管道瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)

劉柯男

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦二號(hào)井，山西 晉城 048006）

瓦斯抽采是解決我國高瓦斯礦井瓦斯問題的根本途徑，國家以法規(guī)的形式明確了瓦斯抽采在瓦斯治理中的重要性。山西長平礦是晉城煤業(yè)集團(tuán)主力礦井，在瓦斯監(jiān)測方面，監(jiān)測系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作面瓦斯抽采的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，能夠?qū)ν咚钩椴晒艿罃?shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)測，能準(zhǔn)確監(jiān)測各測點(diǎn)工作狀態(tài)，對(duì)可能存在安全故障和危險(xiǎn)的管段進(jìn)行必要而及時(shí)診斷和告警，對(duì)工作面的抽采效果進(jìn)行高質(zhì)量評(píng)價(jià)，為優(yōu)化抽采效果進(jìn)行決策建議的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)及時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)，有利于煤礦企業(yè)掌握煤層瓦斯賦存規(guī)律，建立科學(xué)有效的煤礦瓦斯管理體系。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

礦井管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：地面服務(wù)器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1。

地面服務(wù)器系統(tǒng)：主要包括雙機(jī)熱備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、UPS 不間斷電源、光力智能數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。同時(shí)部署監(jiān)控主機(jī)在中心監(jiān)控室，用以展示實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供WEB 發(fā)布功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可瀏覽數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)將井下采集的各類傳感器數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控分站接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)預(yù)留的以太網(wǎng)端口上傳到地面服務(wù)器。

井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)安裝在井下瓦斯管道不同測點(diǎn)的傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過線纜將采集的數(shù)據(jù)傳輸給礦用本安型分站，實(shí)現(xiàn)井下瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

循環(huán)自激式流量傳感器：在流動(dòng)的氣體中安裝一個(gè)三角柱狀旋渦發(fā)生體，在其下方設(shè)計(jì)兩根金屬管道，在金屬管道的末端連接一個(gè)熱線式傳感器。當(dāng)瓦斯管道的氣流通過旋渦發(fā)生體時(shí)，在其兩側(cè)形成有規(guī)則的旋渦，呈現(xiàn)非對(duì)稱交替循環(huán)排列，如圖2，兩根金屬管道內(nèi)的空氣將接受旋渦產(chǎn)生的能量，從而使管道內(nèi)的空氣形成雙向渦流，交替運(yùn)動(dòng)形成脈動(dòng)，當(dāng)脈沖信號(hào)定期的經(jīng)過金屬管道末端的熱線式傳感器時(shí)，會(huì)周期性地改變熱線式傳感器的熱量，根據(jù)熱量的變化頻率和氣體流速可計(jì)算出管道內(nèi)的氣體流量。

圖2 循環(huán)自激式傳感器流量測量原理

紅外甲烷傳感器：利用甲烷氣體對(duì)傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯?jié)舛龋衫什葮范煽芍?，光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的甲烷分子數(shù)目。公式定義如下：

式中：I0和I'0分別為入射光及通過甲烷氣體后的透射光強(qiáng)度；K 為光被吸收的比例系數(shù)，L 為透射光線或反射光線長度；C 為甲烷氣體濃度。

在圖3 中，相同的入射光I0通過含有甲烷氣體濃度為C 的、體積相同的、不同光線長度的光吸收池，其中光吸收池體積V1=V2，光線長度L1＜L2，光強(qiáng)度分別為I0、I"0。

圖3 紅外光譜的吸收原理圖

從圖3 中可以看出，在體積相同的甲烷氣體濃度為C 的光池中，根據(jù)朗伯比樂定律可知，光線L越長，光被吸收的量越多，光強(qiáng)度I0＞I0＞I"0，甲烷濃度的測量信號(hào)越強(qiáng)，測量值更加精確。據(jù)此，采用橫向漫反射紅外甲烷測量技術(shù)，將光通路縮小到一個(gè)直徑只有20 mm 的空間里，無衰減的鍍金鏡面反折射增加光通路的長度，使得檢測氣體與光源很好的接觸，同時(shí)，采用雙通道采樣技術(shù)可以自我抑制零點(diǎn)漂移，如圖4。

圖4 甲烷測量結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)控與異常發(fā)現(xiàn)、管段監(jiān)控和危險(xiǎn)區(qū)域診斷，為煤礦優(yōu)化抽采分配、完備抽采效果提供豐富且多樣化的數(shù)據(jù)分析支持，為抽采效果達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖5。

（1）監(jiān)控業(yè)務(wù)管理功能包括：流量統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示、專家分析、漏點(diǎn)診斷、曲線顯示等業(yè)務(wù)。

（2）在線監(jiān)控主要顯示部署在各個(gè)測點(diǎn)的傳感器采集的測量數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)專家分析系統(tǒng)，將出現(xiàn)的異常信息通過各種不同的顯示方式展現(xiàn)在系統(tǒng)中，提供基于關(guān)聯(lián)測點(diǎn)多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，分析關(guān)聯(lián)測點(diǎn)的多個(gè)參數(shù)間的關(guān)系變化趨勢，有利于判別管段的運(yùn)行情況。

（3）系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)報(bào)表和業(yè)務(wù)分析報(bào)表，報(bào)表展示方式豐富直觀，既可以提供圖形式報(bào)表，還可以提供表格報(bào)表，提供基于測點(diǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，分析測點(diǎn)參數(shù)的變化趨勢，有利于掌握瓦斯抽采規(guī)律。提供管道瓦斯氣體泄漏點(diǎn)的診斷功能，可在系統(tǒng)圖及電子圖紙中進(jìn)行及時(shí)定位。

圖5 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)框架

3 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)結(jié)合晉煤集團(tuán)長平礦井下抽放管和瓦斯抽放泵站實(shí)際情況，在蘆家峪泵站DN700 低濃、蘆家峪泵站預(yù)抽DN1000 高濃、53021 巷、43062 巷（主管）、43081 巷、43082 巷、4306 底抽巷、43183 巷、5302 底抽一巷、43042 巷、43072 巷、第三瓦斯抽放泵站等12 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)備部署，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。

本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的循環(huán)自激式瓦斯流量傳感器，可測量低至1 m/s 的瓦斯流量，避免了傳統(tǒng)流量計(jì)阻力大和流速低時(shí)測量準(zhǔn)確性差的問題。循環(huán)自激式瓦斯流量傳感器具備較強(qiáng)的抗水、防塵能力，保證了測量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)流速分布情況如圖6。

圖6 流速分布情況圖

由上圖可得出：

（1）傳感器的測量下限為1 m/s；

（2）兩個(gè)測點(diǎn)的瓦斯流速為1～2 m/s；

（3）流速為3 m/s 以下的測點(diǎn)有4 個(gè)，約占安裝測點(diǎn)總數(shù)的1/4，說明選擇傳感器的測量流速下限低是一個(gè)重要指標(biāo)；

（4）安裝測點(diǎn)的瓦斯流速大致在0.5～20 m/s范圍內(nèi)，說明選擇傳感器的流速測量范圍寬是一個(gè)重要指標(biāo)。

4 結(jié)語

系統(tǒng)應(yīng)用的橫向漫反射紅外瓦斯?jié)舛葴y量，實(shí)現(xiàn)了長期穩(wěn)定可靠、標(biāo)定周期長、抗干擾能力強(qiáng)、精度高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，采用雙通道采樣技術(shù)，可以自我抑制雜質(zhì)氣體的干擾。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，瓦斯?jié)舛取毫?、溫度參?shù)的監(jiān)測精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，符合了國家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和礦方的技術(shù)要求。