煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及遠程監測與控制系統【技術領域】，特別是一種煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，包括控制模塊，監視模塊，執行模塊以及數據采集模塊，所述控制模塊分別與監視模塊，執行模塊以及數據采集模塊信號連接，所述監視模塊用于監視執行模塊的運行情況，并將相關運行情況傳控制模塊，所述數據采集模塊用于采集執行模塊的運行數據，并將相關數據傳至控制模塊。本發明設計合理，操作方便，采用實時監測和遠程控制，極大地提高了作業過程自動化和可視化程度，同時避免了作業人員直接接觸煤體，安全性能有較大提高。
【專利說明】煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及遠程監測與控制系統【技術領域】，特別是一種煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統。
【背景技術】
[0002]瓦斯抽采足我國煤礦瓦斯治理的主要技術手段，由于我國高瓦斯、低透氣性煤層約占70%，煤層開采前抽采瓦斯難度大，很難取得理想的效果，使得瓦斯災害成為制約煤礦安全的重要因素，因此，如何提高預抽率和縮短預抽期成為亟待解決的難題。
[0003]國內外科研人員針對該問題進行了廣泛深入研究，結果表明:水射流割縫、水力擴孔、水力沖孔、水力化鉆進等水射流措施和一些水力壓裂措施是提高煤層透氣性、增大鉆孔抽采影響范圍的有效途徑。即使在地面實施水射流和水力壓裂也屬于高危作業，由于煤礦井下作業環境復雜、光線暗淡，而且實施上述措施需要作業工人與高壓設備及煤體“短兵相接”，特別是在井下對高瓦斯或者突出煤層進行水力化增透作業時，容易造成瓦斯超限、誘發煤與瓦斯突出、水與瓦斯噴出等現象，所以其危險性遠高于在地面作業。為使水力化增透作業人員遠離危險源，保障作業人員的人身安全和作業過程安全可控，需要對井下水力化增透作業環境、高壓水力系統等進行遠程監測和控制，實現出現異常時自動斷電等。
[0004]除實現對水力化增透作業系統和周圍環境的遠程監測和控制外，還需要對水射流增透作業中的水壓、流量和水力壓裂作業過程中的水壓、煤體開裂壓力、注水量等技術參數進行實時監測與記錄，實現現場視頻、試驗數據的實時傳輸和存儲并能自動生成數據表及相關曲線，為水力化增透作業效果評估和優化提供科學、詳實的數據。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供一種用于煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，適用于水射流和水力壓裂這兩種增透作業過程的遠程控制以及作業過程中系統壓力、流量、環境等作業參數的實時監測、存儲、工況識別、數據傳輸，詳實、準確地記錄水射流和水力壓裂增透參數并能自動生成數據表及相關曲線。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0007]本發明所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，包括控制模塊，監視模塊，執行模塊以及數據采集模塊，所述控制模塊分別與監視模塊，執行模塊以及數據采集模塊信號連接，所述監視模塊用于監視執行模塊的運行情況，并將相關運行情況傳控制模塊，所述數據采集模塊用于采集執行模塊的運行數據，并將相關數據傳至控制模塊，控制模塊通過接收監視模塊和數據采集模塊傳輸的數據智能判斷是否出現故障及故障類型并能根據不同情況發出控制命令至執行模塊，以控制系統的運轉和在發生故障時停止。
