一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统及控制方法，包括管理系统、PLC可编程控制系统、信号采集系统、控制执行系统和氮气供给系统；该控制方法包括一种多点注氮量自反馈调控优化方法和一种强漏风点的准确定位方法；根据实际应用情况，该系统及控制方法在保证覆采空区惰化水平的基础上最大化氮气利用效率，当存在局部强漏风点时，该系统和控制方法能够准确定位漏风点位置，并发出声光报警，有效指导人工小面积局部封堵措施的进行，有效减少了由于人工大面积封堵造成的人力与资金的浪费，杜绝工作面回采过程中上覆采空区自燃事故的发生，确保生产安全。

A Multi-point Self-Feedback Nitrogen Injection Fire Prevention and Extinguishing System and Control Method for Close Coal Seam

The invention provides a multi-point self-feedback nitrogen injection fire prevention and extinguishing system and control method for close coal seam, including management system, PLC programmable control system, signal acquisition system, control execution system and nitrogen supply system; the control method includes a multi-point nitrogen injection self-feedback control optimization method and a strong air leakage point quasi-standard. According to practical application, the system and control method maximize nitrogen utilization efficiency on the basis of ensuring inertia level of overburden goaf. When there is a local strong air leakage point, the system and control method can accurately locate the position of air leakage point, and send out sound and light alarm, effectively guide manual small area partial sealing. The implementation of blocking measures effectively reduces the waste of manpower and funds caused by large-scale artificial blocking, eliminates the Spontaneous Combustion Accident in the overlying goaf in the mining process, and ensures the safety of production.

【技术实现步骤摘要】
一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统及控制方法
本专利技术属于煤矿井下自燃灾害防治
，具体涉及一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统及控制方法。
技术介绍
煤炭自燃灾害是我国煤矿开采过程中面临的主要灾害之一，严重制约煤炭行业的健康发展。近距离煤层群在我国各大煤田广泛存在，煤层间距小导致回采过程中极易受临近煤层的影响，形成临近工作面、采空区的大量漏风通道，导致相邻煤层或采空区的自然发火相互影响，大大增加了自燃风险。近距离煤层重复采动使巷道顶板破碎，在下部煤层开采过程中形成沿进风巷道的大面积漏风，传统的单点注氮难以实现全局惰化；巷道顶板裂隙发育程度不一，加之进回风巷间压差存在较大差异，导致漏风量的分布不均匀，固定流量多点注氮的惰化效果与氮气利用效率不能兼得；没有针对性的大面积顶板裂隙封堵资金投入高、效果差，而且在工作面回采过程中，巷道顶板裂隙进一步发育，会出现新的强漏风点导致发火隐患。