晋煤集团井下瓦斯抽采管网在线监测系统开发与应用

刘九员 栗继祖

(1.晋煤集团通风处，山西省晋城市，048000； 2.太原理工大学，山西省太原市，030024)

1 井下瓦斯抽采管网在线监测技术国内现状

目前，煤矿井下瓦斯抽采管网在线监测技术主要借鉴石油天然气行业相关技术，主要有2种形式，一种为基于硬件的管道泄漏检测技术，另一种是基于软件的管道泄漏检测技术。

我国煤矿瓦斯治理十二字方针是“先抽后采、以风定产、监测监控”。 精确测定瓦斯抽采参数是保障安全生产的必要手段，自瓦斯治理十二字方针出台以来，各瓦斯抽采矿井一直在探索究竟用何种方法才能真实地测定出地面瓦斯抽采主管路中的负压、浓度、温度、流量等参数，如何在此基础上对各瓦斯抽采矿井有针对性地进行瓦斯抽采量计划的制定和完成量的考核。

2011年10月，国家发展改革委、国家安全监管总局、国家能源局、国家煤矿安监局针对管道瓦斯抽采达标管理163号文件《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》发布，需求务必在2012年3月1日前建设完备的瓦斯抽采管网系统，建立能够对瓦斯抽采进行流量、浓度、压力和温度等综合参数检测的在线瓦斯抽采管网监控系统，对于瓦斯矿井特别是高瓦斯矿井，必须做到“抽采达标后方可开采”的行业标准要求，促进了井下瓦斯抽采管网在线监测系统的开发应用。

2 晋煤集团井下瓦斯抽采管网在线监测系统开发的必要性

晋煤集团在瓦斯抽采的自动化监控技术已走在全国前列，在大部分的高突矿井地面瓦斯抽采泵站主管路中都安设的有自动监控系统并上传至矿监测监控中心后台，能实时地检测到抽采主管路系统中的浓度、负压、流量、温度、混量等一系列抽放参数。

为了适应集团公司瓦斯抽采规模的不断发展扩大，2015年晋煤集团开始对各高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井的抽采效果进行考核，并以矿井实际瓦斯抽采量为主要指标，实现网上动态考核，各抽采矿井的瓦斯抽采泵站及井下瓦斯管道内监测数据(包括瞬时纯流量、累计纯流量、温度、负压、浓度等)必须实时上传至集团公司，以便为瓦斯抽采考核工作提供可靠依据。

晋煤集团曾用过多种瓦斯抽采在线监测设备，但由于煤矿井下瓦斯在抽采过程中含水大、含尘多、气体成分复杂以及部分测点流速较低，测量的准确度和仪器的稳定性并不理想，因此，亟需开发瓦斯抽采管网系统以实现瓦斯抽采的实时在线监测。

3 晋煤集团瓦斯抽采管网监控系统装备对比分析与改进方法

晋煤集团在大部分高突矿井地面瓦斯抽采泵站主管路中都安设了自动监控系统并上传至矿监测监控系统，能检测到抽采主管路系统中的浓度、负压、流量、温度、混量等一系列抽放参数，其中瓦斯流量和浓度的测定是两个最重要的参数。

3.1 瓦斯抽采管网流量测定装置对比分析

晋煤集团主要使用孔板流量计、V锥流量计、涡街流量计、循环自激式流量计等测量瓦斯流量。现根据现场使用情况，对几种流量测量装置进行对比分析如下：

(1)孔板流量计。孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器配套组成的高量程比差压流量装置，具有成本低、精度高、安装方便、操作简单等特点。但它量程比较小，一般为3∶1；由于瓦斯流经管道内径的节流件时形成局部收缩，增加了抽采阻力，流量小时测量误差较大，无法准确测量3 m/s以下的流速。

