一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统及方法与流程

本发明属于煤矿安全生产与管理技术领域，具体涉及一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统及方法。

背景技术：

煤矿瓦斯抽采是目前国内外预防和治理瓦斯事故最为有效且使用最多的方法。国内相关部门针对瓦斯抽采设计及达标评价制定了相关的规定，但是各地区瓦斯地质条件和抽采方法不同，导致瓦斯抽采达标评价和日常管理工作具有复杂性和挑战性的特点。传统的瓦斯抽采达标评价方法存在人为主观因素多、工作量巨大、评价者综合素质要求极高等问题，且容易出现人为计算误差和疏忽的现象，导致评价结果不可靠，对安全可靠生产造成了阻碍。实现瓦斯抽采达标评价过程的程序化和管理工作的可视化和智能化，有助于抽采达标评价过程一体化和流线化及管理工作智能化，达到降低瓦斯抽采达标评价周期、减少评价所需费用的目的，为煤矿企业各级领导和工程技术人员提供信息参考和指挥决策的依据。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统及方法。

一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统，包括瓦斯抽采评价模块、可视化交互模块和可视化管理模块；

所述瓦斯抽采评价模块，用于建立瓦斯抽采管网模型，并在瓦斯抽采管网模型中布置对应的钻孔；根据获取的钻孔布孔基础参数采用不同钻孔布置数学模型确定钻孔布孔参数；根据瓦斯抽采基础参数确定待选瓦斯泵型号参数和管网参数；根据待选瓦斯泵型号参数确定瓦斯泵型号；根据待选瓦斯泵型号参数对已有瓦斯泵参数进行验证；根据录入的勘察矿井的基础条件数据生成瓦斯基础评价报告，得到评价报告结果；根据矿井抽采状况数据确定矿井抽采评价指标；根据各台矿井瓦斯泵的抽采数据核定矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力；建立数据库保存确定的钻孔布孔参数、管网参数、各瓦斯泵型号参数；

所述可视化交互模块，用于显示瓦斯抽采管网模型、钻孔布孔参数、瓦斯泵型号参数、瓦斯基础评价报告、矿井抽采评价指标、矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力，通过可视化交互界面实现瓦斯抽采基础参数、勘察矿井的基础条件数据、矿井抽采状况数据、各台矿井瓦斯泵的抽采数据的录入、修改和导出；

所述可视化管理模块，用于以扩展词典形式存储所述数据库中数据，对瓦斯基础评价报告结果生成word形式报告，实现所述数据库的查询、插入、更新、删除；实现瓦斯抽采监控设备可视化图元显示，监控设备属性数据与瓦斯管路属性数据的同步更新。

所述钻孔布孔基础参数包括：冒落带的高度、裂隙带的高度、终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离、终孔位置沿煤层倾向至回风巷的距离、开孔高度；

所述钻孔布孔参数包括：终孔设计高度参考值、钻孔偏角、钻孔仰角、钻孔长度、钻孔有效长度、工作面推进有效长度、钻场间距；

所述待选瓦斯泵型号参数包括：瓦斯泵的额定流量、正压瓦斯管路段全部阻力损失、负压瓦斯管路段全部阻力损失、瓦斯泵的负压、瓦斯泵的真空度、瓦斯泵工况压力、瓦斯泵流量；

所述管网参数包括：瓦斯泵内径、管路阻力；

所述矿井抽采评价指标包括：参与评价的煤量、抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量、煤层残余相对瓦斯压力、煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量、煤的可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率；

所述瓦斯抽采率包括：工作面瓦斯抽采率、矿井瓦斯抽采率；

所述煤矿瓦斯抽采达标生产能力的评价指标包括：矿井瓦斯抽采泵所审定的年产量、矿井实际瓦斯抽采量、按矿井符合防突要求所审定的年产量、按矿井瓦斯抽采率所审定的年产量；

所述矿井瓦斯抽采泵所审定的年产量通过按矿井抽采率系统能力所审定的年产量和按矿井瓦斯抽采系统能力所审定的年产量的最小值确定。

所述数据库为sqlite数据库。

所述建立瓦斯抽采管网模型的方法为通过cad绘制瓦斯抽采管网模型。

采用所述的瓦斯抽采达标评价可视化管理系统的管理方法，包括以下步骤：

步骤1：通过可视化交互界面录入瓦斯抽采基础参数、勘察矿井的基础条件数据、矿井抽采状况数据、各台矿井瓦斯泵的抽采数据；

步骤2：建立瓦斯抽采管网模型，并在瓦斯抽采管网模型中布置对应的钻孔；

步骤3：根据获取的钻孔布孔基础参数采用不同钻孔布置数学模型确定钻孔布孔参数；

步骤4：根据瓦斯抽采基础参数确定待选瓦斯泵型号参数和管网参数；根据待选瓦斯泵型号参数确定瓦斯泵型号；根据待选瓦斯泵型号参数对已有瓦斯泵参数进行验证；

步骤5：根据录入的勘察矿井的基础条件数据生成瓦斯基础评价报告，得到评价报告结果；

步骤6：根据矿井抽采状况数据确定矿井抽采评价指标；根据各台矿井瓦斯泵的抽采数据核定矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力；

