煤矿瓦斯抽放监测监控技术探讨

Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李　涛

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆　400039)

煤矿瓦斯抽放监测监控技术探讨

Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李涛

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039)

摘要：瓦斯抽放系统是保障煤矿安全生产的治本措施，瓦斯抽放监测监控是保障抽放系统正常运行的重要手段。为提高当前煤矿瓦斯抽放监控水平，针对当前瓦斯抽放监控系统存在的稳定性不够高的问题，从监控系统构成的几个关键要素(流量监测、瓦斯浓度检测、压力温度监测、泵站自动控制等)出发，分析了每一个要素的常用技术现状及存在的问题，提出了采用超声波、威力巴以及激光检测等新技术、新工艺解决现存问题的建议。

关键词：瓦斯流量瓦斯浓度一氧化碳浓度压力温度监测泵站自动控制

Abstract：The gas drainage system is the radical measure to guarantee safety production of coalmine, while the monitoring and control is the important means to ensure normal operation of the gas drainage system. In order to improve the current level of gas drainage monitoring, aiming at the problem of low stability of the gas drainage system, on the basis of several critical elements that constitute the monitoring system, including flow detection, gas concentration detection, temperature and pressure detection, and pump station automatic control, etc., the commonly used technologies and existing problems for each element are analyzed, and the suggestion of using new technologies and processes, such as ultrasonic, Verabar and laser detection, etc., to solve existing problems is proposed.

Keywords：Gas flowGas concentrationConcentration of carbon monoxidePressure and tempratare detection

Pump station automatic control

0引言

瓦斯抽放监控技术是一个综合性的技术，它包括流量监测技术、瓦斯浓度监测技术、一氧化碳浓度监测技术、管道气体压力监测技术、管道温度监测技术、泵站监控技术等。瓦斯抽放监控系统用来监测煤矿瓦斯抽放管路中的甲烷浓度、一氧化碳浓度、压力、流量、温度、抽放泵状态、阀门状态等，并实现甲烷、一氧化碳等超限声光报警，瓦斯抽放泵和阀门控制等功能[1]。瓦斯抽放监控技术的发展水平影响着瓦斯抽放系统的运行状况以及抽放效果评价[2]。

1瓦斯抽放监控技术现状

1.1　流量监测技术

瓦斯抽放流量检测是抽放监控系统中最为重要的检测项目之一，也是最难检测的项目。煤矿抽放出的瓦斯气具有成分复杂、湿度大、杂质多、流速变化范围大、压力小等特点。目前，在瓦斯抽放监控系统中用量较多的在线式流量测量仪器有：涡街流量计、旋进漩涡流量计、V锥流量计等。

涡街流量计是速度式流量计中的一种，根据检测漩涡个数的不同方式，涡街流量计大体可以分为三种：压电式涡街流量计、超声式涡街流量计和热式涡街流量计(即所谓的循环自激式流量计)。

① 压电式涡街流量计

压电式涡街流量计通过压力元件检测漩涡个数，具有无易损部件、安装拆洗方便、阻力小、无易堵点、维护量小等优点，但也存在单点测量受插入深度影响、直管段要求长、对震动敏感、测量瓦斯最低流速不低于5 m/s、测量精度受流体中原始漩涡的影响等缺点。

② 超声式涡街流量计

超声式涡街流量计通过漩涡对超声波束的调制来检测漩涡个数，解决了压电式涡街流量计测量下限高的关键问题，使得测量下限降低至0.4 m/s。但它依然存在单点测量受插入深度影响、直管段要求长、测量精度受流体中原始漩涡的影响等缺点，而且超声探头无法适应高湿、高脏的测量环境，探头易损害。

