)的一種本安型設(shè)備，主要部件包括探測頭、金屬軟管、主機(jī)和報(bào)警器，如圖5所示。連接探測頭與主機(jī)的金屬軟管可以任意彎曲、拉伸，滿足不同空間條件下的抽采管網(wǎng)系統(tǒng)檢測需求；而由紅色顯示燈與蜂鳴器組成的報(bào)警系統(tǒng)，確保了操作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)位置并進(jìn)行堵漏處理。YJL40檢漏儀具有攜帶方便、操作簡單、準(zhǔn)確率高、適用范圍廣等特點(diǎn)。

圖5 YJL40檢漏儀Fig.5 YJL40 leakage detector

3 現(xiàn)場應(yīng)用

山西省中陽榮欣焦化有限公司高家莊煤礦生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，目前主采2號煤層，瓦斯含量為10.76 m3/t，相對瓦斯涌出量最大值為29.04 m3/t，屬于高瓦斯礦井。該煤礦目前有高負(fù)壓抽采系統(tǒng)和低負(fù)壓抽采系統(tǒng)各1套，2套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)的主管、支管均由直徑為325～820 mm的無縫鋼管組成，主管和支管總長度為7 585 m。該煤礦存在明顯的抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛雀?、抽采終端濃度低的情況：高負(fù)壓抽采系統(tǒng)孔口平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%，而抽采終端瓦斯體積分?jǐn)?shù)僅為14%左右；低負(fù)壓抽采系統(tǒng)孔口平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為26%左右，而抽采終端瓦斯體積分?jǐn)?shù)降至5%?？梢姡诔椴晒芫W(wǎng)系統(tǒng)輸送過程中，瓦斯抽采濃度存在明顯衰減。

對高家莊煤礦抽采管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，并對檢測出的漏氣點(diǎn)實(shí)施封堵處理。在鉆孔與封孔管連接處、導(dǎo)流管連接處、法蘭盤連接處及回風(fēng)橋等位置檢測出漏氣點(diǎn)共52處，漏氣點(diǎn)分布如圖6所示。在抽采管網(wǎng)不同位置檢測出漏氣點(diǎn)，表明自更新檢漏技術(shù)適用范圍廣。

圖6 漏氣點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of gas leakage points

為進(jìn)一步考察自更新檢漏技術(shù)的應(yīng)用效果，當(dāng)檢漏堵漏工作完成并待抽采系統(tǒng)穩(wěn)定后，對高家莊煤礦抽采管網(wǎng)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。在鉆孔孔口平均瓦斯?jié)舛缺３只静蛔兊那闆r下，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)終端處瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高到19.2%，提高比例為37.1%；低負(fù)壓抽采系統(tǒng)終端處瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)升高至6.4%，提高比例為28%，高、低負(fù)壓抽采系統(tǒng)內(nèi)的瓦斯抽采濃度均明顯升高。

圖7 檢漏前后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對比Fig.7 Comparison of gas drainage volume fraction before and after leakage detection

4 結(jié)論

(1) 采用高斯聲束模型對瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)檢漏設(shè)備所采集的聲音進(jìn)行處理，降低了巷道復(fù)雜環(huán)境中多種聲音同時(shí)傳播所產(chǎn)生的擾動(dòng)對檢漏結(jié)果的影響。

(2) 分析了煤礦井下抽采管網(wǎng)主要漏氣原因并建立了漏氣模型，將井下聲音樣本與預(yù)存模型進(jìn)行比對，將出現(xiàn)頻率超過30%的聲音樣本補(bǔ)充為該礦井的噪聲模型，實(shí)現(xiàn)模型的自更新，以提高檢漏準(zhǔn)確性。

(3) 基于自更新檢漏技術(shù)研發(fā)了YJL40檢漏儀，對高家莊煤礦高、低負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行檢漏，在封堵漏氣點(diǎn)后，抽采終端瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別提高了37.1%和28%，驗(yàn)證了基于多元高斯聲束模型的瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)自更新檢漏技術(shù)的有效性。