高瓦斯礦井智能抽采管控系統的應用

李寶軍,常 哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯災害是威脅煤礦安全生產主要災害之一,科學的瓦斯治理手段是煤礦安全高效開采的重要保障[1]。黃陵二號煤礦屬高瓦斯礦井,礦井建有10套瓦斯抽采系統,采取區域預抽、高位裂隙、本煤層預抽、上隅角插管等多種瓦斯抽采技術,抽采達標評判則是對本煤層預抽效果的檢驗,是判定工作面能否安全回采工作的重要依據。

在生產中如何將瓦斯治理與安全高效生產有機結合,需要推進針對具體煤礦開采條件和技術發展現狀的科學定量決策,充分利用煤礦瓦斯治理的新技術、新方法、新裝備,建立瓦斯抽采精準計量與動態達標評價系統。全面實現瓦斯抽采達標評判的精細化、智能化和可視化管理是推動當前煤礦瓦斯治理水平提升的緊迫任務[2]。

1 瓦斯抽采精準計量技術分析與應用

1.1 抽采管道環境與計量設備適用性分析

煤礦瓦斯抽采管道內環境條件復雜,具有水汽大、煤塵大、雜質多、高負壓、流速波動范圍大、交叉氣體干擾、管徑種類多、安裝空間受限等特點;此外,中國大多數礦區地質構造復雜,煤層瓦斯含量高、透氣性差、吸附能力強[3],瓦斯抽采條件差、難度大,各種煤體增透消突措施的應用,讓瓦斯抽采管道內環境變得更加復雜,尤其是靠近鉆場(鉆孔)的管道內環境條件更為惡劣[4]。

瓦斯抽采管道監測設備承擔著為煤礦瓦斯抽采達標評價提供基礎數據的任務,抽采監測設備計量數據準確性直接影響到抽采達標評判結果可靠性[5]。因此,采用先進的檢測技術,應充分考慮設備運行工況環境,選型設計瓦斯抽采精準計量設備,能適應各種抽采管徑的高塵、高濕、高負壓的抽采管道環境,能滿足安裝、使用、維護、周期性校驗方便等要求。

1.2 管道氣體流量檢測技術分析與應用

煤礦中應用的氣體流量計種類很多,但適用于管道氣體流量檢測的流量計并不多,礦井以往應用的有孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計、V錐流量計等,這些流量計有一定的優點,也有不少的局限性[6]。目前,煤礦應用基于循環自激式流量檢測技術的流量計,能有效解決管道氣體流量檢測存在的環境適應性問題[7]。

循環自激式流量檢測技術是一種新型流量檢測技術,其工作原理為雙渦列推挽測量技術。通過在氣體流場中設置漩渦發生體,管道內含瓦斯氣流經過漩渦發生體,后部產生雙排有規則的渦流。在渦流引出管尾部設置有信號檢測元件,檢測渦流產生的周期性頻率信號,并輸出到信號處理電路進行處理;之后由單片機微處理器進行頻率信號的計算,通過分析軟件測算出氣體流量與頻率信號之間的關系;進而獲得氣體流量檢測數據,在傳感器上實時顯示流量數據,并可實時上傳到上位機系統,實現管道氣體流量在線監測。

1.3 管道甲烷濃度檢測技術分析與應用

煤礦井下甲烷氣體濃度檢測技術有:載體催化式、熱導式、紅外吸收式、激光氣體檢測等。其中,載體催化式一般適用于環境低濃度甲烷監測,而熱導式應用場景受限,紅外吸收式測量容易受水汽、烷烴類氣體干擾[8]。目前,利用激光檢測原理實現管道甲烷濃度的監測應用前景廣泛。

為了提高甲烷檢測的精度和靈敏度,以TDLAS為基礎的波長調制激光吸收光譜技術(WMAS)得到廣泛運用,它是利用二極管激光器的波長掃描和電流調諧特性來實現痕量氣體吸收曲線的二次諧波檢測技術。經調諧的激光器線寬比待測氣體單獨吸收譜線寬小很多,從而保證調制掃描范圍內只有待測氣體的吸收譜線,具有良好的測量單色性,不受氣體中其他成分影響。

1.4 復雜抽采管道環境適用的計量設備

CGWZ-100(C)管道激光瓦斯氣體綜合參數測定儀(簡稱測定儀),采用基于循環自激式流量檢測和基于波長調制激光吸收光譜的甲烷測量技術,可用于測量抽采管道內氣體流量、甲烷、CO、壓力和溫度等參數;設備采用插入式結構,只需在管道上開個小孔即可安裝,壓力損失極小,適用于煤礦瓦斯抽采總管、主管、干管、支管道的綜合參數監測。

