基于多信息融合的智能化煤层气抽采及输送系统设计

摘 要：针对煤炭资源的开采过程中煤层气抽采及输送中存在的问题，设计了基于多信息融合的智能化煤层气抽采及输送系统。首先构建井下煤层气的高效抽采子系统，然后构建了井下煤层气的安全输送子系统，最后构建了抽采泵的智能化变频调控子系统，最终实现了基于多信息融合的智能化煤层气抽采及输送系统。该系统最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤矿瓦斯抽采达标进程，降低瓦斯灾害事故的发生，促进煤炭的安全高效开采，满足国家中长期能源战略发展的战略要求的目的。

关键词：智能化煤层气抽采；输送系统设计；方案实施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.048

1 引言

在煤炭资源的开采过程中，其伴生承压气态产物煤层瓦斯必然向矿井涌出，可能造成瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等灾害事故，严重地制约着煤炭企业的安全高效集约化生产。我国92%的煤炭生产是井工开采，井下开采平均深度近600m，目前还以每年20～25m的速度向下延伸，煤层瓦斯含量逐步增大，许多低瓦斯矿井逐步转为高瓦斯矿井，原来没有煤与瓦斯突出危险的煤层变为煤与瓦斯突出危险的煤层，国有煤矿50%的矿井为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。随着煤炭开采深度增加，瓦斯压力、地应力和地温梯度增加，瓦斯抽采的难度将进一步增大，煤炭生产已经普遍受到瓦斯灾害的严重威胁。

煤矿瓦斯抽采系统是一个复杂的动态系统，各关键设备运行性能直接影响整个抽采系统运行及效率。因此，提高瓦斯抽采泵、抽采输送管路系统、瓦斯抽采监测系统等关键技术装备水平，建立抽采系统关键设备如抽采泵、控制阀门、连接管网及检测监控系统等最优选型机制和自适应智能调节机制，是十分必要的。

因此，研究智能化控制的高稳定性瓦斯抽采及输送系统，是实现煤矿瓦斯高效率、低能耗抽采的关键思路。本文通过构建井下煤层气的高效抽采子系统、井下煤层气的安全输送子系统及抽采泵的智能化变频调控子系统，建立基于多信息融合的智能化煤层气抽采及输送系统，达到最大程度地提高瓦斯抽采率，加快煤矿瓦斯抽采达标进程，降低瓦斯灾害事故的发生，促进煤炭的安全高效开采，满足国家中长期能源战略发展的战略要求的目的。

2 总体方案设计

本文目的是在整个煤矿抽采管路中建立完整的监测监控系统，通过各个设备的协同作用来实现对抽采泵的智能变频控制，保证煤层气的高效抽采与安全输送。

本文通过在瓦斯抽采管道内安放多种不同类型的监测监控分站及监控监测装置，适时监测管道内部瓦斯的流量、浓度、温度及CO浓度等，同时安装光纤甲烷传感器，用于准确测量瓦斯浓度便于地面人员对危险气体的实时监控。根据上述参数一方面保证瓦斯抽采的安全输送，另一方面利用多信息融合技术控制抽采泵的智能变频控制。为了防止灾变的出现，在整个抽采管道及其分支管路安装管道专用喷粉抑爆系统及双向阻火器，最大限度的保证了瓦斯在抽采时的安全输送；管道外部安装多种监控分站，保证了整个抽采管路功能多样化、高效合理化运作，各监控分站、监控监测装置、喷粉控制装置通过与数据传输总线连接，将数据传输至井上控制中心，井上人员通过人员定位通信系统与井下工作人员交流，适当地进行普通故障排除；出现事故时，井上大屏幕将整个矿井及事故区域通过反复屏幕转换将井下情况反馈至井上，并通过人员定位系统通知井下作业人员进行快速有效撤离。输送管道方面，使用管道密封连接装置解决了输气时渗气、漏气的现象，采用带有加强结构的管材具有重量轻、抗冲击、阻燃、抗静电等特性，使瓦斯的高效抽采率大大加强。

3 方案具体实施

在煤矿井下煤层气（瓦斯）抽采主管道、分支管道上分别布置大水量气水分离器；负压全自动排水、排渣器；双向阻火器；管道专用自动喷粉抑爆装置、抽采管路智能化监控系统以及煤层气（瓦斯）抽采及安全输送监控系统。煤矿监控监测系统随时监测抑爆监控装置、抽采泵监控装置、煤矿环境参数、人员定位管理系统、抽采管路智能化监控系统、煤层气（瓦斯）高效抽采及安全输送监控系统、以及抽采管道中的甲烷浓度、压力、温度、流量等参数，通过数据传输系统实时监测井下各设备的运行状况并把各项参数实时传输到地面监控系统中。

当利用多参数传感器及环境传感器监测到瓦斯浓度超限或其他异常情况（设备运行不正常、断电等）时，能够迅速反馈给井下及井上的监控系统，从而使井上、井下的工作人员采取措施解决隐患。

当传感器根据监测到的管道内瓦斯气体流量、浓度、压力、温度、紫外线及红外线等信息判断出发生瓦斯爆炸时，则整个系统会在5毫秒内通过双向阻火器、管道专用自动喷粉抑爆装置进行阻爆、隔爆及灭火，把灾变控制在一定的范围内，从而最大限度的保障工作人员的生命安全和保护煤矿财产的安全。在灾变处理的过程中，系统会自动报警，通知井上人员更换新的阻爆、隔爆装置，进行排查事故出现原因等安全防范措施。

当根据同一管道上的两个多参数传感器检测到的瓦斯浓度的变化，判断出输送管路发生泄漏、堵塞、断裂等情况时，则系统会自动报警，井上工作人员通过人员定位系统确定离故障点最近的维护人员，然后通过通信系统联系维护人员及时抢修。

当监测到工作面发生事故时，监控系统通过井下摄像头或者维护人员的实时录像或图片等把现场的信息发到监控系统大屏幕上或者相关负责人的手机或电脑屏幕上，以利于掌握第一手的现场信息。

4 结论

本文设计的基于多信息融合的智能化煤层气抽采及输送系统，为瓦斯的高效抽采及安全输送提供了一种新的技术手段，为井下抽采泵的智能变频调速提供了一种低能耗的研究思路和发展方向，可以实现地下对煤层气的高效、环保、安全的抽采，可以避免煤矿生产过程中可能出现的煤与瓦斯突出，进行提前预警和预防，保障了煤矿安全生产的进行，避免了煤与瓦斯突出事故的发生，避免人员伤亡和财产损失，将带来巨大的社会、经济效益。

作者简介：徐伟杰（1976-），男，山东潍坊人，硕士，工程师，研究方向：煤矿智能化系统。