地面井瓦斯抽采計量監測系統的研究與應用

徐 瑞，孫東玲，王新琨，李思乾，李 健

（1.淮北礦業股份有限公司，安徽 淮北235000；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤礦瓦斯抽采管網監測系統是通過對礦井瓦斯流量、濃度、溫度和負壓等參數的實時監測，獲取瓦斯抽采數據，進而對煤層抽采效果評價。瓦斯抽采計量工作是煤礦提高瓦斯災害治理效果與效益的重要手段，準確計量是判定煤礦瓦斯抽采基礎條件是否達標的因素之一，直接影響著對預抽區域瓦斯抽采效果的評判[1-4]。目前，井下瓦斯抽采監控系統經過長期的研究與實踐，已能夠實現抽采管道瓦斯濃度、流量連續準確計量[5-7]。隨著礦井開采強度及深度的增加，煤層瓦斯含量及礦井瓦斯涌出量逐漸增大，瓦斯抽采逐漸由井下抽采向地面抽采轉變[8-10]。地面鉆井抽采瓦斯是在不影響工作面回采而進行的，是瓦斯抽采方法的一種新途徑，為井下通風與抽采減輕了負擔，消除了安全生產隱患，同時也提高了礦井生產能力。

由于地面抽采井一般地處野外且布局較為分散，所處的自然環境較為復雜，監控系統所有設備均暴露在地面，抽采流量及濃度變化范圍較大，使得地面井監控系統存在計量數據傳輸困難、準確度低的問題，同時對環境的適用性要求更高，與井下抽采計量監測存在很大的不同[11-14]。而目前實現地面井瓦斯抽采可靠、穩定、實時計量監測沒有成熟的系統技術及工藝可以借鑒和實施。因此，采用現場調研、理論分析和現場試驗的方式，通過對野外自供電技術、數據采集和傳輸技術研究和抽采計量裝置的現場測試，建立了一套地面井瓦斯抽采單獨計量監測系統，解決了地面鉆井瓦斯抽采參數監測面臨的供電和數據傳輸難題，提高了地面井瓦斯抽采計量的準確度及瓦斯防治、利用能力，為礦井的安全生產提供了保障。

1 地面井瓦斯抽采監測面臨的技術難題

1）瓦斯抽采流量及濃度檢測難度大。單口地面井抽采瓦斯流量及濃度的大小受工作面推進速度、周期來壓、頂底板巖性等影響，波動范圍較大，計量設備在低流速、小流量和低濃度等極端條件難以滿足要求。

2）計量數據遠距離傳輸難度大。地面井抽采地點較為偏遠且分散，采用有線傳輸需鋪設大量的電纜，經濟成本高；無線傳輸易出現信號中斷、數據傳輸不穩定的現象。

3）監測系統功耗高，供電設備難以滿足長期供電的需求。

4）地面井瓦斯抽采計量監控系統所有設備暴露于地面，系統設備的環境適用性要求更高。

5）目前，地面井瓦斯抽采監測多采用人工定期監測，偏重于瓦斯濃度檢測，監測數據單一，不能全面反映地面井瓦斯抽采狀況。

2 地面井計量監測系統關鍵技術及設備選型

2.1 地面井瓦斯抽采流量檢測

2.1.1 氣體流量檢測

管道瓦斯氣體存在濕度大、雜質多、氣液固多項流混合、壓力低、流量變化范圍寬、流速下限低、現場安裝環境局限性大等特點。檢測設備應滿足流量監測數據準確且穩定性好、在高負壓、含水環境條件下長期可靠運行，測量量程比寬、范圍廣，可測量多項流，不易堵塞磨損，直管段要求短，拆卸、安裝、校檢方便等要求。需要結合當前地面井抽采全生命周期內的工況變化特點，選擇合適其工況條件和需求的計量設備。

