管道瓦斯监测系统应用开发

刘柯男

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿二号井，山西 晋城 048006）

瓦斯抽采是解决我国高瓦斯矿井瓦斯问题的根本途径，国家以法规的形式明确了瓦斯抽采在瓦斯治理中的重要性。山西长平矿是晋城煤业集团主力矿井，在瓦斯监测方面，监测系统需要实现对各工作面瓦斯抽采的各项参数进行监测，能够对瓦斯抽采管道数据进行综合监测，能准确监测各测点工作状态，对可能存在安全故障和危险的管段进行必要而及时诊断和告警，对工作面的抽采效果进行高质量评价，为优化抽采效果进行决策建议的自动化数据采集、数据及时分析，实现区域抽采达标评价，有利于煤矿企业掌握煤层瓦斯赋存规律，建立科学有效的煤矿瓦斯管理体系。

1 系统构架

矿井管网监控系统由三个部分组成：地面服务器系统、网络传输系统和井下瓦斯抽采管网监控系统，如图1。

地面服务器系统：主要包括双机热备份数据库服务器、UPS 不间断电源、光力智能数据汇聚平台和网络交换机。同时部署监控主机在中心监控室，用以展示实时监测数据，提供WEB 发布功能，在局域网内可浏览数据。

网络传输系统：主要负责将井下采集的各类传感器数据，通过监控分站接入环网交换机预留的以太网端口上传到地面服务器。

井下瓦斯抽采管网监控系统：主要负责安装在井下瓦斯管道不同测点的传感器采集相应的数据，并通过线缆将采集的数据传输给矿用本安型分站，实现井下瓦斯抽采监控系统的正常运行。

2 系统设计

2.1 硬件设计

循环自激式流量传感器：在流动的气体中安装一个三角柱状旋涡发生体，在其下方设计两根金属管道，在金属管道的末端连接一个热线式传感器。当瓦斯管道的气流通过旋涡发生体时，在其两侧形成有规则的旋涡，呈现非对称交替循环排列，如图2，两根金属管道内的空气将接受旋涡产生的能量，从而使管道内的空气形成双向涡流，交替运动形成脉动，当脉冲信号定期的经过金属管道末端的热线式传感器时，会周期性地改变热线式传感器的热量，根据热量的变化频率和气体流速可计算出管道内的气体流量。

图2 循环自激式传感器流量测量原理

红外甲烷传感器：利用甲烷气体对传感器中红外光谱的吸收性能来测定瓦斯浓度，由朗伯比乐定律可知，光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的甲烷分子数目。公式定义如下：

式中：I0和I'0分别为入射光及通过甲烷气体后的透射光强度；K 为光被吸收的比例系数，L 为透射光线或反射光线长度；C 为甲烷气体浓度。

在图3 中，相同的入射光I0通过含有甲烷气体浓度为C 的、体积相同的、不同光线长度的光吸收池，其中光吸收池体积V1=V2，光线长度L1＜L2，光强度分别为I0、I"0。

图3 红外光谱的吸收原理图

从图3 中可以看出，在体积相同的甲烷气体浓度为C 的光池中，根据朗伯比乐定律可知，光线L越长，光被吸收的量越多，光强度I0＞I0＞I"0，甲烷浓度的测量信号越强，测量值更加精确。据此，采用横向漫反射红外甲烷测量技术，将光通路缩小到一个直径只有20 mm 的空间里，无衰减的镀金镜面反折射增加光通路的长度，使得检测气体与光源很好的接触，同时，采用双通道采样技术可以自我抑制零点漂移，如图4。

图4 甲烷测量结构图

2.2 软件设计

设计内容包括监测点监控与异常发现、管段监控和危险区域诊断，为煤矿优化抽采分配、完备抽采效果提供丰富且多样化的数据分析支持，为抽采效果达标评价提供依据。本系统软件采用模块化设计，设计流程如图5。

（1）监控业务管理功能包括：流量统计、实时数据和历史数据显示、专家分析、漏点诊断、曲线显示等业务。

（2）在线监控主要显示部署在各个测点的传感器采集的测量数据，同时根据专家分析系统，将出现的异常信息通过各种不同的显示方式展现在系统中，提供基于关联测点多个参数的实时曲线和历史曲线，分析关联测点的多个参数间的关系变化趋势，有利于判别管段的运行情况。

（3）系统提供丰富的数据报表和业务分析报表，报表展示方式丰富直观，既可以提供图形式报表，还可以提供表格报表，提供基于测点参数的实时曲线和历史曲线，分析测点参数的变化趋势，有利于掌握瓦斯抽采规律。提供管道瓦斯气体泄漏点的诊断功能，可在系统图及电子图纸中进行及时定位。

图5 系统软件功能设计框架

3 应用效果

本系统结合晋煤集团长平矿井下抽放管和瓦斯抽放泵站实际情况，在芦家峪泵站DN700 低浓、芦家峪泵站预抽DN1000 高浓、53021 巷、43062 巷（主管）、43081 巷、43082 巷、4306 底抽巷、43183 巷、5302 底抽一巷、43042 巷、43072 巷、第三瓦斯抽放泵站等12 个地点进行了设备部署，并对数据进行了采集。

本系统实际应用的循环自激式瓦斯流量传感器，可测量低至1 m/s 的瓦斯流量，避免了传统流量计阻力大和流速低时测量准确性差的问题。循环自激式瓦斯流量传感器具备较强的抗水、防尘能力，保证了测量稳定性和准确性。在现场应用时，各监测点流速分布情况如图6。

图6 流速分布情况图

由上图可得出：

（1）传感器的测量下限为1 m/s；

（2）两个测点的瓦斯流速为1～2 m/s；

（3）流速为3 m/s 以下的测点有4 个，约占安装测点总数的1/4，说明选择传感器的测量流速下限低是一个重要指标；

（4）安装测点的瓦斯流速大致在0.5～20 m/s范围内，说明选择传感器的流速测量范围宽是一个重要指标。

4 结语

系统应用的横向漫反射红外瓦斯浓度测量，实现了长期稳定可靠、标定周期长、抗干扰能力强、精度高和使用寿命长等优点，采用双通道采样技术，可以自我抑制杂质气体的干扰。经过试验验证，瓦斯浓度、压力、温度参数的监测精度也达到了设计指标要求，符合了国家煤炭行业标准和矿方的技术要求。