19傅国廷--煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用.pdf

第 44 卷第 7 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol．44No．7 2016 年7 月 Coal Science and TechnologyJuly2016 煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用 傅国廷1 ， 李 波2 1. 潞安矿业 集团 有限责任公司 瓦斯研究院， 山西 长治046204; 2. 郑州光力科技股份有限公司， 河南 郑州450001 摘要 针对瓦斯抽采监测系统存在的不同监测点准确计量难题， 分析了瓦斯抽采管网监测准确计量 影响因素， 论述了基于超声相关法流量检测的钻孔汇流管测量仪在瓦斯抽采钻场钻孔监测的技术优 势， 以及基于横向漫反射的瓦斯浓度检测和基于循环自激式的流量检测的管道瓦斯监测设备在瓦斯 抽采管网监测的技术优势; 并通过现场性能对比测试， 2 种设备与校准设备的瓦斯体积分数、 流量误 差均小于 5， 进一步验证用于瓦斯抽采监测准确计量的可行性。 关键词 瓦斯抽采; 管网监测; 互联网; 钻孔汇流管; 准确计量 中图分类号 TD712. 63文献标志码 A 文章编号 0253－2336 2016 07－0064－05 Accurate metrological technology applied to mine gas drainage monitoring and measuring Fu Guoting1， Li Bo2 1. Ｒesearch Institute of Mine Gas， Lu’ an Mining Group Corporation Limited， Changzhi046204， China; 2. Zhengzhou GL Tech Company Limited， Zhengzhou450001， China Abstract According to an accurate metrological difficult problem of different measuring point existed in the mine gas drainage monitoring and measuring system， the paper analyzed influence factors of gas drainage pipe network monitoring， the paper stated the technical advanta- ges of the borehole manifold measuring instrument applied to the borehole monitoring and measuring of the gas drainage drilling site based on the flow detection of the ultrasound related ， and analyzed the technical advantages of the pipeline gas monitoring and measuring equipment applied to the monitoring and measuring of the gas drainage pipeline network based on the lateral diffuse reflection gas concen- tration detection and based on the circulated self－excited flow detection．With the comparison measurement of the site perances， the gas concentration and flow error between the two equipments and calibration equipments was all less than 5 and could further approve the feasibility applied to the accurate metrology of the gas drainage monitoring and measuring． Key words gas drainage;monitoring and measuring of pipeline network;internet plus;borehole manifold;accurate metrology 收稿日期 2016－01－11; 责任编辑 赵瑞DOI 10．