一种煤矿井下管网瓦斯抽采参数实时解算方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下瓦斯抽采管路抽采参数在线监测、实时解算和数据深度挖掘技术，具体是一种煤矿井下管网瓦斯抽采参数实时解算方法，属于自动化和智能化瓦斯抽采技术领域。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，约1/3的煤炭年产量来自于高瓦斯、突出矿井，瓦斯灾害治理和资源化利用主要通过施工煤层钻孔进行抽采，而瓦斯抽采系统是建设在煤层瓦斯和抽采管网之间的人工通道。2012年3月《煤矿瓦斯抽采达标评判细则》明确规定：瓦斯抽采矿井应当配备瓦斯抽采监控系统，实时监控管网瓦斯浓度、压力或压差、流量、温度参数及设备的开停状态等；2020年3月国家发展改革委等8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的通知：2021年建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿安全生产等方面的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作；在瓦斯抽采过程中，瓦斯抽采的监测监控对瓦斯抽采动态评价和瓦斯灾害预警有着极其重要的作用。然而，出于经济性考虑，布置过多的传感器会耗费过多的建设成本，有限的传感器监测数据又不足以提供充足的数据来对瓦斯抽采进行动态评价和灾害的预警。那么，如何利用有限测点的监测数据实时地解算出整个管网的抽采数据，已经成为当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿井下管网瓦斯抽采参数实时解算方法，通过采集有限测点的监测数据，能够实时分析和解算整个管网的瓦斯抽采参数，不仅为瓦斯抽采动态评价和瓦斯灾害预警提供充足的数据基础，而且能够有效减少监测系统的建设成本，提高瓦斯抽采的经济性。

为了实现上述目的，本发明提供一种煤矿井下管网瓦斯抽采参数实时解算方法，包括以下步骤：

①根据瓦斯抽采系统的节点、管道和钻孔布置建立系统节点的点位分布图；

②基于气体流动质量守恒定律、能量守恒方程建立管网瓦斯抽采参数解算模型；

③将管网传感器实时监测数据、抽采区域煤体基础数据和管网基础参数代入管网瓦斯抽采参数解算模型中，实现其它节点处混合流量、流速、浓度、压力、密度的解算数据。

作为本发明的进一步改进，步骤①具体为：依据瓦斯抽采系统的节点、管道和钻孔布置对瓦斯抽采系统节点的点位进行布设，该节点的点位布置是按照管网瓦斯流向和分叉节点的原则形成的点位编号；将抽采泵所在地面作为基准面对每个点位进行标高标定以确定该节点点位的位置势能。

作为本发明的进一步改进，将煤矿瓦斯抽采中所有的钻场(孔)编为一个节点，瓦斯泵出口编为一个节点，所有的三通、四通变径编为其它节点，测点布置在节点位置。

作为本发明的进一步改进，步骤②具体为：基于气体流动质量守恒定律、能量守恒方程以及理想气体状态方程建立同一管网不同点位间的质量与能量的关联性，根据瓦斯抽采管网各传感器的实时监测数据、抽采区域系统基础参数和管网瓦斯抽采参数解算模型建立联立方程，从而实现由单测点监测数据解算管网流动方向任意点位的抽采参数；管网瓦斯抽采参数解算模型主要是利用气体流动质量守恒定律、瓦斯气体质量守恒、能量守恒方程、理想气体状态方程、摩尔质量计算方程建立的联立方程，其进一步包括利用理想气体状态方程计算工质密度，利用流速面积法计算流速，利用混合气体摩尔质量方程计算混合气体摩尔质量。