步骤7：采用数据库保存确定的钻孔布孔参数、管网参数、各瓦斯泵型号参数；

步骤8：显示并导出瓦斯抽采管网模型、钻孔布孔参数、瓦斯泵型号参数、瓦斯基础评价报告、矿井抽采评价指标、矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力。

本发明的有益效果：

本发明提出一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统及方法，本发明是以专业化的可视化计算机辅助设计绘图系统为基础，集成瓦斯抽采达标评价的专业模块实现现有系统。系统提供了简单方便的安装程序，降低系统使用的难度，同时在系统设计时考虑和解决了系统升级和专业模块增加等问题；系统在具备友好用户界面和强大图形功能的同时，保证了系统的兼容性和稳定性，解决了专业系统图元开发难度高、系统难以兼容等问题；实现瓦斯抽采钻孔参数报表、瓦斯抽采达标评价报告等报表和报告的自动生成功能，可降低报告书写和数据查询的工作难度；系统实现的瓦斯抽采达标评价功能使评价工作程序化和智能化，为瓦斯抽采设计和评价提供辅助决策信息，使工程技术人员和煤矿安全管理工作者对瓦斯抽采进行科学、可靠地设计和达标评价，对评价不合格的矿井能够快速准确地做出相应的解决方案，提高生产效率，降低瓦斯事故发生的可能性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中瓦斯抽采达标评价可视化管理系统的结构框图；

图2为本发明具体实施方式中终孔设计高度参考值h终孔、钻孔偏角α、钻孔仰角β、钻孔长度l钻孔、钻孔有效长度l有效、工作面推进有效长度l推进、钻场间距s的位置关系示意图；

图3为本发明具体实施方式中钻场间距s与终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离x的位置关系

图4为本发明具体实施方式中瓦斯抽采达标评价可视化管理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种瓦斯抽采达标评价可视化管理系统，如图1所示，包括瓦斯抽采评价模块、可视化交互模块和可视化管理模块；

所述瓦斯抽采评价模块，用于建立瓦斯抽采管网模型，并在瓦斯抽采管网模型中布置对应的钻孔；根据获取的钻孔布孔基础参数采用不同钻孔布置数学模型确定钻孔布孔参数；根据瓦斯抽采基础参数确定待选瓦斯泵型号参数和管网参数；根据待选瓦斯泵型号参数确定瓦斯泵型号；根据待选瓦斯泵型号参数对已有瓦斯泵参数进行验证；根据录入的勘察矿井的基础条件数据生成瓦斯基础评价报告，得到评价报告结果；根据矿井抽采状况数据确定矿井抽采评价指标；根据各台矿井瓦斯泵的抽采数据核定矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力；建立数据库保存确定的钻孔布孔参数、管网参数、各瓦斯泵型号参数。

本实施方式中，通过cad绘制瓦斯抽采管网模型，并在瓦斯抽采管网模型中布置对应的钻孔。所述数据库为sqlite数据库，保存确定的钻孔布孔参数、管网参数、各瓦斯泵型号参数。

本实施方式中，各瓦斯泵型号参数包括：瓦斯泵类型、泵重、泵长、泵宽、泵高、转速、吸入绝压、极限压力、最大气量、电机功率、最低吸入绝压、生产厂家等信息，如表1所示：

表1各瓦斯泵型号参数信息

表1中，瓦斯泵型号参数信息：瓦斯泵类型为2bea-101-0；泵重为90kg；泵长为638mm；泵宽为375mm；泵高为355mm；转速为1300r/min；吸入压力为60hpa；极限压力为400hpa；最大气量为1.60m³/min；电机功率为5.5kw；最低吸入绝压为33hpa；生产厂家为淄博水环真空泵厂有限公司。

本实施方式中，根据获取的钻孔布孔基础参数采用不同钻孔布置数学模型确定钻孔布孔参数的具体过程如下：

所述钻孔布孔基础参数包括：冒落带的高度hm、裂隙带的高度hli、终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离x、终孔位置沿煤层倾向至回风巷的距离y、开孔高度h(钻孔开孔位置距煤层底板高度)。