[0008]其中，所述執行模塊包括依次機械連接的液箱、高壓水力泵站、高壓水管匯、鉆機、高壓水射流噴頭、防爆軟啟動器、水力壓裂鉆孔和水射流鉆孔；所述控制模塊分別與鉆機和防爆軟啟動器信號連接。[0009]其中，所述監視模塊包括防爆計算機、防爆固定攝像頭、防爆麥克風和防爆萬向攝像頭，所述防爆計算機分別與防爆固定攝像頭、防爆麥克風和防爆萬向攝像頭信號連接，所述防爆計算機與控制模塊信號連接；所述水力壓裂鉆孔孔口、水射流鉆孔孔口以及高壓水力泵站處均設有防爆固定攝像頭、防爆麥克風和防爆萬向攝像頭。
[0010]其中，所述數據采集模塊包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、甲烷傳感器和瓦斯斷電儀，所述控制模塊分別與壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、甲烷傳感器和瓦斯斷電儀信號連接；所述壓力傳感器相對應安裝于高壓水力泵站輸出端和高壓水管匯的中部和末端，所述流量傳感器對應安裝于高壓水力泵站的進水端和高壓水管匯的后部；所述溫度傳感器對應安裝于高壓水力泵站的轉軸處；所述水位傳感器安裝在液箱內；所述甲烷傳感器對應安裝于水力壓裂鉆孔和水射流鉆孔的孔口和高壓水力泵站處。
[0011]其中，所述控制模塊信號連接有聲光報警器。
[0012]進一步地，所述控制模塊為防爆PLC控制箱。
[0013]本發明有益效果為:
[0014]1.本發明以控制模塊為核心，執行模塊、監視模塊、數據采集模塊分別為主要作業設備、作業監視設備和作業系統數據采集設備。控制模塊接收監視模塊和數據采集模塊傳輸的數據，智能判斷作業系統的運轉情況和作業的安全程度，并能發出控制命令至執行模塊，控制系統的運轉和在發生故障時停止。同時監視模塊和數據采集模塊對水力化增透作業系統工況和環境等作業參數、作業過程的音頻和視頻數據進行實時監測和存儲，并能自動生成數據表及相關曲線，還可經通訊網絡無縫接入煤礦安全監測監控系統，提高整個增透作業可視化和煤層增透效果。
[0015]2.本發明實現了實時采集工況和環境等作業參數，實時掌握作業現場的音頻和視頻情況，通過遠程控制，避免了作業人員與煤體的“短兵相接”，保障了整個作業過程的安全。
[0016]3.本發明中的控制模塊，通過接收監視模塊和數據采集模塊的數據，實現智能判斷并發出控制命令至執行模塊，以控制系統的運轉和在發生故障時停止，提高了水力化增透作業的自動化程度，降低了作業勞動強度。
[0017]4.本發明采用模塊化設計理念，執行模塊、監視模塊、數據采集模塊均可單獨與控制模塊連接使用，滿足各種條件下遠程監測和控制煤礦井下水力化增透作業的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的整體方框結構示意圖；
[0019]圖2是本發明的分解方框結構示意圖；
[0020]圖3是本發明的實施例一連接結構示意圖；
[0021]圖4是本發明的實施例二連接結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。[0024]如圖1和圖2所示，本發明所述的一種煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，包括控制模塊1、執行模塊2、監視模塊3、數據采集模塊4，所述控制模塊I分別與監視模塊3，執行模塊2以及數據采集模塊4信號連接，所述監視模塊3用于監視執行模塊2的運行情況，并將監測數據傳至控制模塊傳送至控制模塊1，所述數據采集模塊4用于采集執行模塊2的運行數據，并采集到的各種系統參數和環境參數通過電信號或者通訊的方式傳至控制模塊I。控制模塊I通過接收監視模塊3和數據采集模塊4傳輸的數據，可智能判斷是否出現故障及故障類型并能根據不同情況發出控制命令至執行模塊2，以控制系統的運轉和在發生故障時停止，該系統可通過通訊網絡無縫接入煤礦安全監測監控系統。