2 系統架構、功能設計

2.1 系統總體架構

基于礦山物聯網技術架構,結合瓦斯抽采達標評判的應用需求,按照層次與技術體系,創建煤礦瓦斯抽采效果達標動態評價系統的“三層兩體系”架構體系,即抽采參數感知層、感知數據傳輸層、抽采智能應用層,以及技術標準規范體系和安全運維保障體系[9]。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體構架Fig.1 General structure of the system

2.1.1 抽采參數感知層

感知層是聯系物理世界與信息世界的橋梁,其作用是完成數據的感知和采集,由井下部署的智能傳感設備、智能監控分站等組成,主要功能在于采集瓦斯抽采管道參數、設備運行狀態等數據,實現所需信息全面監測。采掘工作面按照瓦斯抽采效果評價監測點要求部署監測設備,實現工作面干管道、支管道、抽采單元、鉆場(鉆孔)等測點的瓦斯抽采參數在線監測。

2.1.2 感知數據傳輸層

傳輸層是完成感知層的數據接入、網絡傳輸及控制管理等工作,主要是由以太網交換機、地面核心交換機、通信基站等網絡傳輸設備和線路構建的光纖環網,以及由無線傳輸設備組成的無線傳輸網絡等,是井下感知信息傳輸、控制下達的重要通道,是連接感知層與應用層的紐帶。

2.1.3 抽采智能應用層

應用層是將采集的數據進行匯總、分析、轉換、處理和展示等,主要包括:①數據整理與回歸分析,實現對瓦斯抽采監測信息的分析、評價和診斷,如抽采量統計分析、抽采評價指標反演、抽采效果趨勢分析、抽采系統數據異常分析、設備運行狀態異常分析等;②數據分析的結果評價與應用,提供面向不同信息應用的管理和展示,如抽采效果自動評價、抽采達標自動評判、抽采報表自動生成、抽采系統異常分級報警、瓦斯抽采云圖可視化監控等;③分析評判結果的展示,面向用戶的展示平臺,可通過Web終端、顯示大屏、移動終端等實現系統監測與分析結果的可視化展示。

2.1.4 技術標準規范體系

技術標準規范體系是指監測系統之間互聯互通、信息共享、業務協同而形成的標準化規范體系。通過建立標準的規范體系,遵照行業標準規范來創建智能監測監控系統。

2.2 系統功能設計

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》文件的要求,圍繞采掘工作面瓦斯抽采達標評判全過程的管理,構建瓦斯抽采效果達標動態評價技術體系[10],實現瓦斯抽采過程的可視化、動態化的抽采效果智能評價、多業務智能分析、抽采異常預警等功能,解決煤礦抽采達標評判過程粗糙、評價方式單一、客觀性不強等問題,推動煤礦建立精細化的抽采達標管理體系。構建抽采效果達標的動態評價指標體系,如圖2所示。

圖2 抽采效果達標評價指標體系Fig.2 Standard evaluation index system of extraction effect

2.2.1 預抽鉆孔有效控制范圍界定

預抽煤層瓦斯鉆孔施工后,系統可按照鉆孔開孔位置、最邊緣鉆孔和終孔點位置圈定順層鉆孔的有效控制范圍,按照相鄰邊緣鉆孔見煤點間連線圈定穿層鉆孔的有效控制范圍;自動分析圈定鉆孔的有效控制范圍是否完全覆蓋預抽煤層瓦斯的評價區域。

2.2.2 預抽鉆孔均勻程度評價

預抽鉆孔按照設計鉆孔參數施工完成后,系統可自動分析實際鉆孔均勻程度、核查是否存在空白帶,包括以下3個方面:分析實際鉆孔間距是否超過設計鉆孔間距;分析實際鉆孔的各孔間距是否小于施工鉆孔平均間距的1.3倍;分析實際鉆孔間距是否超過鉆孔抽采半徑影響范圍。若存在實際間距偏差較大時,系統發出異常提示信息,提醒人員及時采取補孔措施。

2.2.3 預抽達標評判單元劃分

根據采掘工作面瓦斯地質圖劃定工作面不同的瓦斯地質單元,將同一瓦斯地質單元內,施工的預抽鉆孔間距和預抽時間基本一致的區域劃分為一個評價單元。系統自動計算評價單元內施工鉆孔的預抽時間差異性系數k,若k<30%時,可判定評價單元劃分滿足要求。

