晉煤集團井下瓦斯抽采管網在線監測系統開發與應用

劉九員 栗繼祖

(1.晉煤集團通風處，山西省晉城市，048000； 2.太原理工大學，山西省太原市，030024)

1 井下瓦斯抽采管網在線監測技術國內現狀

目前，煤礦井下瓦斯抽采管網在線監測技術主要借鑒石油天然氣行業相關技術，主要有2種形式，一種為基于硬件的管道泄漏檢測技術，另一種是基于軟件的管道泄漏檢測技術。

我國煤礦瓦斯治理十二字方針是“先抽后采、以風定產、監測監控”。 精確測定瓦斯抽采參數是保障安全生產的必要手段，自瓦斯治理十二字方針出臺以來，各瓦斯抽采礦井一直在探索究竟用何種方法才能真實地測定出地面瓦斯抽采主管路中的負壓、濃度、溫度、流量等參數，如何在此基礎上對各瓦斯抽采礦井有針對性地進行瓦斯抽采量計劃的制定和完成量的考核。

2011年10月，國家發展改革委、國家安全監管總局、國家能源局、國家煤礦安監局針對管道瓦斯抽采達標管理163號文件《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》發布，需求務必在2012年3月1日前建設完備的瓦斯抽采管網系統，建立能夠對瓦斯抽采進行流量、濃度、壓力和溫度等綜合參數檢測的在線瓦斯抽采管網監控系統，對于瓦斯礦井特別是高瓦斯礦井，必須做到“抽采達標后方可開采”的行業標準要求，促進了井下瓦斯抽采管網在線監測系統的開發應用。

2 晉煤集團井下瓦斯抽采管網在線監測系統開發的必要性

晉煤集團在瓦斯抽采的自動化監控技術已走在全國前列，在大部分的高突礦井地面瓦斯抽采泵站主管路中都安設的有自動監控系統并上傳至礦監測監控中心后臺，能實時地檢測到抽采主管路系統中的濃度、負壓、流量、溫度、混量等一系列抽放參數。

為了適應集團公司瓦斯抽采規模的不斷發展擴大，2015年晉煤集團開始對各高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井的抽采效果進行考核，并以礦井實際瓦斯抽采量為主要指標，實現網上動態考核，各抽采礦井的瓦斯抽采泵站及井下瓦斯管道內監測數據(包括瞬時純流量、累計純流量、溫度、負壓、濃度等)必須實時上傳至集團公司，以便為瓦斯抽采考核工作提供可靠依據。

晉煤集團曾用過多種瓦斯抽采在線監測設備，但由于煤礦井下瓦斯在抽采過程中含水大、含塵多、氣體成分復雜以及部分測點流速較低，測量的準確度和儀器的穩定性并不理想，因此，亟需開發瓦斯抽采管網系統以實現瓦斯抽采的實時在線監測。

3 晉煤集團瓦斯抽采管網監控系統裝備對比分析與改進方法

晉煤集團在大部分高突礦井地面瓦斯抽采泵站主管路中都安設了自動監控系統并上傳至礦監測監控系統，能檢測到抽采主管路系統中的濃度、負壓、流量、溫度、混量等一系列抽放參數，其中瓦斯流量和濃度的測定是兩個最重要的參數。

3.1 瓦斯抽采管網流量測定裝置對比分析

晉煤集團主要使用孔板流量計、V錐流量計、渦街流量計、循環自激式流量計等測量瓦斯流量。現根據現場使用情況，對幾種流量測量裝置進行對比分析如下：

(1)孔板流量計。孔板流量計是將標準孔板與多參數差壓變送器配套組成的高量程比差壓流量裝置，具有成本低、精度高、安裝方便、操作簡單等特點。但它量程比較小，一般為3∶1；由于瓦斯流經管道內徑的節流件時形成局部收縮，增加了抽采阻力，流量小時測量誤差較大，無法準確測量3 m/s以下的流速。

