高瓦斯礦井智能抽采管控系統(tǒng)的應(yīng)用

李寶軍,常 哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯災(zāi)害是威脅煤礦安全生產(chǎn)主要災(zāi)害之一,科學(xué)的瓦斯治理手段是煤礦安全高效開采的重要保障[1]。黃陵二號煤礦屬高瓦斯礦井,礦井建有10套瓦斯抽采系統(tǒng),采取區(qū)域預(yù)抽、高位裂隙、本煤層預(yù)抽、上隅角插管等多種瓦斯抽采技術(shù),抽采達標評判則是對本煤層預(yù)抽效果的檢驗,是判定工作面能否安全回采工作的重要依據(jù)。

在生產(chǎn)中如何將瓦斯治理與安全高效生產(chǎn)有機結(jié)合,需要推進針對具體煤礦開采條件和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的科學(xué)定量決策,充分利用煤礦瓦斯治理的新技術(shù)、新方法、新裝備,建立瓦斯抽采精準計量與動態(tài)達標評價系統(tǒng)。全面實現(xiàn)瓦斯抽采達標評判的精細化、智能化和可視化管理是推動當前煤礦瓦斯治理水平提升的緊迫任務(wù)[2]。

1 瓦斯抽采精準計量技術(shù)分析與應(yīng)用

1.1 抽采管道環(huán)境與計量設(shè)備適用性分析

煤礦瓦斯抽采管道內(nèi)環(huán)境條件復(fù)雜,具有水汽大、煤塵大、雜質(zhì)多、高負壓、流速波動范圍大、交叉氣體干擾、管徑種類多、安裝空間受限等特點;此外,中國大多數(shù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層瓦斯含量高、透氣性差、吸附能力強[3],瓦斯抽采條件差、難度大,各種煤體增透消突措施的應(yīng)用,讓瓦斯抽采管道內(nèi)環(huán)境變得更加復(fù)雜,尤其是靠近鉆場(鉆孔)的管道內(nèi)環(huán)境條件更為惡劣[4]。

瓦斯抽采管道監(jiān)測設(shè)備承擔(dān)著為煤礦瓦斯抽采達標評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的任務(wù),抽采監(jiān)測設(shè)備計量數(shù)據(jù)準確性直接影響到抽采達標評判結(jié)果可靠性[5]。因此,采用先進的檢測技術(shù),應(yīng)充分考慮設(shè)備運行工況環(huán)境,選型設(shè)計瓦斯抽采精準計量設(shè)備,能適應(yīng)各種抽采管徑的高塵、高濕、高負壓的抽采管道環(huán)境,能滿足安裝、使用、維護、周期性校驗方便等要求。

1.2 管道氣體流量檢測技術(shù)分析與應(yīng)用

煤礦中應(yīng)用的氣體流量計種類很多,但適用于管道氣體流量檢測的流量計并不多,礦井以往應(yīng)用的有孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計、V錐流量計等,這些流量計有一定的優(yōu)點,也有不少的局限性[6]。目前,煤礦應(yīng)用基于循環(huán)自激式流量檢測技術(shù)的流量計,能有效解決管道氣體流量檢測存在的環(huán)境適應(yīng)性問題[7]。

循環(huán)自激式流量檢測技術(shù)是一種新型流量檢測技術(shù),其工作原理為雙渦列推挽測量技術(shù)。通過在氣體流場中設(shè)置漩渦發(fā)生體,管道內(nèi)含瓦斯氣流經(jīng)過漩渦發(fā)生體,后部產(chǎn)生雙排有規(guī)則的渦流。在渦流引出管尾部設(shè)置有信號檢測元件,檢測渦流產(chǎn)生的周期性頻率信號,并輸出到信號處理電路進行處理;之后由單片機微處理器進行頻率信號的計算,通過分析軟件測算出氣體流量與頻率信號之間的關(guān)系;進而獲得氣體流量檢測數(shù)據(jù),在傳感器上實時顯示流量數(shù)據(jù),并可實時上傳到上位機系統(tǒng),實現(xiàn)管道氣體流量在線監(jiān)測。

