管道瓦斯監測系統應用開發

劉柯男

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河礦二號井，山西 晉城 048006）

瓦斯抽采是解決我國高瓦斯礦井瓦斯問題的根本途徑，國家以法規的形式明確了瓦斯抽采在瓦斯治理中的重要性。山西長平礦是晉城煤業集團主力礦井，在瓦斯監測方面，監測系統需要實現對各工作面瓦斯抽采的各項參數進行監測，能夠對瓦斯抽采管道數據進行綜合監測，能準確監測各測點工作狀態，對可能存在安全故障和危險的管段進行必要而及時診斷和告警，對工作面的抽采效果進行高質量評價，為優化抽采效果進行決策建議的自動化數據采集、數據及時分析，實現區域抽采達標評價，有利于煤礦企業掌握煤層瓦斯賦存規律，建立科學有效的煤礦瓦斯管理體系。

1 系統構架

礦井管網監控系統由三個部分組成：地面服務器系統、網絡傳輸系統和井下瓦斯抽采管網監控系統，如圖1。

地面服務器系統：主要包括雙機熱備份數據庫服務器、UPS 不間斷電源、光力智能數據匯聚平臺和網絡交換機。同時部署監控主機在中心監控室，用以展示實時監測數據，提供WEB 發布功能，在局域網內可瀏覽數據。

網絡傳輸系統：主要負責將井下采集的各類傳感器數據，通過監控分站接入環網交換機預留的以太網端口上傳到地面服務器。

井下瓦斯抽采管網監控系統：主要負責安裝在井下瓦斯管道不同測點的傳感器采集相應的數據，并通過線纜將采集的數據傳輸給礦用本安型分站，實現井下瓦斯抽采監控系統的正常運行。

2 系統設計

2.1 硬件設計

循環自激式流量傳感器：在流動的氣體中安裝一個三角柱狀旋渦發生體，在其下方設計兩根金屬管道，在金屬管道的末端連接一個熱線式傳感器。當瓦斯管道的氣流通過旋渦發生體時，在其兩側形成有規則的旋渦，呈現非對稱交替循環排列，如圖2，兩根金屬管道內的空氣將接受旋渦產生的能量，從而使管道內的空氣形成雙向渦流，交替運動形成脈動，當脈沖信號定期的經過金屬管道末端的熱線式傳感器時，會周期性地改變熱線式傳感器的熱量，根據熱量的變化頻率和氣體流速可計算出管道內的氣體流量。

圖2 循環自激式傳感器流量測量原理

紅外甲烷傳感器：利用甲烷氣體對傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯濃度，由朗伯比樂定律可知，光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的甲烷分子數目。公式定義如下：

式中：I0和I'0分別為入射光及通過甲烷氣體后的透射光強度；K 為光被吸收的比例系數，L 為透射光線或反射光線長度；C 為甲烷氣體濃度。

在圖3 中，相同的入射光I0通過含有甲烷氣體濃度為C 的、體積相同的、不同光線長度的光吸收池，其中光吸收池體積V1=V2，光線長度L1＜L2，光強度分別為I0、I"0。

圖3 紅外光譜的吸收原理圖

從圖3 中可以看出，在體積相同的甲烷氣體濃度為C 的光池中，根據朗伯比樂定律可知，光線L越長，光被吸收的量越多，光強度I0＞I0＞I"0，甲烷濃度的測量信號越強，測量值更加精確。據此，采用橫向漫反射紅外甲烷測量技術，將光通路縮小到一個直徑只有20 mm 的空間里，無衰減的鍍金鏡面反折射增加光通路的長度，使得檢測氣體與光源很好的接觸，同時，采用雙通道采樣技術可以自我抑制零點漂移，如圖4。

圖4 甲烷測量結構圖

2.2 軟件設計

設計內容包括監測點監控與異常發現、管段監控和危險區域診斷，為煤礦優化抽采分配、完備抽采效果提供豐富且多樣化的數據分析支持，為抽采效果達標評價提供依據。本系統軟件采用模塊化設計，設計流程如圖5。

（1）監控業務管理功能包括：流量統計、實時數據和歷史數據顯示、專家分析、漏點診斷、曲線顯示等業務。

（2）在線監控主要顯示部署在各個測點的傳感器采集的測量數據，同時根據專家分析系統，將出現的異常信息通過各種不同的顯示方式展現在系統中，提供基于關聯測點多個參數的實時曲線和歷史曲線，分析關聯測點的多個參數間的關系變化趨勢，有利于判別管段的運行情況。

（3）系統提供豐富的數據報表和業務分析報表，報表展示方式豐富直觀，既可以提供圖形式報表，還可以提供表格報表，提供基于測點參數的實時曲線和歷史曲線，分析測點參數的變化趨勢，有利于掌握瓦斯抽采規律。提供管道瓦斯氣體泄漏點的診斷功能，可在系統圖及電子圖紙中進行及時定位。

圖5 系統軟件功能設計框架

3 應用效果

本系統結合晉煤集團長平礦井下抽放管和瓦斯抽放泵站實際情況，在蘆家峪泵站DN700 低濃、蘆家峪泵站預抽DN1000 高濃、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 個地點進行了設備部署，并對數據進行了采集。

本系統實際應用的循環自激式瓦斯流量傳感器，可測量低至1 m/s 的瓦斯流量，避免了傳統流量計阻力大和流速低時測量準確性差的問題。循環自激式瓦斯流量傳感器具備較強的抗水、防塵能力，保證了測量穩定性和準確性。在現場應用時，各監測點流速分布情況如圖6。

圖6 流速分布情況圖

由上圖可得出：

（1）傳感器的測量下限為1 m/s；

（2）兩個測點的瓦斯流速為1～2 m/s；

（3）流速為3 m/s 以下的測點有4 個，約占安裝測點總數的1/4，說明選擇傳感器的測量流速下限低是一個重要指標；

（4）安裝測點的瓦斯流速大致在0.5～20 m/s范圍內，說明選擇傳感器的流速測量范圍寬是一個重要指標。

4 結語

系統應用的橫向漫反射紅外瓦斯濃度測量，實現了長期穩定可靠、標定周期長、抗干擾能力強、精度高和使用壽命長等優點，采用雙通道采樣技術，可以自我抑制雜質氣體的干擾。經過試驗驗證，瓦斯濃度、壓力、溫度參數的監測精度也達到了設計指標要求，符合了國家煤炭行業標準和礦方的技術要求。