(2)V锥流量计。V锥流量计是利用V锥体在流场中产生的节流效应，根据伯努利方程原理，通过检测上下游压差来测量流量。它是压差式流量计，原理跟孔板流量计一样，它的量程比较宽。但是存在售价较高、差压较低、需要标定而且存在压力损失；由于管道中煤尘和杂质较多，煤尘会撞击锥体后下落堆积，容易出现尘堵，且清理困难。

(3)涡街流量计。涡街流量计也称之为旋涡流量计或卡门涡街流量计。具有耐脏污介质能力强、安装拆卸方便、测量量程比较宽、永久性压损小等特点，但是易受强电力设备、高频设备、强电源开关设备和强烈震动及电磁干扰的影响，一般只能测量6 m/s的流速。

(4)循环自激式流量计。该传感器的核心技术是循环自激，具有测量下限低、性能稳定可靠、便于安装和调校的综合优点。测量数据不受含尘、含水和温度变化的影响，一体化的流量传感器最低可监测1 m/s流速下的抽采气流量，突破了目前常见的管道瓦斯流量检测手段“不能测量抽采管道内流速低于6 m/s的气流”这一困扰煤矿多年的瓦斯抽采计量瓶颈，该传感器由于采用插入式的安装方式，不会增加管道阻力，也大大简化了安装工作。

3.2 瓦斯抽采管网浓度测定装置对比分析

目前，用于管道瓦斯浓度监测的传感器较多，如催化燃烧式传感器、热传导式甲烷传感器、热效式甲烷传感器、红外甲烷传感器等，现将常见甲烷传感器对比分析如下：

(1)催化燃烧式传感器。催化燃烧式传感器是基于在其表面测量甲烷燃烧反应放出的热量的原理，即燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值随之上升，从而测定可燃气体的浓度。它应用范围广泛，但容易受外界环境影响，当使用条件变化时元件自身催化活性下降，会使敏感元件灵敏度下降，需定时调校。

(2)热传导式甲烷传感器。热传导式甲烷传感器依据甲烷气体的导热系数与空气的差异来测定甲烷的浓度，通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。这种传感器优点是甲烷气体浓度高时稳定性较高，寿命较长，一般用于高浓度甲烷气体的测量(4%～100%)；缺点是功耗较大，易受水蒸气的影响，元件的一致性和互换性较差。

(3)热效式甲烷传感器。热效式甲烷传感器(又称黑白元件传感器)是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧产生热量，使元件参数变化来测量瓦斯的浓度。这种传感器的优点是在低浓度值时精度较高且不受其它燃气和灰尘存在的影响，价格便宜；缺点是寿命短(一年左右)、功耗大，易受硫、铅、磷、氯等化合物干扰而使催化剂中毒，从而降低其灵敏度，甚至误报。

(4)红外甲烷传感器。常见红外甲烷传感器利用红外光谱吸收法是通过检测甲烷气体反射光强或透射光强的变化来检测甲烷气体浓度的方法。光谱吸收法检测甲烷气体浓度具有选择性好、灵敏度高、采用光信号检测、产生的干扰信号小、系统的信噪比高等优点。

3.3 瓦斯抽采管网监控系统的改进方法

现行使用的瓦斯抽采测量手段存在以下问题：一是由于手工间断性测量，无法反映连续抽采过程的情况；二是人为因素引起的误差较大，且监测效率较低；三是监测数据滞后，无法起到及时指导调节管网抽采系统运行工况的作用；四是流量计在煤矿现场使用过程中测量效果不理想，经常发生监控系统数据与实际瓦斯抽采量数据不一致、不相符的情况，不能依据监控数据准确判断抽采达标情况，集团公司更不能根据抽采监控数据进行瓦斯抽采量计划的制定和完成量的考核。