因此，需要建立一种全局监测、自反馈控制、预警与人工响应相结合的近距离煤层防灭火技术。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术提出一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统，包括氮气供给系统、信号采集系统、PLC可编程控制器、控制执行系统和管理系统，其中：所述氮气供给系统，包括制氮设备、注氮主管路、注氮分支软管和注氮孔；制氮设备用于提供氮气源；注氮孔通过注氮分支软管连接注氮主管路；注氮孔起始点布置在进风巷道顶板，注氮孔终点位于上覆采空区内，每两个注氮孔距离为固定数值，该固定数值取巷道宽度的2～4倍之间的某个数值，包括2和4，两个注氮孔之间为一个监控单元；氮气源制备的氮气通过注氮主管路和注氮分支软管输送到每个注氮孔；所述信号采集系统，包括布置在监测孔内的温度传感器和氧气浓度传感器与布置在注氮主管路和注氮分支软管的氮气流量传感器；所述监测孔起始点布置在进风巷道顶板，监测孔终点位于两注氮孔之间的上覆采空区内，监测孔内布置温度传感器和氧气浓度传感器，用于采集温度及氧气浓度数据；所述氮气流量传感器分别安装在注氮主管路和各注氮分支软管上，用于采集氮气流量数据；所述PLC可编程控制器，接收信号采集系统采集的温度、氧气浓度和氮气流量数据，根据管理系统设定的运行参数，向控制执行系统发送反馈控制信号，监控系统运行状态，将系统运行监控信号、漏风状态信号和异常报警信号发送给管理系统；所述的PLC可编程控制器接收管理系统的运行参数包括：监控单元编号、注氮孔编号、监测孔编号及相应位置信息，上覆采空区氧浓度控制高限值GX，氧浓度控制低限值DX，温度报警值BT，单孔注氮量报警值BN，注氮流量调整梯度q，注氮孔流量初始值Qini；反馈控制信号为各注氮孔注氮流量自反馈调控目标值Qtgt；传输给管理系统的监控信号包括每个监测孔中的温度传感器提供的温度信号Treal、氧气浓度传感器提供的氧气浓度信号C，注氮主管路中氮气传感器提供的注氮主管路氮气流量信号Q总，每个注氮孔中氮气传感器提供的注氮孔氮气流量信号Qreal；漏风状态信号包括单元漏风量增加信号、区域强漏风信号、人工封堵警报信号；异常报警信号包括温度异常报警信号、流量控制器或流量传感器异常报警信号、供气系统异常报警信号等；所述控制执行系统包括流量控制器，安装在注氮孔相连接的注氮分支软管上，用来控制注氮孔注氮流量，控制执行系统根据接收到的PLC可编程控制器反馈控制信号，调整流程控制器，改变氮气流量；所述管理系统，包括计算机、操作台、显示器和报警器，计算机与PLC可编程控制器相连接，用来接收和存储PLC可编程控制器传递的监控信号、漏风状态信号和异常报警信号；操作台、显示器、报警器均与计算机相连接，工作人员通过操作台输入运行参数，并将运行参数写入PLC可编程控制器；当PLC可编程控制器检测到异常情况发生时，将异常报警信号传递给计算机，计算机通过显示器显示异常信息，通过报警器发出声光报警，并通过计算机保存报警信息记录；所述信号采集系统和控制执行系统通过信号传输电缆连接至PLC可编程控制器。所述管理系统中，工作人员通过操作台设置运行参数，并将运行参数写入PLC可编程控制器，包括：监控单元编号、注氮孔编号、监测孔编号及相应位置信息，氧浓度控制高限值GX、氧浓度控制低限值DX，据温度报警值BT、单注氮孔流量上限报警值BN，注氮流量调整梯度q，注氮流量调整时间间隔t，注氮孔流量初始值Qini；强制开启、关闭注氮孔流量控制器和设定固定注氮流量值。所述管理系统包括计算机中用于一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统的管理软件，该管理软件用于保存工作人员通过操作台输入到计算机中的运行参数，将运行参数写入PLC可编程控制器，并可在显示器中显示运行参数；管理软件用于显示PLC可编程控制器传递的监控信号和异常报警信号，显示“监测孔位置-温度”、“监测孔位置-氧浓度”、“注氮孔位置-氮气流量”实时曲线，当PLC传递异常报警信号给计算机时，计算机通过该管理软件在显示器上显示异常报警信息，通过报警器进行声光报警，同时通过计算机管理软件保存该信息记录。