劉九員 栗繼祖
(1.晉煤集團(tuán)通風(fēng)處,山西省晉城市,048000; 2.太原理工大學(xué),山西省太原市,030024)
目前,煤礦井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)主要借鑒石油天然氣行業(yè)相關(guān)技術(shù),主要有2種形式,一種為基于硬件的管道泄漏檢測技術(shù),另一種是基于軟件的管道泄漏檢測技術(shù)。
我國煤礦瓦斯治理十二字方針是“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控”。 精確測定瓦斯抽采參數(shù)是保障安全生產(chǎn)的必要手段,自瓦斯治理十二字方針出臺(tái)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(shí)地測定出地面瓦斯抽采主管路中的負(fù)壓、濃度、溫度、流量等參數(shù),如何在此基礎(chǔ)上對各瓦斯抽采礦井有針對性地進(jìn)行瓦斯抽采量計(jì)劃的制定和完成量的考核。
2011年10月,國家發(fā)展改革委、國家安全監(jiān)管總局、國家能源局、國家煤礦安監(jiān)局針對管道瓦斯抽采達(dá)標(biāo)管理163號(hào)文件《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》發(fā)布,需求務(wù)必在2012年3月1日前建設(shè)完備的瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng),建立能夠?qū)ν咚钩椴蛇M(jìn)行流量、濃度、壓力和溫度等綜合參數(shù)檢測的在線瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),對于瓦斯礦井特別是高瓦斯礦井,必須做到“抽采達(dá)標(biāo)后方可開采”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,促進(jìn)了井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。
晉煤集團(tuán)在瓦斯抽采的自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)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(shè)的有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并上傳至礦監(jiān)測監(jiān)控中心后臺(tái),能實(shí)時(shí)地檢測到抽采主管路系統(tǒng)中的濃度、負(fù)壓、流量、溫度、混量等一系列抽放參數(shù)。
為了適應(yīng)集團(tuán)公司瓦斯抽采規(guī)模的不斷發(fā)展擴(kuò)大,2015年晉煤集團(tuán)開始對各高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井的抽采效果進(jìn)行考核,并以礦井實(shí)際瓦斯抽采量為主要指標(biāo),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上動(dòng)態(tài)考核,各抽采礦井的瓦斯抽采泵站及井下瓦斯管道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括瞬時(shí)純流量、累計(jì)純流量、溫度、負(fù)壓、濃度等)必須實(shí)時(shí)上傳至集團(tuán)公司,以便為瓦斯抽采考核工作提供可靠依據(jù)。
晉煤集團(tuán)曾用過多種瓦斯抽采在線監(jiān)測設(shè)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(fù)雜以及部分測點(diǎn)流速較低,測量的準(zhǔn)確度和儀器的穩(wěn)定性并不理想,因此,亟需開發(fā)瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
晉煤集團(tuán)在大部分高突礦井地面瓦斯抽采泵站主管路中都安設(shè)了自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并上傳至礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),能檢測到抽采主管路系統(tǒng)中的濃度、負(fù)壓、流量、溫度、混量等一系列抽放參數(shù),其中瓦斯流量和濃度的測定是兩個(gè)最重要的參數(shù)。
晉煤集團(tuán)主要使用孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、渦街流量計(jì)、循環(huán)自激式流量計(jì)等測量瓦斯流量。現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場使用情況,對幾種流量測量裝置進(jìn)行對比分析如下:
(1)孔板流量計(jì)。孔板流量計(jì)是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與多參數(shù)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(diǎn)。但它量程比較小,一般為3∶1;由于瓦斯流經(jīng)管道內(nèi)徑的節(jié)流件時(shí)形成局部收縮,增加了抽采阻力,流量小時(shí)測量誤差較大,無法準(zhǔn)確測量3 m/s以下的流速。
(2)V錐流量計(jì)。V錐流量計(jì)是利用V錐體在流場中產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng),根據(jù)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(jì),原理跟孔板流量計(jì)一樣,它的量程比較寬。但是存在售價(jià)較高、差壓較低、需要標(biāo)定而且存在壓力損失;由于管道中煤塵和雜質(zhì)較多,煤塵會(huì)撞擊錐體后下落堆積,容易出現(xiàn)塵堵,且清理困難。
