煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及远程监测与控制系统【技术领域】，特别是一种煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，包括控制模块，监视模块，执行模块以及数据采集模块，所述控制模块分别与监视模块，执行模块以及数据采集模块信号连接，所述监视模块用于监视执行模块的运行情况，并将相关运行情况传控制模块，所述数据采集模块用于采集执行模块的运行数据，并将相关数据传至控制模块。本发明设计合理，操作方便，采用实时监测和远程控制，极大地提高了作业过程自动化和可视化程度，同时避免了作业人员直接接触煤体，安全性能有较大提高。
【专利说明】煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及远程监测与控制系统【技术领域】，特别是一种煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统。
【背景技术】
[0002]瓦斯抽采足我国煤矿瓦斯治理的主要技术手段，由于我国高瓦斯、低透气性煤层约占70%，煤层开采前抽采瓦斯难度大，很难取得理想的效果，使得瓦斯灾害成为制约煤矿安全的重要因素，因此，如何提高预抽率和缩短预抽期成为亟待解决的难题。
[0003]国内外科研人员针对该问题进行了广泛深入研究，结果表明:水射流割缝、水力扩孔、水力冲孔、水力化钻进等水射流措施和一些水力压裂措施是提高煤层透气性、增大钻孔抽采影响范围的有效途径。即使在地面实施水射流和水力压裂也属于高危作业，由于煤矿井下作业环境复杂、光线暗淡，而且实施上述措施需要作业工人与高压设备及煤体“短兵相接”，特别是在井下对高瓦斯或者突出煤层进行水力化增透作业时，容易造成瓦斯超限、诱发煤与瓦斯突出、水与瓦斯喷出等现象，所以其危险性远高于在地面作业。为使水力化增透作业人员远离危险源，保障作业人员的人身安全和作业过程安全可控，需要对井下水力化增透作业环境、高压水力系统等进行远程监测和控制，实现出现异常时自动断电等。
[0004]除实现对水力化增透作业系统和周围环境的远程监测和控制外，还需要对水射流增透作业中的水压、流量和水力压裂作业过程中的水压、煤体开裂压力、注水量等技术参数进行实时监测与记录，实现现场视频、试验数据的实时传输和存储并能自动生成数据表及相关曲线，为水力化增透作业效果评估和优化提供科学、详实的数据。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种用于煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，适用于水射流和水力压裂这两种增透作业过程的远程控制以及作业过程中系统压力、流量、环境等作业参数的实时监测、存储、工况识别、数据传输，详实、准确地记录水射流和水力压裂增透参数并能自动生成数据表及相关曲线。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]本发明所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，包括控制模块，监视模块，执行模块以及数据采集模块，所述控制模块分别与监视模块，执行模块以及数据采集模块信号连接，所述监视模块用于监视执行模块的运行情况，并将相关运行情况传控制模块，所述数据采集模块用于采集执行模块的运行数据，并将相关数据传至控制模块，控制模块通过接收监视模块和数据采集模块传输的数据智能判断是否出现故障及故障类型并能根据不同情况发出控制命令至执行模块，以控制系统的运转和在发生故障时停止。
[0008]其中，所述执行模块包括依次机械连接的液箱、高压水力泵站、高压水管汇、钻机、高压水射流喷头、防爆软启动器、水力压裂钻孔和水射流钻孔；所述控制模块分别与钻机和防爆软启动器信号连接。[0009]其中，所述监视模块包括防爆计算机、防爆固定摄像头、防爆麦克风和防爆万向摄像头，所述防爆计算机分别与防爆固定摄像头、防爆麦克风和防爆万向摄像头信号连接，所述防爆计算机与控制模块信号连接；所述水力压裂钻孔孔口、水射流钻孔孔口以及高压水力泵站处均设有防爆固定摄像头、防爆麦克风和防爆万向摄像头。
[0010]其中，所述数据采集模块包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、水位传感器、甲烷传感器和瓦斯断电仪，所述控制模块分别与压力传感器、流量传感器、温度传感器、水位传感器、甲烷传感器和瓦斯断电仪信号连接；所述压力传感器相对应安装于高压水力泵站输出端和高压水管汇的中部和末端，所述流量传感器对应安装于高压水力泵站的进水端和高压水管汇的后部；所述温度传感器对应安装于高压水力泵站的转轴处；所述水位传感器安装在液箱内；所述甲烷传感器对应安装于水力压裂钻孔和水射流钻孔的孔口和高压水力泵站处。