提供一种多点注氮量自反馈调控优化方法，具体为：(a)当每隔注氮流量调整时间间隔t时，若PLC可编程控制器监测到注氮孔两侧任一监测孔中氧气浓度传感器浓度大于氧浓度控制高限值GX时，PLC可编程控制器将该注氮孔的氮气流量自反馈调控目标值Qtgt增加注氮流量调整梯度q，并通过PLC可编程控制器将控制信号传输至注氮分支软管上的流量控制器，流量控制器动作，使注氮孔实际注氮流量增加注氮流量调整梯度q，达到新的自反馈调控目标值Qtgt；(b)当每隔注氮流量调整时间间隔t时，若PLC可编程控制器监测到某注氮孔两侧监测孔中氧传感器浓度均小于氧浓度控制低限值DX且注氮流量大于注氮流量调整梯度q时，PLC可编程控制器将注氮孔的氮气流量自反馈调控目标值Qtgt减少注氮流量调整梯度q，并通过PLC可编程控制器将控制信号传输至注氮分支软管上的流量控制器，流量控制器动作，使注氮孔实际注氮流量减少注氮流量调整梯度q，达到新的自反馈调控目标值Qtgt；(c)当每隔注氮流量调整时间间隔t时，若PLC可编程控制器监测到注氮孔两侧监测孔中氧传感器浓度均小于氧浓度控制低限值DX且注氮流量小于注氮流量调整梯度q时，PLC可编程控制器将注氮孔的氮气流量自反馈调控目标值Qtgt设置为0，并通过PLC可编程控制器将控制信号传输至注氮分支软管上的流量控制器，流量控制器动作使注氮孔所连接的分支管路关闭，使实际注氮流量为0。提供一种强漏风点的准确定位方法，具体为：使用一种多点注氮量自反馈调控优化方法后，(a)当PLC可编程控制器监测到监控单元两侧的注氮孔流量自反馈调控目标值Qtgt连续三次及以上增加注氮流量调整梯度q，则认定该单元内巷道顶板漏风通道发育，漏风量增大,PLC可编程控制器将单元漏风量增加信号反馈给计算机，通过过显示器显示监控单元编号及位置，并通过计算机保存该信息记录；(b)当PLC可编程控制器监测到某一个或连续多个监控单元两侧注氮孔流量达到外侧相邻注氮孔注氮流量2倍及以上时，则认定该单元或连续多个单元内有强漏风点出现，PLC可编程控制器将区域强漏风信号反馈给计算机，通过显示器显示强漏风区域内监控单元编号及位置，并通过计算机保存该信息记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统，其特征在于包括氮气供给系统、信号采集系统、PLC可编程控制器、控制执行系统和管理系统，其中：所述氮气供给系统，包括制氮设备、注氮主管路、注氮分支软管和注氮孔；制氮设备用于提供氮气源；注氮孔通过注氮分支软管连接注氮主管路；注氮孔起始点布置在进风巷道顶板，注氮孔终点位于上覆采空区内，每两个注氮孔距离为固定数值，该固定数值取巷道宽度的2～4倍之间的某个数值，包括2和4，两个注氮孔之间为一个监控单元；氮气源制备的氮气通过注氮主管路和注氮分支软管输送到每个注氮孔；所述信号采集系统，包括布置在监测孔内的温度传感器和氧气浓度传感器与布置在注氮主管路和注氮分支软管的氮气流量传感器；所述监测孔起始点布置在进风巷道顶板，监测孔终点位于两注氮孔之间的上覆采空区内，监测孔内布置温度传感器和氧气浓度传感器，用于采集温度及氧气浓度数据；所述氮气流量传感器分别安装在注氮主管路和各注氮分支软管上，用于采集氮气流量数据；所述PLC可编程控制器，接收信号采集系统采集的温度、氧气浓度和氮气流量数据，根据管理系统设定的运行参数，向控制执行系统发送反馈控制信号，监控系统运行状态，将系统运行监控信号、漏风状态信号和异常报警信号发送给管理系统；所述的PLC可编程控制器接收管理系统的运行参数包括：监控单元编号、注氮孔编号、监测孔编号及相应位置信息，上覆采空区氧浓度控制高限值GX，氧浓度控制低限值DX，温度报警值BT，单孔注氮量报警值BN，注氮流量调整梯度q，注氮孔流量初始值Qini；反馈控制信号为各注氮孔注氮流量自反馈调控目标值Qtgt；传输给管理系统的监控信号包括每个监测孔中的温度传感器提供的温度信号Treal、氧气浓度传感器提供的氧气浓度信号C，注氮主管路中氮气传感器提供的注氮主管路氮气流量信号Q总，每个注氮孔中氮气流量传感器提供的注氮孔氮气流量信号Qreal；漏风状态信号包括单元漏风量增加信号、区域强漏风信号、人工封堵警报信号；异常报警信号包括温度异常报警信号、流量控制器或流量传感器异常报警信号、供气系统异常报警信号等；所述控制执行系统包括流量控制器，安装在注氮孔相连接的注氮分支软管上，用来控制注氮孔注氮流量，控制执行系统根据接收到的PLC可编程控制器反馈控制信号，调整流程控制器，改变注氮孔氮气流量；所述管理系统，包括计算机、操作台、显示器和报警器，计算机与PLC可编程控制器相连接，用来接收和存储PLC可编程控制器传递的监控信号、漏风状态信号和异常报警信号；操作台、显示器、报警器均与计算机相连接，工作人员通过操作台输入运行参数，并将运行参数写入PLC可编程控制器；当PLC可编程控制器检测到异常情况发生时，将异常报警信号传递给计算机，计算机通过显示器显示异常信息，通过报警器发出声光报警，并通过计算机保存报警信息记录；所述信号采集系统和控制执行系统通过信号传输电缆连接至PLC可编程控制器。...