针对以上问题，提出以下改进方法：一是通过考察论证各种流量传感器在煤矿瓦斯抽采中的优劣，选择循环自激式流量测定技术，解决管网抽采前端低流速监测的难题；二是利用红外测量技术，基于红外漫反射的原理，通过增加检测甲烷气体反射光程，提高瓦斯浓度测量的灵敏性和准确性；三是对瓦斯抽采管网各个监测点管道瓦斯参数进行可靠和准确地分析，优化抽采量分配，完备抽采效果评价，诊断监控泄漏点；四是建立一套煤矿瓦斯抽采管网监控系统，基于成熟、稳定和可靠的传感器监测技术，实时在线监测井下各主管道、干管道、支管道、独立区域管道监测点瓦斯的浓度、流量、温度和压力等综合参数。

4 晋煤集团井下瓦斯抽采管网在线监测系统的开发

为了解决矿井煤矿瓦斯抽采监测存在的监测数据滞后、实时性不强、数据监测不准确以及数据监测无关联的问题，晋煤集团在全国率先建立井下瓦斯抽采管网在线监测系统，实现了瓦斯管道中瓦斯的浓度、流量、温度和压力等综合参数自动化的瓦斯抽采效果监测和评价，为掌握瓦斯运行的规律提供科学的依据，并提供及时的异常处置预案。

4.1 系统的组成

瓦斯抽采管网监控系统包括井下瓦斯抽采管网监控系统、传输网络系统、地面监控服务器系统三大部分，井下瓦斯抽采管网在线监测系统架构示意图如图1所示。

(1)井下瓦斯抽采管网监控系统。该系统通过布置在瓦斯抽采管道上的监测点感知设备完成对监测点流量、浓度、压力、温度等实时监测，将各个测点监测数据实时传输到所属分站，由分站接入传输网络系统进行数据上传。

(2)传输网络系统。该系统担负着将井下瓦斯抽采管网的监测数据按照采集要求及时传输到矿山监控中心机房的采集设备中，并将人工或者自动控制指令及时分发给井下分站。

(3)地面监控服务器系统。该系统将传输网络系统上传的监测数据进行及时的分析处理、存储及实时展示、报表统计及打印，并对异常进行提醒和告警，为指导生产提供及时、可靠的监测数据支持。

4.2 系统的功能

晋煤集团井下瓦斯抽采管网在线监测系统主要有两大方面的功能：一方面包括管网瓦斯监控系统具备的业务管理功能，另一方面包括监控系统监测管网瓦斯抽采的相关参数。

(1)管网监测业务。管网监控业务主要包括数据采集、业务分析、在线监测、事件回放、业务报表。数据采集完成对井下管道瓦斯抽采监测数据的及时搜集；业务分析是指根据采集的数据进行分析和诊断，发现异常，及时告警，完成对抽采效果的参考评价；在线监测以不同形式完成对监测对象的实时监视，发现异常及时告警；事件回放用于对发生的历史事件进行回放，用于现场恢复和责任分析。

(2)管网监控参数。管网瓦斯监控参数主要包括甲烷的浓度、流量、温度和压力等综合参数，对甲烷流量提供纯流量、混合量、累计量等相关计量业务。

图1 井下瓦斯抽采管网在线监测系统架构示意图

5 晋煤集团井下瓦斯抽采管网在线监测系统的应用效果

为了准确掌握瓦斯抽采管网在线监测系统数据的准确性，选择晋煤集团成庄矿瓦斯抽采管网在线监测系统数据与实测数据进行比较，再根据晋煤集团瓦斯抽采量统计管理办法进行核算。

5.1 系统效果检验方法

本文采用皮托管、均速管、便携式瓦斯抽采管道参数测定仪等方法进行人工测定，通过验证，确保瓦斯抽采量测定结果真实且可靠。通常采用以下两种检验方法：一是采用经校准的直读式抽采管道参数测定仪，直接对管道压力、温度、浓度、流速和抽采量等参数进行直接测定；二是采用皮托管对抽采量进行测定，采用管道参数测定仪对管道压力、温度进行测定，采用光学瓦斯检查仪和高负压采样器对管道浓度进行测定，将皮托管伸入管道中心测定管道速压，然后将上述测定参数带入公式(1)进行计算：

