基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統設計

摘 要：針對煤炭資源的開采過程中煤層氣抽采及輸送中存在的問題，設計了基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統。首先構建井下煤層氣的高效抽采子系統，然后構建了井下煤層氣的安全輸送子系統，最后構建了抽采泵的智能化變頻調控子系統，最終實現了基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統。該系統最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤礦瓦斯抽采達標進程，降低瓦斯災害事故的發生，促進煤炭的安全高效開采，滿足國家中長期能源戰略發展的戰略要求的目的。

關鍵詞：智能化煤層氣抽采；輸送系統設計；方案實施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.048

1 引言

在煤炭資源的開采過程中，其伴生承壓氣態產物煤層瓦斯必然向礦井涌出，可能造成瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出等災害事故，嚴重地制約著煤炭企業的安全高效集約化生產。我國92%的煤炭生產是井工開采，井下開采平均深度近600m，目前還以每年20～25m的速度向下延伸，煤層瓦斯含量逐步增大，許多低瓦斯礦井逐步轉為高瓦斯礦井，原來沒有煤與瓦斯突出危險的煤層變為煤與瓦斯突出危險的煤層，國有煤礦50%的礦井為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井。隨著煤炭開采深度增加，瓦斯壓力、地應力和地溫梯度增加，瓦斯抽采的難度將進一步增大，煤炭生產已經普遍受到瓦斯災害的嚴重威脅。

煤礦瓦斯抽采系統是一個復雜的動態系統，各關鍵設備運行性能直接影響整個抽采系統運行及效率。因此，提高瓦斯抽采泵、抽采輸送管路系統、瓦斯抽采監測系統等關鍵技術裝備水平，建立抽采系統關鍵設備如抽采泵、控制閥門、連接管網及檢測監控系統等最優選型機制和自適應智能調節機制，是十分必要的。

因此，研究智能化控制的高穩定性瓦斯抽采及輸送系統，是實現煤礦瓦斯高效率、低能耗抽采的關鍵思路。本文通過構建井下煤層氣的高效抽采子系統、井下煤層氣的安全輸送子系統及抽采泵的智能化變頻調控子系統，建立基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統，達到最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤礦瓦斯抽采達標進程，降低瓦斯災害事故的發生，促進煤炭的安全高效開采，滿足國家中長期能源戰略發展的戰略要求的目的。

2 總體方案設計

本文目的是在整個煤礦抽采管路中建立完整的監測監控系統，通過各個設備的協同作用來實現對抽采泵的智能變頻控制，保證煤層氣的高效抽采與安全輸送。

本文通過在瓦斯抽采管道內安放多種不同類型的監測監控分站及監控監測裝置，適時監測管道內部瓦斯的流量、濃度、溫度及CO濃度等，同時安裝光纖甲烷傳感器，用于準確測量瓦斯濃度便于地面人員對危險氣體的實時監控。根據上述參數一方面保證瓦斯抽采的安全輸送，另一方面利用多信息融合技術控制抽采泵的智能變頻控制。為了防止災變的出現，在整個抽采管道及其分支管路安裝管道專用噴粉抑爆系統及雙向阻火器，最大限度的保證了瓦斯在抽采時的安全輸送；管道外部安裝多種監控分站，保證了整個抽采管路功能多樣化、高效合理化運作，各監控分站、監控監測裝置、噴粉控制裝置通過與數據傳輸總線連接，將數據傳輸至井上控制中心，井上人員通過人員定位通信系統與井下工作人員交流，適當地進行普通故障排除；出現事故時，井上大屏幕將整個礦井及事故區域通過反復屏幕轉換將井下情況反饋至井上，并通過人員定位系統通知井下作業人員進行快速有效撤離。輸送管道方面，使用管道密封連接裝置解決了輸氣時滲氣、漏氣的現象，采用帶有加強結構的管材具有重量輕、抗沖擊、阻燃、抗靜電等特性，使瓦斯的高效抽采率大大加強。

3 方案具體實施

在煤礦井下煤層氣（瓦斯）抽采主管道、分支管道上分別布置大水量氣水分離器；負壓全自動排水、排渣器；雙向阻火器；管道專用自動噴粉抑爆裝置、抽采管路智能化監控系統以及煤層氣（瓦斯）抽采及安全輸送監控系統。煤礦監控監測系統隨時監測抑爆監控裝置、抽采泵監控裝置、煤礦環境參數、人員定位管理系統、抽采管路智能化監控系統、煤層氣（瓦斯）高效抽采及安全輸送監控系統、以及抽采管道中的甲烷濃度、壓力、溫度、流量等參數，通過數據傳輸系統實時監測井下各設備的運行狀況并把各項參數實時傳輸到地面監控系統中。

當利用多參數傳感器及環境傳感器監測到瓦斯濃度超限或其他異常情況（設備運行不正常、斷電等）時，能夠迅速反饋給井下及井上的監控系統，從而使井上、井下的工作人員采取措施解決隱患。

當傳感器根據監測到的管道內瓦斯氣體流量、濃度、壓力、溫度、紫外線及紅外線等信息判斷出發生瓦斯爆炸時，則整個系統會在5毫秒內通過雙向阻火器、管道專用自動噴粉抑爆裝置進行阻爆、隔爆及滅火，把災變控制在一定的范圍內，從而最大限度的保障工作人員的生命安全和保護煤礦財產的安全。在災變處理的過程中，系統會自動報警，通知井上人員更換新的阻爆、隔爆裝置，進行排查事故出現原因等安全防范措施。

當根據同一管道上的兩個多參數傳感器檢測到的瓦斯濃度的變化，判斷出輸送管路發生泄漏、堵塞、斷裂等情況時，則系統會自動報警，井上工作人員通過人員定位系統確定離故障點最近的維護人員，然后通過通信系統聯系維護人員及時搶修。

當監測到工作面發生事故時，監控系統通過井下攝像頭或者維護人員的實時錄像或圖片等把現場的信息發到監控系統大屏幕上或者相關負責人的手機或電腦屏幕上，以利于掌握第一手的現場信息。

4 結論

本文設計的基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統，為瓦斯的高效抽采及安全輸送提供了一種新的技術手段，為井下抽采泵的智能變頻調速提供了一種低能耗的研究思路和發展方向，可以實現地下對煤層氣的高效、環保、安全的抽采，可以避免煤礦生產過程中可能出現的煤與瓦斯突出，進行提前預警和預防，保障了煤礦安全生產的進行，避免了煤與瓦斯突出事故的發生，避免人員傷亡和財產損失，將帶來巨大的社會、經濟效益。

作者簡介：徐偉杰（1976-），男，山東濰坊人，碩士，工程師，研究方向：煤礦智能化系統。