一种瓦斯抽采注氮采空区三带宽度平衡控制系统及方法与流程

本发明属于煤矿安全，具体涉及一种瓦斯抽采注氮采空区三带宽度平衡控制系统及方法。

背景技术：

1、目前，很多矿井存在采空区瓦斯与火灾并存的问题，采空区瓦斯抽采是解决采煤工作面瓦斯超限的主要手段之一。随着综采设备采煤机的更新换代，采煤效率大幅度提升，随之带来的瓦斯涌出量也急剧增大，这是矿井通风过程中需要解决的重要问题，采空区瓦斯抽采能够减少采空区瓦斯向开采空间涌出，但增大了采空区的漏风量，漏风条件下带来的氧气在一定程度上加大了采空区遗煤自然发火的可能。因此，采空区存在的瓦斯与火伴生灾害是瓦斯浓度场、温度场、氧气浓度场、岩体裂隙场多场耦合作用的结果，影响因素复杂，治理难度较大。注氮灭火是工作面采煤条件下一种有效的灭火方法，其实质是向采空区散热带和自燃带注入大量的氮气，使其氧气浓度降低到10％以下，达到防止煤自燃的目的，同时氮气注入到采空区的位置和注入量是影响防治效果的重要影响因素。氮气注入口位置距离工作面太近，气体很难弥散到自燃带位置，采煤工作面推进缓慢则起不到很好的防治效果；如位置太深则由于工作面推进三带变化，采空区遗煤进一步压实，氮气难以进入自燃区域，故导致注氮效果差。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种瓦斯抽采注氮采空区三带宽度平衡控制系统及方法，旨在达到瓦斯抽采注氮条件下，瓦斯与火的协同治理，控制采空区氧化带最大宽度，更好的为通风防灭火工作提供便利。

2、一种瓦斯抽采注氮采空区三带宽度平衡控制系统包括：采空区瓦斯抽采系统、三带测定系统、注氮系统、工作面环境监测系统、终端控制与数据处理系统；

3、所述采空区瓦斯抽采系统，包括瓦斯抽采泵，所述瓦斯抽采泵通过瓦斯抽采管路连接采空区瓦斯抽采口，瓦斯抽采管路从左到右依次安装有瓦斯抽采管路气体流量计、瓦斯抽采管路co浓度传感器、瓦斯抽采管路o2浓度传感器；

4、所述三带测定系统，包括l形结构的回风束管和l形结构的进风束管，所述回风束管、进风束管内部由气体取样管道与测温光纤构成，根据综放回采工作面井下现场实际情况及相关资料，沿工作面中心向回风束管和进风束管短边处每25m布置一个测点，测点上布置取样束管口，取样束管口处测温光纤和气体取样束管裸露在采空区中对取样束管口处的气体成分及含量情况和测点温度进行监测，回风束管和进风束管的长边侧分别设置三通接口ⅰ和三通接口ⅱ；回风束管长边的端口设有束管监测站；

5、所述注氮系统包括：制氮系统plc终端控制装置，所述制氮系统plc终端控制装置连接制氮机，制氮机连接注氮泵，注氮泵连接注氮管路，进入采空区的注氮管路上方从右到左依次设置一号注氮口、二号注氮口、三号注氮口，一号注氮口、二号注氮口、三号注氮口对应位置的的注氮管路上依次设置一号注氮口电磁控制阀、二号注氮口电磁控制阀、三号注氮口电磁控制阀，注氮管路上设有注氮管路气体流量计；

6、所述工作面环境监测系统包括：进风侧设有进风侧风门和进风侧风流流速传感器；回风侧设有回风侧风门、回风侧风流流速传感器和回风侧上隅角co浓度传感器，回风侧上隅角co浓度传感器监测到co浓度到达24ppm，则进行报警，此时工作面co浓度超限需加大注氮量，同时调整进风侧风门及回风侧风门开放大小使得通过更多新鲜风流，进风侧风流流速传感器与回风侧风流流速传感器对工作面风流流速进行监测从而确定工作面配风量；

7、所述终端控制与数据处理系统包括pc机，通过pc机收集上隅角co浓度传感器、采空区瓦斯抽采管路气体流量计和注氮管路气体流量计的监测数据。

8、所述瓦斯抽采管路间通过瓦斯抽采管路连接套管连接；所述注氮管路间通过注氮管路套管连接。

9、所述取样束管口用每根4m长的φ51高压软管进行保护。

10、所述一号注氮口、二号注氮口、三号注氮口，每个注氮口之间等距离25m为单位架设。

11、本发明提供的一种基于瓦斯抽采注氮条件下采空区三带宽度平衡控制方法，具体步骤如下：

12、步骤1：保证瓦斯抽采系统在工作状态，获取采空区瓦斯抽采条件下工作面及采空区的基本参数，基本参数包括：瓦斯抽采管路o2浓度信息、瓦斯抽采管路co浓度信息、取样束管口位置的氧气信息、温度信息、回风侧上隅角co浓度信息、进风侧风流流速信息、回风侧风流流速信息；

