地面井瓦斯抽采計量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用

徐 瑞，孫東玲，王新琨，李思乾，李 健

（1.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北235000；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是通過對礦井瓦斯流量、濃度、溫度和負壓等參數(shù)的實時監(jiān)測，獲取瓦斯抽采數(shù)據(jù)，進而對煤層抽采效果評價。瓦斯抽采計量工作是煤礦提高瓦斯災害治理效果與效益的重要手段，準確計量是判定煤礦瓦斯抽采基礎(chǔ)條件是否達標的因素之一，直接影響著對預抽區(qū)域瓦斯抽采效果的評判[1-4]。目前，井下瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過長期的研究與實踐，已能夠?qū)崿F(xiàn)抽采管道瓦斯?jié)舛?、流量連續(xù)準確計量[5-7]。隨著礦井開采強度及深度的增加，煤層瓦斯含量及礦井瓦斯涌出量逐漸增大，瓦斯抽采逐漸由井下抽采向地面抽采轉(zhuǎn)變[8-10]。地面鉆井抽采瓦斯是在不影響工作面回采而進行的，是瓦斯抽采方法的一種新途徑，為井下通風與抽采減輕了負擔，消除了安全生產(chǎn)隱患，同時也提高了礦井生產(chǎn)能力。

由于地面抽采井一般地處野外且布局較為分散，所處的自然環(huán)境較為復雜，監(jiān)控系統(tǒng)所有設(shè)備均暴露在地面，抽采流量及濃度變化范圍較大，使得地面井監(jiān)控系統(tǒng)存在計量數(shù)據(jù)傳輸困難、準確度低的問題，同時對環(huán)境的適用性要求更高，與井下抽采計量監(jiān)測存在很大的不同[11-14]。而目前實現(xiàn)地面井瓦斯抽采可靠、穩(wěn)定、實時計量監(jiān)測沒有成熟的系統(tǒng)技術(shù)及工藝可以借鑒和實施。因此，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場試驗的方式，通過對野外自供電技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)研究和抽采計量裝置的現(xiàn)場測試，建立了一套地面井瓦斯抽采單獨計量監(jiān)測系統(tǒng)，解決了地面鉆井瓦斯抽采參數(shù)監(jiān)測面臨的供電和數(shù)據(jù)傳輸難題，提高了地面井瓦斯抽采計量的準確度及瓦斯防治、利用能力，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保障。

1 地面井瓦斯抽采監(jiān)測面臨的技術(shù)難題

1）瓦斯抽采流量及濃度檢測難度大。單口地面井抽采瓦斯流量及濃度的大小受工作面推進速度、周期來壓、頂?shù)装鍘r性等影響，波動范圍較大，計量設(shè)備在低流速、小流量和低濃度等極端條件難以滿足要求。

2）計量數(shù)據(jù)遠距離傳輸難度大。地面井抽采地點較為偏遠且分散，采用有線傳輸需鋪設(shè)大量的電纜，經(jīng)濟成本高；無線傳輸易出現(xiàn)信號中斷、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3）監(jiān)測系統(tǒng)功耗高，供電設(shè)備難以滿足長期供電的需求。

4）地面井瓦斯抽采計量監(jiān)控系統(tǒng)所有設(shè)備暴露于地面，系統(tǒng)設(shè)備的環(huán)境適用性要求更高。

5）目前，地面井瓦斯抽采監(jiān)測多采用人工定期監(jiān)測，偏重于瓦斯?jié)舛葯z測，監(jiān)測數(shù)據(jù)單一，不能全面反映地面井瓦斯抽采狀況。

2 地面井計量監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備選型

2.1 地面井瓦斯抽采流量檢測

2.1.1 氣體流量檢測

管道瓦斯氣體存在濕度大、雜質(zhì)多、氣液固多項流混合、壓力低、流量變化范圍寬、流速下限低、現(xiàn)場安裝環(huán)境局限性大等特點。檢測設(shè)備應滿足流量監(jiān)測數(shù)據(jù)準確且穩(wěn)定性好、在高負壓、含水環(huán)境條件下長期可靠運行，測量量程比寬、范圍廣，可測量多項流，不易堵塞磨損，直管段要求短，拆卸、安裝、校檢方便等要求。需要結(jié)合當前地面井抽采全生命周期內(nèi)的工況變化特點，選擇合適其工況條件和需求的計量設(shè)備。

