煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法及系统与流程

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法及系统。

背景技术：

煤矿瓦斯抽采主要分为“瓦斯预抽”和“边采边抽”两种情况。边抽边采时，由于受到在抽采工作面采动影响，整个工作面可分为裂隙未发育、裂隙发育和裂隙发育明显三个区域或阶段。裂隙发育对抽采的影响直接体现在抽采管道内的混合量和瓦斯纯量，因此需利用抽采混合量和瓦斯纯量作为对抽采负压进行优化控制的直接判断指标，并且该优化控制为动态控制过程。而进行瓦斯预抽时，由于受到的外界干扰较少，瓦斯浓度的变化是进行抽采压力控制的直接参考指标。

因此，要对煤矿瓦斯抽采系统进行优化调控，做到用最合适的抽采负压达到最优的瓦斯抽采量，就需要对煤矿井下瓦斯的抽采分情况、分逻辑进行调整控制，才能真正提高瓦斯抽采效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法，以用最合适的抽采负压达到最优的瓦斯抽采量，提高瓦斯抽采效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法，包括如下步骤：

1)实时监测各个抽采场瓦斯的抽采信息，所述抽采信息包括抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压；

2)计算各抽采场控制负压值之和与泵站额定负压值之差的绝对值是否大于泵站阈值，若大于泵站阈值，控制泵站额定负压调整为各抽采场控制负压值之和；若小于泵站阈值，判断抽采场控制逻辑是否为“边采边抽”，如果不是，则为“瓦斯预抽”；

3)若抽采场控制逻辑为“边采边抽”，判断抽采混合总流量变化：

若混合总流量上升，则计算和比较抽采混合总流量上升速度与抽采瓦斯纯量上升速度，若抽采混合总流量上升速度大于抽采瓦斯纯量上升速度，则降低抽采负压；若抽采混合总流量上升速度小于抽采瓦斯纯量上升速度，则提高抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量降低，则计算和比较抽采混合总流量下降速度与抽采瓦斯纯量下降速度，若抽采混合总流量下降速度大于抽采瓦斯纯量下降速度，则提高抽采负压；若抽采混合总流量下降速度小于抽采瓦斯纯量下降速度，则降低抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量不变，则启动稳压模式。

4)若抽采场控制逻辑为“瓦斯预抽”，则判断瓦斯浓度范围是否在浓度阈值范围内；若大于浓度阈值范围的上限设定值，则按照一定的步幅提高抽采负压；若小于浓度阈值范围的下限设定值，则按照一定的步幅降低抽采负压；若在浓度阈值范围内，启动稳压模式。

进一步地，实时监测抽采负压，进入稳压模式后，判断抽采负压是否在抽采负压阈值范围内，若大于负压阈值上限设定值，则降低抽采负压到设定范围；若小于负压阈值范围下限设定值，则增大抽采负压到设定范围；若在负压阈值范围内，则保持现状。

进一步地，所述瓦斯浓度阈值范围为c-2％～c+2％，c为控制浓度。

进一步地，所述抽采负压阈值范围为P-1％～P+1％，P为控制抽采负压。

进一步地，所述泵站阈值为2kpa。

本发明还提供一种煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统，所述系统包括用于放置在不同抽采场的至少一套管道瓦斯实时监测装置，以及对应套数的调压阀和对应套数的瓦斯抽采控制装置，该系统还包括瓦斯抽采总控制装置；各瓦斯抽采控制装置与各瓦斯实时监测装置信号连接，瓦斯抽采控制装置控制连接对应调压阀，瓦斯抽采总控制装置控制连接各瓦斯抽采控制装置；

1)管道瓦斯实时监测装置实时监测各个抽采场瓦斯的抽采信息，所述抽采信息包括抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压；

2)瓦斯抽采总控制装置计算各抽采场控制负压值之和与泵站额定负压值之差是否大于泵站阈值，若大于泵站阈值，控制泵站额定负压调整为各抽采场控制负压值之和；若小于泵站阈值，判断抽采场控制逻辑是否为“边采边抽”，如果不是，则为“瓦斯预抽”；