步骤②中解算模型的建立方法如下：

n-1、n、n+1是布置的三个相邻的节点，

基于气体流动质量守恒定律，建立气体质量守恒方程，如式(1)：

Q

式中：

Q

Q

Q

ρ

ρ

ρ

其中混合流量Q

式中：

v

d

工质密度ρ

式中：

P

M

R为通用气体常数；

T为气体热力学温度；

其中工质摩尔质量M

M

式中，

c

基于气体流动中瓦斯质量守恒，建立瓦斯质量守恒方程，如式(5)，

Q

基于能量守恒原理，建立瓦斯抽采管路能量守恒方程，如式(6)，

式中：

h

h

α为管网阻力校正系数，取值范围0-2；

Z

式中：

λ

d

L

其中，沿程阻力系数λ

式中：

Δ为管道壁面的粗糙度，一般查表可得；

R

式中：

v

μ

由伯努利方程得：

P

P

Q

Q

式中：

c

p

β为漏风阻力系数；

P

作为本发明的进一步改进，步骤③中管网传感器实时监测数据具体为：在抽采干管上靠近主管的某个点位安装瓦斯浓度传感器、流速传感器、密度传感器、压力传感器，将瓦斯浓度传感器检测到的瓦斯浓度数据、流速传感器检测到的工质流速数据、密度传感器检测到的工质密度数据、压力传感器检测到的工质压力数据传给步骤②中的解算模型，所述抽采区域煤体基础数据包括抽采管路管径、长度、管壁粗糙度。

作为本发明的进一步改进，本发明还包括误差分析过程，具体为：在抽采干管上的部分点位安装瓦斯浓度传感器、流速传感器、密度传感器、压力传感器，将瓦斯浓度传感器检测到的瓦斯浓度数据、流速传感器检测到的工质流速数据、密度传感器检测到的工质密度数据、压力传感器检测到的工质压力数据代入实时解算模型进行解算，基于实测数据和解算数据进行误差分析，用以验证实时解算模型的准确性和修正误差，解算误差包括：解算模型自动提取传感器监测的瓦斯抽采数据，并与同一点位的解算数据进行实时对比，进行误差分析，分析流程如下：若实测数据和解算数据误差在允许误差范围内(-5％～+5％)，则该解算结果符合要求，若实测数据和解算数据误差超过允许误差范围，则管网阻力系数检查校正解算模型，再次对该点位的数据进行解算。

与现有技术相比，本发明的抽采参数实时结算方法，通过建立系统点位分布图，并根据气体流动质量守恒定律、能量守恒方程等建立解算模型，在本发明所建立的一个节点上安装各个传感器，将传感器监测到的实时数据、抽采区域煤体基础数据和管网技术参数代入管网瓦斯抽采参数解算模型进行求解，可以计算出管网其他任一节点的抽采参数，同时通过其他部分节点安装的各个传感器的实测数据可以对该点位实时解算数据进行解算数据的误差校验分析；本发明通过采集有限测点的监测数据，能够实时分析和计算整个管网的瓦斯抽采参数，不仅为瓦斯抽采动态评价和瓦斯灾害预警提供充足的数据基础，而且能够有效减少监测系统的建设成本，提高瓦斯抽采的经济性。

附图说明

图1是本发明瓦斯抽采系统点位布置结构示意图；

图2是本发明瓦斯抽采参数解算流程示意图。

图中：1、抽采泵，2、抽采主管，3、抽采干管，4、抽采支管，5、瓦斯站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种煤矿井下瓦斯抽采管网抽采参数实时解算方法，本发明的抽采管网包括抽采泵1、抽采主管2、抽采干管3、抽采支管4，抽采泵1的进气口连接抽采主管2，抽采泵1的出气口连接瓦斯站5，抽采泵1与瓦斯站5设置在地面上，设置在地面下的抽采主管2连接若干个抽采干管3，每一个抽采干管3连接若干个抽采支管4，由抽采支管4分散出若干个抽采管，抽采管的抽采口嵌入煤层中进行瓦斯抽采作业。

如图2所示，本发明包括以下步骤：

①根据瓦斯抽采系统的节点、管道和钻孔布置建立系统节点的点位分布图；依据瓦斯抽采系统的节点、管道和钻孔布置对瓦斯抽采系统节点的点位进行布设，该节点的点位布置是按照管网瓦斯流向和分叉节点的原则形成的点位编号；将抽采泵所在地面作为基准面对每个点位进行标高标定用以计算该节点处的位置势能；测点布置在节点位置；

②基于气体流动质量守恒定律、能量守恒方程建立管网瓦斯抽采参数解算模型；基于气体流动质量守恒定律、能量守恒方程以及理想气体状态方程建立同一管网不同点位间的质量与能量的关联性，根据瓦斯抽采管网各传感器的实时监测数据、抽采区域系统基础参数和管网瓦斯抽采参数解算模型建立联立方程，从而实现由单测点监测数据解算管网流动方向任一点位的抽采参数；管网瓦斯抽采参数解算模型主要是利用气体流动质量守恒定律、瓦斯气体质量守恒、能量守恒方程、理想气体状态方程、摩尔质量计算方程建立的联立方程，其进一步包括利用理想气体状态方程计算工质密度，利用流速面积法计算流速，利用混合气体摩尔质量方程计算混合气体摩尔质量；