目前煤礦現(xiàn)場使用的瓦斯管道流量檢測裝備主要有孔板流量計、渦街流量計、V 錐流量計、威力巴流量計等，能全部滿足上述要求的流量計很少?？装辶髁坑嬘谰眯詨簱p較大，測量過程中雜質(zhì)會造成堆積，影響測量效果，多用于比對測量，安裝在旁側(cè)管上，實現(xiàn)定期的管道瓦斯流量的人工測量[15-16]。渦街流量計在高黏度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。V 錐流量計具有測量精度高、穩(wěn)定性高、可測量多相流、測量量程比寬、自整流、自清潔、壓損小等優(yōu)點，但整體較為笨重，安裝、運輸不便，壓損大，影響抽放效果，主要用于抽采系統(tǒng)的主干管計量。威力巴流量計是基于皮托管原理的一種插入式流量測量裝置，屬于均速管流量計的一種，其探頭運用空氣動力學原理設(shè)計，徹底解決了其它均速管插入式流量計探頭易堵塞的問題，具有顯著的防堵效果，與其他流量計相比具有精度高，量程比大，壓損小，安裝簡單，現(xiàn)場適用性強的優(yōu)勢，測量下限甚至可達0.2 m/s，能有效解決煤礦瓦斯抽采低流速、小流量測量問題[17-18]。

依據(jù)差壓流量測量原理和溫度補償算法，利用威力巴流量計優(yōu)勢，提出一種基于微差壓檢測和差壓動態(tài)自校正算法的流量測量方法，研發(fā)了以威力巴流量計作為流量一次測量元件GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器，實現(xiàn)了地面井瓦斯抽采流量、壓力、溫度等參數(shù)的測量，同時還減少了日常的維護。

2.1.2 甲烷濃度檢測

目前，瓦斯抽采管道甲烷氣體濃度檢測技術(shù)主要有載體催化燃燒、熱導、光干涉、紅外光譜吸收、激光光譜吸收等檢測技術(shù)。激光吸收光譜檢測技術(shù)具有測量精度高、調(diào)校周期長、重復性好、測量范圍寬、使用壽命長、不受環(huán)境中其他氣體影響等優(yōu)點，本系統(tǒng)中對于管道濃度的檢測采用激光檢測技術(shù)的設(shè)備。

管道激光甲烷檢測設(shè)備包括激光器驅(qū)動電路、激光器恒溫控制電路、光電信號轉(zhuǎn)換電路、接收信號處理電路、檢測氣室等。激光器驅(qū)動電路為激光器提供穩(wěn)定且可調(diào)的工作電流，是激光器輸出較穩(wěn)定功率和頻率的基礎(chǔ)，起到保護和斬波調(diào)制激光器的作用以及實現(xiàn)鎖相放大器所需的1∶1 方波參考信號；激光器恒溫控制電路是使用半導體制冷片進行溫度調(diào)節(jié)，通過切換流過內(nèi)部的電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷和制熱的雙重作用；光電信號檢測電路主要由光電轉(zhuǎn)換器和檢測電路構(gòu)成，其中光電轉(zhuǎn)換器為采用光電信號直接轉(zhuǎn)換原理的光電二極管，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好的特征。接收信號處理電路為數(shù)字電路，能夠大大縮短開發(fā)時間，利用軟件發(fā)出驅(qū)動信號驅(qū)動激光器，采樣后，用軟件對數(shù)據(jù)進行傅里葉變化，隨后就可以還原為具體氣體濃度，整個系統(tǒng)只需要1 個FPGA 處理器和1 個高精度數(shù)采芯片就可完成全部檢測工作。檢測氣室的設(shè)計主要考慮氣室長度和光路損耗，為確保傳感器的便攜性和分辨率，的檢測要求，氣室內(nèi)光程長度應大于8 cm；光路中的損耗主要有反射鏡損耗，準直器發(fā)散角損耗，以及光路調(diào)整時帶來的損耗，為確保檢測精度，氣室光損耗應低于95%。

為滿足上述檢測設(shè)備的要求，采用自主專利的“自校準”技術(shù)研發(fā)了具有傳感器線性自動校正、故障自診斷功能、抗干擾能力強的GJG100J（B）管道激光甲烷傳感器，打破了行業(yè)內(nèi)傳感器完全依靠人工校正的缺陷，達到了傳感器的實時自校準，測量精度高，維護量小的目的。

2.2 野外本安自供電技術(shù)

野外本安自供電技術(shù)主要是利用太陽能和風能的有利條件，研發(fā)了風光蓄電互補供電裝置為監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。

風光互補自供電系統(tǒng)包括風光互補控制器、太陽能電池板、風力發(fā)電機和蓄電池等。風光互補控制器是自供電調(diào)節(jié)的控制核心，利用MPPT 技術(shù)高效率地轉(zhuǎn)化風力發(fā)電機和太陽能電池所發(fā)出的電能，風光蓄電互補輸出的電源經(jīng)過本安處理后轉(zhuǎn)換為本安電源為地面井抽采設(shè)備供電；采用先進的功率跟蹤技術(shù)，通過不斷調(diào)整太陽能板和風力發(fā)電機的工作點，使其一直工作在最大功率點，以最大功率對蓄電池進行充電，提高了系統(tǒng)性能。風光互補供電系統(tǒng)原理框圖如圖1。

