CN105842404B - 提高矿井火情气体监测实时性的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高矿井火情气体监测实时性的控制系统和控制方法，该控制系统包括设置在气体监测管路上的流量检测模块，以及控制模块，控制模块采样连接流量检测模块，控制模块具有用于控制连接所有的换向阀的控制信号输出端口；控制模块获取各根束管排空所需的时间，然后控制各根束管同时进行排空，当某一个束管对应的排空所需的时间到达时，检测该束管中的气体，实现依次对各根束管进行气体的检测。这种方式相较于常规的使用经验判断排空的时间，然后再依次进行四次检测时间，本发明提供的控制方式能够极大地节约所花费的时间，进而提升束管监测系统对自然发火情况监测的实时性。

Description

提高矿井火情气体监测实时性的控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及提高矿井火情气体监测实时性的控制系统和控制方法。

背景技术

煤矿现场多年的防灭火经验表明，煤炭自燃一旦形成火灾，灭火工作不仅需要投入大量的人力物力，而且灭火效果不佳，因此煤炭自燃火灾的防治工作重在预防。为了做好煤炭自然发火的预防工作，必须对煤炭自燃发火进行准确的预测预报。煤炭自燃火灾的发生过程可分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。使用束管监测系统检测煤矿井下的气体成分，根据气体成分的存在及其浓度变化特征来识别煤自燃的发生及其发展程度，是目前煤炭自燃发火预测预报应用最广泛的方法。

传统的束管监测系统将抽气泵站和气体监测装置部署在地面监测站，借助于长距离束管将煤矿井下监测区域的气体抽采至地面监测站进行分析，而目前，将抽气泵站和气体监测装置部署在煤矿井下，从而降低束管管路长度的井下型束管监测系统已经成为束管火灾监测技术的主流。为了确保束管监测系统气体监测结果的实时性，气体监测装置抽取束管内的气体进行分析前，必须对束管内的残余气体进行排空。

为了实现对采空区自然发火情况的有效监测，我们采用的束管监测系统往往配备多根束管，该束管监测系统还包括多个换向阀，换向阀与束管一一对应，束管的一端连接对应换向阀的进气口，所有换向阀的第一出气口均与一个排空泵连通，采用一台排空泵来置换所有的束管内的气体。所有换向阀的第二出气口均与一条气体监测管路连通，气体监测管路上串设有测量气室和测量泵。束管内的气体置换完毕后在测量气室中对束管抽取的气体进行监测。传统的监测方式必须要使潮湿含尘气流长时间流经测量气室，对精密气体监测仪器的损害较大，更为重要的是：传统的监测方式是首先排空所有束管中的残余气体，然后依次对各根束管中的气体进行检测，整个排空过程再加上各根束管的检测过程所花费的时间特别多，大大增加了检测所用的时间，延误了气体的监测时间，导致束管监测系统对自然发火情况监测的实时性差。

发明内容

本发明的目的是提供提高矿井火情气体监测实时性的控制系统和控制方法，用以解决现有的气体监测方法实时性差的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种提高矿井火情气体监测实时性的控制系统，包括用于设置在气体监测管路上的流量检测模块，以及控制模块，所述控制模块采样连接所述流量检测模块，所述控制模块具有用于控制连接所有的换向阀的换向阀控制信号输出端口；所述控制模块中设置的控制策略为：首先根据流量检测模块检测出的各根束管的流量来计算各根束管排空所需的时间，然后控制各根束管同时进行排空，当某一根束管对应的排空所需的时间到达时，控制与所述某一根束管对应的换向阀，使所述某一根束管与气体监测管路连通，以进行对所述某一根束管中的气体的检测，以实现依次对各根束管进行气体的检测。

所述控制系统还包括与束管一一对应的电控换向阀，所述控制模块的换向阀控制信号输出端口对应控制连接所有的电控换向阀。

所述控制模块还具有用于控制连接排空泵和测量泵的泵控制信号输出端口。

实现根据流量检测模块检测出的各根束管的流量来计算各根束管排空所需的时间的手段包括以下步骤：

(1)、利用流量检测模块检测分别对各根束管进行抽气时的束管流量数据Q_i；

(2)、计算所有的束管同时进行排空时的总流量Q，计算公式为：

(3)、计算对所有的束管同时进行排空时第i根束管的计算流量q_i，计算公式为：

(4)、计算第i根束管的排空时间t_i，计算公式为：

其中，V_i是根据第i根束管的长度和内径计算出的第i根束管在理想状态下的内腔体积，k_i为设置的第i根束管的内腔体积修正系数，0＜k_i＜1，i＝1、2、……、n。