1.3 管道甲烷濃度檢測技術(shù)分析與應(yīng)用

煤礦井下甲烷氣體濃度檢測技術(shù)有:載體催化式、熱導(dǎo)式、紅外吸收式、激光氣體檢測等。其中,載體催化式一般適用于環(huán)境低濃度甲烷監(jiān)測,而熱導(dǎo)式應(yīng)用場景受限,紅外吸收式測量容易受水汽、烷烴類氣體干擾[8]。目前,利用激光檢測原理實現(xiàn)管道甲烷濃度的監(jiān)測應(yīng)用前景廣泛。

為了提高甲烷檢測的精度和靈敏度,以TDLAS為基礎(chǔ)的波長調(diào)制激光吸收光譜技術(shù)(WMAS)得到廣泛運用,它是利用二極管激光器的波長掃描和電流調(diào)諧特性來實現(xiàn)痕量氣體吸收曲線的二次諧波檢測技術(shù)。經(jīng)調(diào)諧的激光器線寬比待測氣體單獨吸收譜線寬小很多,從而保證調(diào)制掃描范圍內(nèi)只有待測氣體的吸收譜線,具有良好的測量單色性,不受氣體中其他成分影響。

1.4 復(fù)雜抽采管道環(huán)境適用的計量設(shè)備

CGWZ-100(C)管道激光瓦斯氣體綜合參數(shù)測定儀(簡稱測定儀),采用基于循環(huán)自激式流量檢測和基于波長調(diào)制激光吸收光譜的甲烷測量技術(shù),可用于測量抽采管道內(nèi)氣體流量、甲烷、CO、壓力和溫度等參數(shù);設(shè)備采用插入式結(jié)構(gòu),只需在管道上開個小孔即可安裝,壓力損失極小,適用于煤礦瓦斯抽采總管、主管、干管、支管道的綜合參數(shù)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)架構(gòu)、功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu),結(jié)合瓦斯抽采達標評判的應(yīng)用需求,按照層次與技術(shù)體系,創(chuàng)建煤礦瓦斯抽采效果達標動態(tài)評價系統(tǒng)的“三層兩體系”架構(gòu)體系,即抽采參數(shù)感知層、感知數(shù)據(jù)傳輸層、抽采智能應(yīng)用層,以及技術(shù)標準規(guī)范體系和安全運維保障體系[9]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.1 General structure of the system

2.1.1 抽采參數(shù)感知層

感知層是聯(lián)系物理世界與信息世界的橋梁,其作用是完成數(shù)據(jù)的感知和采集,由井下部署的智能傳感設(shè)備、智能監(jiān)控分站等組成,主要功能在于采集瓦斯抽采管道參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù),實現(xiàn)所需信息全面監(jiān)測。采掘工作面按照瓦斯抽采效果評價監(jiān)測點要求部署監(jiān)測設(shè)備,實現(xiàn)工作面干管道、支管道、抽采單元、鉆場(鉆孔)等測點的瓦斯抽采參數(shù)在線監(jiān)測。

2.1.2 感知數(shù)據(jù)傳輸層

傳輸層是完成感知層的數(shù)據(jù)接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸及控制管理等工作,主要是由以太網(wǎng)交換機、地面核心交換機、通信基站等網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和線路構(gòu)建的光纖環(huán)網(wǎng),以及由無線傳輸設(shè)備組成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等,是井下感知信息傳輸、控制下達的重要通道,是連接感知層與應(yīng)用層的紐帶。

2.1.3 抽采智能應(yīng)用層

應(yīng)用層是將采集的數(shù)據(jù)進行匯總、分析、轉(zhuǎn)換、處理和展示等,主要包括:①數(shù)據(jù)整理與回歸分析,實現(xiàn)對瓦斯抽采監(jiān)測信息的分析、評價和診斷,如抽采量統(tǒng)計分析、抽采評價指標反演、抽采效果趨勢分析、抽采系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常分析、設(shè)備運行狀態(tài)異常分析等;②數(shù)據(jù)分析的結(jié)果評價與應(yīng)用,提供面向不同信息應(yīng)用的管理和展示,如抽采效果自動評價、抽采達標自動評判、抽采報表自動生成、抽采系統(tǒng)異常分級報警、瓦斯抽采云圖可視化監(jiān)控等;③分析評判結(jié)果的展示,面向用戶的展示平臺,可通過Web終端、顯示大屏、移動終端等實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測與分析結(jié)果的可視化展示。