13199/j．cnki．cst．2016．07．011 作者简介 傅国廷 1963 ， 男， 山西阳城人， 高级工程师， 现任潞安矿业 集团 有限责任公司瓦斯研究院院长。Tel13835509356， E－mail fgt631125 163. com 引用格式 傅国廷， 李波．煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用［J］．煤炭科学技术， 2016， 44 7 64－68． Fu Guoting， Li Bo．Accurate metrological technology applied to mine gas drainage monitoring and measuring［J］．Coal Science and Technology， 2016， 44 7 64－68． 0引言 煤矿瓦斯抽采是瓦斯治理的最有效手段之一， 瓦斯抽采达标后开采煤炭是保障矿井安全生产的 “治本之举” ［1 ］， 而评价抽采达标最重要的依据就是 准确可靠的瓦斯抽采计量。煤矿瓦斯抽采管网监测 系统是瓦斯抽采计量的主要工具， 通过对矿井抽采 管道的瓦斯浓度、 流量、 温度和压力等参数的实时监 测， 获取瓦斯抽采计量信息， 实现煤层瓦斯抽采效果 和抽采达标的评价、 分析。瓦斯抽采计量最重要的 是瓦斯浓度、 流量的监测， 它直接决定瓦斯抽采达标 评价的准确性。文献［ 2］ 指出红外甲烷传感器在瓦 斯抽采计量中的应用， 在稳定性、 测量精度和经济性 方面都具有明显优势。文献［ 3－5］ 指出煤矿瓦斯抽 采管道流量计量技术发展现状， 阐述目前常用流量 检测传感器的特点和应用情况， 以及管道流量准确 46 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 傅国廷等 煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用2016 年第 7 期 计量的技术难点 。煤矿瓦斯抽采达标暂行规 定 ［6 ］ 简称 规定 要求， 瓦斯抽采矿井应当建立 瓦斯抽采管网监控系统， 实现对瓦斯抽采泵站、 主 管、 干管、 支管、 钻场等区域的瓦斯浓度、 流量、 温度、 压力等参数在线监测， 瓦斯抽采达标后开采煤炭。 相较于传统的瓦斯抽采效果评价， 只在预抽煤层工 作面瓦斯抽采管路汇合点布置一个监测点进行总体 计量、 评价 ， 规定 对监测点部署更细化、 科学， 避 免出现工作面瓦斯抽采总量达标时， 存在部分区段 不达标的情况。 1瓦斯抽采钻场钻孔监测计量技术应用 1. 1瓦斯抽采钻场钻孔监测计量难点 瓦斯抽采钻场钻孔监测面临的主要技术难题如 下 ［7－8 ］。 1 单孔流量小且不稳定， 通常只有 0. 01～0. 50 m3/min， 波动范围大， 低流量准确监测困难。 2 单孔瓦斯浓度高但变化大， 瓦斯浓度在极低 流速下监测存在困难。 3 目前， 钻场钻孔瓦斯监测多采用人工定期检 测， 偏重于瓦斯浓度监测， 监测参数单一， 不能全面 反映钻孔瓦斯抽采状况。 4 钻场瓦斯监测环境恶劣， 抽采管路内尘大、 水多、 易堵塞， 对监测设备的环境适应性尤其是耐水 性能要求较高。 5 钻场钻孔抽采管径较小， 通常为 DN25 mm 或 DN50 mm 管径， 监测设备会加大抽采阻力， 增加 矿井瓦斯抽采系统的负担， 降低抽采效率。 1. 2瓦斯抽采钻场钻孔流量计量设备选型 瓦斯抽采钻场钻孔监测面临的最大问题是流量 的检测; 针对上述技术难题， 监测设备应满足以下 5 点要求 ①流量监测数据准确且稳定性好， 能适应高 负压、 含尘、 含水的环境条件下长期可靠运行; ②由于 抽采管路不同监测点间流量差异大、 波动范围广， 因 此流量监测设备要具有高量程比、 宽测量范围， 且足 够低的测量下限; ③由于监测点处抽采管路平直管段 较少， 因此监测设备安装对平直管段要求不高; ④要求安装的流量监测设备阻力尽可能小， 减小抽采 系统负担; ⑤监测设备要安装、 拆卸、 校验方便等。 目前我国煤矿井下瓦斯抽采流量监测设备主要 有孔板流量计、 涡街流量计、 V 锥流量计、 循环自激 式流量计、 旋进漩涡流量计、 超声波流量计等， 能全 部满足上述流量监测要求的流量计很少。钻场钻孔 瓦斯监测技术的关键是极低流量的准确检测， 目前 煤矿用于在线测量钻孔瓦斯的主要有旋进漩涡流量 计和超声波流量计。 