煤礦瓦斯抽放監測監控技術探討

Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李　濤

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶　400039)

煤礦瓦斯抽放監測監控技術探討

Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李濤

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039)

摘要：瓦斯抽放系統是保障煤礦安全生產的治本措施，瓦斯抽放監測監控是保障抽放系統正常運行的重要手段。為提高當前煤礦瓦斯抽放監控水平，針對當前瓦斯抽放監控系統存在的穩定性不夠高的問題，從監控系統構成的幾個關鍵要素(流量監測、瓦斯濃度檢測、壓力溫度監測、泵站自動控制等)出發，分析了每一個要素的常用技術現狀及存在的問題，提出了采用超聲波、威力巴以及激光檢測等新技術、新工藝解決現存問題的建議。

關鍵詞：瓦斯流量瓦斯濃度一氧化碳濃度壓力溫度監測泵站自動控制

Abstract：The gas drainage system is the radical measure to guarantee safety production of coalmine, while the monitoring and control is the important means to ensure normal operation of the gas drainage system. In order to improve the current level of gas drainage monitoring, aiming at the problem of low stability of the gas drainage system, on the basis of several critical elements that constitute the monitoring system, including flow detection, gas concentration detection, temperature and pressure detection, and pump station automatic control, etc., the commonly used technologies and existing problems for each element are analyzed, and the suggestion of using new technologies and processes, such as ultrasonic, Verabar and laser detection, etc., to solve existing problems is proposed.

Keywords：Gas flowGas concentrationConcentration of carbon monoxidePressure and tempratare detection

Pump station automatic control

0引言

瓦斯抽放監控技術是一個綜合性的技術，它包括流量監測技術、瓦斯濃度監測技術、一氧化碳濃度監測技術、管道氣體壓力監測技術、管道溫度監測技術、泵站監控技術等。瓦斯抽放監控系統用來監測煤礦瓦斯抽放管路中的甲烷濃度、一氧化碳濃度、壓力、流量、溫度、抽放泵狀態、閥門狀態等，并實現甲烷、一氧化碳等超限聲光報警，瓦斯抽放泵和閥門控制等功能[1]。瓦斯抽放監控技術的發展水平影響著瓦斯抽放系統的運行狀況以及抽放效果評價[2]。

1瓦斯抽放監控技術現狀

1.1　流量監測技術

瓦斯抽放流量檢測是抽放監控系統中最為重要的檢測項目之一，也是最難檢測的項目。煤礦抽放出的瓦斯氣具有成分復雜、濕度大、雜質多、流速變化范圍大、壓力小等特點。目前，在瓦斯抽放監控系統中用量較多的在線式流量測量儀器有：渦街流量計、旋進漩渦流量計、V錐流量計等。

渦街流量計是速度式流量計中的一種，根據檢測漩渦個數的不同方式，渦街流量計大體可以分為三種：壓電式渦街流量計、超聲式渦街流量計和熱式渦街流量計(即所謂的循環自激式流量計)。

① 壓電式渦街流量計

壓電式渦街流量計通過壓力元件檢測漩渦個數，具有無易損部件、安裝拆洗方便、阻力小、無易堵點、維護量小等優點，但也存在單點測量受插入深度影響、直管段要求長、對震動敏感、測量瓦斯最低流速不低于5 m/s、測量精度受流體中原始漩渦的影響等缺點。

② 超聲式渦街流量計

超聲式渦街流量計通過漩渦對超聲波束的調制來檢測漩渦個數，解決了壓電式渦街流量計測量下限高的關鍵問題，使得測量下限降低至0.4 m/s。但它依然存在單點測量受插入深度影響、直管段要求長、測量精度受流體中原始漩渦的影響等缺點，而且超聲探頭無法適應高濕、高臟的測量環境，探頭易損害。

③ 熱式渦街流量計

熱式渦街流量計即所謂的循環自激式流量計,它通過漩渦推動導流管內的空氣流動進而帶走熱絲熱量的方式來檢測漩渦個數。該流量計同樣是為了解決壓電式渦街流量計測量下限高的關鍵問題，使得測量下限降低至1.5 m/s。但它也依然存在渦街流量計的共同缺點：單點測量受插入深度影響、直管段要求長、測量精度受流體中原始漩渦的影響等；由于導流管的存在，帶來了導流管入口孔易堵塞的實際問題；導流管口的小孔過小，是易堵點，很容易被水滴或固體雜質堵塞，維護量大且不易疏通。

