劉柯男

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司寺河礦二號井，山西 晉城 048006）

瓦斯抽采是解決我國高瓦斯礦井瓦斯問題的根本途徑，國家以法規(guī)的形式明確了瓦斯抽采在瓦斯治理中的重要性。山西長平礦是晉城煤業(yè)集團主力礦井，在瓦斯監(jiān)測方面，監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)對各工作面瓦斯抽采的各項參數(shù)進行監(jiān)測，能夠?qū)ν咚钩椴晒艿罃?shù)據(jù)進行綜合監(jiān)測，能準確監(jiān)測各測點工作狀態(tài)，對可能存在安全故障和危險的管段進行必要而及時診斷和告警，對工作面的抽采效果進行高質(zhì)量評價，為優(yōu)化抽采效果進行決策建議的自動化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)及時分析，實現(xiàn)區(qū)域抽采達標評價，有利于煤礦企業(yè)掌握煤層瓦斯賦存規(guī)律，建立科學有效的煤礦瓦斯管理體系。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

礦井管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由三個部分組成：地面服務(wù)器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1。

地面服務(wù)器系統(tǒng)：主要包括雙機熱備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、UPS 不間斷電源、光力智能數(shù)據(jù)匯聚平臺和網(wǎng)絡(luò)交換機。同時部署監(jiān)控主機在中心監(jiān)控室，用以展示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供WEB 發(fā)布功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可瀏覽數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)：主要負責將井下采集的各類傳感器數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控分站接入環(huán)網(wǎng)交換機預(yù)留的以太網(wǎng)端口上傳到地面服務(wù)器。

井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)：主要負責安裝在井下瓦斯管道不同測點的傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過線纜將采集的數(shù)據(jù)傳輸給礦用本安型分站，實現(xiàn)井下瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

循環(huán)自激式流量傳感器：在流動的氣體中安裝一個三角柱狀旋渦發(fā)生體，在其下方設(shè)計兩根金屬管道，在金屬管道的末端連接一個熱線式傳感器。當瓦斯管道的氣流通過旋渦發(fā)生體時，在其兩側(cè)形成有規(guī)則的旋渦，呈現(xiàn)非對稱交替循環(huán)排列，如圖2，兩根金屬管道內(nèi)的空氣將接受旋渦產(chǎn)生的能量，從而使管道內(nèi)的空氣形成雙向渦流，交替運動形成脈動，當脈沖信號定期的經(jīng)過金屬管道末端的熱線式傳感器時，會周期性地改變熱線式傳感器的熱量，根據(jù)熱量的變化頻率和氣體流速可計算出管道內(nèi)的氣體流量。

圖2 循環(huán)自激式傳感器流量測量原理

紅外甲烷傳感器：利用甲烷氣體對傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯?jié)舛?，由朗伯比樂定律可知，光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的甲烷分子數(shù)目。公式定義如下：

式中：I0和I'0分別為入射光及通過甲烷氣體后的透射光強度；K 為光被吸收的比例系數(shù)，L 為透射光線或反射光線長度；C 為甲烷氣體濃度。

在圖3 中，相同的入射光I0通過含有甲烷氣體濃度為C 的、體積相同的、不同光線長度的光吸收池，其中光吸收池體積V1=V2，光線長度L1＜L2，光強度分別為I0、I"0。

圖3 紅外光譜的吸收原理圖

從圖3 中可以看出，在體積相同的甲烷氣體濃度為C 的光池中，根據(jù)朗伯比樂定律可知，光線L越長，光被吸收的量越多，光強度I0＞I0＞I"0，甲烷濃度的測量信號越強，測量值更加精確。據(jù)此，采用橫向漫反射紅外甲烷測量技術(shù)，將光通路縮小到一個直徑只有20 mm 的空間里，無衰減的鍍金鏡面反折射增加光通路的長度，使得檢測氣體與光源很好的接觸，同時，采用雙通道采樣技術(shù)可以自我抑制零點漂移，如圖4。

圖4 甲烷測量結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計

設(shè)計內(nèi)容包括監(jiān)測點監(jiān)控與異常發(fā)現(xiàn)、管段監(jiān)控和危險區(qū)域診斷，為煤礦優(yōu)化抽采分配、完備抽采效果提供豐富且多樣化的數(shù)據(jù)分析支持，為抽采效果達標評價提供依據(jù)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，設(shè)計流程如圖5。

（1）監(jiān)控業(yè)務(wù)管理功能包括：流量統(tǒng)計、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示、專家分析、漏點診斷、曲線顯示等業(yè)務(wù)。

（2）在線監(jiān)控主要顯示部署在各個測點的傳感器采集的測量數(shù)據(jù)，同時根據(jù)專家分析系統(tǒng)，將出現(xiàn)的異常信息通過各種不同的顯示方式展現(xiàn)在系統(tǒng)中，提供基于關(guān)聯(lián)測點多個參數(shù)的實時曲線和歷史曲線，分析關(guān)聯(lián)測點的多個參數(shù)間的關(guān)系變化趨勢，有利于判別管段的運行情況。

（3）系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)報表和業(yè)務(wù)分析報表，報表展示方式豐富直觀，既可以提供圖形式報表，還可以提供表格報表，提供基于測點參數(shù)的實時曲線和歷史曲線，分析測點參數(shù)的變化趨勢，有利于掌握瓦斯抽采規(guī)律。提供管道瓦斯氣體泄漏點的診斷功能，可在系統(tǒng)圖及電子圖紙中進行及時定位。

圖5 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計框架

3 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)結(jié)合晉煤集團長平礦井下抽放管和瓦斯抽放泵站實際情況，在蘆家峪泵站DN700 低濃、蘆家峪泵站預(yù)抽DN1000 高濃、53021 巷、43062 巷（主管）、43081 巷、43082 巷、4306 底抽巷、43183 巷、5302 底抽一巷、43042 巷、43072 巷、第三瓦斯抽放泵站等12 個地點進行了設(shè)備部署，并對數(shù)據(jù)進行了采集。

本系統(tǒng)實際應(yīng)用的循環(huán)自激式瓦斯流量傳感器，可測量低至1 m/s 的瓦斯流量，避免了傳統(tǒng)流量計阻力大和流速低時測量準確性差的問題。循環(huán)自激式瓦斯流量傳感器具備較強的抗水、防塵能力，保證了測量穩(wěn)定性和準確性。在現(xiàn)場應(yīng)用時，各監(jiān)測點流速分布情況如圖6。

圖6 流速分布情況圖

由上圖可得出：

（1）傳感器的測量下限為1 m/s；

（2）兩個測點的瓦斯流速為1～2 m/s；

（3）流速為3 m/s 以下的測點有4 個，約占安裝測點總數(shù)的1/4，說明選擇傳感器的測量流速下限低是一個重要指標；

（4）安裝測點的瓦斯流速大致在0.5～20 m/s范圍內(nèi)，說明選擇傳感器的流速測量范圍寬是一個重要指標。

4 結(jié)語

系統(tǒng)應(yīng)用的橫向漫反射紅外瓦斯?jié)舛葴y量，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定可靠、標定周期長、抗干擾能力強、精度高和使用壽命長等優(yōu)點，采用雙通道采樣技術(shù)，可以自我抑制雜質(zhì)氣體的干擾。經(jīng)過試驗驗證，瓦斯?jié)舛?、壓力、溫度參?shù)的監(jiān)測精度也達到了設(shè)計指標要求，符合了國家煤炭行業(yè)標準和礦方的技術(shù)要求。