CN110985107B - 一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法，主要包括井下主机、LoRa基站、地面监控平台，井下主机包括显示屏、流量传感器、浓度传感器、压力传感器、温度传感器、集成电路板、LoRa无线模块和本安电源，通过在瓦斯抽采汇流管中安装井下主机，测定汇流管气体流量、瓦斯浓度、压力和温度大小，经过LoRa无线发射模块传输至巷道端头LoRa基站，LoRa基站通过光纤传输至地面监控平台，地面监控平台根据传输的数据，当达到设定抽采时间时经过自动解算显示抽采半径。本发明操作方便、设备安装简单，可在地面平台随时查看抽采管路汇流管中气体数据变化，并且能够自动解算出抽采半径大小，为抽采钻孔布置提供科学依据。

Description

一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽采基础参数测定技术领域，特别是涉及一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法。

背景技术

瓦斯抽采半径是瓦斯抽采钻孔布置的重要依据，直接影响着预抽钻孔的瓦斯抽采效果。抽采钻孔布设间距过大，抽采不易达标，易形成抽采盲区；间距过小，容易造成不必要的人力物力浪费。关于煤层瓦斯抽采半径的测定一直没有相关设备，所以有必要研发一种可准确测得抽采半径的设备，以科学布设抽采钻孔，提高瓦斯抽采效率，基于此，本发明提供一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法。

发明内容

针对当前关于煤层瓦斯抽采半径的测定没有相关设备的技术问题，本发明提供一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***及测定方法，可在地面查看汇流管中的流量、浓度、压力和温度，当达到设定的抽采时间时，可解算出测定区域的抽采半径大小，解决目前难以对煤矿井下煤层瓦斯含抽采半径进行精确高效测定的问题。

一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，所述***包括井下主机、LoRa基站和地面监控平台，井下主机安装在煤矿井下瓦斯抽采汇流管中，LoRa基站设置在巷道端头，地面监控平台设置在井上，所述井下主机包括括显示屏、流量传感器、浓度传感器、压力传感器、温度传感器、集成电路板、LoRa无线模块和本安电源，井下主机通过所述LoRa无线模块与LoRa基站进行信息传输，LoRa基站通过光纤与地面监控平台进行信息传输，所示地面监控平台内置瓦斯抽采半径计算程序。

进一步地，所述井下主机还包括导流管，所述流量传感器、浓度传感器、压力传感器和温度传感器安装在导流管上，汇流管一端连接阀门，另一端与导流管一端连接，导流管另一端通过并网橡胶管与瓦斯抽采管路连接。

进一步地，所述井下主机上还设置有存储单元，所述集成电路板中设置有地址编码，所示地址编码为唯一的。

一种采用基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的测定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、安装井下主机并进行校准；

步骤2、在巷道端头安装LoRa基站，将LoRa基站通过光纤与地面监控平台连接；

步骤3、在地面监控平台输入测定区域的预抽率和考察区域的基本参数，所述基本参数包括考察区段的面积、考察区段煤层的平均厚度、煤的密度、煤层原始瓦斯含量和考察区段内的钻孔数量；

步骤4、地面监控平台进行数据分析，获取抽采半径。

进一步地，所述步骤1包括以下具体步骤：

步骤1.1、将测定区域划分为多个考察区段，设置瓦斯抽采钻孔间距；

步骤1.2、根据瓦斯抽采钻孔间距，对多个考察区段进行瓦斯抽采钻孔施工；

步骤1.3、将多个考察区段的瓦斯抽采钻孔通过抽采管连接到汇流管上，将汇流管出口与所述井下主机的导流管连接，将导流管出口通过并网橡胶管与抽采管路连接。

进一步地，所述步骤4中的数据分析包括以下步骤：

步骤4.1、地面监控平台接收井下主机采集的流量数据，地面监控平台经过算法拟合得到：

q_t＝q₀e^-βt

式中：q₀、q_t分别为初始时刻和t时刻的单个钻孔瓦斯抽采量，m³/d；β为钻孔瓦斯流量衰减系数，d^-1；

步骤4.2、地面监控平台通过获得井下主机采集的流量、浓度、压力和温度参数，经过以下方程解算得到煤层瓦斯预抽率：

式中：η_t为考察区段t时刻瓦斯预抽率；Q_c'为考察区域内N个钻孔抽采总量，m³；Q为划定考察区域内煤层的原始瓦斯储量，m³；N为考察区段内的钻孔数量；S为考察区段的面积，m²；h为考察区段煤层的平均厚度，m；ρ为煤的密度，t/m³；W为煤层原始瓦斯含量，m³/t；