旋进漩涡流量计 ［9 ］的流速检测下限可低至 1 m/s 以下， 且具有测量量程较宽、 安装对直管段要求 不高等优点， 可满足钻场钻孔低流量监测; 但由于设 备起涡器体积较大， 再加上中间管径的收缩， 会造成 抽采管路阻力大; 受水汽和粉尘影响较大， 遇粉尘易 阻塞、 清理困难; 不适合大管径管路， 互换性较差; 且 维护量较大， 标校困难。旋进漩涡流量计测量原理 如图 1 所示。 图 1旋进漩涡流量计测量原理 Fig. 1Measurement principle diagram of precession vortex flowmeter 钻场钻孔瓦斯抽采流量监测设备应用效果较好 的是超声波流量计， 它具有测量下限低、 准确性高、 稳定性好、 环境适应性强、 测量阻力小、 维护方便等 特点。 1. 3CJZ4Z 钻孔汇流管测量技术应用 目前， 潞安矿业 集团 有限责任公司 以下简 称潞安集团 下属各煤矿使用的 CJZ4Z 钻孔汇流管 测量仪监测效果良好， 其流量监测采用超声波流量 计， 应用基于互相关原理的相位差法超声波气体流 量检测技术， 将相位差法和相关测量原理相结合， 避 免了普通相位差法测量抗干扰能力低、 测量精度差 的缺点， 提高了系统的抗干扰能力和测量精度。超 声相关法流量检测技术原理如图 2 所示 ［10－12 ］。 图 2 中， 超声波换能器 A 和 B 交替作为接收端 子和发射端子， 其接收到的信号分别为 x t 和 y t ， 对x t 和 y t 进行互相关运算得到互相关函 数 Ｒxy τ 为 Ｒxy τ lim T→ 1 T ∫ T 0 x t －τ y t dt 式中 τ 为时间位移; T 为取样信号的时间宽度; t 为 测量过程中的某一时刻。 互相关函数 Ｒxy τ 有一峰值， 当时间位移 τ Δt 时， Ｒxy τ 才出现峰值， Δt 为 2 组信号的时差， 则信 号的相位差为 2πΔt/T， 而相位差和流体速度存在直 56 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2016 年第 7 期煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 D管道直径; V管道内气体平均流速; L2 个收发一体式超声波换能器 A 和 B 安装位置间距 图 2超声相关法测量检测技术原理 Fig. 2Measuring technology principle diagram of ultrasonic related 接关系， 可根据相位差的变化求出流体速度。 硬件采用高度集成的数字处理芯片、 高精度高 分辨率 AD 转换器进行设计。软件处理算法上， 离 散化后的 x t 和 y t 信号， 经过数字窗函数滤波， 加上可靠的纠错补偿， 然后进行正弦插值， 最后经过 相关算法， 计算出可靠稳定的时差 Δt， 进而求得气 流速度、 流量。 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪采用先进的超声相关 流量测量技术， 一体式的流量传感器可监测流速小 于 0. 1 m/s 的气体流量。在信号处理前端增加频谱 分析措施， 在极低流量情况下， 实现信号频域内有效 信号的提取和识别， 以达到拓宽测量下限和提高抗 干扰能力的目的。 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪主要技术性能如下 ①测量下限低， 即使钻孔瓦斯流速低于 0. 1 m/s， 也 能准确测量; ②仪器测量腔体没有阻流元件， 保证抽 采效率不因安装仪器而降低， 同时减少尘堵的可能; ③具备工况、 标况 2 种测量模式， 可设置仪器输出模 式; ④仪器应能同屏显示瓦斯抽采总量、 纯总量、 日 累积量、 日累积纯量。 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪， 能同时在线监测钻 场钻孔内瓦斯浓度、 流量、 压力、 温度等参数， 可从源 头计量瓦斯抽采量， 能及时监测到预抽煤层各个区 段的瓦斯含量情况， 为钻场的瓦斯抽采效果分析和 抽采管理提供很好的帮助， 为煤层各区域瓦斯抽采 达标评价提供数据支持， 将瓦斯突出危险消灭在源 头， 保障煤层安全高效开采。 2瓦斯抽采管网监测计量技术应用 2. 1瓦斯抽采管网监测准确计量影响因素［13－15 ］ 1 水汽、 水影响分析。顶底板水通过煤层裂隙 到抽采钻孔进入抽采管道; 抽采采空区瓦斯时， 会将 少量泥浆水和水汽带入抽采管道。抽采管道中积水 过多， 会造成监测数据不准确、 可能损坏设备; 多数 监测设备在水汽的长期影响下， 会出现数据漂移、 失 真等情况。 2 粉尘影响分析。