瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置設(shè)計(jì)

宋 軍

（同煤集團(tuán)同地鑫泰建井工程有限公司 山西大同037004）

1 引言

在礦山開采過程中，瓦斯往往影響著礦山的安全，這些年以來，黨和國家對煤礦安全一直給予關(guān)注，并出臺了相關(guān)政策，這使得煤礦安全的一系列技術(shù)獲得了很大的突破，同時，使得煤炭開采的安全系數(shù)也獲得了大幅度提高。目前由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在著的瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯賦存量多、煤層透氣性差等客觀因素，煤礦的安全隱患依然是一個不可忽視的問題。

在井工作業(yè)的瓦斯治理中，通常是向煤層施工大量的鉆孔來進(jìn)行瓦斯抽采，之后將鉆孔進(jìn)行封孔和聯(lián)孔并接入抽采管路中[1,2]。目前我國大部分煤礦已然存在著抽采困難，且抽采鉆孔封孔后有漏氣的現(xiàn)象，所以瓦斯抽采如何能達(dá)到高效依然是較為棘手的問題。近些年以來，我國雖然逐漸出現(xiàn)了一些較為前沿的解決封堵鉆孔及煤巖裂隙的方法，但這一技術(shù)難題并沒有從根本上得以攻克，而且在進(jìn)入到抽采的中后期后，所得到的瓦斯?jié)舛雀虞^大，穩(wěn)定性差[3]。

現(xiàn)階段的井工開采中，當(dāng)管路中瓦斯?jié)舛容^低時，為了使管路的安全系數(shù)和抽采濃度得到提高，通常采用關(guān)孔的手段，通過關(guān)閉其中幾個抽采鉆孔使得瓦斯抽采濃度獲得提高。但由于定位存在誤差，有時候往往因?yàn)樯贁?shù)幾個鉆孔的漏氣現(xiàn)象而關(guān)閉整個航道的抽采系統(tǒng)，由此會造成極大的資源浪費(fèi)，同時錯誤的關(guān)孔方式不能充分釋放煤層內(nèi)存在的瓦斯，無法起到消突作用，會給井工作業(yè)帶來安全隱患。

從上述情況可以發(fā)現(xiàn)，這些問題制約著瓦斯抽采系統(tǒng)運(yùn)行的高效性，不僅有可能導(dǎo)致管路中瓦斯發(fā)生燃爆、抽采鉆孔煤自燃，還對瓦斯資源化利用產(chǎn)生限制。鑒于此，需要精準(zhǔn)調(diào)控瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測抽采參數(shù)、對模型及算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)抽采系統(tǒng)的智能控制，實(shí)施調(diào)整抽采參數(shù)，提高瓦斯抽采效率，保證抽采系統(tǒng)的安全性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)介紹

瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置由信號監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)三部分組成。

其中信號監(jiān)測系統(tǒng)主要由具有防爆功能的各種傳感器組成，能夠?qū)崟r監(jiān)測抽采管路系統(tǒng)中CH4、CO、CO2、C2H4等指標(biāo)性氣體的濃度、含量，以及管路壓力、溫度等信息；由監(jiān)測系統(tǒng)采集到的各種信息參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

控制系統(tǒng)指的是PLC監(jiān)控站點(diǎn)，采用西門子S7-200系列的CPU224XP為核心的KXJ1.5/600礦用隔爆兼本安型PLC控制箱，對監(jiān)測系統(tǒng)并傳輸來的各參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展性分析，來控制各個抽采設(shè)備和分支管路的開度、啟停狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、預(yù)警。將所要執(zhí)行的操作反饋個中央計(jì)算機(jī)，再由中央計(jì)算機(jī)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出指令，達(dá)到人機(jī)互動、實(shí)現(xiàn)智能化。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括有瓦斯抽采泵、注氮系統(tǒng)、各級閥門、防滅火裝置等設(shè)備，通過中央計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令進(jìn)行互動。

整個抽采與聯(lián)動系統(tǒng)是以PLC監(jiān)控站點(diǎn)為核心來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，收集抽采過程中的信號通過整合分析，將指令發(fā)出給各個調(diào)節(jié)裝置。同時實(shí)現(xiàn)了信號采集、信號傳輸、預(yù)警備案、智能調(diào)節(jié)和人機(jī)互動功能，構(gòu)成了一個智能控制平臺，實(shí)現(xiàn)了抽采的智能化，達(dá)到抽采效果的同時，避免了資源的浪費(fèi)。

3 瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置監(jiān)控系統(tǒng)指標(biāo)體系

通過調(diào)研和現(xiàn)場觀測提出將瓦斯抽采濃度、流量以及負(fù)壓作為主要的控制指標(biāo)，并將CO2、CO、C2H4以及溫度等煤礦自燃發(fā)火指標(biāo)性氣體作為輔助監(jiān)測指標(biāo)，通過控制抽采設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和閥門開度來健全指標(biāo)體系。

煤層氣智能抽采監(jiān)控指標(biāo)體系的示意圖如圖1所示。整個智能抽采系統(tǒng)依據(jù)各個潛在事故隱患的相關(guān)性，對各潛在事故的相應(yīng)參數(shù)臨界值進(jìn)行定義，作為進(jìn)行智能控制時的臨界控制參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)高效、智能抽采提供參考。

圖1 瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置系統(tǒng)示意圖

圖2 智能調(diào)控流程圖

通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和瓦斯抽采參數(shù)智能調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)在于瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置的處理程序，智能調(diào)控流程圖如圖2所示，軟件通過參數(shù)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理識別乙烯、一氧化碳、氧氣濃度和氣體溫度來調(diào)整抽采系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，程序還具有預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲的功能，供技術(shù)人員對抽采狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時觀測和分析。

4 現(xiàn)場實(shí)踐

瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置能夠在具有自燃發(fā)火危險以及其他煤層氣抽采的場所發(fā)揮作用，可以做到實(shí)時監(jiān)測抽采參數(shù)，分析煤層氣的抽采狀態(tài)，調(diào)控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。為了檢驗(yàn)效果，該系統(tǒng)在山西某礦進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)際控制對照表

表1 描述了抽采過程中，管路氣體指標(biāo)等參數(shù)和抽采設(shè)備關(guān)聯(lián)情況?？梢钥闯觯麄€抽采系統(tǒng)的抽放量得到有效控制，指標(biāo)性氣體濃度在正常數(shù)值范圍內(nèi)浮動變化，閥門開度合理，流量變化跟隨性較好，瞬時純量和管道負(fù)壓變化正常。整個抽采系統(tǒng)在井下?lián)碛卸鄠€工作面和采空區(qū)抽采管路分支，抽采系統(tǒng)自適性良好。同時在瓦斯資源利用上，瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)、負(fù)壓和流量等方面，該系統(tǒng)也能發(fā)揮積極作用。

此外，前期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)遇到有自燃傾向的煤層時，該系統(tǒng)能夠及時啟動防滅火系統(tǒng)，增加注氮量或其他措施，控制率達(dá)到了100%。

5 結(jié)論

為了解決煤礦瓦斯抽采過程中存在的效率低、智能化控制薄弱現(xiàn)狀，本文在考慮瓦斯抽采系統(tǒng)的安全與效率參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了瓦斯智能抽采與聯(lián)動裝置，該裝置由信號監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)三部分組成。在山西某礦進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測瓦斯抽采指標(biāo)的動態(tài)變化情況，并根據(jù)指標(biāo)的變化調(diào)整相應(yīng)設(shè)備的抽采參數(shù)，消除潛在隱患，保障了抽采系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。