(3)渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)也稱之為旋渦流量計(jì)或卡門渦街流量計(jì)。具有耐臟污介質(zhì)能力強(qiáng)、安裝拆卸方便、測量量程比較寬、永久性壓損小等特點(diǎn),但是易受強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開關(guān)設(shè)備和強(qiáng)烈震動(dòng)及電磁干擾的影響,一般只能測量6 m/s的流速。
(4)循環(huán)自激式流量計(jì)。該傳感器的核心技術(shù)是循環(huán)自激,具有測量下限低、性能穩(wěn)定可靠、便于安裝和調(diào)校的綜合優(yōu)點(diǎn)。測量數(shù)據(jù)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(jiān)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(nèi)流速低于6 m/s的氣流”這一困擾煤礦多年的瓦斯抽采計(jì)量瓶頸,該傳感器由于采用插入式的安裝方式,不會(huì)增加管道阻力,也大大簡化了安裝工作。
目前,用于管道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的傳感器較多,如催化燃燒式傳感器、熱傳導(dǎo)式甲烷傳感器、熱效式甲烷傳感器、紅外甲烷傳感器等,現(xiàn)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(yīng)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?xì)怏w的濃度。它應(yīng)用范圍廣泛,但容易受外界環(huán)境影響,當(dāng)使用條件變化時(shí)元件自身催化活性下降,會(huì)使敏感元件靈敏度下降,需定時(shí)調(diào)校。
(2)熱傳導(dǎo)式甲烷傳感器。熱傳導(dǎo)式甲烷傳感器依據(jù)甲烷氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的差異來測定甲烷的濃度,通常利用電路將導(dǎo)熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化為電阻的變化。這種傳感器優(yōu)點(diǎn)是甲烷氣體濃度高時(shí)穩(wěn)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(diǎn)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?xì)怏w在催化劑的作用下進(jìn)行無焰燃燒產(chǎn)生熱量,使元件參數(shù)變化來測量瓦斯的濃度。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是在低濃度值時(shí)精度較高且不受其它燃?xì)夂突覊m存在的影響,價(jià)格便宜;缺點(diǎn)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(bào)。
(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(qiáng)或透射光強(qiáng)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(hào)檢測、產(chǎn)生的干擾信號(hào)小、系統(tǒng)的信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)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(xù)抽采過程的情況;二是人為因素引起的誤差較大,且監(jiān)測效率較低;三是監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后,無法起到及時(shí)指導(dǎo)調(diào)節(jié)管網(wǎng)抽采系統(tǒng)運(yùn)行工況的作用;四是流量計(jì)在煤礦現(xiàn)場使用過程中測量效果不理想,經(jīng)常發(fā)生監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實(shí)際瓦斯抽采量數(shù)據(jù)不一致、不相符的情況,不能依據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷抽采達(dá)標(biāo)情況,集團(tuán)公司更不能根據(jù)抽采監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行瓦斯抽采量計(jì)劃的制定和完成量的考核。
針對以上問題,提出以下改進(jìn)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(yōu)劣,選擇循環(huán)自激式流量測定技術(shù),解決管網(wǎng)抽采前端低流速監(jiān)測的難題;二是利用紅外測量技術(shù),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?jié)舛葴y量的靈敏性和準(zhǔn)確性;三是對瓦斯抽采管網(wǎng)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)管道瓦斯參數(shù)進(jìn)行可靠和準(zhǔn)確地分析,優(yōu)化抽采量分配,完備抽采效果評價(jià),診斷監(jiān)控泄漏點(diǎn);四是建立一套煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),基于成熟、穩(wěn)定和可靠的傳感器監(jiān)測技術(shù),實(shí)時(shí)在線監(jiān)測井下各主管道、干管道、支管道、獨(dú)立區(qū)域管道監(jiān)測點(diǎn)瓦斯的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數(shù)。