3)若抽采场控制逻辑为“边采边抽”，判断抽采混合总流量变化：

若混合总流量上升，则计算和比较抽采混合总流量上升速度与抽采瓦斯纯量上升速度，若抽采混合总流量上升速度大于抽采瓦斯纯量上升速度，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀降低抽采负压；若抽采混合总流量上升速度小于抽采瓦斯纯量上升速度，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀提高抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量降低，则计算和比较抽采混合总流量下降速度与抽采瓦斯纯量下降速度，若抽采混合总流量下降速度大于抽采瓦斯纯量下降速度，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀提高抽采负压；若抽采混合总流量下降速度小于抽采瓦斯纯量下降速度，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀降低抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量不变，则启动稳压模式。

4)若抽采场控制逻辑为“瓦斯预抽”，则判断瓦斯浓度范围是否在浓度阈值范围内；若大于浓度阈值范围的上限设定值，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀按照一定的步幅提高抽采负压；若小于浓度阈值范围的下限设定值，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀按照一定的步幅降低抽采负压；若在浓度阈值范围内，启动稳压模式。

进一步地，瓦斯实时监测装置实时监测抽采负压，进入稳压模式后，瓦斯抽采控制装置采集所述抽采负压信号，并判断抽采负压是否在抽采负压阈值范围内，若大于负压阈值范围的上限设定值，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀降低抽采负压到设定范围；若小于负压阈值范围的下限设定值，则瓦斯抽采控制装置控制对应的调压阀增大抽采负压到设定范围；若在负压阈值范围内，则保持现状。

进一步地，所述瓦斯浓度阈值范围为c-2％～c+2％，c为控制浓度。

进一步地，所述抽采负压阈值范围为P-1％～P+1％，P为控制抽采负压。

进一步地，所述泵站阈值为2kpa。

本发明还提供一种煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统，所述系统包括用于放置在不同抽采场的至少一套瓦斯实时监测装置和对应套数的调压阀，该系统还包括一套瓦斯抽采控制装置、瓦斯抽采总控制装置和抽采泵站；瓦斯抽采控制装置与各瓦斯实时监测装置信号连接，瓦斯抽采控制装置控制连接对应调压阀，瓦斯抽采总控制装置控制连接瓦斯抽采控制装置；

1)实时监测各个抽采场瓦斯的抽采信息，所述抽采信息包括抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压；

2)瓦斯抽采控制总控制装置计算各抽采场控制负压值之和与泵站额定负压值之差是否大于泵站阈值，若大于泵站阈值，则控制泵站额定负压调整为各抽采场控制负压值之和；若小于泵站阈值，判断抽采场控制逻辑是否为“边采边抽”，如果不是，则为“瓦斯预抽”；

3)若抽采场控制逻辑为“边采边抽”，判断抽采混合总流量变化：

若混合总流量上升，则计算和比较抽采混合总流量上升速度与抽采瓦斯纯量上升速度，若抽采混合总流量上升速度大于抽采瓦斯纯量上升速度，则控制调压阀降低抽采负压；若抽采混合总流量上升速度小于抽采瓦斯纯量上升速度，则控制调压阀提高抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量降低，则计算和比较抽采混合总流量下降速度与抽采瓦斯纯量下降速度，若抽采混合总流量下降速度大于抽采瓦斯纯量下降速度，则控制调压阀提高抽采负压；若抽采混合总流量下降速度小于抽采瓦斯纯量下降速度，则控制调压阀降低抽采负压；否则启动稳压模式；

若混合总流量不变，则启动稳压模式。

4)若抽采场控制逻辑为“瓦斯预抽”，则判断瓦斯浓度范围是否在浓度阈值范围内；若大于浓度阈值范围的上限设定值，则控制调压阀按照一定的步幅提高抽采负压；若小于浓度阈值范围的下限设定值，则控制调压阀按照一定的步幅降低抽采负压；若在浓度阈值范围内，启动稳压模式。

进一步地，瓦斯实时监测装置实时监测抽采负压，进入稳压模式后，瓦斯抽采控制装置采集所述抽采负压信号，并判断抽采负压是否在抽采负压阈值范围内，若大于负压阈值范围的上限设定值，则控制调压阀降低抽采负压到设定范围；若小于负压阈值范围的下限设定值，则控制调压阀增大抽采负压到设定范围；若在负压阈值范围内，则保持现状。

