一种煤矿井下煤层气抽采调控系统及调控方法与流程

本发明涉及煤层气抽采技术领域，具体地说是涉及一种适用于煤矿井下的煤层气抽采管路调控系统及调控方法。

背景技术：

现阶段井下煤层气开发一般采用抽采系统进行，利用抽采管路将煤层气自井下输送至地面，由于煤层气赋存的不均匀性及在采掘活动等因素影响下煤体物性特征的变化，抽采参数处于一个动态变化的状态，及时调整抽采参数以获得最优的抽采效果具有非常重要的意义，人工机械调整抽采参数无法满足其时效性和准确性，这对煤层气抽采管路的远程和自动控制提出了要求。国内已存在部分对抽采管路控制装置的相关成果，但是已有煤层气抽采管路多采用手动或电动控制方式，但在总回风巷、专用回风巷及机械提升的进风倾斜井巷(不包括输送机上、下山)中不应敷设电力电缆，这样就限制了抽采管路电动控制方式的适用范围，此外电动和手动方式控制抽采管路存在很大局限性；另一方面，现有煤矿煤层气抽采监控系统的监控数据并未得到有效利用，仅为人工决策提供数据支撑，为实现煤层气抽采系统的数字化、智能化，需要实现煤矿井下复杂条件的煤层气抽采管路远程调控，煤矿井下煤层气抽采管路系统距离长、结构复杂，且处于一个动态变化的状态，现有抽采监控系统无法保证抽采的高效性和安全性；此外，现有的煤矿井下煤层气抽采系统抗故障能力差，发生漏气、堵塞等故障后不能快速、准确判断等等，为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤矿井下煤层气抽采调控系统及调控方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤矿井下煤层气抽采调控系统及调控方法，该系统及方法能够实现实时监控抽采参数及阀门状态参数，可基于抽采参数自动诊断抽采管路故障，能够实现以压缩空气为动力的抽采管路远程调控。

一种煤矿井下煤层气抽采调控系统，所述抽采调控系统包括数据采集模块、数据显示模块、数据处理模块和动作执行模块，所述数据采集模块由固定于抽采管路上的抽采参数采集部件和与抽采管路阀门连接的阀门状态采集部件组成，数据处理模块分别与数据采集模块和动作执行模块通讯连接，所述数据处理模块对数据采集模块传递的数据进行处理并通过数据显示模块进行显示，所述动作执行模块由控制器、气动控制阀、动力执行部件和动力传递部件组成，所述动力执行部件和动力传递部件均固定在抽采管路阀门的阀体上，压缩空气管路通过气动控制阀与所述动力执行部件连接，所述动力执行部件将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动通过动力传递部件传递至抽采管路阀门，控制阀门动作，所述控制器根据数据处理模块传递的信息控制气动控制阀动作。

进一步地，所述的抽采参数采集部件为能够采集抽采负压、气体流量、甲烷浓度、一氧化碳浓度和环境温度参数的单个传感器或多个传感器的组合。

进一步地，所述阀门状态采集部件为能够采集阀门开度参数的单个传感器或多个传感器的组合。

进一步地，所述抽采参数采集部件通过引气装置或气水分离装置通过焊接方式固定于井下的抽采管路上。

进一步地，所述气动控制阀输入端与煤矿井下压缩空气管路相连接，所述气动控制阀输出端有两个，分别与动力执行部件的进气口和出气口相连接。

一种煤矿井下煤层气抽采调控方法，其特征在于，所述调控方法包括以下步骤：

步骤1、通过数据采集模块采集井下指定地点的抽采参数及阀门状态参数；

步骤2、根据数据采集模块采集的数据进行故障诊断，判断抽采管路是否故障，如果发现故障，进行故障报警，未发现故障，进入步骤3，进行故障诊断具体方法为：

步骤21、采集抽采管路各测点的抽采负压及气体流量值，按测点距抽采泵站的距离由近到远进行编号，记第i测点的抽采负压和气体流量值分别为pi和qi；

步骤22、采用偏差指标法分析抽采管路的第i测点与第i+1测点之间是否存在故障，并判断故障类型；

步骤23、进入下一个测点，用i+1代替i，返回步骤22判断下一位置的故障类型，直至i＝最后的测点编号；

步骤3、在地面计算机自动控制和人工控制两种方式中选定调控方式；

步骤4、控制器输出调控命令；

步骤5、动作执行模块执行动作，具体执行方式为：

步骤51、控制器输出命令至气动控制阀；

步骤52、气动控制阀打开，所述动力执行部件将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动通过动力传递部件传递至抽采管路阀门