所述钻孔布孔参数包括：终孔设计高度参考值h终孔、钻孔偏角α、钻孔仰角β、钻孔长度l钻孔、钻孔有效长度l有效、工作面推进有效长度l推进、钻场间距s，其位置关系如图2所示。

本实施方式中，终孔设计高度参考值h终孔的计算公式如式(1)所示：

钻孔偏角α，即钻孔在水平面上的投影与巷道轴线的夹角的计算公式如式(2)所示：

钻孔仰角β的计算公式如式(3)所示：

钻孔长度l钻孔的计算公式如式(4)或者公式(5)所示：

其中，h0为终孔位置距开孔位置的垂直高度。

钻孔有效长度l有效的计算公式如式(6)所示：

工作面推进有效长度l推进的计算公式如式(7)所示：

钻场间距s的计算公式如式(8)所示：

本实施方式中，钻场间距s与终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离x的位置关系示意图如图3所示。

本实施方式中，根据瓦斯抽采基础参数确定待选瓦斯泵型号参数和管网参数的具体计算过程如下所示：

所述待选瓦斯泵型号参数包括：瓦斯泵的额定流量qe、正压瓦斯管路段全部阻力损失hc、负压瓦斯管路段全部阻力损失hr、瓦斯泵的负压h、瓦斯泵的真空度p、瓦斯泵工况压力pg、瓦斯泵流量qg。

本实施方式中，瓦斯泵的额定流量qe的计算公式如式(9)所示：

其中，qe为瓦斯泵的额定流量，单位为m³/min，qz为矿井瓦斯抽采期间抽采最大纯瓦斯总量，单位为m³/min，x为瓦斯泵入口处瓦斯浓度，单位为％，kll为瓦斯抽采流量备用系数，ηb为瓦斯泵的机械效率，一般取80％。

正压瓦斯管路段全部阻力损失hc的计算公式如式(10)所示：

hc＝hcm+hcj+hzh(10)

其中，hc为正压管路的全部阻力损失，单位为pa；hcm为正压管路的摩擦阻力损失，单位为pa；hcj为正压管路的局部阻力损失，单位为pa；hzh为用户所需正压，单位为pa。

负压瓦斯管路段全部阻力损失hr的计算公式如式(11)所示：

hr＝hzk+hrm+hrj(11)

其中，hr为负压管路的全部阻力损失，单位为pa；hzk为抽放钻孔所需负压，单位为pa；hrm为负压管路的摩擦阻力损失，单位为pa；hrj为负压的局部阻力损失，单位为pa；

瓦斯泵的负压h的计算公式如式(12)所示：

h＝(hr+hc)kyl(12)

其中，h为瓦斯泵的负压，单位为pa，kyl为瓦斯泵负压备用系数，一般取1.2-1.8。

瓦斯泵的真空度p的计算公式如式(13)所示：

其中，p为瓦斯泵的真空度，单位为％，hf为矿井瓦斯抽采总负压，单位为pa，p0为标准大气压力(101325)，单位为pa。

瓦斯泵工况压力pg的计算公式如式(14)所示：

pg＝p1-h(14)

其中，p1为瓦斯抽采泵站的大气压力。

瓦斯泵流量qg的计算公式如式(15)所示：

其中，pg＝pd-hr为抽采泵瓦斯进口的绝对压力，单位为pa，pd为当地大气压力，单位为kpa；，t＝273+t为抽采泵进入瓦斯时的绝对温度，单位为k，t为抽采泵入口瓦斯的温度，单位为℃，t0为标准状态下的绝对温度(273)，单位为k。

所述管网参数包括：瓦斯泵内径d、管路阻力。

本实施方式中，瓦斯泵内径d的计算公式如式(16)所示：

其中，d为瓦斯泵内径，单位为m；q为瓦斯管中的瓦斯流量，单位为m³/min；为瓦斯管中瓦斯平均流速。

管路阻力包括：管路的摩擦阻力hm和管路的局部阻力hj。

管路的摩擦阻力hm的计算公式如式(17)所示：

其中，hm为管路的摩擦阻力，单位为pa，l为管路长度，单位为m，γ为混合瓦斯对空气的相对密度，查表2，k为系数，查表3，d为瓦斯管内径，cm，pj为管道内气体的绝对压力，单位为pa，t1为管路绝对温度(273+t)，单位为k。

表2在0℃及1标准大气压时，不同浓度甲烷与空气的混合气体对空气的相对密度表

表3不同管径的系数k

管路的局部阻力hj的计算公式如式(18)所示：

hj＝(10％～20％)hm(18)