抽采管道内粉尘通过抽采 钻孔进入， 在粉尘环境对流量测量影响试验中， 发现 瓦斯管道流体杂质和密度变化对流量计测量数据有 一定影响。不同测量原理的流量计， 监测准确性受 粉尘影响大小不同。 3 管道阻塞影响分析。巷道阻塞物来源 ①抽 采钻孔内粉尘、 钻屑; ②抽采钻孔水携带粉尘、 钻屑; ③管道漏气时， 周围泥浆流入; ④金属管道内壁老化 脱落; ⑤安装运输时， 因疏忽将杂物遗留在管道内。 粉尘、 钻屑等漂浮到监测设备时， 造成测量气室堵 塞， 测量值失真; 阻塞物还会造成管道断面减小， 管 道阻力加大等。 4 管道漏气影响分析。抽采管道大多铺设于 回风巷中， 巷道维护能力较差， 受巷道顶板淋水、 冒 顶、 底鼓等影响， 抽采管道会出现老化生锈以至于漏 气、 破裂， 在抽采负压的作用下， 管道易混入空气， 造 成瓦斯抽采效率降低， 监测数据失真。 5 传输线路受干扰影响分析。受井下巷道环 境所限， 监测设备传输线缆不可能离动力线缆太远， 且动力线缆一般和传输线缆平行铺设， 从而形成耦 合回路。当井下大型机电设备开停或变频设备启动 时， 产生强电磁脉冲干扰， 造成监测数据出现“冒大 数” 现象。 2. 2CGWZ－100 A 管道瓦斯监测设备计量技术 的应用［4， 16 ］ 目前， 潞安集团下属各煤矿瓦斯抽采管网监测 系统使用的管道瓦斯监测设备种类繁多， 监测设备 准确性、 稳定性、 灵敏度、 可维护性等良莠不齐; 其 中， CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪在煤矿中应用 效果较好， 得到煤矿技术、 管理人员认可。 CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪能同时在线监 测管道内瓦斯浓度、 流量、 压力、 温度等参数， 采用基 66 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 傅国廷等 煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用2016 年第 7 期 于横向漫反射的瓦斯浓度检测技术和基于循环自激 式的气体流量检测技术， 测量精度高、 使用方便、 操 作简单， 实现抽采管道瓦斯浓度、 流量连续准确 计量。 瓦斯浓度检测基于红外漫反射的测量原理， 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， 不仅保持了传统红外传感器高 稳定、 高抗干扰、 长寿命、 免维护等优点外， 自带防水 结构， 避免了水汽对传感器的影响， 有效解决了传统 红外原理传感器易受环境中水蒸气及其他杂质气体 的干扰和温度漂移问题， 使得传感器可以长期在尘 大、 水大等恶劣的环境下使用。 流量检测基于循环自激式检测技术， 通过在 流体中设置 1 个漩涡发生体， 气流通过时产生脉 动信号， 使热微桥传感器的电信号发生周期性变 化， 进而测出管道内的流量。此测量技术对流速 信号极为敏感， 即使是低速信号也能得到有效识 别和采集， 从而测量范围宽， 测量下限低， 可测量 低至 1 m/s 的管道气体， 测量数据不受含尘、 含水、 温度变化的影响。 3现场对比验证 为了验证 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪和 CGWZ－ 100 A 管道瓦斯测量仪性能特征， 利用煤矿上常用 的标准孔板流量计、 标校准确的 CJZ70 便携瓦斯抽 采综合参数测定仪、 标校准确的光干涉式甲烷测定 器进行性能比对测试试验。 3. 1CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪性能对比试验 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪性能比对试验测试方 法如下 在潞安集团下属某矿井下抽采钻孔处， 将 CJZ4Z 钻孔流管测量仪 2 台和标校准确的 CJZ70 便 携瓦斯抽采参数测定仪 1 台串联安装在一起， 如图 3 所示， 分 3 种状态进行对比， 比对结果见表 1。 图 3 CJZ70 与 CJZ4Z 性能对比测试原理 Fig.3Perance test principle of CJZ70 compared with CJZ4Z 1 状态 1 截止阀打开、 空气旁通阀关闭、 放水 器进气阀关闭， 此时 3 台仪器的显示值均为钻孔的 正常抽采数据。 2 状态 2 截止阀打开、 空气旁通阀打开、 放 水器进气阀关闭， 此时 3 台仪器的显示值为空气 旁通阀流入空气与抽采钻孔气体混合后的抽采 数据。 