③ 热式涡街流量计

热式涡街流量计即所谓的循环自激式流量计,它通过漩涡推动导流管内的空气流动进而带走热丝热量的方式来检测漩涡个数。该流量计同样是为了解决压电式涡街流量计测量下限高的关键问题，使得测量下限降低至1.5 m/s。但它也依然存在涡街流量计的共同缺点：单点测量受插入深度影响、直管段要求长、测量精度受流体中原始漩涡的影响等；由于导流管的存在，带来了导流管入口孔易堵塞的实际问题；导流管口的小孔过小，是易堵点，很容易被水滴或固体杂质堵塞，维护量大且不易疏通。

热式涡街流量计无可转动部件、耐脏污介质能力强；安装拆卸方便；测量量程比宽；永久性压损小。它只适用于高流速介质的测量，对于小流量的瓦斯抽放管道将无法使用。要测量低流速介质流量，就需要缩小输气管道，提高通过涡街流量计的气体流速，但这会带来额外永久性压损问题。

另外，涡街流量计还对周围环境振动敏感，对直管段安装要求苛刻。

④ 旋进漩涡流量计

旋进漩涡流量计属于流体振动型流量计，由于仪表内部流通面类似标准节流装置文丘利管，因此也有人称其为“文丘利涡街”。它主要是解决涡街流量计直管段要求高和下限流速高的问题，但是其存在压损巨大，结构复杂、笨重，易堵塞固体杂质，清洗麻烦等缺点。

⑤ V锥流量计

V锥流量计是通过在管道中央悬挂一个沿管道轴向逐渐收缩的锥型节流件，当流体流经该节流件时会在节流件的前后产生差压，通过采集该差压计算流体流量。V锥流量计具有自整流、自清洁功能，只需要很短的直管段甚至不需要直管段[4]，在相同条件下，压损相比孔板小；可以测量低流速流体，现场适应能力强，是目前现场应用中比较适合测量煤矿各种瓦斯气体的一种流量计。

瓦斯抽放系统气体输送管道从钻孔、钻场到支管、干管总管，管道管径大小不一，气体流速从小到大，涵盖范围较宽，管道气体压力也是从几千帕至上百千帕，变化幅度较大。不同的工况对流量测量设备的影响也不尽相同。前面所述的各种流量计都具有不同的自身特点，故流量计选择得合适与否将直接影响到设备最终的应用效果。

1.2　瓦斯浓度监测技术

瓦斯浓度监测也是瓦斯抽放监测系统中最为关键的参数之一。目前，国内外瓦斯抽放系统中用于检测瓦斯浓度的技术有载体催化式、热导式、光干涉式、红外式等。

① 载体催化式

载体催化式是低浓度瓦斯检测(0~4%CH4)用量最大的一种检测方式。基于这种方式的检测仪器测量准确、价格低廉，深受广大用户喜欢。但是它存在调校周期短(一般为15天)、受其他烷类气体影响且容易发生H2S中毒的缺点。由于检测范围较窄，载体催化式一般被应用到环境瓦斯监测中。

② 热导方式

热导方式是通过利用测量甲烷与空气热导率的差异而得到甲烷浓度相关的电信号，从而确定甲烷浓度。这种检测方式可以检测高浓度瓦斯气，测量范围可达100%CH4;价格低廉，是之前检测高浓度瓦斯气装置中用量最大的一种。但是它在检测低浓度瓦斯气时精度很低，误差较大,且易受水蒸气、其他烷类气体和环境温度影响。

③ 光干涉式

光干涉式利用同一光源发出的两束光,分别经过充有空气的参比气室和充有待测气体的测量气室,再相遇时两束光将产生干涉条纹，根据干涉条纹的位置而测定瓦斯浓度。这种方式测量范围宽、使用寿命长且不会发生气体中毒现象，但它受二氧化碳气体影响，气体选择性不好。目前,在用光干涉式仪器多是便携式产品且属于纯物理结构设计，不能对压力和温度进行修正和补偿，故它受温度和气压的影响。另外,由于采用人为视觉查看干涉条纹，精度较低，测量误差较大。

