瓦斯智能抽采與聯動裝置設計

宋 軍

（同煤集團同地鑫泰建井工程有限公司 山西大同037004）

1 引言

在礦山開采過程中，瓦斯往往影響著礦山的安全，這些年以來，黨和國家對煤礦安全一直給予關注，并出臺了相關政策，這使得煤礦安全的一系列技術獲得了很大的突破，同時，使得煤炭開采的安全系數也獲得了大幅度提高。目前由于在實際生產過程中存在著的瓦斯地質條件復雜、瓦斯賦存量多、煤層透氣性差等客觀因素，煤礦的安全隱患依然是一個不可忽視的問題。

在井工作業的瓦斯治理中，通常是向煤層施工大量的鉆孔來進行瓦斯抽采，之后將鉆孔進行封孔和聯孔并接入抽采管路中[1,2]。目前我國大部分煤礦已然存在著抽采困難，且抽采鉆孔封孔后有漏氣的現象，所以瓦斯抽采如何能達到高效依然是較為棘手的問題。近些年以來，我國雖然逐漸出現了一些較為前沿的解決封堵鉆孔及煤巖裂隙的方法，但這一技術難題并沒有從根本上得以攻克，而且在進入到抽采的中后期后，所得到的瓦斯濃度浮動較大，穩定性差[3]。

現階段的井工開采中，當管路中瓦斯濃度較低時，為了使管路的安全系數和抽采濃度得到提高，通常采用關孔的手段，通過關閉其中幾個抽采鉆孔使得瓦斯抽采濃度獲得提高。但由于定位存在誤差，有時候往往因為少數幾個鉆孔的漏氣現象而關閉整個航道的抽采系統，由此會造成極大的資源浪費，同時錯誤的關孔方式不能充分釋放煤層內存在的瓦斯，無法起到消突作用，會給井工作業帶來安全隱患。

從上述情況可以發現，這些問題制約著瓦斯抽采系統運行的高效性，不僅有可能導致管路中瓦斯發生燃爆、抽采鉆孔煤自燃，還對瓦斯資源化利用產生限制。鑒于此，需要精準調控瓦斯抽采系統，實時監測抽采參數、對模型及算法進行優化，實現抽采系統的智能控制，實施調整抽采參數，提高瓦斯抽采效率，保證抽采系統的安全性。

2 監控系統介紹

瓦斯智能抽采與聯動裝置由信號監測系統、控制系統、調節系統三部分組成。

其中信號監測系統主要由具有防爆功能的各種傳感器組成，能夠實時監測抽采管路系統中CH4、CO、CO2、C2H4等指標性氣體的濃度、含量，以及管路壓力、溫度等信息；由監測系統采集到的各種信息參數經過數據采集器轉變為數字信號，并傳輸到控制系統中。

控制系統指的是PLC監控站點，采用西門子S7-200系列的CPU224XP為核心的KXJ1.5/600礦用隔爆兼本安型PLC控制箱，對監測系統并傳輸來的各參數進行擴展性分析，來控制各個抽采設備和分支管路的開度、啟停狀態，并進行數據上傳、預警。將所要執行的操作反饋個中央計算機，再由中央計算機對調節系統發出指令，達到人機互動、實現智能化。

調節系統包括有瓦斯抽采泵、注氮系統、各級閥門、防滅火裝置等設備，通過中央計算機發出的控制指令進行互動。

整個抽采與聯動系統是以PLC監控站點為核心來進行運轉的，收集抽采過程中的信號通過整合分析，將指令發出給各個調節裝置。同時實現了信號采集、信號傳輸、預警備案、智能調節和人機互動功能，構成了一個智能控制平臺，實現了抽采的智能化，達到抽采效果的同時，避免了資源的浪費。

3 瓦斯智能抽采與聯動裝置監控系統指標體系

通過調研和現場觀測提出將瓦斯抽采濃度、流量以及負壓作為主要的控制指標，并將CO2、CO、C2H4以及溫度等煤礦自燃發火指標性氣體作為輔助監測指標，通過控制抽采設備運行狀態和閥門開度來健全指標體系。

煤層氣智能抽采監控指標體系的示意圖如圖1所示。整個智能抽采系統依據各個潛在事故隱患的相關性，對各潛在事故的相應參數臨界值進行定義，作為進行智能控制時的臨界控制參數，為實現高效、智能抽采提供參考。

圖1 瓦斯智能抽采與聯動裝置系統示意圖

圖2 智能調控流程圖

通過計算機進行數據的實時監測和瓦斯抽采參數智能調節的關鍵技術在于瓦斯智能抽采與聯動裝置的處理程序，智能調控流程圖如圖2所示，軟件通過參數的運算和數據處理識別乙烯、一氧化碳、氧氣濃度和氣體溫度來調整抽采系統的運行狀態。此外，程序還具有預警、數據存儲的功能，供技術人員對抽采狀態進行實時觀測和分析。

4 現場實踐

瓦斯智能抽采與聯動裝置能夠在具有自燃發火危險以及其他煤層氣抽采的場所發揮作用，可以做到實時監測抽采參數，分析煤層氣的抽采狀態，調控設備運轉情況。為了檢驗效果，該系統在山西某礦進行現場實踐，部分數據見表1。

表1 實際控制對照表

表1 描述了抽采過程中，管路氣體指標等參數和抽采設備關聯情況。可以看出，整個抽采系統的抽放量得到有效控制，指標性氣體濃度在正常數值范圍內浮動變化，閥門開度合理，流量變化跟隨性較好，瞬時純量和管道負壓變化正常。整個抽采系統在井下擁有多個工作面和采空區抽采管路分支，抽采系統自適性良好。同時在瓦斯資源利用上，瓦斯濃度調節、負壓和流量等方面，該系統也能發揮積極作用。

此外，前期實驗室試驗結果表明，當遇到有自燃傾向的煤層時，該系統能夠及時啟動防滅火系統，增加注氮量或其他措施，控制率達到了100%。

5 結論

為了解決煤礦瓦斯抽采過程中存在的效率低、智能化控制薄弱現狀，本文在考慮瓦斯抽采系統的安全與效率參數的基礎上，設計了瓦斯智能抽采與聯動裝置，該裝置由信號監測系統、控制系統、調節系統三部分組成。在山西某礦進行現場工業實驗，結果表明，該裝置能夠實時監測瓦斯抽采指標的動態變化情況，并根據指標的變化調整相應設備的抽采參數，消除潛在隱患，保障了抽采系統的安全、高效運轉。