地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源装置及方法与流程

本发明属于煤矿，涉及一种地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源装置及方法。

背景技术：

1、在煤系地层中普遍存在煤层群赋存的特点，这一特性导致瓦斯灾害治理源头多，治理工作难度大和周期漫长。随着地面抽采技术装备的迅猛发展，大区域煤层群的联合地面井抽采技术已成为高效开发煤层气和治理瓦斯灾害的关键手段。根据相关规定，在突出矿井设计的矿井建设工程开工前，必须对首采区内存在突出危险且瓦斯含量不低于12m3/t的煤层进行地面井预抽煤层瓦斯，预抽率需达到30％以上。然而，现有的地面井煤层群联合抽采方法在同时抽取多个煤层的混合瓦斯时，由于煤矿常用的瓦斯抽采量计量技术及仪器限制，无法准确计量单一目标煤层的动态流量，进而无法计算煤层瓦斯的预抽率，也无法评估煤层瓦斯灾害降低的程度，这无疑给煤矿未来的安全生产埋下了风险隐患。

2、为解决这一问题，本发明依据稳定碳氢同位素在瓦斯气体混合前后的守恒定律，创新性地建立了一套地面井联合抽采混源瓦斯的动态监测自主溯源方法，并研发了相应的动态监测自主溯源装置。此方法的建立和装置的开发，对于动态确定混源瓦斯来源比例具有极其重要的意义，为煤矿安全生产提供了坚实的技术保障。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源装置及方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源装置，该装置包括壳体1、环境监测模块11、自主调节模块12、浓度监测单元3、管道流量监测单元4、温度监测单元5、气压监测单元6、碳氢同位素测定单元7、数据处理单元8和信息交互单元9；

4、所述环境监测模块11、自主调节模块12、浓度监测单元3、管道流量监测单元4、温度监测单元5、气压监测单元6、碳氢同位素测定单元7、数据处理单元8和信息交互单元9安装在壳体1内；

5、所述环境监测模块11、自主调节模块12、浓度监测单元3、管道流量监测单元4和碳氢同位素测定单元7分别与数据处理单元8数据连接；

6、所述环境监测模块11、自主调节模块12实时监测和调节碳氢同位素测定单元7的运行环境状态参数；

7、所述碳氢同位素测定单元7包括与co2碳同位素监测模块71、ch4碳氢同位素监测模块72和c2h6碳氢同位素监测模块73；

8、所述壳体1上设有螺纹连接接口13，使监测浓度监测单元3、管道流量监测单元4、温度监测单元5、气压监测单元6和碳氢同位素测定单元7与抽采管路2进行可拆卸式连接；

9、所述浓度监测单元3监测co2、ch4和c2h6气体组分的浓度；

10、所述碳氢同位素测定单元7测定抽采管路2中co2、ch4和c2h6的碳氢同位素丰度值；

11、所述数据处理单元8获取浓度监测单元3、管道流量监测单元4、温度监测单元5、气压监测单元6和碳氢同位素测定单元7的co2浓度、ch4浓度、c2h6浓度、管道流量、负压、温度以及co2、ch4和c2h6成分中的碳氢同位素丰度值，并根据监测数据进行计算，确定混源瓦斯中各目标煤层瓦斯动态来源比例，并通过信息交互界面实时展示瞬时溯源比例、瞬时标况流量、瞬时标况纯量、累计溯源比例、累计流量、累计标况纯量、温度和负压的瓦斯抽采参数；

12、所述信息交互单元9包括并行连接的数据显示模块91、usb接口92、无线传输模块93、基础数据录入模块94；信息交互单元9与数据处理单元8连接；

13、所述基础数据录入模块93录入煤层编号、联合抽采煤层层数、各目标煤层气体组分和碳氢同位素丰度基准值。

14、进一步，还包括数据分析单元，用于对监测数据进行处理和分析，并根据分析结果提供溯源结果和预测信息。

15、基于所述自主溯源装置的地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源方法，包括以下步骤：

16、s1：施钻至各目标煤层前更换空气反循环取样装置，采集煤层样装进煤样罐进行瓦斯解吸并对解吸的气样进行采集；

17、s2：将采集的气样送进实验室进行气体组分及碳氢同位素测试；

18、s3：通过螺纹安装孔与抽采管路密封连接自主溯源装置；

19、s4：打开装置开关，通过环境监测模块11和自主调节模块12监测和调节装置运行环境状态参数；

20、s5：将煤层编号、联合抽采煤层层数、各目标煤层气体组分、碳同位素丰度基准值录入至信息交互单元的基础数据录入模块93；

21、s6：每5分钟采集监测一次管道内的co2、ch4、c2h6浓度、负压、温度、流量和混源瓦斯中co2、ch4、c2h6气体的碳氢同位素丰度值；

22、s7：将采集到的管道内的co2、ch4、c2h6浓度、负压、温度、流量和混源瓦斯中co2、ch4、c2h6气体的碳氢同位素的丰度值传输至数据处理单元进行混源瓦斯自主溯源，并通过信息交互界面展示结果。

23、进一步，以混源瓦斯中ch4气体的碳同位素为例，ch4气体的碳同位素丰度值计算方法为：

24、

25、其中，δmix为混源瓦斯中ch4碳同位素丰度值，δ1、δ2…δn为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯中混源ch4中碳同位素瓦斯丰度值，η1、η2…ηn为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯来源比例，累计之和等于1，μ1、μ2…μn为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯气体中ch4组分比例；

26、根据实际抽采的目标煤层数n，针对不同元素，选取取瓦斯溯源有效特征，利用公式(1)分别建立方程，形成联立混源瓦斯目标煤层溯源比例的n元一次方程组，用于计算混源瓦斯中各目标煤层瓦斯的来源比例，如下所示：

27、

28、其中，δ13c(ch4)1、δ13c(ch4)2…δ13c(ch4)n为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯中ch4碳同位素值；δ13h(ch4)1、δ13h(ch4)2…δ13h(ch4)n为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯中ch4氢同位素值；δ13c(c2h6)1、δ13c(c2h6)2…δ13c(c2h6)n为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯中ch4氢同位素值；δ13c(co2)1、δ13c(co2)2…δ13c(co2)n为第1,2,...,n个目标煤层瓦斯中co2碳同位素值，δ13c(ch4)mix、δ2h(ch4)mix为混源瓦斯ch4中碳氢同位素丰度值，δ13c(c2h6)mix、δ2h(c2h6)mix为混源瓦斯c2h6中碳氢同位素丰度值，δ13c(co2)mix为混源瓦斯co2中碳同位素丰度值。

29、进一步，所述空气反循环取样装置包括取样钻头和双臂钻杆。

30、一种计算机设备，包括处理器；

31、用于存储处理器可执行指令的存储器；

32、其中，所述处理器被配置为用于执行所述的地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源方法。

33、一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行所述的地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源方法的步骤。

34、一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时，可以执行所述的地面井联合抽采混源瓦斯动态监测的自主溯源方法。

35、本发明的有益效果在于：采用模块结构化设计，各功能单元集成连接，通过对地面井联合抽采气样的实时采集和数据处理，动态展示抽采管路中混源瓦斯瞬时来源比例和累计来源比例，为动态评价地面井抽采效果，后续抽采潜能预测、抽采参数调控提供依据。

36、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。