④ 红外式检测技术

红外式检测技术是近年来发展最快、最为迅猛的一种瓦斯气体检测技术[5]。它基于郎伯-比尔定律的“NDIR技术”，采用单光源双波长测量，由电调制的光源发出脉冲光经过气室时与气体相互作用，处在气体吸收峰处的某一段波长的红外光被气体吸收，而另一波长的光未被吸收，通过检测在气体特征吸收峰被吸收的光的能量,计算出气体的浓度。这种检测方式测量范围宽，在全量程范围内精度都很高，不受温度和压力影响，检测元件使用寿命长，稳定性好。但是由于红外光的波长单一性不好，当被检测的瓦斯气中存在其他处于与甲烷吸收峰相近的气体时仍然会存在测量误差较大的问题，容易受水蒸气、其他烷类气体的影响。

1.3　泵站的监控技术

目前，泵站的监控主要包括对泵房环境瓦斯浓度的检测、环境温度的检测、泵轴温的检测、泵启停状态的检测、循环水池水深和水温的检测、泵电压电流的检测、泵的启停控制等，但还有许多泵房里以及泵房周围的相关设施或设备没有被监控到，还不能完全实现全泵站的监控，实现真正的无人值守。

对于自动控制来说，控制系统内检测设备的运行稳定性、测量结果有效性是实现控制逻辑判断的先决条件。若这些设备经常损坏或检测误差较大，将会给自动控制带来误判或不动作的情况，这是自动控制最不愿意看到的结果。

对于执行设备来说，PLC发出控制命令之后，应能够迅速有效地执行相应的操作并反馈执行结果。但是，在当前实际应用过程中还存在部分设备运行稳定性差、设备可靠性差等问题，如检测仪表抗干扰差、测量结果不准确、阀门电动装置经常损坏等。这些还需要进一步的完善和提高。

2提高瓦斯抽放监控技术水平的建议

2.1　流量监测技术

对于气体流量的监测，还需要进一步降低压力无用损耗、扩大流量检测范围、降低流量测量下限、增强抗脏污介质能力、提高测量精度，使得有一种流量计能够完全适合用于瓦斯抽放计量。建议可以采用以下3种方式进行流量监测技术的提高。

① 引进更先进的测量技术

目前，在天然气检测领域得到广泛应用的超声波流量计就是一个很好的技术[6]，它采用非接触式超声波原理进行检测，无可转动部件,抗脏污介质能力强,无压损,量程比可达1∶40,测量精度可达0.5级,测量下限可低至1 m/s以下，能够满足上述特点中的多个技术指标。将其引入到瓦斯抽放领域中，能够解决上述一系列问题，但是目前超声波流量计价格高昂。该检测技术将是一个很好的发展方向。

推出不久的一种A+K平衡式流量计，采用平衡节流原理，直管段要求比V锥流量更短、测量精度更高、压损更低等，也具备提高上述诸多指标的特点，且价格适中，亦可以作为流量监测技术的另一发展借鉴途径。

② 技术升级和创新

皮托管检测范围宽、测量下限低、微压损、测量精度高，多用于标准装置中作为标准源使用，其缺点是在检测脏污介质时易堵塞，在检测低流速流体时输出差压小。但是随着检测技术的不断更新，目前检测微压已不是问题，只要能够通过某种方式解决易堵塞的缺点，将皮托管流量计做成在线式检测仪表，将具有很好的发展趋势。

威力巴流量计起源于皮托管，测量原理与皮托管相同；演变于均速管流量计，保持了均速管流量计同一截面多处取压测速的优点，同时又克服了均速管流量计易堵塞、长期运行稳定性差的缺点。通过配合高稳定度的微差压测量模块,威力巴流量计可以实现宽范围气体流量的检测。目前，该流量计现场应用效果较好，测量准确性高，运行稳定性好，安装拆卸方便。

通过采取防堵技术以及一体化集成技术，皮托管流量计已经能够被应用到复杂的煤层气流量在线监测领域。由于小巧的体积以及小流量测量的优势，当前皮托管流量计主要被应用于流量较小、用量较大的井下支管、钻场及钻孔管道上。