[0025]具體而言，所述的控制模塊I為防爆PLC控制箱1-1。所述防爆控制箱1-1通過遠程控制執行模塊2來實現遠程控制水力化增透作業的運轉和在發生故障時停止，還可以通過連接監視模塊3和數據采集模塊4實現對水力化增透系統工況、環境等作業參數和作業過程的音頻和視頻數據的實時采集和監測。
[0026]所述的執行模塊2包括相互依次連接的液箱2-1、高壓水力泵站2-2、高壓水管匯
2-3、鉆機2-4、高壓水射流噴頭2-5、防爆軟啟動器2-6、控制閥和聲光報警器2_9等。
[0027]所述的監視模塊3包括防爆計算機3-1、防爆固定攝像頭3-2、防爆麥克風3_3和防爆萬向攝像頭3-4,所述防爆計算機3-1分別與防爆固定攝像頭3-2、防爆麥克風3-3和防爆萬向攝像頭3-4信號連接，所述防爆計算機3-1與控制模塊I信號連接，所述水力壓裂鉆孔2-7孔口、水射流鉆孔2-8孔口以及高壓水力泵站2-2附近均設有防爆固定攝像頭
3-2、防爆麥克風3-3和防爆萬向攝像頭3-4。這樣設置，防爆固定攝像頭3-2、防爆麥克風3-3和防爆萬向攝像頭3-4可將水力化增透作業鉆孔和高壓水力泵站周圍的視頻和音頻數據轉化為數字信號傳輸到防爆計算機3-1，進行實時監測和實況存儲，并通過防爆計算機3-1傳至防爆PLC控制箱1-1，為防爆PLC控制箱1-1指令執行模塊2提供依據。
[0028]所述的數據采集模塊4包括壓力傳感器4-1、流量傳感器4-2、溫度傳感器4_3、水位傳感器4-4、甲烷傳感器4-5和瓦斯斷電儀4-6。所述控制模塊I分別與壓力傳感器4-1、流量傳感器4-2、溫度傳感器4-3、水位傳感器4-4、甲烷傳感器4-5和瓦斯斷電儀4_6信號連接，所述壓力傳感器4-1相對應安裝于高壓水力泵站2-2輸出端和高壓水管匯2-3的中部和末端，所述流量傳感器4-2對應安裝于高壓水力泵站2-2的進水端和高壓水管匯2-3的后部；所述溫度傳感器4-3對應安裝于高壓水力泵站2-2的轉軸處；所述水位傳感器4-4安裝在液箱2-1內；所述甲烷傳感器4-5對應安裝于水力壓裂鉆孔2-7和水射流鉆孔2-8的孔口處和高壓水力泵站2-2處，以收集相關數據信息。數據采集模塊4將高壓水力系統中的水壓力、流量、泵的軸溫、液箱水位以及作業鉆孔孔口附近和高壓水力泵站附近的甲烷濃度等參數轉化為數字信號傳到控制模塊，以確定水力化增透作業系統的運轉情況、作業的安全程度。
[0029]本發明以控制模塊I為核心,執行模塊2、監視模塊3、數據采集模塊4分別為主要作業設備、作業監視設備和作業系統數據采集設備，控制模塊I通過防爆PLC控制箱1-1采集和分析監視模塊3與數據采集模塊4所獲取的包括水力化增透系統工況、環境等作業參數和作業過程的音頻和視頻數據，智能判斷作業系統的運轉情況和作業的安全程度，并發出控制命令至執行模塊2，控制系統的運轉和在故障時停止，同時監視模塊3和數據采集模塊4對本發明的作業參數、作業過程的音頻和視頻數據進行實時監測和存儲，并能自動生成數據表及相關曲線，還可經通訊網絡無縫接入煤礦安全監測監控系統。需要說明的是，本發明所述傳輸方式包括網線或光纖的數字信號傳輸和無線基站的無線信號傳輸。
[0030]所述執行模塊2中的高壓水管匯2-3包括高壓膠管、截止閥、單向閥、卸壓閥等管路連接部件。
[0031]所述數據采集模塊4中的壓力傳感器4-1安裝在高壓水力泵站2-2輸出端、高壓水管匯2-3的中部和末端。所述數據采集模塊4中的流量傳感器4-2安裝在高壓水力泵站2-2的進水端和高壓水管匯2-3的后部。所述的數據采集模塊4中的溫度傳感器4-3安裝在高壓水力泵站2-2的轉軸處。所述的數據采集模塊4中的水位傳感器4-4安裝在液箱2-1內以監測液箱水位情況。所述數據采集模塊4中的甲烷傳感器4-5安裝在水力壓裂鉆孔2-7、水射流鉆孔2-8的孔口附近和高壓水力泵站2-2附近。所述的瓦斯斷電儀4-6在任何甲烷傳感器4-5附近出現瓦斯濃度超限時能自動切斷系統供電。所述的聲光報警器2-9會在控制模塊I智能判斷出現異常時發出聲音和燈光信號報警。
