低流速瓦斯抽采監測系統的設計與應用

郭路鵬

（山西晉煤集團宏圣公司，山西 晉城 048006）

煤礦瓦斯抽采監控系統的建立，是實現煤礦智能化管理，大數據分析瓦斯動態變化趨勢的重要手段。對于瓦斯抽采管道流量的監測，首先要測量準確、穩定性好，能夠有效解決低流速監測的難題，同時還要兼具大量程、多管徑適應、拆裝校驗方便等特點，能夠適應在高負壓、含塵、含水的惡劣環境條件下長期可靠運行，滿足智慧礦井建設的內在要求。根據長平煤礦在瓦斯抽采監測方面存在的問題，設計了一套低流速瓦斯抽采監測系統，現場使用取得了預期的效果。

1 瓦斯抽放系統現狀

長平礦目前建立了地面永久抽放泵站，布置了高、低負壓兩套抽采系統。目前主要存在問題是抽采在線監測系統不完善，僅在地面泵站高低負壓管道入口、回風巷巷口高負壓管，1306、13062 巷各安設一套抽采測點，其他巷道及各抽采單元、鉆場硐室均未安設抽采測點；原抽采系統計量準確性較差，低流速情況下無法測得有效數據，嚴重影響抽采計量統計；目前市場上的監控系統與原系統接口協議不一致，無法實現有效通訊。因此迫切需要重新設計瓦斯抽采管道監測系統，確保瓦斯抽采動態可控。

2 監測系統設計

2.1 系統組成

瓦斯抽采管道監測系統由三部組成：井下信號采集部分、信號傳輸部分和地面監測中心部分，見圖1。

圖1 瓦斯抽采監測系統署

（1）監測點布置

根據現場管道布置情況及《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》文件相關要求，分別在各抽采管路的主管段、干管段及工作面支管布置監測點。在蘆家峪臨時變電所、四盤區第三變電所、四盤區東部變電所主管道上布置測點，可以為工作面、獨立區域的抽采效果進行交叉分析，從而判斷抽采效果和管段異常分析；在蘆家峪泵站、第三瓦斯抽放泵站干管段布置測點，可以完成對指定工作面和獨立區域的業務關聯，從而可以實現對關聯工作面或者支管段的抽采效果評價和分析；在43043 巷、43081 巷、43061 巷布置測點，對工作面抽采效果進行重點監控。

（2）傳輸網絡系統

根據上述布置原則、測點位置及分站電纜布置情況，在蘆家峪泵站安裝了1 臺分站和一臺交換機，蘆家峪臨時變電所安裝了2 臺分站及一臺交換機，在東部變電所安裝了2 臺分站及一臺交換機，在四盤區第三變電所安裝了4 臺分站及一臺交換機并將這些交換機與地面機房的交換機用光纖連接組成了環網交換機。

（3）地面監測中心

地面監控設備主要包括監控主機，監控主機主要部署C/S 和B/S 業務管理軟件。監控業務管理軟件主要由設備部署與系統配置、實時在線監控、業務報表分析功能模塊組成。

2.2 系統工作流程

瓦斯抽采監測系統主要對原流量測量傳感器進行了改造，采用了基于循環自激式管道流量測量原理，可以精確測定管道內的流量，最低可測流速達到0.3 m/s。其信號數據傳輸工作流程見圖2。

圖2 信號數據傳輸工作流程

圖2 中現場各主要抽采區域通過各傳感器和監測分站，將主管、支管及工作面抽采管道上氣體濃度、軸溫、流量、負壓等傳感模擬信號經RS485 電纜實時傳輸至地面數據接口，經CPU 處理后轉換為數字信號，實現對現場閘閥球閥并傳輸至服務器的監測主機，通過顯示器達到實時人機交互的目的。通過該系統能夠精確計算各區域的瓦斯抽采量和抽采率，及時監測預抽煤層的瓦斯抽采情況。

2.3 系統主要功能

系統采用循環自激式管道流量傳感器后，系統抗干擾能力更強，測量下限值更低，最低可監測1 m/s 流速下的抽采氣流量。系統包括如下功能：

（1）實時監測

抽采實時列表能夠實時統計各個監控點的累計量，并在表格設置中選擇要顯示的累計量功能，方便工作人員觀察和對比，超出上下限的監控值會用紅色及聲音報警[1]。通過列表可以清晰直觀的查看當前測點瓦斯抽采的相關累計量等統計信息，界面顯示直觀大方，可以根據不同的需要顯示不同類型的統計信息。

（2）動態顯示

系統既能夠實時顯現當前各管道的瓦斯流量、濃度、溫度、負壓等參數的監測值，也能隨時調取顯示煤礦中監測點任一歷史時間段瓦斯管路參數，通過在線實時比較不同監測點參數，全面了解不同監測點務邏輯關系并自動判斷，便于發現管段泄漏、管段阻塞等異常，達到輔助決策的要求[2]。

（3）數據分析

此外系統還可以記錄分析當天所有監測點的管道瓦斯流量、濃度、負壓、溫度的平均值及標況下的混量、純量的累計值，間接給出大數據分析結果，表格的樣式及內容都可以根據需求自己在管理軟件中改變和添加，極大的簡化了工作流程。

3 應用分析

為驗證是否滿足了低流速測量下限的能力，查詢并分析長平礦2017年3月20日的抽采報表見表1。

對以上測點各個測量流速段測點數分布統計，建立直方圖見圖2。

圖3 流速分布數量

由以上圖表可以看出：

（1）有1 個測點低于1 m/s 的流量可測量，實現了測量下限1 m/s 的技術要求；

（2）流速在1～2 m/s 范圍內有2 個測點；

（3）有4 個測點的瓦斯流速在3 m/s 以下，約占已裝15 個測點的26.7%。說明選擇流速下限低是非常必要的；

（4）安裝測點的瓦斯流速大致在（0.5～23.6）m/s范圍內，說明選擇流速測量范圍寬的傳感器是非常必要的。

表1 長平煤礦2017年03月20日多點瓦斯抽采報

4 結語

本項目在長平礦建立了一套瓦斯抽采管網監控系統，在地面瓦斯抽采泵站及井下瓦斯抽采主管、干管及支管的各區域安裝了15 套管道瓦斯傳感器，能夠分別計量各個工作面、各個抽采區及整個礦井的瓦斯抽采參數（瓦斯濃度、流量、壓力、溫度等），解決了流速低至1 m/s 時無法測量問題，高流速也可準確監測。目前該系統已在現場應用了14個月，項目已通過專家組驗收，用戶評價良好，并要求加強后期數據及系統維護。