2.1.4 技術(shù)標準規(guī)范體系

技術(shù)標準規(guī)范體系是指監(jiān)測系統(tǒng)之間互聯(lián)互通、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同而形成的標準化規(guī)范體系。通過建立標準的規(guī)范體系,遵照行業(yè)標準規(guī)范來創(chuàng)建智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》文件的要求,圍繞采掘工作面瓦斯抽采達標評判全過程的管理,構(gòu)建瓦斯抽采效果達標動態(tài)評價技術(shù)體系[10],實現(xiàn)瓦斯抽采過程的可視化、動態(tài)化的抽采效果智能評價、多業(yè)務(wù)智能分析、抽采異常預(yù)警等功能,解決煤礦抽采達標評判過程粗糙、評價方式單一、客觀性不強等問題,推動煤礦建立精細化的抽采達標管理體系。構(gòu)建抽采效果達標的動態(tài)評價指標體系,如圖2所示。

圖2 抽采效果達標評價指標體系Fig.2 Standard evaluation index system of extraction effect

2.2.1 預(yù)抽鉆孔有效控制范圍界定

預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔施工后,系統(tǒng)可按照鉆孔開孔位置、最邊緣鉆孔和終孔點位置圈定順層鉆孔的有效控制范圍,按照相鄰邊緣鉆孔見煤點間連線圈定穿層鉆孔的有效控制范圍;自動分析圈定鉆孔的有效控制范圍是否完全覆蓋預(yù)抽煤層瓦斯的評價區(qū)域。

2.2.2 預(yù)抽鉆孔均勻程度評價

預(yù)抽鉆孔按照設(shè)計鉆孔參數(shù)施工完成后,系統(tǒng)可自動分析實際鉆孔均勻程度、核查是否存在空白帶,包括以下3個方面:分析實際鉆孔間距是否超過設(shè)計鉆孔間距;分析實際鉆孔的各孔間距是否小于施工鉆孔平均間距的1.3倍;分析實際鉆孔間距是否超過鉆孔抽采半徑影響范圍。若存在實際間距偏差較大時,系統(tǒng)發(fā)出異常提示信息,提醒人員及時采取補孔措施。

2.2.3 預(yù)抽達標評判單元劃分

根據(jù)采掘工作面瓦斯地質(zhì)圖劃定工作面不同的瓦斯地質(zhì)單元,將同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi),施工的預(yù)抽鉆孔間距和預(yù)抽時間基本一致的區(qū)域劃分為一個評價單元。系統(tǒng)自動計算評價單元內(nèi)施工鉆孔的預(yù)抽時間差異性系數(shù)k,若k<30%時,可判定評價單元劃分滿足要求。

2.2.4 預(yù)抽瓦斯效果指標計算與評判

對同一評價單元預(yù)抽瓦斯效果進行評價時,需對評價單元瓦斯抽采量進行單獨計量,統(tǒng)計單元內(nèi)累計抽排瓦斯量,根據(jù)煤層原始瓦斯含量、評價單元內(nèi)參與計算的煤炭儲量、煤的殘存瓦斯含量、煤的工業(yè)分析指標等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動計算出抽采評價單元抽采后的煤層殘余瓦斯含量、煤層殘余瓦斯壓力,以及煤的可解吸瓦斯量等指標,并對是否滿足規(guī)定的預(yù)期達標指標進行評估,經(jīng)評估達標后,方可進行預(yù)抽瓦斯效果指標實測。