[0032]實施例1:
[0033]如圖3所示，本發明的工作原理如下:本發明開啟后，所述防爆PLC控制箱1-1通過防爆軟啟動器2-6啟動高壓水力泵站2-2至運行平穩時，高壓水力泵站2-2開始緩慢加壓為水射流增透作業提供高壓水；同時通過防爆PLC控制箱1-1控制防爆鉆機2-4的開啟、給進和鉆桿旋轉等作業；此時常壓水由液箱2-1經高壓水力泵站2-2加壓后變為高壓水，高壓水經過高壓管匯2-3至高壓水射流鉆桿，進而；流經高壓水射流噴頭2-5對水射流鉆孔2-8進行水射流增透作業。
[0034]防爆固定攝像頭3-2和防爆萬向攝像頭3-4分別對水射流鉆孔2_8的作業過程和高壓水力泵站2-2的周圍環境進行視頻即時監視，防爆麥克風3-3對水射流鉆孔2-8的作業過程進行音頻即時監聽，音頻、視頻信號轉化為數字信號經通訊方式傳至防爆計算機3-1進行實時監視和數據存儲，音頻、視頻數據傳至防爆PLC控制箱1-1為水射流增透作業的作業進展提供決策支持。
[0035]數據采集模塊4中的壓力傳感器4-1和流量傳感器4-2所獲取的系統壓力和流量數據通過通訊方式傳至防爆PLC控制箱1-1，防爆PLC控制箱1-1實時監測高壓管匯2-3不同位置的水壓和流量，并智能判斷水射流增透作業系統中是否出現泄漏；溫度傳感器4-3實時監測軸體溫度并通過防爆PLC控制箱1-1智能判斷高壓水力泵站2-2軸溫是否過高；水位傳感器4-4監測液箱水位情況以確保作業過程中水量的有效補給；甲烷傳感器4-5實時監測水射流鉆孔2-8孔口附近和高壓水力泵站2-2附近的瓦斯濃度，一旦出現瓦斯濃度超限，瓦斯斷電儀4-6將自動切斷系統供電；聲光報警器2-9能在控制模塊I智能判斷出現異常時發出聲音和燈光信號報警；防爆PLC控制箱實時監測和存儲水射流增透作業過程中的水壓力、流量、泵軸溫、液箱水位、環境瓦斯濃度，智能控制系統的運轉和在故障時停止。
[0036]實施例2:
[0037]如圖4所示，本發明的使用過程:水力壓裂增透系統開啟后，防爆PLC控制箱1-1通過防爆軟啟動器2-6啟動高壓水力泵站2-2至運行平穩時，高壓水力泵站2-2開始緩慢加壓為水力壓裂增透作業提供高壓水；此時常壓水由液箱2-1經高壓水力泵站2-2加壓后變為高壓水，高壓水經過高壓管匯2-3至水力壓裂鉆孔2-7進行水力壓裂增透作業。
[0038]防爆固定攝像頭3-2和防爆萬向攝像頭3-4分別對水力壓裂鉆孔2_7的作業過程和高壓水力泵站2-2的周圍環境進行視頻即時監視，防爆麥克風3-3對水射流鉆孔2-7的作業過程和高壓水力泵站2-2的周圍環境進行音頻即時監聽，音頻、視頻信號轉化為數字信號經通訊方式傳至防爆計算機3-1進行實時監視和數據存儲，音頻、視頻數據傳至防爆PLC控制箱1-1為水力壓裂增透作業的作業進展提供決策支持。
[0039]數據采集模塊4中的壓力傳感器4-1和流量傳感器4-2所獲取的壓力和流量數據通過通訊方式傳至防爆PLC控制箱1-1，防爆PLC控制箱1-1實時監測高壓管匯2-3不同位置的水壓和流量，并智能判斷水力壓裂增透作業系統中是否出現泄漏；溫度傳感器4-3實時軸體溫度并通過防爆PLC控制箱1-1智能判斷高壓水力泵站2-2軸溫是否過高；水位傳感器4-4監測液箱水位情況以確保作業過程中水量的有效補給；甲烷傳感器4-5實時監測水力壓裂鉆孔2-7孔口附近和高壓水力泵站2-2附近的瓦斯濃度，一旦出現瓦斯濃度超限，瓦斯斷電儀4-6將自動切斷系統供電；聲光報警器2-9能在控制模塊I智能判斷出現異常時發出聲音和燈光信號報警；防爆PLC控制箱實時監測和存儲水力壓裂增透作業過程中的水壓力、流量、泵油溫、液箱水位、環境瓦斯濃度，智能控制系統的運轉和在故障時停止。