2.2.4 預抽瓦斯效果指標計算與評判

對同一評價單元預抽瓦斯效果進行評價時,需對評價單元瓦斯抽采量進行單獨計量,統計單元內累計抽排瓦斯量,根據煤層原始瓦斯含量、評價單元內參與計算的煤炭儲量、煤的殘存瓦斯含量、煤的工業分析指標等基礎數據,系統自動計算出抽采評價單元抽采后的煤層殘余瓦斯含量、煤層殘余瓦斯壓力,以及煤的可解吸瓦斯量等指標,并對是否滿足規定的預期達標指標進行評估,經評估達標后,方可進行預抽瓦斯效果指標實測。

2.2.5 實測預抽瓦斯效果指標

按照《GB/T 23250煤層瓦斯含量井下直接測定方法》《AQ/T1047煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》進行現場實測煤層的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力,并依據殘余瓦斯含量計算現場測定的煤層可解吸瓦斯量,系統實現實測預抽瓦斯效果指標的信息化管理。

2.2.6 瓦斯抽采效果達標評判

根據《煤礦瓦斯抽采基本指標》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求,依據303工作面瓦斯抽采設計和瓦斯抽采各項參數資料,對綜采工作面瓦斯預抽率、殘余瓦斯含量、殘余可解析瓦斯含量及瓦斯預抽時間指標進行判定。

3 系統現場應用

3.1 井下現場分單元部署精準測量裝置

303綜采工作面位于黃陵二號煤礦三盤區中部,工作面可采長度3 891 m,工作面傾向長度300.5 m。工作面煤層預抽鉆孔在膠帶巷施工,每隔70 m部署一個鉆場,鉆孔呈扇形布置接入到DN225匯集器,然后通過匯集器接入到DN500抽采支管道。303綜采工作面作為瓦斯抽采效果分元達標評價重點區域,根據鉆孔施工情況及達標監測需求,將膠帶巷每300 m內的抽采鉆孔劃分為1個評價單元,在每個評價單元分別部署1個分元評價測點,共劃分13個分元評價單元,并對工作面的瓦斯抽采效果進行分單元評價。

303工作面膠帶巷分元評價測點監測:部署13個測點,測點分別安裝在膠帶巷DN500抽采支管道上,每隔約300 m進行測點部署;分站部署3臺,分別安裝在膠帶巷巷口(F9)、膠帶巷1 500 m處(F10)、膠帶巷2 700 m處(F11),測點1～測點5連接分站F9,測點6～測點9連接分站F10,測點10～測點13連接分站F11,如圖3所示。

圖3 303綜采工作面瓦斯抽采分元評價測點部署示意Fig.3 Measurement point layout of gas extraction sub element evaluation on 303 fully mechanized mining face

3.2 地面部署智能化的抽采效果達標評價系統

煤礦地面監控中心部署監控主機、服務器、交換機、操作系統等,構建系統運行的服務器環境。系統建立有工作面瓦斯抽采效果達標的全過程、動態化評價體系,基于抽采評價區域煤質特征、瓦斯原始含量、已涌出瓦斯量、瓦斯抽采累積量、瓦斯監測狀態與趨勢,建立的瓦斯抽采達標評價模型、瓦斯抽采效果預測模型,實現對工作面、各個評價單元和重要區域的瓦斯抽采效果動態達標評價。通過抽采系統圖、拓撲圖、工作面抽采效果“一張圖”、評價單元抽采效果“一張圖”等可視化監控方式,展示煤礦井下巷道、采掘工作面、抽采評價單元、抽采鉆場(鉆孔)等場景,提供直觀而全面的井下管道瓦斯抽采信息,以多種顏色、動態展示采掘工作面及評價單元的抽采效果評價結果,便于人員直觀了解工作面瓦斯抽采達標狀況。

4 結語

以瓦斯抽采精細化管理為目標,分析應用復雜抽采管道環境適用的抽采檢測技術與計量設備,為瓦斯抽采達標評判提供可靠的基礎數據;通過構建“三層兩體系”總體架構,開展基于全過程管理的抽采達標評價系統功能設計,礦井建立瓦斯抽采動態達標評價系統,現場應用效果良好,有利于煤礦精準掌控工作面瓦斯抽采效果達標狀況,合理安排采掘作業進度計劃,建立科學有效的瓦斯抽采管理體系,從而提升礦井瓦斯防治智能化管理水平。