【技术特征摘要】
1.一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统，其特征在于包括氮气供给系统、信号采集系统、PLC可编程控制器、控制执行系统和管理系统，其中：所述氮气供给系统，包括制氮设备、注氮主管路、注氮分支软管和注氮孔；制氮设备用于提供氮气源；注氮孔通过注氮分支软管连接注氮主管路；注氮孔起始点布置在进风巷道顶板，注氮孔终点位于上覆采空区内，每两个注氮孔距离为固定数值，该固定数值取巷道宽度的2～4倍之间的某个数值，包括2和4，两个注氮孔之间为一个监控单元；氮气源制备的氮气通过注氮主管路和注氮分支软管输送到每个注氮孔；所述信号采集系统，包括布置在监测孔内的温度传感器和氧气浓度传感器与布置在注氮主管路和注氮分支软管的氮气流量传感器；所述监测孔起始点布置在进风巷道顶板，监测孔终点位于两注氮孔之间的上覆采空区内，监测孔内布置温度传感器和氧气浓度传感器，用于采集温度及氧气浓度数据；所述氮气流量传感器分别安装在注氮主管路和各注氮分支软管上，用于采集氮气流量数据；所述PLC可编程控制器，接收信号采集系统采集的温度、氧气浓度和氮气流量数据，根据管理系统设定的运行参数，向控制执行系统发送反馈控制信号，监控系统运行状态，将系统运行监控信号、漏风状态信号和异常报警信号发送给管理系统；所述的PLC可编程控制器接收管理系统的运行参数包括：监控单元编号、注氮孔编号、监测孔编号及相应位置信息，上覆采空区氧浓度控制高限值GX，氧浓度控制低限值DX，温度报警值BT，单孔注氮量报警值BN，注氮流量调整梯度q，注氮孔流量初始值Qini；反馈控制信号为各注氮孔注氮流量自反馈调控目标值Qtgt；传输给管理系统的监控信号包括每个监测孔中的温度传感器提供的温度信号Treal、氧气浓度传感器提供的氧气浓度信号C，注氮主管路中氮气传感器提供的注氮主管路氮气流量信号Q总，每个注氮孔中氮气流量传感器提供的注氮孔氮气流量信号Qreal；漏风状态信号包括单元漏风量增加信号、区域强漏风信号、人工封堵警报信号；异常报警信号包括温度异常报警信号、流量控制器或流量传感器异常报警信号、供气系统异常报警信号等；所述控制执行系统包括流量控制器，安装在注氮孔相连接的注氮分支软管上，用来控制注氮孔注氮流量，控制执行系统根据接收到的PLC可编程控制器反馈控制信号，调整流程控制器，改变注氮孔氮气流量；所述管理系统，包括计算机、操作台、显示器和报警器，计算机与PLC可编程控制器相连接，用来接收和存储PLC可编程控制器传递的监控信号、漏风状态信号和异常报警信号；操作台、显示器、报警器均与计算机相连接，工作人员通过操作台输入运行参数，并将运行参数写入PLC可编程控制器；当PLC可编程控制器检测到异常情况发生时，将异常报警信号传递给计算机，计算机通过显示器显示异常信息，通过报警器发出声光报警，并通过计算机保存报警信息记录；所述信号采集系统和控制执行系统通过信号传输电缆连接至PLC可编程控制器。2.根据权利要求1所述一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统，其特征在于，所述管理系统中，工作人员通过操作台设置运行参数，并将运行参数写入PLC可编程控制器，包括：监控单元编号、注氮孔编号、监测孔编号及相应位置信息，氧浓度控制高限值GX、氧浓度控制低限值DX，据温度报警值BT、单注氮孔流量上限报警值BN，注氮流量调整梯度q，注氮流量调整时间间隔t，注氮孔流量初始值Qini；强制开启、关闭注氮孔流量控制器和设定固定注氮流量值。3.根据权利要求1所述一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统，其特征在于，所述管理系统包括计算机中用于一种近距离煤层多点自反馈注氮防灭火系统的管理软件，该管理软件用于保存工作人员通过操作台输入到计算机中的运行参数，将运行参数写入PLC可编程控制器，并可在显示器中显示运行参数；管理软件用于显示PLC可编程控制器传递的监控信号和异常报警信号，显示“监测孔位置-温度”、“监测孔位置-氧浓度”、“注氮孔位置-氮气流量”实时曲线，当PLC传递异常报警信号给计算机时，计算机通过该管理软件在显示器上显示异常报警信息，通过报警器进行声光报警，同时通过计算机管理软件保存...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄戈，王继仁，邓存宝，郝朝瑜，王雪峰，王鑫阳，张勋，戴凤威，陈曦，凡永鹏，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21