13、步骤2：根据采空区取样束管口位置的氧气信息进行采空区“三带”的精准划分，采空区取样束管口位置氧气浓度大于18％的区域认定为散热带，采空区取样束管口位置氧浓度在5％～18％的区域认定为氧化升温带，采空区取样束管口位置氧浓度小于5％为室息带；

14、步骤3：根据所述步骤1得到的回风侧上隅角co浓度信息，当工作面出现co时，一号注氮口电磁控制阀、二号注氮口电磁控制阀、三号注氮口电磁控制阀控制开启注氮，制氮机通过一号注氮口、二号注氮口、三号注氮口向采空区内部进行注氮，根据采空区取样束管口位置氧气浓度的变化进行注氮深度、位置的调整，当工作面回风侧上隅角co浓度传感器监测到co浓度到达24ppm时，此时应调整进风侧风门及回风侧风门开放大小使得通过更多新鲜风流同时还应当加大注氮量以防止进一步瓦斯超限事故的发生；

15、步骤4：根据所在矿井先前通风防灭火工作的经验值确定配风量、抽采量、注氮量的变化范围，然后根据变化范围内的配风量、抽采量、注氮量确定5％氧气体积分数曲线位置，进而确定氧化带最大耦合宽度，并建立box-behnken响应曲面模型，最后对box-behnken响应曲面模型进行可靠性分析，得到最佳的配风量，抽釆量和注氮量，从而确定氧化带最大宽度；

16、步骤4.1：根据选定工作面的实际配风量、瓦斯抽釆量和注氮量3个牵制采空区遗煤自燃的瓦斯与火共治工艺参数为试验因素，每个试验因素设计3个水平，并生成因素水平编码表；

17、步骤4.2：在确定好影响因素设定区间后，根据步骤4.1中设定的因素水平编码表，选择多个配风量、抽采量、注氮量值，然后确定5％氧气体积分数曲线位置，进而确定氧化带最大耦合宽度；

18、步骤4.3：利用氧化带最大宽度耦合划分的数值得到box-behnken响应曲面模型，box-behnken响应面回归方程为：

19、

20、式中：lmax—氧化带最大宽度；

21、β0—回归截距；

22、xi—变化量，xi为-配风量、抽采量或注氮量；

23、xj—变化量，xj为配风量、抽采量或注氮量；

24、βi—xi的线性系数，βi为配风量线性系数、抽采量线性系数或注氮量线性系数；

25、βij(ij＝12,13,23)—xi与xj的交互效应系数：βij为配风量和抽采量交互、配风量和注氮量交互或抽采量和注氮量交互；

26、βii(i＝1,2,3)—xi的二次效应：βii为配风量二次效应系数、抽采量二次效应系数或注氮量二次效应系数；

27、ε—随机误差；

28、步骤4.4：对所得到的响应面方程进行误差分析，确定方程数据的可靠程度，得到方法分析表，对方差分析表进行分析确定响应面模型的可用性，最终确定平衡点数值：配风量，抽釆量、注氮量，从而确定氧化带最大宽度；

29、步骤5：根据步骤4.4得到的配风量、抽采量、注氮量的结果按照步骤3进行精确配风和注氮，以达到最好的防灭火效果。

30、所述步骤4.4回归分析中，误差分析的可靠性用p值和失拟项的结果去判定，p值表示模型中每个独立变量的显著性水平，可根据t分布与f分布的关系经数据分析软件直接得到p值，当p值大于0.05没有显著性，当p值小于0.05时表示模型有显著性；失拟项大于0.05不显著，小于0.05显著，当失拟项大于0.05时，则可以判定模型拟合效果良好。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

32、1、本发明实现了包括采空区瓦斯抽采系统、“三带”测定系统、注氮系统、工作面环境监测系统、终端控制与数据处理系统，选用plc终端控制系统及pc机对采空区煤自燃危险防治工作集成化智能化控制，降低了工作面人工作业危险水平，满足了矿井工作面安全生产的迫切需求。

33、2、本发明结合数据处理软件，以box-behnken响应曲面模型为基础设计关于注氮量、抽采量、配风量的平衡点模型从而控制采空区氧化带最大宽度，降低采空区煤自燃风险等级；在pc机中三带监测及工作面环境监测数据自动获取，填入软件后自动分析，在矿井井下即可完成操作，便捷程度大大提高。

34、3、本发明适用于矿用安全领域，本发明实现了包括瓦斯抽采系统、“三带”测定系统、注氮系统、工作面环境监测系统、终端控制与数据处理系统，系统集成化控制，监测数据自动处理，得到注氮量、抽采量、配风量平衡点结果可靠有效，提高了采空区煤自燃灾害治理技术水平，满足了矿井智能化安全生产的需求。

35、4、本发明一种瓦斯抽采注氮采空区三带宽度平衡控制系统及方法，无需人工计算直接由响应面分析模型得到控制氧化带宽度的注氮量、抽采量、配风量三量的平衡点，本发明能够对不同矿井工作面采空区防灭火工作的实地应用，对矿井火灾防治工作具有重要意义。