进一步地，所述瓦斯浓度阈值范围为c-2％～c+2％，c为控制浓度。

进一步地，所述抽采负压阈值范围为P-1％～P+1％，P为控制抽采负压。

进一步地，所述泵站阈值为2kpa。

本发明的有益效果是：该方法及系统对煤矿瓦斯系统进行优化控制，区分矿井井下“瓦斯预抽”和“边采边抽”不同的抽采情况，选用最合适的抽采逻辑对瓦斯抽采负压进行综合、动态优化调控；而且，该方法及系统具有多级调控功能，实现抽采泵站的抽采负压随钻场抽采负压的调控而自动调整，提高了瓦斯的抽采效率。

附图说明

图1是煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统图；

图2是煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法流程图；

图3是煤矿瓦斯抽采“边采边抽”控制逻辑流程图；

图4是煤矿瓦斯抽采“瓦斯预抽”控制逻辑流程图；

图5是煤矿瓦斯抽采动态优化调控其他形式系统图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。

煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法实施例1：

(1)“边采边抽”调控方法，其控制逻辑图如图3所示。

(1-1)启动“边采边抽”控制逻辑；

(1-2)自动控制装置采集管道监测装置监测信号，计算并判断Q_总是否上升，若上升，则进入(1-3)，否则进入(1-6)；

(1-3)判断VQ_总是否大于VQ_纯，若大于，进入(1-4)，否则进入(1-5)；

(1-4)控制阀门，降低抽采负压，并回到(1-1)；

(1-5)判断VQ_总是否小于VQ_纯，若小于，进入(1-8)，否则进入(1-10)；

(1-6)判断Q_总是否降低，若降低，进入(1-7)，否则进入(1-10)；

(1-7)判断VQ`<sub>总</sub>是否大于VQ`_纯，若大于，进入(1-8)，否则进入(1-9)；

(1-8)控制阀门，提高抽采负压，并回到(1-1)；

(1-9)判断VQ`<sub>总</sub>是否小于VQ`_纯，若小于，进入(1-4)，否则进入(1-10)；

(1-10)启动“稳压模式”，进入(3-8)。

(2)“瓦斯预抽”调控方法，其控制逻辑如图4所示。

(2-1)启动“瓦斯预抽”控制逻辑；

(2-2)自动控制装置采集管道监测装置监测信号，并判断瓦斯浓度是否上升，若上升，则进入(2-3)，否则进入(2-5)；

(2-3)判断瓦斯浓度上升是否超过2％，若超过，进入(2-4)，否则进入2-8)；

(2-4)控制调压阀，提高抽采负压0.1kpa，并回到(2-1)；

(2-5)判断瓦斯浓度是否降低，若降低，进入(2-6)，否则进入(2-8)；

(2-6)判断瓦斯浓度降低是否超过2％，若超过，进入(2-7)，否则进入2-8)；

(2-7)控制调压阀，降低抽采负压0.1kpa，并回到(2-1)；

(2-8)启动“稳压模式”，进入(3-8)。

(3)煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法

该系统控制逻辑包含泵站的调控、“边抽边采”调控方法、“瓦斯预抽”调控方法以及稳压调控。其控制逻辑图如图4所示。

(3-1)系统搭建完成并启动；

(3-2)瓦斯抽采总控制装置采集各钻场控制装置信息；

(3-3)分析各抽采最优负压值之和与泵站额定负压值之差的绝对值是否超过2kpa，若是，进入(3-4)，否则进入(3-5)；

(3-4)控制泵站，将额定负压调整为控制负压值之和；

(3-5)判断各抽采钻场控制装置是否为“边抽边采”逻辑，若是，进入(3-6)，否则进入(3-7)；

(3-6)启动“边抽边采”控制逻辑，逻辑控制方法详见调控方法(1)；

(3-7)启动“瓦斯预抽”控制逻辑，逻辑控制方法详见调控方法(2)；

(3-8)启动“稳压模式”。

煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法实施例2：

(1)“边采边抽”调控方法，其控制逻辑图如图3所示。

(1-1)启动“边采边抽”控制逻辑；

(1-2)自动控制装置采集管道监测装置监测信号，计算并判断Q_总是否上升，若上升，则进入(1-3)，否则进入(1-6)；