步骤53、抽采管路阀门动作至阀门开度达到预定值，气动控制阀关闭。

进一步地，所述步骤3中的地面自动控制的调控方法步骤为：

步骤b1、检测抽采管路内部气体的一氧化碳浓度，若一氧化碳浓度小于设定值，执行步骤b2，否则，执行步骤b4；

步骤b2、检测抽采管路内部气体的甲烷浓度，若甲烷浓度小于设定值，执行步骤b5，否则，执行步骤b3；

步骤b3、检测抽采管路内部气体流量，若气体流量小于设定值，执行步骤b6，否则，停止；

步骤b4、执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至阀门开度为0，停止；

步骤b5、执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至甲烷浓度达到设定值，停止；

步骤b6、执行气动控制装置动作2，增大阀门开度，至气体流量达到设定值，停止。

进一步地，所述步骤3中的人工下控制的调控方法步骤为：

步骤c1、输入阀门开度设定值；

步骤c2、判断阀门开度，若阀门开度大于设定值，执行步骤c3，若阀门开度小于于设定值，执行步骤c4，否则，停止；

步骤c3、执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至阀门开度达到设定值，停止；

步骤c4、执行气动控制装置动作2，增大阀门开度，至阀门开度达到设定值，停止。

进一步地，所述步骤22中，所述偏差指标法包括以下过程：

步骤a1、采用以下公式计算负压偏差指标δp、气体流量偏差指标δq：

δp＝||pi-pi+1|-h|

δq＝|qi-qi+1|

式中，h为抽采管路的阻力，pa；k1为局部阻力系数；δ为管路内壁的当量绝对粗糙度；d为圆形管路内径，对于非圆形管路为当量直径，cm；υ为管路内气体的运动粘度，m²/s；qi为第i测点监测到的气体流量，m³/h；xi为第i测点距抽采泵的管路长度，m；xi+1为第i+1测点距抽采泵的管路长度，m；ρ为管路内气体的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；hi、hi+1分别为第i测点、第i+1测点的水平标高，m；

步骤a2、分析故障类型，设定抽采负压偏差阈值为ε1、气体流量偏差阈值为ε2，若δp≥ε1且δq≥ε2，则故障类型诊断为管路泄露；若δp≥ε1且δq＜ε2，则故障类型诊断为管路堵塞；若为其他情况，则诊断为无故障。

进一步地，步骤s1中，所述阀门状态参数为阀门开度，取值范围为0～90°，所述阀门开度参数的采集依靠阀门状态采集部件实现。

有益效果：本发明能够有效解决煤矿井下抽采管路调控困难、阀门人工调整效率低的问题，在监控抽采参数、阀门状态参数的同时可进行故障自动诊断，并打破电动阀门无法在煤矿井下回风巷使用的限制，可以实现以压缩空气为动力的抽采管路远程调控，本发明能够有效提高煤矿井下煤层气抽采管路控制的高效性和安全性，可为抽采管网智能化管控平台建设提供技术保障，对于高瓦斯、突出矿井的抽采管网智能化管控平台建设意义重大，尤其对于抽采管网复杂、管路长的老旧矿井，具有极大推广前景。

附图说明

图1为本发明煤矿井下煤层气抽采调控系统原理图；

图2为本发明煤矿井下煤层气抽采调控方法流程图；

图3为本发明采用自动计算方式实现井下煤层气抽采调控的流程图；

图4为本发明采用人工下达方式实现井下煤层气抽采调控的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种煤矿井下煤层气抽采调控系统，所述抽采调控系统包括数据采集模块、数据显示模块、数据处理模块和动作执行模块，所述数据采集模块由固定于抽采管路上的抽采参数采集部件和与抽采管路阀门连接的阀门状态采集部件组成，数据处理模块分别与数据采集模块和动作执行模块通讯连接，所述数据处理模块对数据采集模块传递的数据进行处理并通过数据显示模块进行显示，所述动作执行模块由控制器、气动控制阀、动力执行部件和动力传递部件组成，所述动力执行部件和动力传递部件均固定在抽采管路阀门的阀体上，压缩空气管路通过气动控制阀与所述动力执行部件连接，所述动力执行部件将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动通过动力传递部件传递至抽采管路阀门，控制阀门动作，所述控制器根据数据处理模块传递的信息控制气动控制阀动作。

为了采集能够满足煤矿井下煤层气抽采调控系统功能的所有参数，所述抽采参数采集部件为能够采集抽采负压、气体流量、甲烷浓度、一氧化碳浓度、环境温度参数的单个传感器或多个传感器的组合。

为了准确采集阀门开度，所述阀门状态采集部件为能够采集阀门开度参数的单个传感器或多个传感器的组合。

在现场实施中选用的传感器组合可以为旋转编码器和限位开关，所述旋转编码器固定于阀门的阀杆上且与阀杆轴向一致，旋转编码器通过计算动力传动部件传递的旋转运动的转动产生的电脉冲数来检测阀门开度；所述限位开关设置2个，限位开关与旋转编码器配合实现阀门控制状态检测的调校。