步骤4.3、当预抽率确定时，根据煤层瓦斯预抽率公式，可得到不同钻孔间距下的实际瓦斯抽采达标时的抽采时间，所述瓦斯抽采达标的抽采时间所对应的钻孔与邻近钻孔之间的钻孔间距为瓦斯抽采直径值，因此可获得瓦斯抽采达标时，瓦斯抽采半径为钻孔间距的二分之一。

有益效果：本发明的基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***主要靠主机的LoRa技术将数据传送到巷道端头的LoRa基站，通过光纤传输至地面平台，***操作简单，可在地面随时查看井下抽采汇流管的气体的流量、瓦斯浓度、压力、温度，避免人员下井，实用性强，并且能够自动解算出抽采半径大小，为抽采钻孔布置提供科学依据。

附图说明

图1为本发明基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的整体示意图；

图2为本发明基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的井下主机安装示意图；

图3为本发明基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***中主机部分的结构示意图；

其中，1、井下主机，2、LoRa基站，3、地面监控平台，4、显示屏，5、流量传感器，6、浓度传感器，7、压力传感器，8、温度传感器，9、集成电路板，10、本安电源，11、并网橡胶管，12、光纤，13、汇流管，14、阀门，15、考察区段，16、导流管

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见附图1-3所示，一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，其特征在于：所述***包括井下主机1、LoRa基站2和地面监控平台3，井下主机安装在煤矿井下瓦斯抽采汇流管13中，LoRa基站2设置在巷道端头，地面监控平台3设置在井上，所述井下主机包括括显示屏4、流量传感器5、浓度传感器6、压力传感器7、温度传感器8、集成电路板9、LoRa无线模块和本安电源10，井下主机通过所述LoRa无线模块与LoRa基站2进行信息传输，LoRa基站通过光纤12与地面监控平台3进行信息传输，所示地面监控平台内置瓦斯抽采半径计算程序，根据传输的信息进行分析得到瓦斯抽采半径。

如图1所示，将待测定区域划分n个考察区段15，在每个考察区段15中安装一台基于无线传输煤层瓦斯抽采半径的井下主机1，该井下主机1具有唯一地址编码，可用于区分不同考察区段。将本安电源10连接至井下主机的电源接口上，给集成电路板9供电。

如图3所示，基于无线传输煤层瓦斯抽采半径的井下主机的导流管16中安装有流量传感器5、浓度传感器6、压力传感器7和温度传感器8，分别用于测定流经导流管16的气体流量，瓦斯浓度、压力和温度。导流管16两端分别与汇流管13和并网橡胶管12连接。汇流管一端设置有阀门14。

本实施例还提供一种煤矿井下煤层瓦斯抽采半径测定方法，应用上述的基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，包括以下步骤：

步骤1、安装主机并校准

将测定区域划分为n个考察区段15，各个区段内按照间距为2R₁、2R₂……2R_n进行设计和施工，钻孔施工工艺与矿井日常抽采钻孔的施工工艺相同，钻孔孔径、长度与矿井日常抽采钻孔的参数一致。将每个区段内的抽采孔连接至一个汇流管，在抽采管路汇流管出口处连无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，然后通过并网橡胶管连接至抽采管路上，确保该阶段抽采管路不要漏气。

步骤2、安装LoRa基站

在巷道端头不影响正常工作及行人的位置安装LoRa基站，确保LoRa基站安装规范，避免发生意外。并将LoRa基站连接至光纤传输网络，将基与至地面平台相连接。

步骤3、基础参数输入

通过地面平台的键盘输入测定区域的预抽率，预抽率的确定可根据抽采目的进行确定。

其次应当输入测定区域的基本参数，包括考察区段的面积、考察区段煤层的平均厚度、煤的密度、煤层原始瓦斯含量和考察区段内的钻孔数量。

步骤4、数据分析

通过井下主机采集的流量数据，地面平台经过算法拟合得到下式所示关系式，

q_t＝q₀e^-βt

式中：q₀、q_t分别为初始时刻、t时刻的单个钻孔瓦斯抽采量，m³/d；β为钻孔瓦斯流量衰减系数，d^-1，其与煤层透气性系数、瓦斯含量及孔径大小有关。

地面平台软件通过获得井下主机采集的数据(流量、浓度、压力、温度)，经过算法解算得到煤层瓦斯抽采半径大小。具体依据如下方程：

式中：η_t为考察区段t时刻瓦斯预抽率；Q_c'为考察区域内N个钻孔抽采总量，m³；Q为划定考察区域内煤层的原始瓦斯储量，m³；N为考察区段内的钻孔数量；S为考察区段的面积，m²；h为考察区段煤层的平均厚度，m；ρ为煤的密度，t/m³；W为煤层原始瓦斯含量，m³/t；