[0011]其中，所述控制模块信号连接有声光报警器。
[0012]进一步地，所述控制模块为防爆PLC控制箱。
[0013]本发明有益效果为:
[0014]1.本发明以控制模块为核心，执行模块、监视模块、数据采集模块分别为主要作业设备、作业监视设备和作业系统数据采集设备。控制模块接收监视模块和数据采集模块传输的数据，智能判断作业系统的运转情况和作业的安全程度，并能发出控制命令至执行模块，控制系统的运转和在发生故障时停止。同时监视模块和数据采集模块对水力化增透作业系统工况和环境等作业参数、作业过程的音频和视频数据进行实时监测和存储，并能自动生成数据表及相关曲线，还可经通讯网络无缝接入煤矿安全监测监控系统，提高整个增透作业可视化和煤层增透效果。
[0015]2.本发明实现了实时采集工况和环境等作业参数，实时掌握作业现场的音频和视频情况，通过远程控制，避免了作业人员与煤体的“短兵相接”，保障了整个作业过程的安全。
[0016]3.本发明中的控制模块，通过接收监视模块和数据采集模块的数据，实现智能判断并发出控制命令至执行模块，以控制系统的运转和在发生故障时停止，提高了水力化增透作业的自动化程度，降低了作业劳动强度。
[0017]4.本发明采用模块化设计理念，执行模块、监视模块、数据采集模块均可单独与控制模块连接使用，满足各种条件下远程监测和控制煤矿井下水力化增透作业的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的整体方框结构示意图；
[0019]图2是本发明的分解方框结构示意图；
[0020]图3是本发明的实施例一连接结构示意图；
[0021]图4是本发明的实施例二连接结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。[0024]如图1和图2所示，本发明所述的一种煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，包括控制模块1、执行模块2、监视模块3、数据采集模块4，所述控制模块I分别与监视模块3，执行模块2以及数据采集模块4信号连接，所述监视模块3用于监视执行模块2的运行情况，并将监测数据传至控制模块传送至控制模块1，所述数据采集模块4用于采集执行模块2的运行数据，并采集到的各种系统参数和环境参数通过电信号或者通讯的方式传至控制模块I。控制模块I通过接收监视模块3和数据采集模块4传输的数据，可智能判断是否出现故障及故障类型并能根据不同情况发出控制命令至执行模块2，以控制系统的运转和在发生故障时停止，该系统可通过通讯网络无缝接入煤矿安全监测监控系统。
[0025]具体而言，所述的控制模块I为防爆PLC控制箱1-1。所述防爆控制箱1-1通过远程控制执行模块2来实现远程控制水力化增透作业的运转和在发生故障时停止，还可以通过连接监视模块3和数据采集模块4实现对水力化增透系统工况、环境等作业参数和作业过程的音频和视频数据的实时采集和监测。
[0026]所述的执行模块2包括相互依次连接的液箱2-1、高压水力泵站2-2、高压水管汇
2-3、钻机2-4、高压水射流喷头2-5、防爆软启动器2-6、控制阀和声光报警器2_9等。
[0027]所述的监视模块3包括防爆计算机3-1、防爆固定摄像头3-2、防爆麦克风3_3和防爆万向摄像头3-4,所述防爆计算机3-1分别与防爆固定摄像头3-2、防爆麦克风3-3和防爆万向摄像头3-4信号连接，所述防爆计算机3-1与控制模块I信号连接，所述水力压裂钻孔2-7孔口、水射流钻孔2-8孔口以及高压水力泵站2-2附近均设有防爆固定摄像头
3-2、防爆麦克风3-3和防爆万向摄像头3-4。这样设置，防爆固定摄像头3-2、防爆麦克风3-3和防爆万向摄像头3-4可将水力化增透作业钻孔和高压水力泵站周围的视频和音频数据转化为数字信号传输到防爆计算机3-1，进行实时监测和实况存储，并通过防爆计算机3-1传至防爆PLC控制箱1-1，为防爆PLC控制箱1-1指令执行模块2提供依据。
[0028]所述的数据采集模块4包括压力传感器4-1、流量传感器4-2、温度传感器4_3、水位传感器4-4、甲烷传感器4-5和瓦斯断电仪4-6。所述控制模块I分别与压力传感器4-1、流量传感器4-2、温度传感器4-3、水位传感器4-4、甲烷传感器4-5和瓦斯断电仪4_6信号连接，所述压力传感器4-1相对应安装于高压水力泵站2-2输出端和高压水管汇2-3的中部和末端，所述流量传感器4-2对应安装于高压水力泵站2-2的进水端和高压水管汇2-3的后部；所述温度传感器4-3对应安装于高压水力泵站2-2的转轴处；所述水位传感器4-4安装在液箱2-1内；所述甲烷传感器4-5对应安装于水力压裂钻孔2-7和水射流钻孔2-8的孔口处和高压水力泵站2-2处，以收集相关数据信息。数据采集模块4将高压水力系统中的水压力、流量、泵的轴温、液箱水位以及作业钻孔孔口附近和高压水力泵站附近的甲烷浓度等参数转化为数字信号传到控制模块，以确定水力化增透作业系统的运转情况、作业的安全程度。