熱式渦街流量計無可轉動部件、耐臟污介質能力強；安裝拆卸方便；測量量程比寬；永久性壓損小。它只適用于高流速介質的測量，對于小流量的瓦斯抽放管道將無法使用。要測量低流速介質流量，就需要縮小輸氣管道，提高通過渦街流量計的氣體流速，但這會帶來額外永久性壓損問題。

另外，渦街流量計還對周圍環境振動敏感，對直管段安裝要求苛刻。

④ 旋進漩渦流量計

旋進漩渦流量計屬于流體振動型流量計，由于儀表內部流通面類似標準節流裝置文丘利管，因此也有人稱其為“文丘利渦街”。它主要是解決渦街流量計直管段要求高和下限流速高的問題，但是其存在壓損巨大，結構復雜、笨重，易堵塞固體雜質，清洗麻煩等缺點。

⑤ V錐流量計

V錐流量計是通過在管道中央懸掛一個沿管道軸向逐漸收縮的錐型節流件，當流體流經該節流件時會在節流件的前后產生差壓，通過采集該差壓計算流體流量。V錐流量計具有自整流、自清潔功能，只需要很短的直管段甚至不需要直管段[4]，在相同條件下，壓損相比孔板小；可以測量低流速流體，現場適應能力強，是目前現場應用中比較適合測量煤礦各種瓦斯氣體的一種流量計。

瓦斯抽放系統氣體輸送管道從鉆孔、鉆場到支管、干管總管，管道管徑大小不一，氣體流速從小到大，涵蓋范圍較寬，管道氣體壓力也是從幾千帕至上百千帕，變化幅度較大。不同的工況對流量測量設備的影響也不盡相同。前面所述的各種流量計都具有不同的自身特點，故流量計選擇得合適與否將直接影響到設備最終的應用效果。

1.2　瓦斯濃度監測技術

瓦斯濃度監測也是瓦斯抽放監測系統中最為關鍵的參數之一。目前，國內外瓦斯抽放系統中用于檢測瓦斯濃度的技術有載體催化式、熱導式、光干涉式、紅外式等。

① 載體催化式

載體催化式是低濃度瓦斯檢測(0~4%CH4)用量最大的一種檢測方式。基于這種方式的檢測儀器測量準確、價格低廉，深受廣大用戶喜歡。但是它存在調校周期短(一般為15天)、受其他烷類氣體影響且容易發生H2S中毒的缺點。由于檢測范圍較窄，載體催化式一般被應用到環境瓦斯監測中。

② 熱導方式

熱導方式是通過利用測量甲烷與空氣熱導率的差異而得到甲烷濃度相關的電信號，從而確定甲烷濃度。這種檢測方式可以檢測高濃度瓦斯氣，測量范圍可達100%CH4;價格低廉，是之前檢測高濃度瓦斯氣裝置中用量最大的一種。但是它在檢測低濃度瓦斯氣時精度很低，誤差較大,且易受水蒸氣、其他烷類氣體和環境溫度影響。

③ 光干涉式

光干涉式利用同一光源發出的兩束光,分別經過充有空氣的參比氣室和充有待測氣體的測量氣室,再相遇時兩束光將產生干涉條紋，根據干涉條紋的位置而測定瓦斯濃度。這種方式測量范圍寬、使用壽命長且不會發生氣體中毒現象，但它受二氧化碳氣體影響，氣體選擇性不好。目前,在用光干涉式儀器多是便攜式產品且屬于純物理結構設計，不能對壓力和溫度進行修正和補償，故它受溫度和氣壓的影響。另外,由于采用人為視覺查看干涉條紋，精度較低，測量誤差較大。