③ 研制并增加必要的管道气体工艺处理装备

通过在瓦斯管道源头(如钻场等)安装气体工艺处理装置，尽可能多地除掉管道瓦斯气中水雾、液态水、固态杂质，使较为干净的气体进入到输送管道内，这即有利于流量计量结果的准确可靠，也可延长计量装置的使用寿命和稳定周期;同时,也会对整个瓦斯输送系统起到很好的保护作用，减少因为管道内堵塞水和杂质带来输送阻力加大影响抽放效果的状况。但井下瓦斯气源头较为分散，需要安装大量的工艺处理装备。对于煤矿用户来说，这将是一笔不小的支出，所以这种工艺处理装备还应考虑成本问题。

另外，建议在选择在线式流量监测设备时，一定要根据安装地点、测量介质的工况条件以及流量计的适用特性选择合适的流量计，保证流量测量的准确性与稳定性。

2.2　气体浓度监测技术

对于气体浓度监测，现在的技术主要存在气体选择性差、现场应用限制条件较多、测量大的问题。随着科技的发展，目前已有采用激光检测气体浓度的技术。激光式检测技术[7]是近两年来才发展起来的一种光学气体浓度检测技术，其检测原理与红外检测技术的原理相同。激光光谱的单一性好，使得其测量气体的选择性更好，测量准确性好，抗干扰能力强，且对灰尘、水汽和液态水的敏感度也较低，使用寿命长，调校周期长，是一种很有发展前途的甲烷检测技术。采用这种技术无疑会大大提升气体浓度测量的准确性和可靠性。

2.3　泵站监控技术

对于泵站的监控技术，应进一步扩大其监控范围，将周围与之相关的设备的实时数据和情况都尽量纳入到其系统范围内。同时，鉴于当前检测设备、执行设备的稳定性差的情况，可以考虑采用安装多台设备同时检测、同时执行的方式，以提高检测结果和执行结果的可靠性，争取实现泵站甚至整个抽放控制系统的无人值守。另外，对于提高检测设备以及执行设备的可靠性问题，应从提高设备自身的环境耐受能力以及适应

性上下功夫(如提高系统内的设备抗干扰能力、防护等级等)。

3结束语

瓦斯抽放监测监控技术是一个系统性的技术，涵盖物理检测、数据采集、信号传输、数据处理、逻辑判断、指令生成、设备执行与反馈等多个方面，其中任何一个方面出现问题或不稳定，都会导致监控系统的不稳定甚至瘫痪。不可否认，当前现用的抽放监测监控系统还存在各方面的不完善和不稳定，正视这些问题，采用新技术、新手段，不遗余力地去分析、完善它们，相信在科技高度发达的今天，瓦斯抽放监测监控技术会再上一个新台阶。

参考文献

[1] 国家安全生产监督管理总局.MT/T 1126-2011 煤矿瓦斯抽采(放)监控系统通用技术条件[S].2011.

[2] 王杰.国内瓦斯抽放监控系统在使用中的局限性分析[J].煤矿现代化，2009，7(5):49-50.

[3] 李涛.皮托管在瓦斯抽放煤层气输送计量中的应用[J].自动化仪表，2015，36(1):95-98.

[4] 李涛.管道瓦斯流量计量技术的分析与应用[J].自动化仪表，2010,31(8):67-69.

[5] 马前军.红外瓦斯传感器在煤矿监测系统中的应用[J].电子世界，2013(9):32-33.

[6] 王民意.时差法在超声波气体流量计中的应用研究[J].仪表技术与传感器，2013(7):26-28.

[7] 孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J].工矿自动化，2015，41(1):1-5.

中图分类号：TH81;TD712

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508011

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2012ZX05041004)。

修改稿收到日期：2015-06-17。

作者李涛(1982-)，男，2004年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，获学士学位，助理研究员；主要从事矿用瓦斯流量监测技术的研究。