目前煤礦現場使用的瓦斯管道流量檢測裝備主要有孔板流量計、渦街流量計、V 錐流量計、威力巴流量計等，能全部滿足上述要求的流量計很少。孔板流量計永久性壓損較大，測量過程中雜質會造成堆積，影響測量效果，多用于比對測量，安裝在旁側管上，實現定期的管道瓦斯流量的人工測量[15-16]。渦街流量計在高黏度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。V 錐流量計具有測量精度高、穩定性高、可測量多相流、測量量程比寬、自整流、自清潔、壓損小等優點，但整體較為笨重，安裝、運輸不便，壓損大，影響抽放效果，主要用于抽采系統的主干管計量。威力巴流量計是基于皮托管原理的一種插入式流量測量裝置，屬于均速管流量計的一種，其探頭運用空氣動力學原理設計，徹底解決了其它均速管插入式流量計探頭易堵塞的問題，具有顯著的防堵效果，與其他流量計相比具有精度高，量程比大，壓損小，安裝簡單，現場適用性強的優勢，測量下限甚至可達0.2 m/s，能有效解決煤礦瓦斯抽采低流速、小流量測量問題[17-18]。

依據差壓流量測量原理和溫度補償算法，利用威力巴流量計優勢，提出一種基于微差壓檢測和差壓動態自校正算法的流量測量方法，研發了以威力巴流量計作為流量一次測量元件GD3（B）瓦斯抽放多參數傳感器，實現了地面井瓦斯抽采流量、壓力、溫度等參數的測量，同時還減少了日常的維護。

2.1.2 甲烷濃度檢測

目前，瓦斯抽采管道甲烷氣體濃度檢測技術主要有載體催化燃燒、熱導、光干涉、紅外光譜吸收、激光光譜吸收等檢測技術。激光吸收光譜檢測技術具有測量精度高、調校周期長、重復性好、測量范圍寬、使用壽命長、不受環境中其他氣體影響等優點，本系統中對于管道濃度的檢測采用激光檢測技術的設備。

管道激光甲烷檢測設備包括激光器驅動電路、激光器恒溫控制電路、光電信號轉換電路、接收信號處理電路、檢測氣室等。激光器驅動電路為激光器提供穩定且可調的工作電流，是激光器輸出較穩定功率和頻率的基礎，起到保護和斬波調制激光器的作用以及實現鎖相放大器所需的1∶1 方波參考信號；激光器恒溫控制電路是使用半導體制冷片進行溫度調節，通過切換流過內部的電流方向實現制冷和制熱的雙重作用；光電信號檢測電路主要由光電轉換器和檢測電路構成，其中光電轉換器為采用光電信號直接轉換原理的光電二極管，具有體積小、精度高、穩定性好的特征。接收信號處理電路為數字電路，能夠大大縮短開發時間，利用軟件發出驅動信號驅動激光器，采樣后，用軟件對數據進行傅里葉變化，隨后就可以還原為具體氣體濃度，整個系統只需要1 個FPGA 處理器和1 個高精度數采芯片就可完成全部檢測工作。檢測氣室的設計主要考慮氣室長度和光路損耗，為確保傳感器的便攜性和分辨率，的檢測要求，氣室內光程長度應大于8 cm；光路中的損耗主要有反射鏡損耗，準直器發散角損耗，以及光路調整時帶來的損耗，為確保檢測精度，氣室光損耗應低于95%。

為滿足上述檢測設備的要求，采用自主專利的“自校準”技術研發了具有傳感器線性自動校正、故障自診斷功能、抗干擾能力強的GJG100J（B）管道激光甲烷傳感器，打破了行業內傳感器完全依靠人工校正的缺陷，達到了傳感器的實時自校準，測量精度高，維護量小的目的。

2.2 野外本安自供電技術

野外本安自供電技術主要是利用太陽能和風能的有利條件，研發了風光蓄電互補供電裝置為監測系統提供電源。

風光互補自供電系統包括風光互補控制器、太陽能電池板、風力發電機和蓄電池等。風光互補控制器是自供電調節的控制核心，利用MPPT 技術高效率地轉化風力發電機和太陽能電池所發出的電能，風光蓄電互補輸出的電源經過本安處理后轉換為本安電源為地面井抽采設備供電；采用先進的功率跟蹤技術，通過不斷調整太陽能板和風力發電機的工作點，使其一直工作在最大功率點，以最大功率對蓄電池進行充電，提高了系統性能。風光互補供電系統原理框圖如圖1。