一种提高矿井火情气体监测实时性的控制方法，首先获取各根束管排空所需的时间，然后对各根束管同时进行排空，当某一根束管对应的排空所需的时间到达时，检测所述某一根束管中的气体，以实现依次对各根束管进行气体的检测。

当检测完某一根束管中的气体后，继续排空该束管，并且不再进行本次检测。

所述各根束管排空所需的时间是根据采集到的各根束管的流量计算出的。

实现根据各根束管的流量计算出各根束管排空所需的时间的手段包括以下步骤：

(1)、获取分别对各根束管进行抽气时的束管流量数据Q_i；

(2)、计算所有的束管同时进行排空时的总流量Q，计算公式为：

(3)、计算对所有的束管同时进行排空时第i根束管的计算流量q_i，计算公式为：

(4)、计算第i根束管的排空时间t_i，计算公式为：

其中，V_i是根据第i根束管的长度和内径计算出的第i根束管在理想状态下的内腔体积，k_i为设置的第i根束管的内腔体积修正系数，0＜k_i＜1，i＝1、2、……、n。

本发明中，首先获取各根束管排空所需的时间，然后控制对各根束管同时进行排空，当对应的排空所需的时间到达时，检测与所述对应的排空所需的时间对应的束管中的气体，实现依次对各根束管进行气体的检测。束管排空所需的时间因束管的不同会不同，时间有长有短，当最短的排空时间到来时，先检测该最短时间对应的束管中的气体，而其他束管中的气体由于还没有排空，那么，在检测上述最短时间对应的束管中的气体的同时，而其他束管仍旧继续排空，过段时间之后，第二短的排空时间到来时，对第二短时间对应的束管中的气体进行排空，而其他更长排空时间对应的束管仍旧继续排空，检测与排空相互不干扰，所以，就整个系统而言，这种方式整体上是排空工作与检测工作同时进行的，不必要每次只能针对一根束管进行气体置换，在完成该根束管的检测后，才进行下一根束管的检测。而且，这种方式下，总共花费的时间只为最长的排空时间加上一次气体检测的时间，相较于常规的使用经验判断排空的时间，然后再依次进行四次检测时间，本发明提供的控制方式能够极大地节约所花费的时间，进而提升束管监测系统对自然发火情况监测的实时性。

而且，本发明能够计算得到每根束管排空所花费的准确时间，以及所有束管排空花费的总时间，然后根据得到的准确时间进行后续的检测。由于为了防止检测数据的不准确，利用经验来进行时间判断所花费的时间往往特别长，比实际所需的时间要长出许多，所以，相对于传统的利用经验来判断时间的方式，本发明提供的方法不但能够得到准确的排空时间，而且，需要多少时间就消耗多长时间，不存在时间上的浪费，当该时间到来时即可进行后续的气体检测，进而减少整个操作过程所花费的时间。

另外，本发明在对束管内残余气体进行置换时，气流不流经测量气室，减少了潮湿气体对监测仪器的损害；而且通过一台流量传感器对多根束管的流量进行估计，减少了设备的投入，压缩了整个系统的体积，增强了设备对煤矿进行受限空间的适应性。

附图说明

图1是束管系统的结构布置示意图；

图2是束管系统与控制系统的连接关系示意图；

图3是提高矿井火情气体监测实时性的控制方法的流程示意图；

图4是束管排空所需时间的估算流程示意图；

图5是排空所需时间之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，束管系统包括：

四根束管，分别为束管1、束管2、束管3和束管4；

四个换向阀，分别为换向阀5、换向阀6、换向阀7和换向阀8，换向阀与束管一一对应，束管1与换向阀5对应，束管2与换向阀6对应，束管3与换向阀7对应，束管4与换向阀8对应，束管1与换向阀5的进气口连通，束管2与换向阀6的进气口连通，束管3与换向阀7的进气口连通，束管4与换向阀8的进气口连通；

一个排气管道，换向阀5的一个排气口、换向阀6的一个排气口、换向阀7的一个排气口和换向阀8的一个排气口均与该排气管道连通，该排气管道上串设有一个排空泵9，排空泵9持续工作能够将4根束管内的残余气体排空；

一个气体监测管路，换向阀5的另一个排气口、换向阀6的另一个排气口、换向阀7的另一个排气口和换向阀8的另一个排气口均与该气体监测管路连通，并且，该气体监测管路上依次串设有测量气室11和测量泵12，测量泵12用于将束管中的待测气体抽取到测量气室11中，以进行气体检测。