(2)V錐流量計。V錐流量計是利用V錐體在流場中產生的節流效應，根據伯努利方程原理，通過檢測上下游壓差來測量流量。它是壓差式流量計，原理跟孔板流量計一樣，它的量程比較寬。但是存在售價較高、差壓較低、需要標定而且存在壓力損失；由于管道中煤塵和雜質較多，煤塵會撞擊錐體后下落堆積，容易出現塵堵，且清理困難。

(3)渦街流量計。渦街流量計也稱之為旋渦流量計或卡門渦街流量計。具有耐臟污介質能力強、安裝拆卸方便、測量量程比較寬、永久性壓損小等特點，但是易受強電力設備、高頻設備、強電源開關設備和強烈震動及電磁干擾的影響，一般只能測量6 m/s的流速。

(4)循環自激式流量計。該傳感器的核心技術是循環自激，具有測量下限低、性能穩定可靠、便于安裝和調校的綜合優點。測量數據不受含塵、含水和溫度變化的影響，一體化的流量傳感器最低可監測1 m/s流速下的抽采氣流量，突破了目前常見的管道瓦斯流量檢測手段“不能測量抽采管道內流速低于6 m/s的氣流”這一困擾煤礦多年的瓦斯抽采計量瓶頸，該傳感器由于采用插入式的安裝方式，不會增加管道阻力，也大大簡化了安裝工作。

3.2 瓦斯抽采管網濃度測定裝置對比分析

目前，用于管道瓦斯濃度監測的傳感器較多，如催化燃燒式傳感器、熱傳導式甲烷傳感器、熱效式甲烷傳感器、紅外甲烷傳感器等，現將常見甲烷傳感器對比分析如下：

(1)催化燃燒式傳感器。催化燃燒式傳感器是基于在其表面測量甲烷燃燒反應放出的熱量的原理，即燃燒使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值隨之上升，從而測定可燃氣體的濃度。它應用范圍廣泛，但容易受外界環境影響，當使用條件變化時元件自身催化活性下降，會使敏感元件靈敏度下降，需定時調校。

(2)熱傳導式甲烷傳感器。熱傳導式甲烷傳感器依據甲烷氣體的導熱系數與空氣的差異來測定甲烷的濃度，通常利用電路將導熱系數的差異轉化為電阻的變化。這種傳感器優點是甲烷氣體濃度高時穩定性較高，壽命較長，一般用于高濃度甲烷氣體的測量(4%～100%)；缺點是功耗較大，易受水蒸氣的影響，元件的一致性和互換性較差。

(3)熱效式甲烷傳感器。熱效式甲烷傳感器(又稱黑白元件傳感器)是利用可燃氣體在催化劑的作用下進行無焰燃燒產生熱量，使元件參數變化來測量瓦斯的濃度。這種傳感器的優點是在低濃度值時精度較高且不受其它燃氣和灰塵存在的影響，價格便宜；缺點是壽命短(一年左右)、功耗大，易受硫、鉛、磷、氯等化合物干擾而使催化劑中毒，從而降低其靈敏度，甚至誤報。

(4)紅外甲烷傳感器。常見紅外甲烷傳感器利用紅外光譜吸收法是通過檢測甲烷氣體反射光強或透射光強的變化來檢測甲烷氣體濃度的方法。光譜吸收法檢測甲烷氣體濃度具有選擇性好、靈敏度高、采用光信號檢測、產生的干擾信號小、系統的信噪比高等優點。

3.3 瓦斯抽采管網監控系統的改進方法

現行使用的瓦斯抽采測量手段存在以下問題：一是由于手工間斷性測量，無法反映連續抽采過程的情況；二是人為因素引起的誤差較大，且監測效率較低；三是監測數據滯后，無法起到及時指導調節管網抽采系統運行工況的作用；四是流量計在煤礦現場使用過程中測量效果不理想，經常發生監控系統數據與實際瓦斯抽采量數據不一致、不相符的情況，不能依據監控數據準確判斷抽采達標情況，集團公司更不能根據抽采監控數據進行瓦斯抽采量計劃的制定和完成量的考核。