(1-3)判断VQ_总是否大于VQ_纯，若大于，进入(1-4)，否则进入(1-5)；

(1-4)控制阀门，降低抽采负压，并回到(1-1)；

(1-5)判断VQ_总是否小于VQ_纯，若小于，进入(1-8)，否则进入(1-10)；

(1-6)判断Q_总是否降低，若降低，进入(1-7)，否则进入(1-10)；

(1-7)判断VQ`<sub>总</sub>是否大于VQ`_纯，若大于，进入(1-8)，否则进入(1-9)；

(1-8)控制阀门，提高抽采负压，并回到(1-1)；

(1-9)判断VQ`<sub>总</sub>是否小于VQ`_纯，若小于，进入(1-4)，否则进入(1-10)；

(1-10)启动“稳压模式”，进入(3-8)。

(2)“瓦斯预抽”调控方法

其控制逻辑图如图3所示。

(2-1)启动“瓦斯预抽”控制逻辑；

(2-2)自动控制装置采集管道监测装置监测信号，并判断瓦斯浓度是否上升，若上升，则进入(2-3)，否则进入(2-5)；

(2-3)判断瓦斯浓度上升是否超过2％，若超过，进入(2-4)，否则进入2-8)；

(2-4)控制调压阀，提高抽采负压0.1kpa，并回到(2-1)；

(2-5)判断瓦斯浓度是否降低，若降低，进入(2-6)，否则进入(2-8)；

(2-6)判断瓦斯浓度降低是否超过2％，若超过，进入(2-7)，否则进入2-8)；

(2-7)控制调压阀，降低抽采负压0.1kpa，并回到(2-1)；

(2-8)启动“稳压模式”，进入(3-8)。

(3)煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法

该系统控制逻辑包含泵站的调控、“边抽边采”调控方法、“瓦斯预抽”调控方法以及稳压调控。其控制逻辑图如图4所示。

(3-1)系统搭建完成并启动；

(3-2)瓦斯抽采总控制装置采集个钻场控制装置信息；

(3-3)分析各抽采最优负压值之和与泵站额定负压值之差的绝对值是否超过2kpa，若是，进入(3-4)，否则进入(3-5)；

(3-4)控制泵站，将额定负压调整为控制负压值之和；

(3-5)判断各抽采钻场控制装置是否为“边抽边采”逻辑，若是，进入(3-6)，否则进入(3-7)；

(3-6)启动“边抽边采”控制逻辑，逻辑控制方法详见调控方法(1)；

(3-7)启动“瓦斯预抽”控制逻辑，逻辑控制方法详见调控方法(2)；

(3-8)启动“稳压模式”；

(3-9)判断抽采负压是否下降，若下降，进入(3-10)，否则进入(3-12)；

(3-10)判断抽采负压下降是否超过1％，若超过，进入(3-11)，否则进入(3-13)；

(3-11)控制调压阀，使抽采负压增大回到正常范围内，并回到(3-2)；

(3-12)判断抽采负压是否上升，若上升，进入(3-14)，否则进入(3-13)；

(3-13)维持抽采负压不变，并回到(3-2)；

(3-14)判断抽采负压上升是否超过1％，若超过，进入(3-15)，否则进入(3-13)；

(3-15)控制调压阀，使抽采负压降低回到正常范围内，并回到(3-2)。

在不同阶段，当抽采负压达到最佳值时，如果抽采负压还在上下波动，不仅会影响整个控制系统的稳定性，更重要的是影响瓦斯抽采效率。而由于抽采管路长时间的腐蚀，往往会出现管道漏气情况；另外由于抽采管道有大量粉尘和水汽，凝结在管壁上，导致管路阻力的增大等，都会导致抽采负压的变化。该稳压模式，就是当管路的抽采负压达到最优负压值时，会自动保证管路抽采负压持续稳定在正常范围内，防止出现频繁变化和波动。

煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统实施例1：

本发明所述的煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统图如图1所示。

在不同的抽采场，设置相应的管道瓦斯实时监测装置1，以及与管道瓦斯实时监测装置对应套数的调压阀2和与管道瓦斯实时监测装置对应套数的瓦斯抽采控制装置3，以及瓦斯抽采总控制装置4和抽采泵站5。各瓦斯抽采控制装置3与各对应的瓦斯实时监测装置1信号连接，控制连接各对应的调压阀3，瓦斯抽采总控制装置4控制连接各瓦斯抽采控制装置3，抽采泵站5与瓦斯抽采总控制装置4控制连接。

