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专利号: 2019110301347
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置,其特征在于,包括抽采钢管(1)、固定支架(2)、气动马达(6)、转轴(3)、进气管(7)、出气管(8)、计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)、控制器(16)、变压器(17)和电能供应分站(18),所述固定支架(2)固定在抽采钢管(1)内,气动马达(6)固定在固定支架(2)上、且气动马达(6)的输出端处于抽采钢管(1)的轴线上,气动马达(6)的输出端与转轴(3)一端同轴连接,固定支架(2)上设有转动轴承(4),转轴(3)另一端穿过转动轴承(4)、且转轴(3)外表面与转动轴承(4)转动连接,转轴(3)另一端装有防爆叶轮(5),抽采钢管(1)的管壁开设密封口Ⅰ(9)、密封口Ⅱ(10)和密封口Ⅲ(15),进气管(7)一端穿过密封口Ⅰ(9)与气动马达(6)的进气口连通、且进气管(7)外表面与密封口Ⅰ(9)密封连接,进气管(7)另一端与计量泵(11)的出气口连通;出气管(8)一端穿过密封口Ⅱ(10)与气动马达(6)的出气口连通、且出气管(8)外表面与密封口Ⅱ(10)密封连接,出气管(8)另一端与计量泵(11)的进气口连通;

瓦斯综合测量仪(13)装在抽采钢管(1)内,瓦斯综合测量仪(13)通过传输线(14)穿过密封口Ⅲ(15)与控制器(16)连接,传输线(14)与密封口Ⅲ(15)为密封连接,用于监测流过抽采钢管(1)的瓦斯混合气体量及瓦斯抽采浓度;

控制器(16)与计量泵(11)连接,用于接收瓦斯综合测量仪(13)反馈的数据,同时对计量泵(11)的注气量进行控制;

电能供应分站(18)通过变压器(17)为计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)和控制器(16)供电。

2.根据权利要求1所述的一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置,其特征在于,还包括至少一个过滤装置(12),过滤装置(12)装在进气管(7)或出气管(8)上,过滤装置(12)内设有硅胶干燥剂。

3.根据权利要求1所述的一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置,其特征在于,所述控制器(16)为PLC控制器。

4.一种根据权利要求1所述精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置的工作方法,其特征在于,具体步骤为:

①将本装置中的抽采钢管(1)串联到煤矿瓦斯抽采系统的管路中;

②电能供应分站(18)开始对计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)、控制器(16)供电;

③控制器(16)先控制计量泵(11)工作,使其单位时间内注入气动马达的空气量处于气动马达转速(6)最大值对应的空气量,此时气动马达(6)以最大转速带动防爆叶轮(5)转动,然后使计量泵(11)从该空气量以恒定速度递减直至使气动马达(6)停止转动,在该段时间内等值差分的选取100个工况点所对应的空气量即A=[q1,q2,q3····q100],同时瓦斯综合测量仪(13)分别对处于这100个工况点时瓦斯混合气体量Q进行监测,得到对应的100个工况点下瓦斯混合气体量Q即B=[Q1,Q2,Q3····Q100],控制器(16)利用内部的MATLAB软件将这100组数据 进行线性拟合,获得单位时间内注入气动马达(6)的空气量和抽采的瓦斯混合气体量的拟合关系式F=f(q,Q),并将拟合关系式存储到控制器(16)内;

④将设定的目标瓦斯抽采浓度C输入至控制器(16)中;

⑤由于已知抽采负压对瓦斯纯流量的影响能忽略不计,因此瓦斯纯流量仅随着抽采时间不断衰减;设 为抽采时间为t时抽采的瓦斯纯流量; 为钻孔初始抽采时的瓦斯纯流量;β为钻孔的瓦斯涌出衰减系数,即得出如下式;

其中抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β和钻孔初始抽采时的瓦斯纯流量 由瓦斯抽采现场测量及计算得到,将得到的瓦斯涌出衰减系数β和钻孔初始抽采时的瓦斯纯流量输入至控制器(16)中;

⑥当上述步骤完成后,开始进行瓦斯抽采工作前,依据设定的目标瓦斯抽采浓度C和瓦斯纯流量的衰减公式 即能得出随抽采时间理想的瓦斯混合气体抽采量的变化函数Q(t);

Q(t)依据步骤③得到的单位时间内注入气动马达的空气量和抽采的瓦斯混合气体量的拟合关系式F=f(q,Q),即能得到随抽采时间对应的气动马达单位时间所需注气量的变化函数q(t);控制器根据函数q(t)调控计量泵的运行工况,实时满足气动马达所需的注气量供给要求;

⑦开始进行瓦斯抽采,在抽采的过程中,每间隔1min瓦斯综合测量仪(13)对抽采钢管(1)内的实际瓦斯纯流量 以及当前的瓦斯抽采浓度Cj进行采集并反馈给控制器(16),控制器(16)及时更新监测的实际瓦斯纯流量 每次更新过后通过MATLAB软件并根据该时间点得出的实际瓦斯纯流量 结合钻孔初始抽采时的瓦斯纯流量 重新将瓦斯纯流量衰减变化拟合成新的曲线,从而得到新的抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β;

当监测的瓦斯抽采浓度Cj在设定的目标瓦斯抽采浓度C-2%~C+2%范围以内,确定为运行正常,此时维持当前的函数运行;当监测的瓦斯抽采浓度Cj不在设定的目标瓦斯抽采浓度C-2%~C+2%范围以内,确定为运行不正常,控制器(16)将步骤⑦得出的新的抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β,对之前的β值进行更新,然后重复⑤到⑦的抽采步骤,使瓦斯抽采浓度Cj在设定的目标瓦斯抽采浓度C-2%~C+2%范围以内,如此循环直至完成该钻孔的瓦斯抽采过程。