為了解決礦井煤礦瓦斯抽采監(jiān)測存在的監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測不準(zhǔn)確以及數(shù)據(jù)監(jiān)測無關(guān)聯(lián)的問題,晉煤集團(tuán)在全國率先建立井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了瓦斯管道中瓦斯的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數(shù)自動(dòng)化的瓦斯抽采效果監(jiān)測和評價(jià),為掌握瓦斯運(yùn)行的規(guī)律提供科學(xué)的依據(jù),并提供及時(shí)的異常處置預(yù)案。
瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)三大部分,井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。
(1)井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過布置在瓦斯抽采管道上的監(jiān)測點(diǎn)感知設(shè)備完成對監(jiān)測點(diǎn)流量、濃度、壓力、溫度等實(shí)時(shí)監(jiān)測,將各個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿鶎俜终?,由分站接入傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。
(2)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將井下瓦斯抽采管網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照采集要求及時(shí)傳輸?shù)降V山監(jiān)控中心機(jī)房的采集設(shè)備中,并將人工或者自動(dòng)控制指令及時(shí)分發(fā)給井下分站。
(3)地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析處理、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)展示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)及打印,并對異常進(jìn)行提醒和告警,為指導(dǎo)生產(chǎn)提供及時(shí)、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。
晉煤集團(tuán)井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩大方面的功能:一方面包括管網(wǎng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)具備的業(yè)務(wù)管理功能,另一方面包括監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測管網(wǎng)瓦斯抽采的相關(guān)參數(shù)。
(1)管網(wǎng)監(jiān)測業(yè)務(wù)。管網(wǎng)監(jiān)控業(yè)務(wù)主要包括數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)分析、在線監(jiān)測、事件回放、業(yè)務(wù)報(bào)表。數(shù)據(jù)采集完成對井下管道瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)搜集;業(yè)務(wù)分析是指根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷,發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)告警,完成對抽采效果的參考評價(jià);在線監(jiān)測以不同形式完成對監(jiān)測對象的實(shí)時(shí)監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)告警;事件回放用于對發(fā)生的歷史事件進(jìn)行回放,用于現(xiàn)場恢復(fù)和責(zé)任分析。
(2)管網(wǎng)監(jiān)控參數(shù)。管網(wǎng)瓦斯監(jiān)控參數(shù)主要包括甲烷的濃度、流量、溫度和壓力等綜合參數(shù),對甲烷流量提供純流量、混合量、累計(jì)量等相關(guān)計(jì)量業(yè)務(wù)。
圖1 井下瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
為了準(zhǔn)確掌握瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,選擇晉煤集團(tuán)成莊礦瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,再根據(jù)晉煤集團(tuán)瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)管理辦法進(jìn)行核算。
本文采用皮托管、均速管、便攜式瓦斯抽采管道參數(shù)測定儀等方法進(jìn)行人工測定,通過驗(yàn)證,確保瓦斯抽采量測定結(jié)果真實(shí)且可靠。通常采用以下兩種檢驗(yàn)方法:一是采用經(jīng)校準(zhǔn)的直讀式抽采管道參數(shù)測定儀,直接對管道壓力、溫度、濃度、流速和抽采量等參數(shù)進(jìn)行直接測定;二是采用皮托管對抽采量進(jìn)行測定,采用管道參數(shù)測定儀對管道壓力、溫度進(jìn)行測定,采用光學(xué)瓦斯檢查儀和高負(fù)壓采樣器對管道濃度進(jìn)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(shù)帶入公式(1)進(jìn)行計(jì)算:
(1)
式中:V——管道內(nèi)中心點(diǎn)的流速,m/s;
Hd——管道內(nèi)中心點(diǎn)動(dòng)壓,Pa;
ρ——?dú)怏w密度,kg/m3;