2.2.5 實測預(yù)抽瓦斯效果指標

按照《GB/T 23250煤層瓦斯含量井下直接測定方法》《AQ/T1047煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》進行現(xiàn)場實測煤層的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力,并依據(jù)殘余瓦斯含量計算現(xiàn)場測定的煤層可解吸瓦斯量,系統(tǒng)實現(xiàn)實測預(yù)抽瓦斯效果指標的信息化管理。

2.2.6 瓦斯抽采效果達標評判

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》要求,依據(jù)303工作面瓦斯抽采設(shè)計和瓦斯抽采各項參數(shù)資料,對綜采工作面瓦斯預(yù)抽率、殘余瓦斯含量、殘余可解析瓦斯含量及瓦斯預(yù)抽時間指標進行判定。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 井下現(xiàn)場分單元部署精準測量裝置

303綜采工作面位于黃陵二號煤礦三盤區(qū)中部,工作面可采長度3 891 m,工作面傾向長度300.5 m。工作面煤層預(yù)抽鉆孔在膠帶巷施工,每隔70 m部署一個鉆場,鉆孔呈扇形布置接入到DN225匯集器,然后通過匯集器接入到DN500抽采支管道。303綜采工作面作為瓦斯抽采效果分元達標評價重點區(qū)域,根據(jù)鉆孔施工情況及達標監(jiān)測需求,將膠帶巷每300 m內(nèi)的抽采鉆孔劃分為1個評價單元,在每個評價單元分別部署1個分元評價測點,共劃分13個分元評價單元,并對工作面的瓦斯抽采效果進行分單元評價。

303工作面膠帶巷分元評價測點監(jiān)測:部署13個測點,測點分別安裝在膠帶巷DN500抽采支管道上,每隔約300 m進行測點部署;分站部署3臺,分別安裝在膠帶巷巷口(F9)、膠帶巷1 500 m處(F10)、膠帶巷2 700 m處(F11),測點1～測點5連接分站F9,測點6～測點9連接分站F10,測點10～測點13連接分站F11,如圖3所示。

圖3 303綜采工作面瓦斯抽采分元評價測點部署示意Fig.3 Measurement point layout of gas extraction sub element evaluation on 303 fully mechanized mining face

3.2 地面部署智能化的抽采效果達標評價系統(tǒng)

煤礦地面監(jiān)控中心部署監(jiān)控主機、服務(wù)器、交換機、操作系統(tǒng)等,構(gòu)建系統(tǒng)運行的服務(wù)器環(huán)境。系統(tǒng)建立有工作面瓦斯抽采效果達標的全過程、動態(tài)化評價體系,基于抽采評價區(qū)域煤質(zhì)特征、瓦斯原始含量、已涌出瓦斯量、瓦斯抽采累積量、瓦斯監(jiān)測狀態(tài)與趨勢,建立的瓦斯抽采達標評價模型、瓦斯抽采效果預(yù)測模型,實現(xiàn)對工作面、各個評價單元和重要區(qū)域的瓦斯抽采效果動態(tài)達標評價。通過抽采系統(tǒng)圖、拓撲圖、工作面抽采效果“一張圖”、評價單元抽采效果“一張圖”等可視化監(jiān)控方式,展示煤礦井下巷道、采掘工作面、抽采評價單元、抽采鉆場(鉆孔)等場景,提供直觀而全面的井下管道瓦斯抽采信息,以多種顏色、動態(tài)展示采掘工作面及評價單元的抽采效果評價結(jié)果,便于人員直觀了解工作面瓦斯抽采達標狀況。

4 結(jié)語

以瓦斯抽采精細化管理為目標,分析應(yīng)用復(fù)雜抽采管道環(huán)境適用的抽采檢測技術(shù)與計量設(shè)備,為瓦斯抽采達標評判提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);通過構(gòu)建“三層兩體系”總體架構(gòu),開展基于全過程管理的抽采達標評價系統(tǒng)功能設(shè)計,礦井建立瓦斯抽采動態(tài)達標評價系統(tǒng),現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,有利于煤礦精準掌控工作面瓦斯抽采效果達標狀況,合理安排采掘作業(yè)進度計劃,建立科學(xué)有效的瓦斯抽采管理體系,從而提升礦井瓦斯防治智能化管理水平。