当确定预抽率时，结合上式可求得测定钻孔间距分别为2R₁、2R₂……2R_n的各个考察区段实现瓦斯抽采达标时的预抽时间t₁、t₂……t_n，也即获得矿井当前抽采条件下预抽时间分别为t₁、t₂……t_n时的抽采半径R₁、R₂……R_n。在地面平台通过输入预抽率以及预计要抽采时间，即可获得对应的抽采半径大小。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，其特征在于：所述***包括井下主机、LoRa基站和地面监控平台，井下主机安装在煤矿井下瓦斯抽采汇流管中，LoRa基站设置在巷道端头，地面监控平台设置在井上，所述井下主机包括显示屏、流量传感器、浓度传感器、压力传感器、温度传感器、集成电路板、LoRa无线模块和本安电源，井下主机通过所述LoRa无线模块与LoRa基站进行信息传输，LoRa基站通过光纤与地面监控平台进行信息传输，所述地面监控平台内置瓦斯抽采半径计算程序,本安电源与井下主机的电源接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，其特征在于，所述井下主机还包括导流管，所述流量传感器、浓度传感器、压力传感器和温度传感器安装在导流管上，汇流管一端连接阀门，另一端与导流管一端连接，导流管另一端通过并网橡胶管与瓦斯抽采管路连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***，其特征在于，所述井下主机上还设置有存储单元，所述集成电路板中设置有地址编码，所述地址编码为唯一的。

4.一种采用权利要求3所述的一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的测定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、安装井下主机并进行校准；

步骤2、在巷道端头安装LoRa基站，将LoRa基站通过光纤与地面监控平台连接；

步骤3、在地面监控平台输入测定区域的预抽率和考察区域的基本参数，所述基本参数包括考察区段的面积、考察区段煤层的平均厚度、煤的密度、煤层原始瓦斯含量和考察区段内的钻孔数量；

步骤4、地面监控平台进行数据分析，获取抽采半径。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的测定方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、将测定区域划分为多个考察区段，设置瓦斯抽采钻孔间距；

步骤1.2、根据瓦斯抽采钻孔间距，对多个考察区段进行瓦斯抽采钻孔施工；

步骤1.3、将多个考察区段的瓦斯抽采钻孔通过抽采管连接到汇流管上，将汇流管出口与所述井下主机的导流管连接，将导流管出口通过并网橡胶管与抽采管路连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于无线传输煤层瓦斯抽采半径测定***的测定方法，其特征在于：所述步骤4中的数据分析包括以下步骤：

步骤4.1、地面监控平台接收井下主机采集的流量数据，地面监控平台经过算法拟合得到：

q_t＝q₀e^-βt

式中：q₀、q_t分别为初始时刻和t时刻的单个钻孔瓦斯抽采量，m³/d；β为钻孔瓦斯流量衰减系数，d^-1；

步骤4.2、地面监控平台通过获得井下主机采集的流量、浓度、压力和温度参数，经过以下方程解算得到煤层瓦斯预抽率：

式中：η_t为考察区段t时刻瓦斯预抽率；Q′_c为考察区域内N个钻孔抽采总量，m³；Q为划定考察区域内煤层的原始瓦斯储量，m³；N为考察区段内的钻孔数量；S为考察区段的面积，m²；h为考察区段煤层的平均厚度，m；ρ为煤的密度，t/m³；W为煤层原始瓦斯含量，m³/t；

步骤4.3、当预抽率确定时，根据煤层瓦斯预抽率公式，可得到不同钻孔间距下的实际瓦斯抽采达标时的抽采时间，所述瓦斯抽采达标的抽采时间所对应的钻孔与邻近钻孔之间的钻孔间距为瓦斯抽采直径值，因此可获得瓦斯抽采达标时，瓦斯抽采半径为钻孔间距的二分之一。

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