圖1 風光互補供電系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of wind solar complementary power supply system

2.3 分布式測點數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)

地面井瓦斯抽放管道建立在露天野外空曠場所，主管道與各支管道構(gòu)成了抽采網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，煤礦抽采管道監(jiān)控需要對管道內(nèi)流量、瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、壓力和溫度等工況環(huán)境實現(xiàn)實時監(jiān)測，以便了解各管道瓦斯抽采情況，及時調(diào)整抽采管路設(shè)備，實現(xiàn)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行[19-21]。

分布式測點數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)采用有線采集和無線傳輸結(jié)合的方式，有線采集是數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備利用現(xiàn)場總線對抽采管道流量、甲烷和一氧化碳濃度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，無線采集是通過4G 網(wǎng)絡(luò)的方式無線上傳本地采集到的數(shù)據(jù)。通過無線組網(wǎng)實現(xiàn)機器聯(lián)網(wǎng)、狀態(tài)監(jiān)控、遠程維護、降低綜合維護成本，提升服務(wù)響應速度。

無線終端設(shè)備實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸和視頻采集傳輸。PH24（E）顯示屏采集流量計和甲烷濃度傳感器數(shù)據(jù)，通過澆封兼本安電源中的信號隔離端口，與無線終端設(shè)備連接，無線終端設(shè)備需要設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器端的IP 地址和端口，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)遠程傳輸。網(wǎng)絡(luò)攝像儀安裝于監(jiān)控箱外面，通過網(wǎng)線接入監(jiān)控箱內(nèi)的無線終端，無線終端設(shè)備設(shè)置視頻服務(wù)器端的IP 地址和端口，實現(xiàn)現(xiàn)場視頻遠程傳輸。無線傳輸設(shè)備原理如圖2。

圖2 風光互補供電系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of wind solar complementary power supply system

2.4 計量監(jiān)控裝置工藝

計量監(jiān)控裝置采用集成化箱式設(shè)計，由防護箱、蓄電池、風光互補智能控制器、無線收發(fā)器模塊、澆封兼本安直流電源、礦用本安型顯示屏等組成，各大模塊功能有機地組合在可移動的鋼結(jié)構(gòu)防護箱，整體性強，維護方便。箱體外殼、頂蓋采用冷軋鋼板進行折彎、組焊成型，前門采用鉸鏈或?qū)Ｓ酶郊B接成形，前門與箱體之間采用發(fā)泡密封技術(shù)密封，殼體設(shè)計上保留了百葉窗孔，同時加大控制器散熱面積，采用加強空氣對流的方法散熱，采用防腐設(shè)計和特殊噴涂處理，可適用于多種惡劣環(huán)境。計量監(jiān)控裝置防護箱如圖3。

3 系統(tǒng)總體布局及功能特點

3.1 總體布局

圖3 計量監(jiān)控裝置防護箱Fig.3 Protection box of metering and monitoring device

礦井地面井瓦斯抽采單獨計量監(jiān)測系統(tǒng)由野外自供電系統(tǒng)、計量監(jiān)控裝置、抽采計量裝置3 大部分組成，系統(tǒng)整體布局如圖4。雙立柱頂端平臺用于支承野外自供電系統(tǒng)及抽采計量裝置，雙立柱側(cè)面平臺用于布置露天分布式多點數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該布局結(jié)合現(xiàn)場實際情況考慮，充分利用雙立柱空間平臺，既能高效采集太陽能和風能，又不受地面流動人員影響，安裝工藝簡單，方便維護，現(xiàn)場操作適應性強。

圖4 系統(tǒng)總體布局圖Fig.4 Overall layout of the system

3.2 功能特點

研發(fā)的地面井瓦斯抽采計量監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：

1）測點設(shè)備自供電。野外瓦斯抽采測點所有設(shè)備采用太陽能、風能發(fā)電，結(jié)合蓄電池實現(xiàn)自供電，不需要有源供電。

2）計量設(shè)備測量范圍寬。微差壓流量檢測氣體流速測量下限低至0.3 m/s 并且上限高達30 m/s，激光甲烷0～100%CH4全量程，可以覆蓋地面井瓦斯抽采各個階段的煤層氣計量。

3）測量結(jié)果準確可靠。檢測設(shè)備具有自校準功能，氣體測量前預處理工藝采用原位汽水分離、除去粉塵，盡可能減小對真實氣流的干預和影響，濃度測量精度達到5%，流量測量精度達到1.5 級，且日常維護量小。