針對以上問題，提出以下改進方法：一是通過考察論證各種流量傳感器在煤礦瓦斯抽采中的優劣，選擇循環自激式流量測定技術，解決管網抽采前端低流速監測的難題；二是利用紅外測量技術，基于紅外漫反射的原理，通過增加檢測甲烷氣體反射光程，提高瓦斯濃度測量的靈敏性和準確性；三是對瓦斯抽采管網各個監測點管道瓦斯參數進行可靠和準確地分析，優化抽采量分配，完備抽采效果評價，診斷監控泄漏點；四是建立一套煤礦瓦斯抽采管網監控系統，基于成熟、穩定和可靠的傳感器監測技術，實時在線監測井下各主管道、干管道、支管道、獨立區域管道監測點瓦斯的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數。

4 晉煤集團井下瓦斯抽采管網在線監測系統的開發

為了解決礦井煤礦瓦斯抽采監測存在的監測數據滯后、實時性不強、數據監測不準確以及數據監測無關聯的問題，晉煤集團在全國率先建立井下瓦斯抽采管網在線監測系統，實現了瓦斯管道中瓦斯的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數自動化的瓦斯抽采效果監測和評價，為掌握瓦斯運行的規律提供科學的依據，并提供及時的異常處置預案。

4.1 系統的組成

瓦斯抽采管網監控系統包括井下瓦斯抽采管網監控系統、傳輸網絡系統、地面監控服務器系統三大部分，井下瓦斯抽采管網在線監測系統架構示意圖如圖1所示。

(1)井下瓦斯抽采管網監控系統。該系統通過布置在瓦斯抽采管道上的監測點感知設備完成對監測點流量、濃度、壓力、溫度等實時監測，將各個測點監測數據實時傳輸到所屬分站，由分站接入傳輸網絡系統進行數據上傳。

(2)傳輸網絡系統。該系統擔負著將井下瓦斯抽采管網的監測數據按照采集要求及時傳輸到礦山監控中心機房的采集設備中，并將人工或者自動控制指令及時分發給井下分站。

(3)地面監控服務器系統。該系統將傳輸網絡系統上傳的監測數據進行及時的分析處理、存儲及實時展示、報表統計及打印，并對異常進行提醒和告警，為指導生產提供及時、可靠的監測數據支持。

4.2 系統的功能

晉煤集團井下瓦斯抽采管網在線監測系統主要有兩大方面的功能：一方面包括管網瓦斯監控系統具備的業務管理功能，另一方面包括監控系統監測管網瓦斯抽采的相關參數。

(1)管網監測業務。管網監控業務主要包括數據采集、業務分析、在線監測、事件回放、業務報表。數據采集完成對井下管道瓦斯抽采監測數據的及時搜集；業務分析是指根據采集的數據進行分析和診斷，發現異常，及時告警，完成對抽采效果的參考評價；在線監測以不同形式完成對監測對象的實時監視，發現異常及時告警；事件回放用于對發生的歷史事件進行回放，用于現場恢復和責任分析。

(2)管網監控參數。管網瓦斯監控參數主要包括甲烷的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數，對甲烷流量提供純流量、混合量、累計量等相關計量業務。

圖1 井下瓦斯抽采管網在線監測系統架構示意圖

5 晉煤集團井下瓦斯抽采管網在線監測系統的應用效果

為了準確掌握瓦斯抽采管網在線監測系統數據的準確性，選擇晉煤集團成莊礦瓦斯抽采管網在線監測系統數據與實測數據進行比較，再根據晉煤集團瓦斯抽采量統計管理辦法進行核算。

5.1 系統效果檢驗方法

本文采用皮托管、均速管、便攜式瓦斯抽采管道參數測定儀等方法進行人工測定，通過驗證，確保瓦斯抽采量測定結果真實且可靠。通常采用以下兩種檢驗方法：一是采用經校準的直讀式抽采管道參數測定儀，直接對管道壓力、溫度、濃度、流速和抽采量等參數進行直接測定；二是采用皮托管對抽采量進行測定，采用管道參數測定儀對管道壓力、溫度進行測定，采用光學瓦斯檢查儀和高負壓采樣器對管道濃度進行測定，將皮托管伸入管道中心測定管道速壓，然后將上述測定參數帶入公式(1)進行計算：