排空泵9和测量泵12是同型号、同功率的两台泵，即是两个完全相同的两台泵。

本发明提供一个控制系统，用于控制上述束管系统进行相应地工作，以实现提高矿井火情气体监测实时性。该控制系统包括流量检测模块和控制模块，如图2所示，流量检测模块为流量传感器10，该流量传感器10串设在气体监测管路上。控制模块13可以为工控机设备，也可以为常规的控制芯片，比如单片机等，控制模块13采样连接流量传感器10。该控制模块13上具有用于控制连接上述四个换向阀的控制信号输出端口，换向阀的具体类型有以下两种情况：第一种，上述四个换向阀本就是电控换向阀，能够根据控制信号进行相应地导通、关断和换向；第二种，如果上述四个换向阀不是电控换向阀，而是手动换向阀，不能根据控制信号进行相应地导通、关断和换向，那么，就需要将这四个电控换向阀与上述四个手动换向阀对应替换。不管是上述哪一种情况，该控制系统均可以包含上述四个电控换向阀，也可以不包含上述四个电控换向阀，控制模块13上的控制信号输出端口对应控制连接这四个电控换向阀。

并且，为了对排空泵9和测量泵12进行控制，该控制模块13还具有用于对应控制连接这两个泵的控制信号输出端口，以对这两个泵进行控制。另外，与上述换向阀类似，这两个泵可以是该控制系统的一部分，也可以不包含在该控制系统中。

在该控制模块13中加载相应地软件程序来实现对束管系统的控制，该软件程序本质上是本发明提供的控制方法，首先，根据流量检测模块检测出各根束管的流量，控制模块13根据接收到的流量信息计算各根束管排空所需的时间，然后控制各根束管同时进行排空，当某一根束管对应的排空所需的时间到达时，控制与该根束管对应的换向阀，使该根束管与气体监测管路连通，以进行对该根束管中的气体的检测，以实现依次对各根束管进行气体的检测。该控制方法的流程图如图3所示。

以下对该控制方法的各个步骤进行具体说明。

首先，需要根据各根束管的流量计算出各根束管排空所需的时间，具体如下：

在初始状态下，控制模块13控制换向阀5、换向阀6、换向阀7和换向阀8将束管1、束管2、束管3和束管4与排气管道连通，排空泵9同时对这四根束管进行较长时间排气，理由是通过较长时间的排气能够保证束管中的其他残余气体有效排空；随后控制模块13依次控制其中一个换向阀，使其中一根束管连通气体监测管路，利用测量泵12将该束管内的气体抽走，同时流量传感器10检测该束管中的流量数据，具体为：控制模块13首先控制换向阀5，使束管1与气体监测管路连通，测量泵12抽取束管1中的气体，同时流量传感器10检测束管1的流量；然后，控制换向阀6，使束管2与气体监测管路连通，测量泵12抽取束管2中的气体，同时流量传感器10检测束管2的流量，以此类推，先后检测四根束管的流量，但是需要注意的是，在流量测量时，需要保证每次只有一根束管与气体监测管路连通，这样才能够保证检测的准确性，而且，上述束管流量检测的先后顺序不作要求，只要能够检测出四根束管的流量即可。另外，在流量检测的同时，还可以检测分析测量气室11中的气体，得到各根束管中的气体的数据。

通过上述操作，能够得到四根束管的流量，分别为：Q₁、Q₂、Q₃、Q₄；

根据各根束管的流量计算出各根束管排空所需的时间的实施步骤如图4所示，具体包括以下步骤：

计算所有的束管同时进行排空时的总流量Q，计算公式为：

计算对所有的束管同时进行排空时第i根束管的流量，计算公式为：

最后计算第i根束管的排空时间，计算公式为：

其中，

V_i是根据第i根束管长度和内径计算出的第i根束管在理想状态下的内腔体积，k_i为设置的第i根束管内腔体积修正系数，设置束管内腔体积修正系数k_i的原因是对V_i体积进行修正以反映安装现场折弯挤压等活动对束管提交的影响，所以，0＜k_i＜1，根据具体情况进行具体设置。

上述各个步骤中，i＝1、2、3、4。

通过上述计算工作，能够得到四根束管排空所需要的时间，分别为：t1、t2、t3和t4。

每根束管由于长度、内径、以及其他的因素的不同，排空所需要的时间也可能就会不同，本实施例中，假设t1＜t2＜t3＜t4，即束管1排空所需的时间最短，束管4所需的时间最长。