本实施方式中，根据录入的勘察矿井的基础条件数据生成瓦斯基础评价报告，得到评价报告结果如下所示：

根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中对瓦斯抽采基础条件的评价主要有八项内容，通过现场核查和资料审查等方式将勘察结果录入至系统中，自动生成矿井瓦斯抽采基础条件评价报告，若被评价的八项中有任意一项不达标则判定该矿瓦斯抽采基础条件评价不达标。某矿场的瓦斯抽采基础条件评价结果如表4所示，评价结果为达标。

表4基础条件评价结果

本实施方式中，根据矿井抽采状况数据确定矿井抽采评价指标：所述矿井抽采评价指标包括：参与评价的煤量g、抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量wcy、煤层残余相对瓦斯压力pcy、煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量wcc、煤的可解吸瓦斯量wj、瓦斯抽采率；所述瓦斯抽采率包括：工作面瓦斯抽采率ηm、矿井瓦斯抽采率ηk。参与评价的煤量g的计算公式如式(19)所示：

g＝(l走向-h1-h2+2r)(l-h1-h2+r)mγ(19)

其中，g为评价单元参与计算煤炭储量，单位为t；l走向为评价单元煤层走向长度，单位为m；l为评价单元抽采钻孔控制范围内煤层平均倾向长度，单位为m；h1、h2分别为评价单元走向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，单位为m，如果无巷道则为0；h1、h2为分别为评价单元倾向方向两侧巷道瓦斯预排等值宽度，单位为m，如果无巷道则为0；r为抽采钻孔的有效影响半径，单位为m，m为评价单元平均煤层厚度，单位为m，γ为煤的容重(假密度)，单位为t/m³。

其中，h1、h2、h1、h2应根据矿井实测资料确定，如果无实测数据，可参照表5中的数据或计算式确定。

表5巷道预排瓦斯等值宽度

抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量wcy可以通过瓦斯抽采量计算，如式(20)所示：

其中，wcy为抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量，单位为m³/t，w0为煤的原始瓦斯含量，m³/t。

煤的残余瓦斯含量wcy可以通过残余瓦斯压力反算，如式(21)所示：

其中，a，b为吸附常数，pcy为煤层残余相对瓦斯压力，单位为mpa，p0为标准大气压力，0.101325，单位为mpa，ad为煤的灰分，单位为％，mad为煤的水分，单位为％，π为煤的孔隙率，单位为m³/m³，

煤层残余相对瓦斯压力pcy的计算公式如式(22)所示：

煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量wcc的计算公式如式(23)所示：

煤的可解吸瓦斯量wj的计算公式如式(24)所示：

wj＝wcy-wcc(24)

工作面瓦斯抽采率ηm的计算公式如式(25)所示：

其中，ηm为工作面瓦斯抽采率，单位为％；qmc为回采期间，当月工作面月平均瓦斯抽采量，单位为m³/min；其测定和计算方法为：在工作面范围内包括地面钻井、井下抽采(含移动抽采)各瓦斯抽采干管上安装瓦斯抽采检测、监测装置，每周至少测定3次，按月取各测定值的平均值之和为当月工作面平均瓦斯抽采量(标准状态下纯瓦斯量)；

qmf为当月工作面风排瓦斯量，单位为m³/min；其测定和计算方法为：工作面所有回风流排出瓦斯量减去所有进风流带入的瓦斯量，按天取平均值为当天回采工作面风排瓦斯量(标准状态下纯瓦斯量)，取当月中最大一天的风排瓦斯量为当月回采工作面风排瓦斯量(标准状态下纯瓦斯量)。

矿井瓦斯抽采率ηk计算公式如式(26)所示：

其中，ηk为矿井瓦斯抽采率，单位为％；qkc为当月矿井平均瓦斯抽采量，单位为m³/min；其测定、计算方法为：在井田范围内地面钻井抽采、井下抽采(含移动抽采)各瓦斯抽采站的抽采主管上安装瓦斯抽采检测、监测装置，每天测定不少于12次，按月取各测定值的平均值之和为当月矿井平均瓦斯抽采量(标准状态力下纯瓦斯量)；

qkf为当月矿井风排瓦斯量，单位为m³/min；其测定、计算方法为：按天取各回风井回风瓦斯平均值之和为当天矿井风排瓦斯量，取当月中最大一天的风排瓦斯量为当月矿井风排瓦斯量。

本实施方式中，根据各台矿井瓦斯泵的抽采数据核定矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力；所述煤矿瓦斯抽采达标生产能力的评价指标包括：矿井瓦斯抽采泵所审定的年产量、矿井实际瓦斯抽采量a3、按矿井符合防突要求所审定的年产量a4、按矿井瓦斯抽采率所审定的年产量a5。