3 状态 3 截止阀打开、 空气旁通阀关闭、 放 水器进气阀打开， 此时 3 台仪器的显示值为放水 器进气阀流入空气与抽采钻孔气体混合后的抽 采数据。 从表 1 可知， 2 台 CJZ4Z 汇流管的流量、 体积 分数测量数据基本吻合， 流量相差百分比最大为 3. 98， 体积分数相差百分比最大为 4. 23。2 台 CJZ4Z 汇流管与标校准确的 CJZ70 测定仪的流量、 体积分数测量数据也基本吻合， 流量相差百分比 最大为 12 极低流量情况下， 相差绝对值为 0. 003 m3/min ， 高 流 量 时 相 差 百 分 比 最 大 为 3. 98; 体积分数相差百分比最大为 4. 97。因 此 CJZ4Z 钻孔汇流管测量仪监测钻场钻孔瓦斯抽 采参数是可行的， 测量结果是准确可信的。 3. 2CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪性能对比 试验 CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪性能试验， 具 体测试方法如下 在潞安集团下属 2 个煤矿地面泵 站瓦斯主管道上， 采用 CGWZ－100 A 管道瓦斯测 量仪与标准孔板流量计、 标校准确的光干涉式甲烷 测定器， 在同一管道、 同一时间测试并记录管道内流 量、 浓度数据， 数据比对结果见表 2。 从表 2 可知， CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪 与孔板流量计测定的流量基本吻合， 流量相差百分 比最大为 3. 69; CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪 与光干涉甲烷测定器测定的瓦斯浓度基本吻合， 浓 度相差百分比最大为 4. 43。因此， CGWZ － 100 A 管道瓦斯测量仪监测瓦斯抽采管网抽采参数是 可行的， 测量结果是准确可信的。 76 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2016 年第 7 期煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 表 2CGWZ－100 A 监测数据对比试验结果 Table 2Contrast test results of CGWZ－100 Amonitoring datas 煤矿测点 CGWZ－100 A 管道瓦斯测量仪 流量/ m3min －1 瓦斯体积分数/ 孔板流量计流量/ m3min －1 光干涉甲烷测定器 瓦斯体积分数/ 煤矿 1 测点 1 135. 408. 72133. 658. 5 测点 2 107. 9012. 01105. 8211. 5 测点 3 107. 9012. 01111. 7811. 5 煤矿 2 测点 1 246. 005. 05241. 875. 2 测点 2 108. 983. 38105. 103. 3 4结语 1 基于超声相关法流量检测技术的 CJZ4Z 钻 孔汇流管测量仪， 可准确检测流速低于 0. 1 m/s 钻 孔瓦斯流量， 具有测量下限低、 准确性高、 测量阻力 小等优点， 适用于瓦斯抽采钻场钻孔监测。 2 基于横向漫反射的瓦斯浓度检测和基于循 环自激式的气体流量检测的 CGWZ－100 A 管道瓦 斯监测设备， 具有测量精度高、 稳定性好、 环境适用 性强、 几乎无阻力、 管径通用性好等特点， 适用于瓦 斯抽采管网监测。 3 通过现场数据对比分析， CJZ4Z 钻孔汇流管 测量仪与校准设备的流量、 体积分数相差百分比最 大分别为 3. 98、 4. 97; CGWZ－100 A 管道瓦斯 测量仪与校准设备的流量、 体积分数相差百分比最 大分别为 3. 69、 4. 43; 测量误差小、 准确性高。 参考文献 Ｒeferences ［ 1］林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术［M］．徐州 中国矿业大学 出版社， 2010 264－270． ［ 2］戚良矿．红外甲烷传感器在瓦斯抽采计量中的应用［ J］．淮南职 业技术学院学报， 2010， 10 2 42－44． Qi Liangkuang．Application of infrared methane sensor in gas ex- traction metering［J］ ．Journal of Huainan Vocational ＆ Technical College， 2010， 10 2 42－44． ［ 3］李涛．煤矿管道瓦斯流量计量技术研究［J］ ．工矿自动化， 2012 11 14－17． Li Tao．