③将管网传感器实时监测数据、抽采区域煤体基础数据和管网基础参数代入管网瓦斯抽采参数解算模型进行求解；在抽采干管3上的点位上安装瓦斯浓度传感器、流速传感器、密度传感器、压力传感器，将瓦斯浓度传感器检测到的瓦斯浓度数据、流速传感器检测到的工质流速数据、密度传感器检测到的工质密度数据、压力传感器检测到的工质压力数据传给步骤②中的解算模型，可以实现其它节点处混合流量、流速、浓度、压力、密度的解算数据，所述抽采区域煤体基础数据包括抽采管路管径、长度、管壁粗糙度。

本发明的解算模型还包括误差分析过程，具体为：在抽采干管3上的部分点位上安装瓦斯浓度传感器、流速传感器、密度传感器、压力传感器，将瓦斯浓度传感器检测到的瓦斯浓度数据、流速传感器检测到的工质流速数据、密度传感器检测到的工质密度数据、压力传感器检测到的压力数据传给误差分析过程，基于实测数据和解算数据进行误差分析，用以验证实时解算模型的准确性和修正误差，解算误差包括：解算模型自动提取传感器监测的瓦斯抽采数据，并与同一点位的解算数据进行实时对比，进行误差分析，分析流程如下：若实测数据和解算数据误差在允许误差范围内(-5％～+5％)，则该解算结果符合要求，若实测数据和解算数据误差超过允许误差范围，则管网阻力系数检查校正解算模型，再次对该点位的数据进行解算。

步骤②中解算模型的建立方法如下：

如图1所示，n-1、n、n+1是布置的三个相邻的节点，

基于气体流动质量守恒定律，建立气体质量守恒方程，如式(1)：

Q

式中：

Q

Q

Q

ρ

ρ

ρ

其中混合流量Q

式中：

v

d

工质密度ρ

式中：

P

M

R为通用气体常数；

R

T为气体热力学温度；

其中工质摩尔质量M

M

式中，

c

基于气体流动中瓦斯质量守恒，建立瓦斯质量守恒方程，如式(5)，

Q

基于能量守恒原理，建立瓦斯抽采管路能量守恒方程，如式(6)，

式中：

h

h

α为管网阻力校正系数，取值范围0-2；

Z

式中：

λ

d

L

其中，沿程阻力系数λ

式中：

Δ为管道壁面的粗糙度，一般查表可得；

R

式中：

v

μ

由伯努利方程得：

P

P

Q

Q

式中：

c

p

β为漏风阻力系数；

P

给出本发明的一个实施例

步骤1，建立完整的矿井抽采系统点位分布图并依次编号，编号方法为：抽采干管3和抽采支管4编制为一类编号，按照风流流动方向，将靠近抽采主管2一端的抽采干管3上的首个点位标记为节点G1，抽采支管4上的点位标记为节点G2，其他点位按从小到大顺序依次进行编号(如图1)；

步骤2，首先，在抽采干管3上节点G1处需布置上述传感器，其他测点可根据抽采系统建设成本任选几个点位布置上述传感器，用于验证实时解算模型的准确性和修正解算误差；

步骤3，根据瓦斯抽采管网抽采系统点位图建立管网瓦斯抽采参数解算模型，系统自动提取上述传感器监测的抽采数据，并传输至解算模型；

步骤4，根据上述联立方程利用软件MathCAD通过有限点位的抽采数据计算其他点位的抽采数据，从而实时解算出整个抽采管网的抽采数据；

步骤5，通过瓦斯抽采管网抽采系统自动提取的监测数据，实时对比上述传感器实测数据和解算数据，计算误差，并且修正解算模型，提高解算结果准确性；

步骤6，在整个抽采管网抽采数据实时解算完成后，系统实时输出实时解算的抽采数据，在用户终端可视化多层次显示；

本实施例中，节点G1的实际抽采负压p

根据上述数学模型建立过程联立方程，包括节点G1，节点G2和节点G3之间的总工质质量守恒、瓦斯质量守恒、能量守恒和漏汽量计算公式；

通过节点G1的监测数据求解节点G2和节点G3的相关参数，将节点G1的数据p

采用数学通用计算软件MathCad求解上述方程，并经过相关计算解得节点G2处混合流量Q