D——管道內(nèi)直徑,m;
Vp——管道內(nèi)測點(diǎn)處的平均流速,m/s;
k——系數(shù),測點(diǎn)處的平均流速與中心點(diǎn)流速的比值,系數(shù)k取值見表1。
表1 系數(shù)k取值參考表
為了驗(yàn)證監(jiān)測點(diǎn)在煤礦井下安裝試運(yùn)行的效果,一種方法是根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比,另一種方法是根據(jù)各關(guān)聯(lián)關(guān)系檢驗(yàn)精度。
(1)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比檢驗(yàn)精度。選擇晉煤集團(tuán)成莊礦4盤區(qū)4106巷本煤層、4106巷采空區(qū)、43181巷這3個(gè)在線計(jì)量設(shè)備的測量數(shù)量與皮套管測量儀、瓦斯光學(xué)鑒定儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比和分析,對比結(jié)果見表2。
(2)根據(jù)各關(guān)聯(lián)關(guān)系檢驗(yàn)精度。根據(jù)2016年3月8日二五聯(lián)絡(luò)一巷、2243副巷、2244巷、2241巷、2104采空區(qū)、2104本煤層安裝位置實(shí)測參數(shù),分析6個(gè)測點(diǎn)傳感器的關(guān)聯(lián)關(guān)系,對比結(jié)果見表3。
表2 瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比表
表3 瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)精度對比表
本工程中瓦斯抽采管道使用的是DN600,管內(nèi)徑為560 mm,其滿量程FS計(jì)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(qū)(2104采空區(qū)精度=2243副巷混合流量+2244巷混合流量+2214混合流量-2104采空區(qū)),即(9.68+62.76+68.9-138.78)=2.56(在指標(biāo)±9.7精度要求范圍內(nèi));二五聯(lián)絡(luò)一巷混合流量=2104本煤層混合流量(2104本煤層精度=二五聯(lián)絡(luò)一巷混合流量-2104本煤層混合流量) ,即 (80.61-81.76)=-1.15(在指標(biāo)±9.7精度要求范圍內(nèi))。
通過以上的數(shù)據(jù)對比可知,管道甲烷濃度和流量的在線監(jiān)計(jì)量值與對比儀器測量值之間的誤差控制在本項(xiàng)目所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi),說明本系統(tǒng)采用循環(huán)自激式流量傳感器和紅外橫向漫反射瓦斯?jié)舛葌鞲衅髟诤瑝m、含水環(huán)境條件下,可以準(zhǔn)確地測量管道流量和瓦斯?jié)舛龋到y(tǒng)研究成果達(dá)到了預(yù)期。
(1)晉煤集團(tuán)依據(jù)技術(shù)研究院的技術(shù)優(yōu)勢先行先試,在全國率先建成瓦斯抽采管道監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)時(shí)在線監(jiān)測井下各主管、干管、支管和獨(dú)立區(qū)域管道監(jiān)測點(diǎn)瓦斯的濃度、流量、溫度、壓力等綜合參數(shù)。
(2)瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過布置在瓦斯抽采管道上的監(jiān)測點(diǎn)完成抽放參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并將各個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿鶎俜终?,由分站通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng),并完成及時(shí)地分析處理、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)展示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和打印,并實(shí)現(xiàn)對異常進(jìn)行提醒和報(bào)警等功能。
(3)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用為工作面瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)評價(jià)提供了直接真實(shí)的抽采依據(jù),通過查詢分析抽采曲線,可以發(fā)現(xiàn)抽采規(guī)律,從而優(yōu)化抽采方案,提高抽采效率。
(4)實(shí)現(xiàn)對抽采參數(shù)連續(xù)監(jiān)控,設(shè)置抽采下限、超限及時(shí)報(bào)警,提醒及時(shí)處理諸如管道漏氣、過抽等問題,實(shí)時(shí)監(jiān)控危險(xiǎn)管段運(yùn)行情況。
(5)通過晉煤集團(tuán)瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)采用的傳感器進(jìn)行對比分析,循環(huán)自激式流量傳感器不受塵、含水、溫度變化的影響,最低可監(jiān)測1 m/s流速下的抽采瓦斯流量,同時(shí)突破了目前常的管道瓦斯流量監(jiān)測手段不能測量抽采管道內(nèi)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(shù)的紅外甲烷傳感器,將光通路縮小到一個(gè)直徑20 mm的空間內(nèi),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(jiān)測誤差和零點(diǎn)漂移問題。
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