[0029]本发明以控制模块I为核心,执行模块2、监视模块3、数据采集模块4分别为主要作业设备、作业监视设备和作业系统数据采集设备，控制模块I通过防爆PLC控制箱1-1采集和分析监视模块3与数据采集模块4所获取的包括水力化增透系统工况、环境等作业参数和作业过程的音频和视频数据，智能判断作业系统的运转情况和作业的安全程度，并发出控制命令至执行模块2，控制系统的运转和在故障时停止，同时监视模块3和数据采集模块4对本发明的作业参数、作业过程的音频和视频数据进行实时监测和存储，并能自动生成数据表及相关曲线，还可经通讯网络无缝接入煤矿安全监测监控系统。需要说明的是，本发明所述传输方式包括网线或光纤的数字信号传输和无线基站的无线信号传输。
[0030]所述执行模块2中的高压水管汇2-3包括高压胶管、截止阀、单向阀、卸压阀等管路连接部件。
[0031]所述数据采集模块4中的压力传感器4-1安装在高压水力泵站2-2输出端、高压水管汇2-3的中部和末端。所述数据采集模块4中的流量传感器4-2安装在高压水力泵站2-2的进水端和高压水管汇2-3的后部。所述的数据采集模块4中的温度传感器4-3安装在高压水力泵站2-2的转轴处。所述的数据采集模块4中的水位传感器4-4安装在液箱2-1内以监测液箱水位情况。所述数据采集模块4中的甲烷传感器4-5安装在水力压裂钻孔2-7、水射流钻孔2-8的孔口附近和高压水力泵站2-2附近。所述的瓦斯断电仪4-6在任何甲烷传感器4-5附近出现瓦斯浓度超限时能自动切断系统供电。所述的声光报警器2-9会在控制模块I智能判断出现异常时发出声音和灯光信号报警。
[0032]实施例1:
[0033]如图3所示，本发明的工作原理如下:本发明开启后，所述防爆PLC控制箱1-1通过防爆软启动器2-6启动高压水力泵站2-2至运行平稳时，高压水力泵站2-2开始缓慢加压为水射流增透作业提供高压水；同时通过防爆PLC控制箱1-1控制防爆钻机2-4的开启、给进和钻杆旋转等作业；此时常压水由液箱2-1经高压水力泵站2-2加压后变为高压水，高压水经过高压管汇2-3至高压水射流钻杆，进而；流经高压水射流喷头2-5对水射流钻孔2-8进行水射流增透作业。
[0034]防爆固定摄像头3-2和防爆万向摄像头3-4分别对水射流钻孔2_8的作业过程和高压水力泵站2-2的周围环境进行视频即时监视，防爆麦克风3-3对水射流钻孔2-8的作业过程进行音频即时监听，音频、视频信号转化为数字信号经通讯方式传至防爆计算机3-1进行实时监视和数据存储，音频、视频数据传至防爆PLC控制箱1-1为水射流增透作业的作业进展提供决策支持。
[0035]数据采集模块4中的压力传感器4-1和流量传感器4-2所获取的系统压力和流量数据通过通讯方式传至防爆PLC控制箱1-1，防爆PLC控制箱1-1实时监测高压管汇2-3不同位置的水压和流量，并智能判断水射流增透作业系统中是否出现泄漏；温度传感器4-3实时监测轴体温度并通过防爆PLC控制箱1-1智能判断高压水力泵站2-2轴温是否过高；水位传感器4-4监测液箱水位情况以确保作业过程中水量的有效补给；甲烷传感器4-5实时监测水射流钻孔2-8孔口附近和高压水力泵站2-2附近的瓦斯浓度，一旦出现瓦斯浓度超限，瓦斯断电仪4-6将自动切断系统供电；声光报警器2-9能在控制模块I智能判断出现异常时发出声音和灯光信号报警；防爆PLC控制箱实时监测和存储水射流增透作业过程中的水压力、流量、泵轴温、液箱水位、环境瓦斯浓度，智能控制系统的运转和在故障时停止。
[0036]实施例2:
[0037]如图4所示，本发明的使用过程:水力压裂增透系统开启后，防爆PLC控制箱1-1通过防爆软启动器2-6启动高压水力泵站2-2至运行平稳时，高压水力泵站2-2开始缓慢加压为水力压裂增透作业提供高压水；此时常压水由液箱2-1经高压水力泵站2-2加压后变为高压水，高压水经过高压管汇2-3至水力压裂钻孔2-7进行水力压裂增透作业。
[0038]防爆固定摄像头3-2和防爆万向摄像头3-4分别对水力压裂钻孔2_7的作业过程和高压水力泵站2-2的周围环境进行视频即时监视，防爆麦克风3-3对水射流钻孔2-7的作业过程和高压水力泵站2-2的周围环境进行音频即时监听，音频、视频信号转化为数字信号经通讯方式传至防爆计算机3-1进行实时监视和数据存储，音频、视频数据传至防爆PLC控制箱1-1为水力压裂增透作业的作业进展提供决策支持。
