[發明專利]一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法

在審

• 申請號: 202110033133.9
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112836350A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 夏同強;李子龍;高可;孫敦帥;崔昊杰;李小林;魏連江
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12;G06F113/08
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 周淑淑

1.一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法，其特征在于，包括以下步驟：

①根據瓦斯抽采系統的節點、管道和鉆孔布置建立系統節點的點位分布圖；

②建立管網瓦斯抽采參數解算模型；

③將管網傳感器實時監測數據、抽采區域煤體基礎數據和管網基礎參數代入管網瓦斯抽采參數解算模型中，實現其它節點處混合流量、流速、濃度、壓力、密度的解算數據。

2.根據權利要求1所述的一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法，其特征在于，步驟①具體為：依據瓦斯抽采系統的節點、管道和鉆孔布置對瓦斯抽采系統節點的點位進行布設，節點的點位布置是按照管網瓦斯流向和分叉節點的原則形成點位編號；將抽采泵所在地面作為基準面對每個點位進行標高標定以確定該節點的位置勢能。

3.根據權利要求2所述的一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法，其特征在于，將煤礦瓦斯抽采中所有的鉆孔編為一個節點，瓦斯泵出口編為一個節點，所有的三通、四通變徑編為其它節點，測點布置在節點位置。

4.根據權利要求1或2所述的一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法，其特征在于，步驟②具體為：管網瓦斯抽采參數解算模型主要是利用氣體流動質量守恒定律、瓦斯氣體質量守恒、能量守恒方程、理想氣體狀態方程、摩爾質量計算方程建立的聯立方程，其利用理想氣體狀態方程計算工質密度，利用流速面積法計算流速，利用混合氣體摩爾質量方程計算混合氣體摩爾質量。

5.根據權利要求3所述的一種煤礦井下管網瓦斯抽采參數實時解算方法，其特征在于，步驟②中解算模型的建立方法如下：

n-1、n、n+1是布置的三個相鄰的節點，

基于氣體流動質量守恒定律，建立氣體質量守恒方程，如式(1)：

Q_n-1ρ_n-1＝Q_nρ_n+Q_n+1ρ_n+1 (1)

式中：

Q_n-1為節點n-1處工質混合流量；

Q_n為節點n處工質混合流量；

Q_n+1為節點n+1處工質混合流量；

ρ_n-1為節點n-1處工質密度；

ρ_n為節點n處工質密度；

ρ_n+1為節點n+1處工質密度；

其中混合流量Q_i(i＝n-1,n,n+1)可通過流速面積法求取，如式(2)，

式中：

v_i(i＝n-1,n,n+1)為測點處工質流速；

d_i(i＝n-1,n,n+1)為測點處管路直徑；

工質密度ρ_i(i＝n-1,n,n+1)可通過理想氣體狀態方程求取，如式(3)：

式中：

P_i(i＝n-1,n,n+1)為測點處壓力；

M_i(i＝n-1,n,n+1)為測點處工質摩爾質量；

R為通用氣體常數；

T為氣體熱力學溫度；

其中工質摩爾質量M_i可通過混合氣體摩爾質量計算公式計算，如式(4)，

M_i＝16c_i+29(1-c_i) (4)

式中：

c_i(i＝n-1,n,n+1)為測點處瓦斯濃度；

基于氣體流動中瓦斯質量守恒，建立瓦斯質量守恒方程，如式(5)，

Q_n-1ρ_n-1c_n-1＝Q_nρ_nc_n+Q_n+1ρ_n+1c_n+1 (5)

基于能量守恒原理，建立瓦斯抽采管路能量守恒方程，如式(6)，

式中：

h_w1為節點n到節點n-1之間管路的單位質量工質能量損失；

h_w2為節點n+1到節點n-1之間管路的單位質量工質能量損失；

α為管網阻力校正系數，取值范圍0-2；

Z_i(i＝n-1,n,n+1)分別為節點n-1，n，n+1處單位質量工質位置勢能；

其中，管路的單位質量工質能量損失h_wj由式(7)計算，

式中：

λ_j(j＝1,2)分別為節點n到n-1和節點n+1到n-1之間管路的沿程阻力系數；

d_j(j＝1,2)分別為抽采支管和抽采干管管徑；

L_j(j＝1,2)為點位間距，即節點n-1到n和節點n+1到n-1之間管路長度；

其中，沿程阻力系數λ_j(j＝1,2)由式(8)確定，

式中：

Δ為管道壁面的粗糙度；

R_ej(j＝1,2)分別為節點n到n-1和節點n+1到n-1之間管路氣體流動雷諾數，由式(9)計算，

式中：

v_j(j＝1,2)分別為節點n和節點n+1處氣體流速；

μ_j(j＝1,2)分別為節點n到n-1和節點n+1到n-1之間管路內混合氣體動力粘度系數；由伯努利方程得：

P_n＝P_n-1+(Z_n-1-Z_n)ρ_ng-h_w1ρ_ng (10)

P_n+1＝P_n-1+(Z_n-1-Z_n+1)ρ_n+1g-h_w2ρ_n+1g (11)

Q_k為節點n處混合工質中空氣流量，由下式確定：

Q_n(1-c_n)＝Q_k (12)

式中：

c_n為節點n處瓦斯濃度；

p_n為節點n處工質壓力；

β為漏風阻力系數；

P_r為大氣壓力。