4）系統(tǒng)防爆安全性高。風光發(fā)電設(shè)備發(fā)出的電經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換成為本安電源；本安電源經(jīng)過二次處理，轉(zhuǎn)化為安全等級更高的電壓輸出（Exia），為后接設(shè)備供電；檢測設(shè)備選用Exia 等級設(shè)備。

5）系統(tǒng)設(shè)備環(huán)境適應性強。地面井監(jiān)控箱及儀表防護箱采用對流式箱體防護設(shè)計，可以適應野外惡劣自然環(huán)境，保護設(shè)備可靠連續(xù)運行。

6）分布式無線數(shù)據(jù)傳輸。采用移動公網(wǎng)將檢測數(shù)據(jù)實時傳輸至集團云計算中心，不受設(shè)備安裝地域限制。

7）數(shù)據(jù)無縫接入礦方安全監(jiān)控系統(tǒng)。地面井監(jiān)測數(shù)據(jù)實時進入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)礦井井上井下全抽采系統(tǒng)實時監(jiān)控。

8）全方位防盜防破壞警報。具有人員越界視頻監(jiān)視和開箱本地聲光報警功能，可以實現(xiàn)本地威懾和視頻上傳留證。

9）一體化安裝工藝。將風光互補發(fā)電設(shè)備、監(jiān)控箱、監(jiān)測儀表進行一體化安裝設(shè)計，方便設(shè)備的安裝與后期的維護。

4 現(xiàn)場應用情況

在淮北礦業(yè)（集團）有限責任公司臨渙礦9113工作面4 號地面井DN250 抽排管道上進行地面井抽采監(jiān)測系統(tǒng)試驗。

自2019 年11 月16 日至2019 年12 月15 日測量地面井抽采標況流量、管道壓力（數(shù)據(jù)圖略）。為檢驗地面井抽采監(jiān)測系統(tǒng)計量數(shù)據(jù)的可靠性及準確度，在試驗管道上預留了1 個對比測試孔，用于CD3（A）瓦斯抽放參數(shù)測定儀人工測試數(shù)據(jù)，分別在11 月16 日、11 月26 日和12 月14 日對標況流量、管道壓力進行對比測試，流量參數(shù)測量對比見表1。

表1 流量參數(shù)測量對比Table 1 Comparison of flow parameter measurement

從測量地面井抽采標況流量、管道壓力數(shù)據(jù)分析可知，標況純流量隨著抽采時間推進，氣體混合流量呈現(xiàn)明顯下降趨勢，管道壓力隨著抽采時間推進，抽出瓦斯的阻力越來越大，管道負壓越來越大。根據(jù)表1 分析可知，地面井監(jiān)控系統(tǒng)計量的標況純量、管道壓力和管道溫度與人工采用CD3（A）瓦斯抽放參數(shù)測定儀測定的數(shù)據(jù)基本一致，測試結(jié)果在合理誤差范圍內(nèi)，驗證了地面監(jiān)控系統(tǒng)計量的準確性。

整套設(shè)備自2019 年11 月16 日運行1 個月以來，全套設(shè)備沒有出現(xiàn)過任何故障及不正?，F(xiàn)象；在線抽采檢測設(shè)備的管道流量、壓力、溫度測量結(jié)果和人工測量結(jié)果數(shù)據(jù)吻合；從中心站記錄曲線上看，該套檢測設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化均能與實際施工情況、環(huán)境條件相對應，測量準確性和穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 語

1）利用風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池和本安澆封電源研制了基于風光+蓄電互補的野外本安型自供電源，實現(xiàn)了地面井瓦斯抽采單獨計量監(jiān)測裝置所有設(shè)備就地本安供電。

2）利用威力巴流量計、激光甲烷傳感器、4G 無線通信模塊和紅外微波探測器研制了一體化煤礦地面井（群）分源抽采的無線自動計量監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了差壓流量檢測、激光甲烷檢測、4G 無線移動通信和防盜防拆功能；同時將計量監(jiān)測數(shù)據(jù)通過移動4G網(wǎng)絡(luò)，采用了基于APM 體系搭建TCP 服務(wù)器結(jié)合第三方數(shù)據(jù)分析接口的數(shù)據(jù)處理模式，實現(xiàn)了地面井抽采計量監(jiān)測數(shù)據(jù)與煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)無縫融合。

3）地面井瓦斯抽采計量監(jiān)測系統(tǒng)為煤礦瓦斯抽采量分析、瓦斯抽采狀況調(diào)研提供了詳實的數(shù)據(jù)來源，可以實時監(jiān)測地面井抽采系統(tǒng)運行情況；通過對地面井整個生命全周期計量監(jiān)測，結(jié)合地面井與工作面空間關(guān)系，為地面井空間布置設(shè)計提供了非常精準、科學合理的依據(jù)，有效減少了目前憑經(jīng)驗設(shè)計的誤差，提高了地面井抽采效果。