[0039]数据采集模块4中的压力传感器4-1和流量传感器4-2所获取的压力和流量数据通过通讯方式传至防爆PLC控制箱1-1，防爆PLC控制箱1-1实时监测高压管汇2-3不同位置的水压和流量，并智能判断水力压裂增透作业系统中是否出现泄漏；温度传感器4-3实时轴体温度并通过防爆PLC控制箱1-1智能判断高压水力泵站2-2轴温是否过高；水位传感器4-4监测液箱水位情况以确保作业过程中水量的有效补给；甲烷传感器4-5实时监测水力压裂钻孔2-7孔口附近和高压水力泵站2-2附近的瓦斯浓度，一旦出现瓦斯浓度超限，瓦斯断电仪4-6将自动切断系统供电；声光报警器2-9能在控制模块I智能判断出现异常时发出声音和灯光信号报警；防爆PLC控制箱实时监测和存储水力压裂增透作业过程中的水压力、流量、泵油温、液箱水位、环境瓦斯浓度，智能控制系统的运转和在故障时停止。
[0040]以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【权利要求】
1.煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:包括控制模块(1)，监视模块(3)，执行模块(2)以及数据采集模块(4)，所述控制模块(I)分别与监视模块(3)，执行模块(2)以及数据采集模块(4)信号连接，所述监视模块(3)用于监视执行模块(2)的运行情况，并将相关运行情况传控制模块(I)，所述数据采集模块(4)用于采集执行模块(2)的运行数据，并将相关数据传至控制模块(I)，控制模块(I)通过接收监视模块(3)和数据采集模块(4)传输的数据智能判断是否出现故障及故障类型并能根据不同情况发出控制命令至执行模块(2)，以控制系统的运转和在发生故障时停止。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:所述执行模块(2)包括依次机械连接的液箱(2-1)、高压水力泵站(2-2)、高压水管汇(2-3)、钻机(2-4)、高压水射流喷头(2-5)、防爆软启动器(2-6)、水力压裂钻孔(2_7)和水射流钻孔(2-8);所述控制模块(I)分别与钻机(2-4)和防爆软启动器(26)信号连接。
3.根据权利要求2所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:所述监视模块(3)包括防爆计算机(3-1)、防爆固定摄像头(3-2)、防爆麦克风(3-3)和防爆万向摄像头(3-4),所述防爆计算机(3-1)分别与防爆固定摄像头(3-2)、防爆麦克风(3-3)和防爆万向摄像头(3-4)信号连接，所述防爆计算机(3-1)与控制模块(I)信号连接；所述水力压裂钻孔(2-7)孔口、水射流钻孔(2-8)孔口以及高压水力泵站(2-2)处均设有防爆固定摄像头(3-2)、防爆麦克风(3-3)和防爆万向摄像头(3-4)。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:所述数据采集模块(4)包括压力传感器(4-1)、流量传感器(4-2)、温度传感器(4-3)、水位传感器(4-4)、甲烷传感器(4-5)和瓦斯断电仪(4-6)，所述控制模块(I)分别与压力传感器(4-1)、流量传感器(4-2)、温度传感器(4-3)、水位传感器(4-4)、甲烷传感器(4_5)和瓦斯断电仪(4-6)信号连接；所述压方传感器(4-1)相对应安装于高压水力泵站(2-2)输出端和高压水管汇(2-3)的中部和末端，所述流量传感器(4-2)对应安装于高压水力泵站(2-2)的进水端和高压水管汇(2-3)的后部；所述温度传感器(4-3)对应安装于高压水力泵站(2-2)的转轴处；所述水位传感器(4-4)安装在液箱(2-1)内；所述甲烷传感器(4-5)对应安装于水力压裂钻孔(2-7)和水射流钻孔(2-8)的孔口和高压水力泵站(2-2)处。
5.根据权利要求1-4任一所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:所述控制模块(I)信号连接有声光报警器(2-9)。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下水力化增透作业远程监测与控制系统，其特征在于:所述控制模块(I)为防爆PLC控制箱(1-1)。
【文档编号】E21F17/18GK103676861SQ201310643863
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】王耀锋, 王魁军, 张兴华, 李艳增, 姜文忠, 赵洪瑞, 李铁良, 许幸福, 高中宁, 聂荣山, 谢正红 申请人:煤科集团沈阳研究院有限公司