徐偉杰（1.安徽理工大學(xué),安徽　淮南　232000;　2.山東中科納米管材有限公司; 3.山東安益礦用設(shè)備有限公司,山東　淄博　255086）

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基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐偉杰1,2,3
（1.安徽理工大學(xué),安徽淮南232000;2.山東中科納米管材有限公司; 3.山東安益礦用設(shè)備有限公司,山東淄博255086）

摘 要：針對(duì)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(shè)計(jì)了基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統(tǒng)。首先構(gòu)建井下煤層氣的高效抽采子系統(tǒng)，然后構(gòu)建了井下煤層氣的安全輸送子系統(tǒng)，最后構(gòu)建了抽采泵的智能化變頻調(diào)控子系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)進(jìn)程，降低瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，促進(jìn)煤炭的安全高效開采，滿足國家中長期能源戰(zhàn)略發(fā)展的戰(zhàn)略要求的目的。

關(guān)鍵詞：智能化煤層氣抽采；輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)；方案實(shí)施

1　引言

在煤炭資源的開采過程中，其伴生承壓氣態(tài)產(chǎn)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(zāi)害事故，嚴(yán)重地制約著煤炭企業(yè)的安全高效集約化生產(chǎn)。我國92%的煤炭生產(chǎn)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(zhuǎn)為高瓦斯礦井，原來沒有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層變?yōu)槊号c瓦斯突出危險(xiǎn)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(yīng)力和地溫梯度增加，瓦斯抽采的難度將進(jìn)一步增大，煤炭生產(chǎn)已經(jīng)普遍受到瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。

煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，各關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行性能直接影響整個(gè)抽采系統(tǒng)運(yùn)行及效率。因此，提高瓦斯抽采泵、抽采輸送管路系統(tǒng)、瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)裝備水平，建立抽采系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如抽采泵、控制閥門、連接管網(wǎng)及檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等最優(yōu)選型機(jī)制和自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)機(jī)制，是十分必要的。

因此，研究智能化控制的高穩(wěn)定性瓦斯抽采及輸送系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯高效率、低能耗抽采的關(guān)鍵思路。本文通過構(gòu)建井下煤層氣的高效抽采子系統(tǒng)、井下煤層氣的安全輸送子系統(tǒng)及抽采泵的智能化變頻調(diào)控子系統(tǒng)，建立基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統(tǒng)，達(dá)到最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)進(jìn)程，降低瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，促進(jìn)煤炭的安全高效開采，滿足國家中長期能源戰(zhàn)略發(fā)展的戰(zhàn)略要求的目的。

2　總體方案設(shè)計(jì)

本文目的是在整個(gè)煤礦抽采管路中建立完整的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，通過各個(gè)設(shè)備的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi)安放多種不同類型的監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站及監(jiān)控監(jiān)測(cè)裝置，適時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部瓦斯的流量、濃度、溫度及CO濃度等，同時(shí)安裝光纖甲烷傳感器，用于準(zhǔn)確測(cè)量瓦斯?jié)舛缺阌诘孛嫒藛T對(duì)危險(xiǎn)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)上述參數(shù)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(shù)控制抽采泵的智能變頻控制。為了防止災(zāi)變的出現(xiàn)，在整個(gè)抽采管道及其分支管路安裝管道專用噴粉抑爆系統(tǒng)及雙向阻火器，最大限度的保證了瓦斯在抽采時(shí)的安全輸送；管道外部安裝多種監(jiān)控分站，保證了整個(gè)抽采管路功能多樣化、高效合理化運(yùn)作，各監(jiān)控分站、監(jiān)控監(jiān)測(cè)裝置、噴粉控制裝置通過與數(shù)據(jù)傳輸總線連接，將數(shù)據(jù)傳輸至井上控制中心，井上人員通過人員定位通信系統(tǒng)與井下工作人員交流，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行普通故障排除；出現(xiàn)事故時(shí)，井上大屏幕將整個(gè)礦井及事故區(qū)域通過反復(fù)屏幕轉(zhuǎn)換將井下情況反饋至井上，并通過人員定位系統(tǒng)通知井下作業(yè)人員進(jìn)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(shí)滲氣、漏氣的現(xiàn)象，采用帶有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(qiáng)。

3　方案具體實(shí)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(fù)壓全自動(dòng)排水、排渣器；雙向阻火器；管道專用自動(dòng)噴粉抑爆裝置、抽采管路智能化監(jiān)控系統(tǒng)以及煤層氣（瓦斯）抽采及安全輸送監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)抑爆監(jiān)控裝置、抽采泵監(jiān)控裝置、煤礦環(huán)境參數(shù)、人員定位管理系統(tǒng)、抽采管路智能化監(jiān)控系統(tǒng)、煤層氣（瓦斯）高效抽采及安全輸送監(jiān)控系統(tǒng)、以及抽采管道中的甲烷濃度、壓力、溫度、流量等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各設(shè)備的運(yùn)行狀況并把各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中。

當(dāng)利用多參數(shù)傳感器及環(huán)境傳感器監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸藁蚱渌惓Ｇ闆r（設(shè)備運(yùn)行不正常、斷電等）時(shí)，能夠迅速反饋給井下及井上的監(jiān)控系統(tǒng)，從而使井上、井下的工作人員采取措施解決隱患。

當(dāng)傳感器根據(jù)監(jiān)測(cè)到的管道內(nèi)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(fā)生瓦斯爆炸時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)會(huì)在5毫秒內(nèi)通過雙向阻火器、管道專用自動(dòng)噴粉抑爆裝置進(jìn)行阻爆、隔爆及滅火，把災(zāi)變控制在一定的范圍內(nèi)，從而最大限度的保障工作人員的生命安全和保護(hù)煤礦財(cái)產(chǎn)的安全。在災(zāi)變處理的過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，通知井上人員更換新的阻爆、隔爆裝置，進(jìn)行排查事故出現(xiàn)原因等安全防范措施。

當(dāng)根據(jù)同一管道上的兩個(gè)多參數(shù)傳感器檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，判斷出輸送管路發(fā)生泄漏、堵塞、斷裂等情況時(shí)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，井上工作人員通過人員定位系統(tǒng)確定離故障點(diǎn)最近的維護(hù)人員，然后通過通信系統(tǒng)聯(lián)系維護(hù)人員及時(shí)搶修。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到工作面發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)通過井下攝像頭或者維護(hù)人員的實(shí)時(shí)錄像或圖片等把現(xiàn)場(chǎng)的信息發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)大屏幕上或者相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)或電腦屏幕上，以利于掌握第一手的現(xiàn)場(chǎng)信息。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于多信息融合的智能化煤層氣抽采及輸送系統(tǒng)，為瓦斯的高效抽采及安全輸送提供了一種新的技術(shù)手段，為井下抽采泵的智能變頻調(diào)速提供了一種低能耗的研究思路和發(fā)展方向，可以實(shí)現(xiàn)地下對(duì)煤層氣的高效、環(huán)保、安全的抽采，可以避免煤礦生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的煤與瓦斯突出，進(jìn)行提前預(yù)警和預(yù)防，保障了煤礦安全生產(chǎn)的進(jìn)行，避免了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，將帶來巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(tǒng)。

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