(1)

式中：V——管道內中心點的流速，m/s；

Hd——管道內中心點動壓，Pa；

ρ——氣體密度，kg/m3；

D——管道內直徑，m；

Vp——管道內測點處的平均流速，m/s；

k——系數，測點處的平均流速與中心點流速的比值，系數k取值見表1。

表1 系數k取值參考表

5.2 系統的應用效果分析

為了驗證監測點在煤礦井下安裝試運行的效果，一種方法是根據實測數據對比，另一種方法是根據各關聯關系檢驗精度。

(1)根據實測數據對比檢驗精度。選擇晉煤集團成莊礦4盤區4106巷本煤層、4106巷采空區、43181巷這3個在線計量設備的測量數量與皮套管測量儀、瓦斯光學鑒定儀的數據進行了對比和分析，對比結果見表2。

(2)根據各關聯關系檢驗精度。根據2016年3月8日二五聯絡一巷、2243副巷、2244巷、2241巷、2104采空區、2104本煤層安裝位置實測參數，分析6個測點傳感器的關聯關系，對比結果見表3。

表2 瓦斯抽采管網在線監測數據與實測數據對比表

表3 瓦斯抽采管網監測關聯數據精度對比表

本工程中瓦斯抽采管道使用的是DN600，管內徑為560 mm，其滿量程FS計算公式為FS=流速×管斷面積×60″，即22 m/s×(0.282×3.14 m2)×60″=324.9 m3/min，精度范圍為±3%×324.9=±9.7。2243副巷混合流量+2244巷混合流量+2214混合流量=2104采空區(2104采空區精度=2243副巷混合流量+2244巷混合流量+2214混合流量-2104采空區)，即(9.68+62.76+68.9-138.78)=2.56(在指標±9.7精度要求范圍內)；二五聯絡一巷混合流量=2104本煤層混合流量(2104本煤層精度=二五聯絡一巷混合流量-2104本煤層混合流量) ，即 (80.61-81.76)=-1.15(在指標±9.7精度要求范圍內)。

通過以上的數據對比可知，管道甲烷濃度和流量的在線監計量值與對比儀器測量值之間的誤差控制在本項目所達到的技術指標范圍內，說明本系統采用循環自激式流量傳感器和紅外橫向漫反射瓦斯濃度傳感器在含塵、含水環境條件下，可以準確地測量管道流量和瓦斯濃度，系統研究成果達到了預期。

6 結語

(1)晉煤集團依據技術研究院的技術優勢先行先試，在全國率先建成瓦斯抽采管道監測系統，實時在線監測井下各主管、干管、支管和獨立區域管道監測點瓦斯的濃度、流量、溫度、壓力等綜合參數。

(2)瓦斯抽采管網在線監測系統通過布置在瓦斯抽采管道上的監測點完成抽放參數的實時監測，并將各個測點的監測數據實時傳輸到所屬分站，由分站通過工業環網將數據傳輸至地面監控服務器系統，并完成及時地分析處理、存儲、實時展示、報表統計和打印，并實現對異常進行提醒和報警等功能。

(3)系統的開發與應用為工作面瓦斯抽采效果達標評價提供了直接真實的抽采依據，通過查詢分析抽采曲線，可以發現抽采規律，從而優化抽采方案，提高抽采效率。

(4)實現對抽采參數連續監控，設置抽采下限、超限及時報警，提醒及時處理諸如管道漏氣、過抽等問題，實時監控危險管段運行情況。

(5)通過晉煤集團瓦斯抽采管網系統采用的傳感器進行對比分析，循環自激式流量傳感器不受塵、含水、溫度變化的影響，最低可監測1 m/s流速下的抽采瓦斯流量，同時突破了目前常的管道瓦斯流量監測手段不能測量抽采管道內流速低于6 m/s流速的困擾；而基于紅處雙通道橫向漫反射技術的紅外甲烷傳感器，將光通路縮小到一個直徑20 mm的空間內，通過鍍金鏡面反折射增加光通路的長度，從而有效解決了監測誤差和零點漂移問題。

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