管道瓦斯实时监测装置1用于实时监测抽采管道内瓦斯浓度、流量和抽采负压；调压阀2用来调节管道抽采压力；瓦斯抽采控制装置3用来采集管道监测装置信号、抽采泵站额定负压信号，自动分析控制逻辑，控制调压阀进行抽采负压自动调节；瓦斯抽采总控制装置4用来采集各个抽采钻场的瓦斯抽采控制装置信号(包括管道瓦斯浓度、流量、抽采负压、控制信息)、综合分析不同时间段的井下最优控制抽采负压值、发出控制信号，自动调节抽采泵站额定负压值；抽采泵站5用来提供瓦斯抽采负压，可包括地面瓦斯抽采泵站和井下移动泵站。

在各装置按照要求安装并连接完毕的基础上，瓦斯抽采总控制装置4分析各抽采场控制负压值之和与泵站额定负压值之差的绝对值是否超过2kpa，若超过，则控制泵站将额定负压调整为控制负压值；否则判断各抽采场控制装置是否为“边抽边采”逻辑，若是则启动“边抽边采”控制逻辑；否则启动“瓦斯预抽”控制逻辑。

启动“边采边抽”控制逻辑时，管道瓦斯实时监测装置3实时监测抽采场瓦斯的抽采信息，抽采信息包括抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压，并判断抽采瓦斯总流量变化Q_总变化：

若Q_总上升，则计算和比较抽采混合总流量上升速度VQ_总与抽采瓦斯纯量上升速度VQ_纯，若VQ_总>VQ_纯，则瓦斯抽采控制装置3控制调压阀2降低抽采负压，若VQ_总<VQ_纯，则控制调压阀2提高抽采负压，否则进入“稳压模式”；

若Q_总降低，则计算和比较抽采混合总流量下降速度VQ`<sub>总</sub>与抽采瓦斯纯量下降速度VQ`_纯，若VQ`<sub>总</sub>>VQ`_纯，则瓦斯抽采动态控制装置3控制调压阀2提高抽采负压，若VQ`<sub>总</sub><VQ`_纯，则控制调压阀2降低抽采负压，否则进入“稳压模式”；

若Q_总不变，则启动稳压模式。

启动“瓦斯预抽”控制逻辑时，判断瓦斯浓度是否上升，若上升则判断瓦斯浓度上升是否超过2％，若超过则提高抽采负压0.1kpa，若未超过2％，则启动“稳压模式”；若瓦斯浓度并未上升，则判断瓦斯浓度是否下降，若下降则判断瓦斯浓度下降是否超过2％，若超过则降低抽采负压0.1kpa，若未超过则启动“稳压模式”；若瓦斯浓度不变则同样启动“稳压模式”。

启动“稳压模式”判断抽采负压是否下降，若下降则判断抽采负压是否超过1％，若超过则瓦斯抽采控制装置3控制调压阀2，使抽采负压增大回到设定范围，若未超过1％则维持抽采负压不变；若抽采负压未下降，则判断抽采负压是否上升，若上升则判断抽采负压上升是否超过1％，若超过则瓦斯抽采控制装置3控制调压阀2，使抽采负压降低回到设定范围，若未超过1％则维持抽采负压不变；若抽采负压不变则维持现状。

煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统实施例2：

在煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统实施例1中，针对“边采边抽”控制逻辑，针对每个管道瓦斯实时监测装置对应设置一个瓦斯抽采控制装置。在本实施例中，可针对多个管道瓦斯实时监测装置，设置一个瓦斯抽采控制装置，实现一个装置，多测点控制，由这一个瓦斯抽采控制装置进行循环采样控制多个管道瓦斯实时监测装置。具体的系统图如图5所示，在每个工作面，分别针对煤层裂隙发育的不同情况，在煤层裂隙不发育、煤层裂隙发育和煤层裂隙发育明显三个区域分别设置一套管道瓦斯实时监测装置和对应套数的调压阀，以及一个瓦斯抽采控制装置，由这一个瓦斯抽采控制装置控制这三套管道瓦斯实时监测装置和调压阀，构成一组“边采边抽”控制系统。每个工作面都可设置一组“边采边抽”控制系统。具体调控方法与煤矿瓦斯抽采动态优化调控系统实施例1类似，不再赘述。

在本实施例中，在采煤工作面配备了三套瓦斯抽采动态控制装置、管道瓦斯实时监测装置和调压阀，需指出，这只是该系统的典型配置，可根据实际需要，在每个工作面配备所需套数的瓦斯抽采控制装置、管道瓦斯实时监测装置和调压阀。