[0040]以上所述僅是本發明的較佳實施方式，故凡依本發明專利申請范圍所述的構造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發明專利申請范圍內。
【權利要求】
1.煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:包括控制模塊(1)，監視模塊(3)，執行模塊(2)以及數據采集模塊(4)，所述控制模塊(I)分別與監視模塊(3)，執行模塊(2)以及數據采集模塊(4)信號連接，所述監視模塊(3)用于監視執行模塊(2)的運行情況，并將相關運行情況傳控制模塊(I)，所述數據采集模塊(4)用于采集執行模塊(2)的運行數據，并將相關數據傳至控制模塊(I)，控制模塊(I)通過接收監視模塊(3)和數據采集模塊(4)傳輸的數據智能判斷是否出現故障及故障類型并能根據不同情況發出控制命令至執行模塊(2)，以控制系統的運轉和在發生故障時停止。
2.根據權利要求1所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:所述執行模塊(2)包括依次機械連接的液箱(2-1)、高壓水力泵站(2-2)、高壓水管匯(2-3)、鉆機(2-4)、高壓水射流噴頭(2-5)、防爆軟啟動器(2-6)、水力壓裂鉆孔(2_7)和水射流鉆孔(2-8);所述控制模塊(I)分別與鉆機(2-4)和防爆軟啟動器(26)信號連接。
3.根據權利要求2所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:所述監視模塊(3)包括防爆計算機(3-1)、防爆固定攝像頭(3-2)、防爆麥克風(3-3)和防爆萬向攝像頭(3-4),所述防爆計算機(3-1)分別與防爆固定攝像頭(3-2)、防爆麥克風(3-3)和防爆萬向攝像頭(3-4)信號連接，所述防爆計算機(3-1)與控制模塊(I)信號連接；所述水力壓裂鉆孔(2-7)孔口、水射流鉆孔(2-8)孔口以及高壓水力泵站(2-2)處均設有防爆固定攝像頭(3-2)、防爆麥克風(3-3)和防爆萬向攝像頭(3-4)。
4.根據權利要求3所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:所述數據采集模塊(4)包括壓力傳感器(4-1)、流量傳感器(4-2)、溫度傳感器(4-3)、水位傳感器(4-4)、甲烷傳感器(4-5)和瓦斯斷電儀(4-6)，所述控制模塊(I)分別與壓力傳感器(4-1)、流量傳感器(4-2)、溫度傳感器(4-3)、水位傳感器(4-4)、甲烷傳感器(4_5)和瓦斯斷電儀(4-6)信號連接；所述壓方傳感器(4-1)相對應安裝于高壓水力泵站(2-2)輸出端和高壓水管匯(2-3)的中部和末端，所述流量傳感器(4-2)對應安裝于高壓水力泵站(2-2)的進水端和高壓水管匯(2-3)的后部；所述溫度傳感器(4-3)對應安裝于高壓水力泵站(2-2)的轉軸處；所述水位傳感器(4-4)安裝在液箱(2-1)內；所述甲烷傳感器(4-5)對應安裝于水力壓裂鉆孔(2-7)和水射流鉆孔(2-8)的孔口和高壓水力泵站(2-2)處。
5.根據權利要求1-4任一所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:所述控制模塊(I)信號連接有聲光報警器(2-9)。
6.根據權利要求5所述的煤礦井下水力化增透作業遠程監測與控制系統，其特征在于:所述控制模塊(I)為防爆PLC控制箱(1-1)。
【文檔編號】E21F17/18GK103676861SQ201310643863
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】王耀鋒, 王魁軍, 張興華, 李艷增, 姜文忠, 趙洪瑞, 李鐵良, 許幸福, 高中寧, 聶榮山, 謝正紅 申請人:煤科集團沈陽研究院有限公司