圖1 風光互補供電系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of wind solar complementary power supply system

2.3 分布式測點數據采集傳輸技術

地面井瓦斯抽放管道建立在露天野外空曠場所，主管道與各支管道構成了抽采網絡系統，煤礦抽采管道監控需要對管道內流量、瓦斯濃度、一氧化碳濃度、壓力和溫度等工況環境實現實時監測，以便了解各管道瓦斯抽采情況，及時調整抽采管路設備，實現煤礦監控系統安全、穩定運行[19-21]。

分布式測點數據采集傳輸技術采用有線采集和無線傳輸結合的方式，有線采集是數據采集傳輸設備利用現場總線對抽采管道流量、甲烷和一氧化碳濃度傳感器進行數據采集，無線采集是通過4G 網絡的方式無線上傳本地采集到的數據。通過無線組網實現機器聯網、狀態監控、遠程維護、降低綜合維護成本，提升服務響應速度。

無線終端設備實現傳感器數據采集傳輸和視頻采集傳輸。PH24（E）顯示屏采集流量計和甲烷濃度傳感器數據，通過澆封兼本安電源中的信號隔離端口，與無線終端設備連接，無線終端設備需要設置數據服務器端的IP 地址和端口，實現傳感器數據遠程傳輸。網絡攝像儀安裝于監控箱外面，通過網線接入監控箱內的無線終端，無線終端設備設置視頻服務器端的IP 地址和端口，實現現場視頻遠程傳輸。無線傳輸設備原理如圖2。

圖2 風光互補供電系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of wind solar complementary power supply system

2.4 計量監控裝置工藝

計量監控裝置采用集成化箱式設計，由防護箱、蓄電池、風光互補智能控制器、無線收發器模塊、澆封兼本安直流電源、礦用本安型顯示屏等組成，各大模塊功能有機地組合在可移動的鋼結構防護箱，整體性強，維護方便。箱體外殼、頂蓋采用冷軋鋼板進行折彎、組焊成型，前門采用鉸鏈或專用附件連接成形，前門與箱體之間采用發泡密封技術密封，殼體設計上保留了百葉窗孔，同時加大控制器散熱面積，采用加強空氣對流的方法散熱，采用防腐設計和特殊噴涂處理，可適用于多種惡劣環境。計量監控裝置防護箱如圖3。

3 系統總體布局及功能特點

3.1 總體布局

圖3 計量監控裝置防護箱Fig.3 Protection box of metering and monitoring device

礦井地面井瓦斯抽采單獨計量監測系統由野外自供電系統、計量監控裝置、抽采計量裝置3 大部分組成，系統整體布局如圖4。雙立柱頂端平臺用于支承野外自供電系統及抽采計量裝置，雙立柱側面平臺用于布置露天分布式多點數據傳輸系統。該布局結合現場實際情況考慮，充分利用雙立柱空間平臺，既能高效采集太陽能和風能，又不受地面流動人員影響，安裝工藝簡單，方便維護，現場操作適應性強。

圖4 系統總體布局圖Fig.4 Overall layout of the system

3.2 功能特點

研發的地面井瓦斯抽采計量監測系統具有以下特點：

1）測點設備自供電。野外瓦斯抽采測點所有設備采用太陽能、風能發電，結合蓄電池實現自供電，不需要有源供電。

2）計量設備測量范圍寬。微差壓流量檢測氣體流速測量下限低至0.3 m/s 并且上限高達30 m/s，激光甲烷0～100%CH4全量程，可以覆蓋地面井瓦斯抽采各個階段的煤層氣計量。

