多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统的制作方法

本发明属于井下制氮系统，特别提供了多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统。

背景技术：

1、随着我国厚煤层综放无煤柱开采工艺的推广，在采空区预留的窄煤柱因受周边采动的影响已呈现压裂、压酥状态，导致近距离煤层、同一煤层的新老采空区相互连通形成纵向、横向复合大面积采空区。综采放顶煤在放顶的过程中，受到工艺的限制，导致采空区遗留大量的遗煤；采空区在“三高一扰动”的因素下，漏风通道更加的连通；在外界大气压力影响下，大面积采空区内的气体平衡状态极容易被打破，其流场运移复杂。

2、在以上因素的作用下，漏风流中的氧气，采空区内解吸、自燃产生的可燃气体(如ch4、co等)以不同组分的形式大量积聚在采空区的不同区域，使得采空区内的煤、氧气和瓦斯在不同时空发生交叉和反应，导致采空区内自燃链生灾害的风险性增强；

3、普遍的防治手段是向采空区注惰气技术可高效减小采空区内氧气浓度，平衡采空区的气体压力，降低煤自燃隐患。目前，矿井常用惰气为氮气和液态co2。

4、早期矿井普遍是多个采区的采掘布局，煤矿开采工作的后期，通常需要面临一个矿井下有多个大面积采空区需要管控的局面，考虑到多个采空区并非同时形成的，需要给每个采空区配备制氮设备(独立制氮机或制氮机组)，来实现有效的采空区风险控制，而这种一对一式的注氮处理方式，必然出现制氮供应量与采空区氮气需求量无法完美匹配的额问题，出于安全考量，制氮设备的配备方案中，最大氮气供应量都会大于采空区氮气需求量，造成制氮产能的浪费。

5、还有部分采空区，由于其面积过大、设备长期运行老化等因素，可能出现当前配备的制氮产能无法满足需求的情况。这种情况则需要额外分配临时制氮设备来保证采空区内惰气含量能够达到安全标准。在井下环境中运载和部署制氮设备不仅费时费力，还会额外占用空间，影响其他施工操作的正常产开。

6、综上，有必要对井下的制氮设备的部署应用进行优化。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，采用注氮管网将处于同一矿井内的多个采空区的常规井下注氮系统相互连通，并在每个制氮设备与其对应的采空区之间加装电磁阀，在每个制氮设备与注氮管网的连接处加装电磁阀，压力表用于监测注氮管网内与制氮设备连接段管道内气压；

2、所述常规井下注氮系统由制氮设备、多参数传感器、输气管道和电磁阀构成，制氮设备位于采空区外，通过输气管道与采空区内部连通，多参数传感器装配于采空区密闭墙上。

3、在地上设置控制中心，所述制氮设备、多参数传感器、电磁阀和压力表均与控制中心连接；

4、所述控制中心通过多参数传感器和压力表的反馈值判断该采空区内的气体成分是否达到安全标准；

5、当出现采空区的气体成分不达标，且存在安全风险时，控制中心根据反馈数值估算该采空区的制氮设备满负荷运转是否能够补足氮气缺口；

6、若判断该采空区的制氮设备满负荷运转能够补足氮气缺口，则提高制氮设备的输出功率；

7、若判断该采空区的制氮设备满负荷运转不能补足氮气缺口，则搜索该采空区附近的其他采空区，选择制氮设备空闲或具备额外制气能力的其他采空区，利用其他采空区制氮设备的剩余制氮能力来补偿当前采空区的氮气缺口。