(1)

式中：V——管道内中心点的流速，m/s；

Hd——管道内中心点动压，Pa；

ρ——气体密度，kg/m3；

D——管道内直径，m；

Vp——管道内测点处的平均流速，m/s；

k——系数，测点处的平均流速与中心点流速的比值，系数k取值见表1。

表1 系数k取值参考表

5.2 系统的应用效果分析

为了验证监测点在煤矿井下安装试运行的效果，一种方法是根据实测数据对比，另一种方法是根据各关联关系检验精度。

(1)根据实测数据对比检验精度。选择晋煤集团成庄矿4盘区4106巷本煤层、4106巷采空区、43181巷这3个在线计量设备的测量数量与皮套管测量仪、瓦斯光学鉴定仪的数据进行了对比和分析，对比结果见表2。

(2)根据各关联关系检验精度。根据2016年3月8日二五联络一巷、2243副巷、2244巷、2241巷、2104采空区、2104本煤层安装位置实测参数，分析6个测点传感器的关联关系，对比结果见表3。

表2 瓦斯抽采管网在线监测数据与实测数据对比表

表3 瓦斯抽采管网监测关联数据精度对比表

本工程中瓦斯抽采管道使用的是DN600，管内径为560 mm，其满量程FS计算公式为FS=流速×管断面积×60″，即22 m/s×(0.282×3.14 m2)×60″=324.9 m3/min，精度范围为±3%×324.9=±9.7。2243副巷混合流量+2244巷混合流量+2214混合流量=2104采空区(2104采空区精度=2243副巷混合流量+2244巷混合流量+2214混合流量-2104采空区)，即(9.68+62.76+68.9-138.78)=2.56(在指标±9.7精度要求范围内)；二五联络一巷混合流量=2104本煤层混合流量(2104本煤层精度=二五联络一巷混合流量-2104本煤层混合流量) ，即 (80.61-81.76)=-1.15(在指标±9.7精度要求范围内)。

通过以上的数据对比可知，管道甲烷浓度和流量的在线监计量值与对比仪器测量值之间的误差控制在本项目所达到的技术指标范围内，说明本系统采用循环自激式流量传感器和红外横向漫反射瓦斯浓度传感器在含尘、含水环境条件下，可以准确地测量管道流量和瓦斯浓度，系统研究成果达到了预期。

6 结语

(1)晋煤集团依据技术研究院的技术优势先行先试，在全国率先建成瓦斯抽采管道监测系统，实时在线监测井下各主管、干管、支管和独立区域管道监测点瓦斯的浓度、流量、温度、压力等综合参数。

(2)瓦斯抽采管网在线监测系统通过布置在瓦斯抽采管道上的监测点完成抽放参数的实时监测，并将各个测点的监测数据实时传输到所属分站，由分站通过工业环网将数据传输至地面监控服务器系统，并完成及时地分析处理、存储、实时展示、报表统计和打印，并实现对异常进行提醒和报警等功能。

(3)系统的开发与应用为工作面瓦斯抽采效果达标评价提供了直接真实的抽采依据，通过查询分析抽采曲线，可以发现抽采规律，从而优化抽采方案，提高抽采效率。

(4)实现对抽采参数连续监控，设置抽采下限、超限及时报警，提醒及时处理诸如管道漏气、过抽等问题，实时监控危险管段运行情况。

(5)通过晋煤集团瓦斯抽采管网系统采用的传感器进行对比分析，循环自激式流量传感器不受尘、含水、温度变化的影响，最低可监测1 m/s流速下的抽采瓦斯流量，同时突破了目前常的管道瓦斯流量监测手段不能测量抽采管道内流速低于6 m/s流速的困扰；而基于红处双通道横向漫反射技术的红外甲烷传感器，将光通路缩小到一个直径20 mm的空间内，通过镀金镜面反折射增加光通路的长度，从而有效解决了监测误差和零点漂移问题。

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