Ｒesearch of metering technology of pipeline gas flow of coal mine［J］．Industry and Mine Automation， 2012 11 14－17． ［ 4］牛杰， 杨胜强， 杨相玉， 等．矿井瓦斯抽采管网计量监控系统 现状分析［J］．煤矿安全， 2013， 44 6 156－158． Niu Jie， Yang Shengqiang， Yang Xiangyu， et al． Current situation analysis of pipeline measurement monitoring system for mine gas extraction［J］．Safety in Coal Mines， 2013， 44 6 156－158． ［ 5］刘辉．煤矿瓦斯抽采准确计量技术试验研究［ J］ ．能源技术与 管理， 2015， 40 3 26－29． Liu Hui．Experimental study on the mine gas extraction accuracy measurement technology［J］．Energy Technology and Management， 2015， 40 3 26－29． ［ 6］安监总煤装 〔2011〕 163 号．煤矿瓦斯抽采达标暂行规定［S］． ［ 7］石俊鹤， 李长青， 安葳鹏， 等．瓦斯抽采源头监测系统的研究与 设计［J］．计算机测量与控制， 2013， 21 12 3222－3224． Shi Junhe， Li Changqing， An Weipeng， et al．Ｒesearch and design for monitoring system of gas extraction’ s source［J］ ． Computer Measurement ＆ Control， 2013， 21 12 3222－3224． ［ 8］刘庆安， 武金宝．瓦斯抽采小流量单孔计量系统［J］．煤炭科技， 2010 4 87－88． Liu Qing’ an， Wu Jinbao．Small flow single hole metering system for gas drainage［J］．Coal Science ＆ Technology， 2010 4 87－88． ［ 9］顾成常， 吕德月， 曹海彬．旋进漩涡流量计在瓦斯抽采自动计量 系统中的应用［J］．中国煤层气， 2012， 9 6 42－45． Gu Chengchang， Lyu Deyue， Cao Haibin．Applications of swirl me- ters in automatic gas extraction metering system［J］．China Coalbed Methane， 2012， 9 6 42－45． ［ 10］乔榛．超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究［D］．南 京 南京理工大学， 2012． ［ 11］柴继河．超声相关流量计的设计［D］．西安 西安理工大学， 2004． ［ 12］桂永芳．相关法超声波流量计二次仪表的研究［D］ ．杭州 浙 江大学， 2004． ［ 13］裴为华．瓦斯抽采主管道泄漏监测与漏点定位系统实验研究 ［D］．徐州 中国矿业大学， 2014． ［ 14］宋国正．瓦斯抽采系统安全性研究［D］．徐州 中国矿业大学， 2014． ［ 15］刘卫国．瓦斯抽采系统中有关参数的自动监测控制技术［J］． 矿业安全与环保， 2007， 34 2 48－49． Liu Weiguo．Automatic monitoring and control technology of pa- rameters in gas drainage system［J］．Mining Safety ＆ Environmen- tal Protection， 2007， 34 2 48－49． ［ 16］李波．CGWZ－100 循环自激式流量计在煤矿瓦斯监测中的 应用［J］．煤矿安全， 2012， 43 6 61－63． Li Bo．Application of CGWZ－100 Loop self－oscillating flowmeter in the coal mine gas monitoring［J］．Safety in Coal Mines， 2012， 43 6 61－63． 86 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et