本实施方式中，各台矿井瓦斯泵的抽采数据包括：单台矿井瓦斯抽采泵瓦斯抽采混合量装机能力qbe，单位为m³/min；矿井相对瓦斯涌出量q，单位为m³/t；矿井总回风巷中的瓦斯浓度c1，单位为％；单台瓦斯泵年平均瓦斯抽采浓度c2，单位为％；当地大气压力pd，单位为kpa；标准大气压力p0，单位为kpa；单台瓦斯运行泵的年平均运行负压pb，单位为kpa；矿井所有回风巷风量的总和为qf，单位为m³/min。

本实施方式中，所述矿井瓦斯抽采泵所审定的年产量通过按矿井抽采率系统能力所审定的年产量a1和按矿井瓦斯抽采系统能力所审定的年产量a2的最小值确定。

按矿井抽采率系统能力所审定的年产量a1的计算公式如式(27)所示：

其中，kf为瓦斯抽采系统工况系数。

按矿井瓦斯抽采系统能力所审定的年产量a2的计算公式如式(28)所示：

其中，v为抽采管道中混杂瓦斯的实际流动速度，单位为m/s；k为抽采主管道系统富余系数。

矿井实际瓦斯抽采量a3的计算公式如式(29)所示：

其中，qs为矿井前年度瓦斯抽采所得到的含量，单位为m³；kc为矿井超前抽采系数；q0为将要开采的最多瓦斯量的煤层需要抽出瓦斯的吨煤含量。

按矿井符合防突要求所审定的年产量a4的计算公式如式(30)所示：

其中，wi为抽采范围内煤层内含有瓦斯最多的含量，单位为m³/t；wc为抽采后能满足防突要求的残余瓦斯含量，单位为m3/t；η为矿井回采率，单位为％；qy为矿井年提前抽才瓦斯所得到的总量，单位为m³；y为邻近煤层及围岩瓦斯储量系数；m为核定区域内无需抽采煤层及非突出危险煤层的采煤面个数；j为矿井掘进面出煤系数；lbi为第i个采煤面的长度，单位为m；hbi为第i个采煤面的平均采高，单位为m；ρbi为第i个采煤面煤的平均密度，单位为t/m³；vbi为第i个采煤面日进尺，单位为m/d；ηbi为第i个采煤面的回采率，单位为％。

按矿井瓦斯抽采率所审定的年产量a5的计算公式如式(31)所示：

其中，qm为瓦斯抽采达标要求的最大矿井瓦斯绝对涌出量，单位为m³/min。

所述可视化交互模块，用于显示瓦斯抽采管网模型、钻孔布孔参数、瓦斯泵型号参数、瓦斯基础评价报告、矿井抽采评价指标、矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力，通过可视化交互界面实现瓦斯抽采基础参数、勘察矿井的基础条件数据、矿井抽采状况数据、各台矿井瓦斯泵的抽采数据的录入、修改和导出；

所述可视化管理模块，用于以扩展词典形式存储所述数据库中数据，对瓦斯基础评价报告结果生成word形式报告，实现所述数据库的查询、插入、更新、删除；实现瓦斯抽采监控设备可视化图元显示，监控设备属性数据与瓦斯管路属性数据的同步更新。

采用瓦斯抽采达标评价可视化管理系统的管理方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：通过可视化交互界面录入瓦斯抽采基础参数、勘察矿井的基础条件数据、矿井抽采状况数据、各台矿井瓦斯泵的抽采数据；

步骤2：建立瓦斯抽采管网模型，并在瓦斯抽采管网模型中布置对应的钻孔；

步骤3：根据获取的钻孔布孔基础参数采用不同钻孔布置数学模型确定钻孔布孔参数；

步骤4：根据瓦斯抽采基础参数确定待选瓦斯泵型号参数和管网参数；根据待选瓦斯泵型号参数确定瓦斯泵型号；根据待选瓦斯泵型号参数对已有瓦斯泵参数进行验证；

步骤5：根据录入的勘察矿井的基础条件数据生成瓦斯基础评价报告，得到评价报告结果；

步骤6：根据矿井抽采状况数据确定矿井抽采评价指标；根据各台矿井瓦斯泵的抽采数据核定矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力；

步骤7：采用数据库保存确定的钻孔布孔参数、管网参数、各瓦斯泵型号参数；

步骤8：显示并导出瓦斯抽采管网模型、钻孔布孔参数、瓦斯泵型号参数、瓦斯基础评价报告、矿井抽采评价指标、矿井瓦斯泵的煤矿瓦斯抽采达标生产能力。