④ 紅外式檢測技術

紅外式檢測技術是近年來發展最快、最為迅猛的一種瓦斯氣體檢測技術[5]。它基于郎伯-比爾定律的“NDIR技術”，采用單光源雙波長測量，由電調制的光源發出脈沖光經過氣室時與氣體相互作用，處在氣體吸收峰處的某一段波長的紅外光被氣體吸收，而另一波長的光未被吸收，通過檢測在氣體特征吸收峰被吸收的光的能量,計算出氣體的濃度。這種檢測方式測量范圍寬，在全量程范圍內精度都很高，不受溫度和壓力影響，檢測元件使用壽命長，穩定性好。但是由于紅外光的波長單一性不好，當被檢測的瓦斯氣中存在其他處于與甲烷吸收峰相近的氣體時仍然會存在測量誤差較大的問題，容易受水蒸氣、其他烷類氣體的影響。

1.3　泵站的監控技術

目前，泵站的監控主要包括對泵房環境瓦斯濃度的檢測、環境溫度的檢測、泵軸溫的檢測、泵啟停狀態的檢測、循環水池水深和水溫的檢測、泵電壓電流的檢測、泵的啟停控制等，但還有許多泵房里以及泵房周圍的相關設施或設備沒有被監控到，還不能完全實現全泵站的監控，實現真正的無人值守。

對于自動控制來說，控制系統內檢測設備的運行穩定性、測量結果有效性是實現控制邏輯判斷的先決條件。若這些設備經常損壞或檢測誤差較大，將會給自動控制帶來誤判或不動作的情況，這是自動控制最不愿意看到的結果。

對于執行設備來說，PLC發出控制命令之后，應能夠迅速有效地執行相應的操作并反饋執行結果。但是，在當前實際應用過程中還存在部分設備運行穩定性差、設備可靠性差等問題，如檢測儀表抗干擾差、測量結果不準確、閥門電動裝置經常損壞等。這些還需要進一步的完善和提高。

2提高瓦斯抽放監控技術水平的建議

2.1　流量監測技術

對于氣體流量的監測，還需要進一步降低壓力無用損耗、擴大流量檢測范圍、降低流量測量下限、增強抗臟污介質能力、提高測量精度，使得有一種流量計能夠完全適合用于瓦斯抽放計量。建議可以采用以下3種方式進行流量監測技術的提高。

① 引進更先進的測量技術

目前，在天然氣檢測領域得到廣泛應用的超聲波流量計就是一個很好的技術[6]，它采用非接觸式超聲波原理進行檢測，無可轉動部件,抗臟污介質能力強,無壓損,量程比可達1∶40,測量精度可達0.5級,測量下限可低至1 m/s以下，能夠滿足上述特點中的多個技術指標。將其引入到瓦斯抽放領域中，能夠解決上述一系列問題，但是目前超聲波流量計價格高昂。該檢測技術將是一個很好的發展方向。

推出不久的一種A+K平衡式流量計，采用平衡節流原理，直管段要求比V錐流量更短、測量精度更高、壓損更低等，也具備提高上述諸多指標的特點，且價格適中，亦可以作為流量監測技術的另一發展借鑒途徑。

② 技術升級和創新

皮托管檢測范圍寬、測量下限低、微壓損、測量精度高，多用于標準裝置中作為標準源使用，其缺點是在檢測臟污介質時易堵塞，在檢測低流速流體時輸出差壓小。但是隨著檢測技術的不斷更新，目前檢測微壓已不是問題，只要能夠通過某種方式解決易堵塞的缺點，將皮托管流量計做成在線式檢測儀表，將具有很好的發展趨勢。

威力巴流量計起源于皮托管，測量原理與皮托管相同；演變于均速管流量計，保持了均速管流量計同一截面多處取壓測速的優點，同時又克服了均速管流量計易堵塞、長期運行穩定性差的缺點。通過配合高穩定度的微差壓測量模塊,威力巴流量計可以實現寬范圍氣體流量的檢測。目前，該流量計現場應用效果較好，測量準確性高，運行穩定性好，安裝拆卸方便。

通過采取防堵技術以及一體化集成技術，皮托管流量計已經能夠被應用到復雜的煤層氣流量在線監測領域。由于小巧的體積以及小流量測量的優勢，當前皮托管流量計主要被應用于流量較小、用量較大的井下支管、鉆場及鉆孔管道上。

