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作 者
周福宝1,2,刘 春2,夏同强1,刘应科1,孙玉宁3
1. 中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心；2. 中国矿业大学 矿山互联 应用技术国家地方联合工程实验室；3. 河南理工大学 能源科学与工程学院
研究背景
煤矿井下瓦斯抽采系统是将井下煤层、采空区、巷道上隅角、密闭巷道等区域的瓦斯经管 抽采到地面的瓦斯输运系统,由动力单元(抽采泵站)、管路系统(主管路、支管路、钻孔连接管等)、控制阀门、监测监控系统及其他附属装置(防爆抑爆装置、防回火装置、排渣放水器等)组成。 抽采系统中任何一个组成部分的工况改变或者抽采负荷的动态演变,都会引起系统整体工况的波动。
当前,井下抽采系统面临以下主要问题:①负压分配不合理,无法根据抽采对象的变化实时动态优化调节,造成负压高但浓度低、瓦斯纯量少;②调控依赖人工经验,钻孔塌孔、漏气等不能及时处理;③瓦斯抽采泵的功率过大,不能根据抽采负载动态增加或减小自适应调节;④管 抽采局部阻力大;⑤数据监控不全面,监测点少,依赖人工检测。
这些问题会降低管 的抽采效率,限制瓦斯资源化利用,甚至引起管路瓦斯燃爆、钻孔煤自燃等灾害事故。解决上述问题的根本途径是合理调控瓦斯抽采系统,实现精准化抽采,即通过抽采系统数据监测、优化模型及算法分析和智能控制,对抽采工况参数实时智能调控,提高瓦斯抽采效率,保障抽采安全。
2013年9月,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任袁亮院士组织中国科学院合肥物质科学研究院、武汉特种工业泵厂有限公司和山东中科纳米管材有限公司等在安徽省合肥市召开了煤矿瓦斯智能抽采研讨会。与会专家对瓦斯抽采系统存在的突出问题、瓦斯智能抽采的必要性和可行性、智能抽采的理论基础与关键技术和智能抽采发展前景等开展了学术探讨,形成了发展煤矿瓦斯智能抽采的共识。在此基础上,课题组开展了瓦斯智能抽采理论及调控方法研究。
摘 要
基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则,提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管 中瓦斯-空气混合气体流动控制方程,以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数,建立了瓦斯抽采管 参数的优化模型,分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率。
以上述模型为基础,针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限,以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算,提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略,通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速,有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量,并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。
最后,设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统,开发了基于物联 的智能调节阀门,阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等,通讯模块将数据上传至云存储端,通过电脑 页和手机客户端实现监测与控制。
发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法,以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质,有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失,并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统,该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用,节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%,为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。
周福宝，男，1976年7月出生，江苏南京人，教授、博士生导师，现任中国矿业大学党委常委、副校长。主持“十三五”国家重点研发计划项目、国家111计划创新引智基地、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点（煤炭联合）项目、教育部创新团队发展计划等科研项目30余项。获国家科技成果二等奖及省部级科技进步一等奖共8项，获授权国家发明专利50余件，软件著作权4件；出版学术专著1部，主编教材2部；现为国家安全生产专家组专家、教育部“长江学者”特聘教授，享受国务院特殊津贴，曾获中国工程院光华工程青年科技奖、中国青年科技奖、百千万人才工程国家级人选等荣誉称号。
研究方向
矿山灾害防治与资源化利用、职业健康与公共安全
主要成果
长期从事矿山安全及资源环境保护方面科研与工程实践工作，取得了一系列开创性的研究成果，主要包括：揭示了瓦斯抽采效率和安全度的科学内涵，主持研发了国内首创的“钻-护-封（堵）-联”一体化成套技术与装备；研制出我国首套具有自主知识产权的适用于煤矿井下掘进工作面的“一体式安装和移动的巷（隧）道施工干式过滤除尘系统”，除尘效率达95%以上；在国际上首次提出基于高分子减阻液的水环真空泵节能提效技术，研发了地面全封闭式和井下直注式2种水环真泵节能系统，使大型瓦斯抽采水环真空泵节能率提高23%以上，同时节水率达60%以上。
文中图片
瓦斯智能抽采的原理
简化的瓦斯抽采系统
钻孔1-2和总管瓦斯抽采体积分数变化曲线
抽采泵运行工况随泵转速减小的变化情况
钻孔1-2和总管瓦斯体积分数随抽采泵转速变化
抽采系统效能比随转速变化
抽采系统瓦斯抽采纯量随转速变化
瓦斯抽采系统优化策略流程
智能瓦斯抽采系统
抽采对象参数动态匹配原理
智能控制阀门设计原理及装置组成
基于减阻液的水环真空泵节能提效系统
文中表格
钻孔瓦斯参数
控制阀门初始开度
%
各钻孔协同调控时阀门开度
%
阀门或抽采泵调控前后各钻孔的瓦斯抽采体积分数
%
周福宝,刘春,夏同强,等.煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略[J].煤炭学 ,2019,44(8):2377-2387.
ZHOU Fubao,LIU Chun,XIA Tongqiang,et al. Intelligent gas extraction and control strategy in coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(8):2377-2387.
审 核：常琛
End
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