8、进一步地，若当前矿井下全部制氮设备都不足以满足该采空区的氮气需求，则调用外部临时制氮设备接入该采空区。

9、进一步地，所述注氮管网采用输气管道，相邻的多个采空区之间通过多段输气管道连接，其中，多段输气管道的共用连接点为管道交汇点；

10、控制中心根据各采空区的多参数传感器反馈数据可判断各采空区内气体成分的稳定性，若有采空区出现气体指标异常存在自然风险，则将其定义为危险采空区；

11、根据编号定位危险采空区所在位置，以距离该采空区最近的管道交汇点为基准点，根据管路长度可计算出任意管道的沿程阻力；

12、制氮设备向危险采空区输送氮气，输出氮气扣除沿程阻力后，能够对危险采空区输入有效注氮流量，则将其定义为备用制氮设备；

13、备用制氮设备对危险采空区氮气缺口的补偿能力受管道长度和制氮设备功率影响，系统危险采空区处的氮气缺口，以就近原则拟定备用制氮设备的调配方案，并按照调配方案启动对应的制氮设备及制氮设备与危险采空区连通沿途的电磁阀；

14、当全部备用制氮设备的有效注氮流量都不足以满足危险采空区的氮气需求时，则调用外部临时制氮设备接入危险采空区。

15、进一步地，沿程阻力的算法如下：

16、沿程阻力为hm(mpa)，根据实验室测算可知沿程阻力的测算公式如下；

17、hm＝9.8×10-6×q2×l×f÷(k×d5)

18、式中：q：氮气流量；l：管路长度(m)；f：氮气比重(空气中的氮气比重)；d：输氮管内径(cm)；k：管径系数。

19、进一步地，所述注氮管网采用大管径的耐高压管道，每个采空区都通过输气管道连接到耐高压管道，且输气管道与耐高压管道的连接处均设置有电磁阀；

20、以耐高压管道作为临时储氮设备，设定一个耐高压管道存储氮气的压力区间；

21、当某一采空区存在氮气缺口，且定义为危险采空区时，开启其对应的电磁阀，将耐高压管道内存储的氮气注入危险采空区内，当耐高压管道内压力低于压力区间下限时，根据其他采空区制氮设备的工作状态及氮气输出流量调整制氮设备的开机的数量，直至耐高压管道内部压力回复至设定区间内。

22、使用本发明的有益效果是：

23、1、通过注氮管网将处于同一矿井内的多台制氮设备连接并网，合理调用过剩或闲置制氮设备的制氮资源，解决瓦斯抽采过程中可能出现临时氮气缺口的问题；

24、2、通过计算输气管道沿程阻力，合理优化制氮设备调用路线的方式达到节能的效果。

技术特征：

1.多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，其特征在于：采用注氮管网将处于同一矿井内的多个采空区的常规井下注氮系统相互连通，并在每个制氮设备与其对应的采空区之间加装电磁阀，在每个制氮设备与注氮管网的连接处加装电磁阀，压力表用于监测注氮管网内与制氮设备连接段管道内气压；

2.根据权利要求1中所述的多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，其特征在于：若当前矿井下全部制氮设备都不足以满足该采空区的氮气需求，则调用外部临时制氮设备接入该采空区。

3.根据权利要求1中所述的多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，其特征在于：所述注氮管网采用输气管道，相邻的多个采空区之间通过多段输气管道连接，其中，多段输气管道的共用连接点为管道交汇点；

4.根据权利要求3中所述的多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，其特征在于：沿程阻力的算法如下：

5.根据权利要求1中所述的多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，其特征在于：所述注氮管网采用大管径的耐高压管道，每个采空区都通过输气管道连接到耐高压管道，且输气管道与耐高压管道的连接处均设置有电磁阀；

技术总结
本发明公开了多网制氮设备互联的动态平衡注氮系统，采用注氮管网将处于同一矿井内的多个采空区的常规井下注氮系统相互连通，当某一采空区存在氮气缺口，调用与注氮管网连通的其他制氮设备，根据其他采空区制氮设备的工作状态及氮气输出流量调整制氮设备的开机的数量，来补足该采空区的氮气缺口。本发明通过注氮管网将处于同一矿井内的多台制氮设备连接并网，合理调用过剩或闲置制氮设备的制氮资源，解决瓦斯抽采过程中可能出现临时氮气缺口的问题；通过计算输气管道沿程阻力，合理优化制氮设备调用路线的方式达到节能的效果。

技术研发人员：张伟,孙勇,王同友,崔鑫峰,韩明,田崇波,王依磊,都锋
受保护的技术使用者：中煤科工集团沈阳研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17