3）測量結果準確可靠。檢測設備具有自校準功能，氣體測量前預處理工藝采用原位汽水分離、除去粉塵，盡可能減小對真實氣流的干預和影響，濃度測量精度達到5%，流量測量精度達到1.5 級，且日常維護量小。

4）系統防爆安全性高。風光發電設備發出的電經過電源轉換成為本安電源；本安電源經過二次處理，轉化為安全等級更高的電壓輸出（Exia），為后接設備供電；檢測設備選用Exia 等級設備。

5）系統設備環境適應性強。地面井監控箱及儀表防護箱采用對流式箱體防護設計，可以適應野外惡劣自然環境，保護設備可靠連續運行。

6）分布式無線數據傳輸。采用移動公網將檢測數據實時傳輸至集團云計算中心，不受設備安裝地域限制。

7）數據無縫接入礦方安全監控系統。地面井監測數據實時進入煤礦安全監控系統數據庫，實現礦井井上井下全抽采系統實時監控。

8）全方位防盜防破壞警報。具有人員越界視頻監視和開箱本地聲光報警功能，可以實現本地威懾和視頻上傳留證。

9）一體化安裝工藝。將風光互補發電設備、監控箱、監測儀表進行一體化安裝設計，方便設備的安裝與后期的維護。

4 現場應用情況

在淮北礦業（集團）有限責任公司臨渙礦9113工作面4 號地面井DN250 抽排管道上進行地面井抽采監測系統試驗。

自2019 年11 月16 日至2019 年12 月15 日測量地面井抽采標況流量、管道壓力（數據圖略）。為檢驗地面井抽采監測系統計量數據的可靠性及準確度，在試驗管道上預留了1 個對比測試孔，用于CD3（A）瓦斯抽放參數測定儀人工測試數據，分別在11 月16 日、11 月26 日和12 月14 日對標況流量、管道壓力進行對比測試，流量參數測量對比見表1。

表1 流量參數測量對比Table 1 Comparison of flow parameter measurement

從測量地面井抽采標況流量、管道壓力數據分析可知，標況純流量隨著抽采時間推進，氣體混合流量呈現明顯下降趨勢，管道壓力隨著抽采時間推進，抽出瓦斯的阻力越來越大，管道負壓越來越大。根據表1 分析可知，地面井監控系統計量的標況純量、管道壓力和管道溫度與人工采用CD3（A）瓦斯抽放參數測定儀測定的數據基本一致，測試結果在合理誤差范圍內，驗證了地面監控系統計量的準確性。

整套設備自2019 年11 月16 日運行1 個月以來，全套設備沒有出現過任何故障及不正常現象；在線抽采檢測設備的管道流量、壓力、溫度測量結果和人工測量結果數據吻合；從中心站記錄曲線上看，該套檢測設備監測的數據變化均能與實際施工情況、環境條件相對應，測量準確性和穩定性較好。

5 結 語

1）利用風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池和本安澆封電源研制了基于風光+蓄電互補的野外本安型自供電源，實現了地面井瓦斯抽采單獨計量監測裝置所有設備就地本安供電。

2）利用威力巴流量計、激光甲烷傳感器、4G 無線通信模塊和紅外微波探測器研制了一體化煤礦地面井（群）分源抽采的無線自動計量監測裝置，實現了差壓流量檢測、激光甲烷檢測、4G 無線移動通信和防盜防拆功能；同時將計量監測數據通過移動4G網絡，采用了基于APM 體系搭建TCP 服務器結合第三方數據分析接口的數據處理模式，實現了地面井抽采計量監測數據與煤礦安全生產監控系統無縫融合。

3）地面井瓦斯抽采計量監測系統為煤礦瓦斯抽采量分析、瓦斯抽采狀況調研提供了詳實的數據來源，可以實時監測地面井抽采系統運行情況；通過對地面井整個生命全周期計量監測，結合地面井與工作面空間關系，為地面井空間布置設計提供了非常精準、科學合理的依據，有效減少了目前憑經驗設計的誤差，提高了地面井抽采效果。