瓦斯智能抽采与联动装置设计

宋 军

（同煤集团同地鑫泰建井工程有限公司 山西大同037004）

1 引言

在矿山开采过程中，瓦斯往往影响着矿山的安全，这些年以来，党和国家对煤矿安全一直给予关注，并出台了相关政策，这使得煤矿安全的一系列技术获得了很大的突破，同时，使得煤炭开采的安全系数也获得了大幅度提高。目前由于在实际生产过程中存在着的瓦斯地质条件复杂、瓦斯赋存量多、煤层透气性差等客观因素，煤矿的安全隐患依然是一个不可忽视的问题。

在井工作业的瓦斯治理中，通常是向煤层施工大量的钻孔来进行瓦斯抽采，之后将钻孔进行封孔和联孔并接入抽采管路中[1,2]。目前我国大部分煤矿已然存在着抽采困难，且抽采钻孔封孔后有漏气的现象，所以瓦斯抽采如何能达到高效依然是较为棘手的问题。近些年以来，我国虽然逐渐出现了一些较为前沿的解决封堵钻孔及煤岩裂隙的方法，但这一技术难题并没有从根本上得以攻克，而且在进入到抽采的中后期后，所得到的瓦斯浓度浮动较大，稳定性差[3]。

现阶段的井工开采中，当管路中瓦斯浓度较低时，为了使管路的安全系数和抽采浓度得到提高，通常采用关孔的手段，通过关闭其中几个抽采钻孔使得瓦斯抽采浓度获得提高。但由于定位存在误差，有时候往往因为少数几个钻孔的漏气现象而关闭整个航道的抽采系统，由此会造成极大的资源浪费，同时错误的关孔方式不能充分释放煤层内存在的瓦斯，无法起到消突作用，会给井工作业带来安全隐患。

从上述情况可以发现，这些问题制约着瓦斯抽采系统运行的高效性，不仅有可能导致管路中瓦斯发生燃爆、抽采钻孔煤自燃，还对瓦斯资源化利用产生限制。鉴于此，需要精准调控瓦斯抽采系统，实时监测抽采参数、对模型及算法进行优化，实现抽采系统的智能控制，实施调整抽采参数，提高瓦斯抽采效率，保证抽采系统的安全性。

2 监控系统介绍

瓦斯智能抽采与联动装置由信号监测系统、控制系统、调节系统三部分组成。

其中信号监测系统主要由具有防爆功能的各种传感器组成，能够实时监测抽采管路系统中CH4、CO、CO2、C2H4等指标性气体的浓度、含量，以及管路压力、温度等信息；由监测系统采集到的各种信息参数经过数据采集器转变为数字信号，并传输到控制系统中。

控制系统指的是PLC监控站点，采用西门子S7-200系列的CPU224XP为核心的KXJ1.5/600矿用隔爆兼本安型PLC控制箱，对监测系统并传输来的各参数进行扩展性分析，来控制各个抽采设备和分支管路的开度、启停状态，并进行数据上传、预警。将所要执行的操作反馈个中央计算机，再由中央计算机对调节系统发出指令，达到人机互动、实现智能化。

调节系统包括有瓦斯抽采泵、注氮系统、各级阀门、防灭火装置等设备，通过中央计算机发出的控制指令进行互动。

整个抽采与联动系统是以PLC监控站点为核心来进行运转的，收集抽采过程中的信号通过整合分析，将指令发出给各个调节装置。同时实现了信号采集、信号传输、预警备案、智能调节和人机互动功能，构成了一个智能控制平台，实现了抽采的智能化，达到抽采效果的同时，避免了资源的浪费。

3 瓦斯智能抽采与联动装置监控系统指标体系

通过调研和现场观测提出将瓦斯抽采浓度、流量以及负压作为主要的控制指标，并将CO2、CO、C2H4以及温度等煤矿自燃发火指标性气体作为辅助监测指标，通过控制抽采设备运行状态和阀门开度来健全指标体系。

煤层气智能抽采监控指标体系的示意图如图1所示。整个智能抽采系统依据各个潜在事故隐患的相关性，对各潜在事故的相应参数临界值进行定义，作为进行智能控制时的临界控制参数，为实现高效、智能抽采提供参考。

图1 瓦斯智能抽采与联动装置系统示意图

图2 智能调控流程图

通过计算机进行数据的实时监测和瓦斯抽采参数智能调节的关键技术在于瓦斯智能抽采与联动装置的处理程序，智能调控流程图如图2所示，软件通过参数的运算和数据处理识别乙烯、一氧化碳、氧气浓度和气体温度来调整抽采系统的运行状态。此外，程序还具有预警、数据存储的功能，供技术人员对抽采状态进行实时观测和分析。

4 现场实践

瓦斯智能抽采与联动装置能够在具有自燃发火危险以及其他煤层气抽采的场所发挥作用，可以做到实时监测抽采参数，分析煤层气的抽采状态，调控设备运转情况。为了检验效果，该系统在山西某矿进行现场实践，部分数据见表1。

表1 实际控制对照表

表1 描述了抽采过程中，管路气体指标等参数和抽采设备关联情况。可以看出，整个抽采系统的抽放量得到有效控制，指标性气体浓度在正常数值范围内浮动变化，阀门开度合理，流量变化跟随性较好，瞬时纯量和管道负压变化正常。整个抽采系统在井下拥有多个工作面和采空区抽采管路分支，抽采系统自适性良好。同时在瓦斯资源利用上，瓦斯浓度调节、负压和流量等方面，该系统也能发挥积极作用。

此外，前期实验室试验结果表明，当遇到有自燃倾向的煤层时，该系统能够及时启动防灭火系统，增加注氮量或其他措施，控制率达到了100%。

5 结论

为了解决煤矿瓦斯抽采过程中存在的效率低、智能化控制薄弱现状，本文在考虑瓦斯抽采系统的安全与效率参数的基础上，设计了瓦斯智能抽采与联动装置，该装置由信号监测系统、控制系统、调节系统三部分组成。在山西某矿进行现场工业实验，结果表明，该装置能够实时监测瓦斯抽采指标的动态变化情况，并根据指标的变化调整相应设备的抽采参数，消除潜在隐患，保障了抽采系统的安全、高效运转。