为了提高抽采参数采集精度及抗干扰能力，所述抽采参数采集部件通过引气装置或气水分离装置或其他辅助装置固定于井下特定地点抽采管路上，可采用焊接或其他可靠方式固定。

在现场实际运用中所选用动力执行模块的控制器可采用plc，为适用于煤矿井下环境，一般制作为具有防爆功能的井下分站。所述动力执行部件与动力传递部件一同固定在抽采管路阀门的阀体上，通过这样的结构，可以保证煤矿井下煤层气抽采管路气动控制装置的有效运转，所述动力执行部件可采用气动马达，所述动力传递部件可采用减速器。

所述气动控制阀输入端与煤矿井下压缩空气管路相连接，所述气动控制阀输出端有两个，分别与动力执行部件的进气口和出气口相连接，通过这样的结构，可以控制压缩空气经气动控制阀进入动力执行部件的时间，以作用时间的长短控制动力执行部件旋转的角度，实现对实现以压缩空气为动力精准控制动力执行部件的旋转运动，并实现动力执行部件的正、反向转动控制。

如图2所示，煤矿井下煤层气抽采调控方法包括以下步骤：

s1，采集井下特定地点的抽采参数及阀门状态参数；

s2，故障诊断，判断抽采管路是否故障；

s3，进行故障报警；

s4，判断调控方式；

s5，输出调控命令；

s6，动作执行模块执行动作。

步骤s1中，所述抽采参数包含抽采负压、气体流量、甲烷浓度、一氧化碳浓度、环境温度，所述抽采参数的采集依靠安装于井下特定地点抽采管路上的抽采参数采集部件实现。

步骤s1中，所述阀门状态参数为阀门开度，所述阀门开度表示阀门的打开角度，取值范围为0～90°，所述阀门开度参数的采集依靠阀门状态采集部件实现。

如图2所示，步骤s2中，判断抽采管路是否故障的方法包含以下步骤：

s21，采集抽采管路各测点的抽采负压及气体流量值，按测点距抽采泵站的距离由近到远编号，记第i测点的抽采负压、混合流量值分别为pi、qi；

s22，采用偏差指标法分析抽采管路的第i测点与第i+1测点之间是否存在故障，并判断故障类型；

s23，用i+1代替i，返回步骤2判断下一位置的故障类型，直至i＝最后的测点编号。

步骤s22中，所述偏差指标法包含以下过程：

a1，采用以下公式计算负压偏差指标δp、气体流量偏差指标δq：

δp＝||pi-pi+1|-h|

δq＝|qi-qi+1|

式中，h为抽采管路的阻力，pa；k1为局部阻力系数；δ为管路内壁的当量绝对粗糙度；d为圆形管路内径，对于非圆形管路为当量直径，cm；υ为管路内气体的运动粘度，m²/s；qi为第i测点监测到的气体流量，m³/h；xi为第i测点距抽采泵的管路长度，m；xi+1为第i+1测点距抽采泵的管路长度，m；ρ为管路内气体的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；hi、hi+1分别为第i测点、第i+1测点的水平标高，m。

a2，分析故障类型，设定抽采负压偏差阈值为ε1、气体流量偏差阈值为ε2，若δp≥ε1且δq≥ε2，则故障类型诊断为管路泄露；若δp≥ε1且δq＜ε2，则故障类型诊断为管路堵塞；若为其他情况，则诊断为无故障。

步骤s4中，所述命令可在自动计算和人工下达方式中选择得到。

如图3所示，采用自动计算方式的实现井下煤层气抽采管路调控的流程可包含以下过程：

b1，检测抽采管路内部气体的一氧化碳浓度，若一氧化碳浓度小于设定值，执行步骤b2，否则，执行步骤b4；

b2，检测抽采管路内部气体的甲烷浓度，若甲烷浓度小于设定值，执行步骤b5，否则，执行步骤b3；

b3，检测抽采管路内部气体流量，若气体流量小于设定值，执行步骤b6，否则，停止；

b4，执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至阀门开度为0，停止；

b5，执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至甲烷浓度达到设定值，停止；

b6，执行气动控制装置动作2，增大阀门开度，至气体流量达到设定值，停止。

上述采用地面自动控制方式实现井下煤层气抽采管路气动控制的流程为一个周期，周期间隔可人为设定。

如图4所示，采用人工下达方式的实现井下煤层气抽采管路调控的流程可包含以下过程：

c1，输入阀门开度设定值；

c2，判断阀门开度，若阀门开度大于设定值，执行步骤c3，若阀门开度小于于设定值，执行步骤c4，否则，停止；

c3，执行气动控制装置动作1，减小阀门开度，至阀门开度达到设定值，停止；

c4，执行气动控制装置动作2，增大阀门开度，至阀门开度达到设定值，停止。

步骤s6中，所述气动控制装置执行动作的方法包含以下步骤：

s61，控制器输出命令至气动控制阀；

s62，气动控制阀打开，动力执行部件动作；

s63，阀门动作，至阀门开度达到预定值，气动控制阀关闭。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。