由于在每次气体检测时，均需要先排空束管中的残余气体，然后再检测束管中的气体数据，所以，从开始对所有的束管同时进行排空到检测完成最长的排空所需时间对应的束管中的气体这一过程定为一次检测过程。

那么，对于一次检测过程来说，

首先，控制四个换向阀使四个束管均与排气管道连通，并同时控制排空泵9开始同时对四根束管进行排气，并同时进行计时，由于t1＜t2＜t3＜t4，所以，t1时间先到来，当t1时间到来时，控制换向阀5进行换向，并控制测量泵12进行抽气，在测量气室11中对束管1中的气体进行检测，与此同时，排空泵9一直对其他束管进行排气；当对束管1中的气体进行检测完成后，控制换向阀5进行换向，继续对束管1中的气体进行排空，并且束管1不再参与本次检测，另外，为了节约电能，从检测完成束管1中的气体开始，控制测量泵12停止转动；过一段时间之后，当t2时间到来时，控制换向阀6进行换向，并控制测量泵12进行抽气，在测量气室11中对束管2中的气体进行检测，与此同时，排空泵9一直对其他束管进行排气；当对束管2中的气体进行检测完成后，控制换向阀6进行换向，继续对束管2中的气体进行排空，并且束管2不再参与本次检测，另外，为了节约电能，从检测完成束管2中的气体开始，控制测量泵12停止转动；过一段时间之后，当t3时间到来时，控制换向阀7进行换向，并控制测量泵12进行抽气，在测量气室11中对束管3中的气体进行检测，与此同时，排空泵9一直对其他束管进行排气；当对束管3中的气体进行检测完成后，控制换向阀7进行换向，继续对束管3中的气体进行排空，并且束管3不再参与本次检测，另外，为了节约电能，从检测完成束管3中的气体开始，控制测量泵12停止转动；过一段时间之后，当t4时间到来时，控制换向阀8进行换向，并控制测量泵12进行抽气，在测量气室11中对束管4中的气体进行检测，与此同时，由于本轮检测(本次检测过程)中已没有还未检测的束管，那么，为了节约电能，可以控制排空泵9停止排气；当对束管4中的气体进行检测完成后，本次检测过程正式结束，可以控制测量泵12也停止转动。

上述是一次完整的检测过程，过一段时间之后，如果还要进行下一次检测，那么，下次检测过程以及后续的每次检测过程均按照上述检测过程的步骤进行检测。

而且，该检测过程中的时间是从最少的时间依次流动到最多的时间，四个时间的关系如图5所示，总的时间并非是四个时间的累加，所以，这种检测过程所花费的总时间为最长的排空时间加上一次气体检测时间，与传统的检测时间相比，少了很多。

另外，如果由于采矿位置的更改，或者其他的因素导致束管发生了变化，比如某一根束管长度发生了变化，这时该束管的体积就发生改变，最终导致该束管排空所花费的时间也相应地改变，这时就需要重新计算相应束管排空所花费的时间，然后进行重新控制。

针对上述控制过程，以下给出一个具体应用实例。

初始状态下，首先，所有换向阀将所有束管与排空泵9导通，排空泵9运行较长时间对四根束管进行排空，其次，测量泵12依次抽取四根束管内的气体进入测量气室11进行测量，同时流量传感器10测定测量泵12抽取束管内的气体时束管1、束管2、束管3、束管4内气体的流量分别为6.1L/min、8.0L/min、6.9L/min、6.7L/min。

然后，计算排空泵9对所有束管同时进行排空时的总流量Q，

将上述数据带入得到排空泵对所有束管进行排空时各束管的流量分别为3.9L/min、4.4L/min、4.3L/min、5.1L/min。

束管长度为4000m、3200m、2800m、1600m，内径均为8mm时，束管在理想状态下的内腔体积分别为200.8L、160.8L、140.8L、80.4L，设置束管内腔体积修正系数为0.9，则各束管修正后的实际体积为180.8L、144.8L、126.8L、72.4L，则各束管的排空时间估算结果分别为45.4min、32.9min、29.5min、14.2min。

最后，在以后每次进行排空和测量的过程中，换向阀依次将束管3、束管4、束管2、束管1与气体监测管路导通，测量泵依次实现对四根束管气体的抽取以进行气体检测。

上述实施例中，给出了一种束管排空所需的时间的具体计算方法，作为其他的实施例，如果事先知道每根束管排空所需的时间，那么，该控制方法中就无需包括上述计算方法，而直接将这些事先知晓的时间数据拿来使用即可。