③ 研制并增加必要的管道氣體工藝處理裝備

通過在瓦斯管道源頭(如鉆場等)安裝氣體工藝處理裝置，盡可能多地除掉管道瓦斯氣中水霧、液態水、固態雜質，使較為干凈的氣體進入到輸送管道內，這即有利于流量計量結果的準確可靠，也可延長計量裝置的使用壽命和穩定周期;同時,也會對整個瓦斯輸送系統起到很好的保護作用，減少因為管道內堵塞水和雜質帶來輸送阻力加大影響抽放效果的狀況。但井下瓦斯氣源頭較為分散，需要安裝大量的工藝處理裝備。對于煤礦用戶來說，這將是一筆不小的支出，所以這種工藝處理裝備還應考慮成本問題。

另外，建議在選擇在線式流量監測設備時，一定要根據安裝地點、測量介質的工況條件以及流量計的適用特性選擇合適的流量計，保證流量測量的準確性與穩定性。

2.2　氣體濃度監測技術

對于氣體濃度監測，現在的技術主要存在氣體選擇性差、現場應用限制條件較多、測量大的問題。隨著科技的發展，目前已有采用激光檢測氣體濃度的技術。激光式檢測技術[7]是近兩年來才發展起來的一種光學氣體濃度檢測技術，其檢測原理與紅外檢測技術的原理相同。激光光譜的單一性好，使得其測量氣體的選擇性更好，測量準確性好，抗干擾能力強，且對灰塵、水汽和液態水的敏感度也較低，使用壽命長，調校周期長，是一種很有發展前途的甲烷檢測技術。采用這種技術無疑會大大提升氣體濃度測量的準確性和可靠性。

2.3　泵站監控技術

對于泵站的監控技術，應進一步擴大其監控范圍，將周圍與之相關的設備的實時數據和情況都盡量納入到其系統范圍內。同時，鑒于當前檢測設備、執行設備的穩定性差的情況，可以考慮采用安裝多臺設備同時檢測、同時執行的方式，以提高檢測結果和執行結果的可靠性，爭取實現泵站甚至整個抽放控制系統的無人值守。另外，對于提高檢測設備以及執行設備的可靠性問題，應從提高設備自身的環境耐受能力以及適應

性上下功夫(如提高系統內的設備抗干擾能力、防護等級等)。

3結束語

瓦斯抽放監測監控技術是一個系統性的技術，涵蓋物理檢測、數據采集、信號傳輸、數據處理、邏輯判斷、指令生成、設備執行與反饋等多個方面，其中任何一個方面出現問題或不穩定，都會導致監控系統的不穩定甚至癱瘓。不可否認，當前現用的抽放監測監控系統還存在各方面的不完善和不穩定，正視這些問題，采用新技術、新手段，不遺余力地去分析、完善它們，相信在科技高度發達的今天，瓦斯抽放監測監控技術會再上一個新臺階。

參考文獻

[1] 國家安全生產監督管理總局.MT/T 1126-2011 煤礦瓦斯抽采(放)監控系統通用技術條件[S].2011.

[2] 王杰.國內瓦斯抽放監控系統在使用中的局限性分析[J].煤礦現代化，2009，7(5):49-50.

[3] 李濤.皮托管在瓦斯抽放煤層氣輸送計量中的應用[J].自動化儀表，2015，36(1):95-98.

[4] 李濤.管道瓦斯流量計量技術的分析與應用[J].自動化儀表，2010,31(8):67-69.

[5] 馬前軍.紅外瓦斯傳感器在煤礦監測系統中的應用[J].電子世界，2013(9):32-33.

[6] 王民意.時差法在超聲波氣體流量計中的應用研究[J].儀表技術與傳感器，2013(7):26-28.

[7] 孫繼平.煤礦監控新技術與新裝備[J].工礦自動化，2015，41(1):1-5.

中圖分類號：TH81;TD712

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508011

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2012ZX05041004)。

修改稿收到日期：2015-06-17。

作者李濤(1982-)，男，2004年畢業于河南理工大學電氣工程及其自動化專業，獲學士學位，助理研究員；主要從事礦用瓦斯流量監測技術的研究。