上述实施例中，当对某一根束管中的气体进行检测完成后，控制对应换向阀进行换向，继续对该束管中的气体进行排空，作为其他的实施例，当对某一根束管中的气体进行检测完成后，还可以控制对应换向阀闭合，不继续对该束管中的气体进行排空。这种方式下，由于条件发生了改变，就需要对束管排空时间进行重新计算，具体计算的方式可以采用本实施例给出的方式，也可以是其他的方式，由于具体计算的方式不是本发明所保护的重点，这里不再说明，但是，不管计算方式是什么，控制方法基于的原理是相同的，均是根据束管排空所花费的时间来进行排空和气体监测。

上述实施例中，束管系统包括四根束管，相应地，换向阀也有四个，检测过程包括四个小过程，作为其他的实施例，束管系统中并不局限于四根束管，其还可以是其他个数，以n表示，n≥2，n根束管的具体布置方式与上述4根束管的方式类似，布置的原理是相同的，即，假设i＝1、2、……、n，那么，第i根束管就与第i个换向阀对应，则，第i根束管与第i个换向阀的进气口连通；这n个换向阀的其中一个排气口均与排气管道连通，该排气管道上串设有一个排空泵；这n个换向阀的另一个排气口均与气体监测管路连通。具体的控制过程与上述实施例中的原理相同，只是相应地，上述计算公式中的i就需要等于1、2、……、n-1、n。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种提高矿井火情气体监测实时性的控制系统，其特征在于，包括用于设置在气体监测管路上的流量检测模块，以及控制模块，所述控制模块采样连接所述流量检测模块，所述控制模块具有用于控制连接所有的换向阀的换向阀控制信号输出端口；所述控制模块中设置的控制策略为：首先根据流量检测模块检测出的各根束管的流量来计算各根束管排空所需的时间，然后控制各根束管同时进行排空，当某一根束管对应的排空所需的时间到达时，控制与所述某一根束管对应的换向阀，使所述某一根束管与气体监测管路连通，以进行对所述某一根束管中的气体的检测，以实现依次对各根束管进行气体的检测。

2.根据权利要求1所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括与束管一一对应的电控换向阀，所述控制模块的换向阀控制信号输出端口对应控制连接所有的电控换向阀。

3.根据权利要求1或2所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制系统，其特征在于，所述控制模块还具有用于控制连接排空泵和测量泵的泵控制信号输出端口。

4.根据权利要求1或2所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制系统，其特征在于，实现根据流量检测模块检测出的各根束管的流量来计算各根束管排空所需的时间的手段包括以下步骤：

(1)、利用流量检测模块检测分别对各根束管进行抽气时的束管流量数据Q_i；

(2)、计算所有的束管同时进行排空时的总流量Q，计算公式为：

(3)、计算对所有的束管同时进行排空时第i根束管的计算流量q_i，计算公式为：

(4)、计算第i根束管的排空时间t_i，计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，V_i是根据第i根束管的长度和内径计算出的第i根束管在理想状态下的内腔体积，k_i为设置的第i根束管的内腔体积修正系数，0＜k_i＜1，i＝1、2、……、n，采用一个排空泵对所有的束管同时进行排空。

5.一种提高矿井火情气体监测实时性的控制方法，其特征在于，首先获取各根束管排空所需的时间，然后对各根束管同时进行排空，当某一根束管对应的排空所需的时间到达时，检测所述某一根束管中的气体，以实现依次对各根束管进行气体的检测。

6.根据权利要求5所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制方法，其特征在于，当检测完某一根束管中的气体后，继续排空该束管，并且不再进行本次检测。

7.根据权利要求5或6所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制方法，其特征在于，所述各根束管排空所需的时间是根据采集到的各根束管的流量计算出的。

8.根据权利要求7所述的提高矿井火情气体监测实时性的控制方法，其特征在于，实现根据各根束管的流量计算出各根束管排空所需的时间的手段包括以下步骤：

(1)、获取分别对各根束管进行抽气时的束管流量数据Q_i；

(2)、计算所有的束管同时进行排空时的总流量Q，计算公式为：

(3)、计算对所有的束管同时进行排空时第i根束管的计算流量q_i，计算公式为：

(4)、计算第i根束管的排空时间t_i，计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，V_i是根据第i根束管的长度和内径计算出的第i根束管在理想状态下的内腔体积，k_i为设置的第i根束管的内腔体积修正系数，0＜k_i＜1，i＝1、2、……、n，采用一个排空泵对所有的束管同时进行排空。