一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统

摘要

本发明提出一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统。其中，调控系统包括瓦斯抽采泵站、高负压瓦斯抽采系统、低负压瓦斯抽采系统、数据采集系统、数据处理系统、智能调节阀，并将高负压瓦斯抽采系统和低负压瓦斯抽采系统均划分为主管、干管、支管和单元等四级进行管理，通过设定的最优调节程序，从预抽和边采边抽两个层面提供了瓦斯抽采智能调节的步骤，在保障全矿井瓦斯抽采效果的前提下，实现短期内回采工作面瓦斯浓度迅速降低的目的，为工作面的快速高效推进创造有利条件。

权利要求

1.一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，其特征在于，当高瓦斯煤矿回采工作面局部瓦斯异常增高或快速回采，第j个工作面发生瓦斯超限时，所述方法包括：①高负压抽采支管抽采能力调节

在调节周期T下采用预设调节程序，调节第j个高负压抽采支管智能调节阀开度，降低所述第j个高负压抽采支管邻近的高负压抽采支管智能调节阀开度，增强所述第j个高负压抽采支管的抽采能力，直到所述第j个高负压抽采支管的瓦斯抽采纯量的增长量低于上一调节周期瓦斯抽采纯量增长量的第一百分比阈值，停止调节各高负压抽采支管的智能调节阀；

②低负压抽采支管抽采能力调节

在调节周期T下采用所述预设调节程序，调节第j个低负压抽采支管智能调节阀开度，降低所述第j个低负压抽采支管邻近的低负压抽采支管智能调节阀开度，增强所述第j个低负压抽采支管的抽采能力，直到所述第j个低负压抽采支管的瓦斯抽采纯量的增长量低于上一调节周期瓦斯抽采纯量增长量的第二百分比阈值，停止调节各低负压抽采支管的智能调节阀；

③高负压抽采单元管抽采能力调节

增加距离所述第j个工作面最近的x个高负压抽采单元管的智能调节阀开度，同时降低其他高负压抽采单元管的智能调节阀开度，提高工作面附近区域抽采单元的抽采能力；当所述高负压抽采单元管的瓦斯抽采纯量的增长率为负后，停止调节所述第j个工作面的所述高负压抽采单元管的智能调节阀；

④低负压抽采单元管抽采能力调节

以所述低负压抽采支管瓦斯的抽采纯量为优化目标，在调节周期T下利用所述预设调节程序，依次调节所述第j个工作面的所述低负压抽采支管各抽采单元管智能调节阀的开度，当所述低负压抽采支管的瓦斯抽采纯量提高至预设第一纯量阈值，或提高量不足所述预设第一纯量阈值但所述瓦斯抽采纯量已达到最大值时，停止调节所述第j个工作面的所述低负压抽采支管各抽采单元管的智能调节阀；

当所述第j个工作面恢复正常生产后，为了降低低负压抽采支管因抽采负压增大而增加的漏风量，以各抽采单元的瓦斯浓度为优化目标，在调节周期T下利用所述预设调节程序，调节所述第j个工作面的所述低负压抽采支管各抽采单元管的智能调节阀的开度，当所述各抽采单元的瓦斯浓度值均达到最大后，停止调节所述各抽采单元管的智能调节阀的开度，实现矿井瓦斯抽采系统的正常运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当高瓦斯煤矿回采工作面正常生产时，所述方法还包括：

①调节智能调节阀的开度，采集单个抽采单元在不同抽采负压P下抽采单元的瓦斯抽采纯量Q，拟合得到两者的函数关系式P＝f(Q)，并分析瓦斯抽采单元的最佳抽采负压P'；

②通过所述智能调节阀调节所述抽采单元保持所述最佳抽采负压，采集并记录所述瓦斯抽采纯量的实时数据，拟合得到所述抽采单元的所述瓦斯抽采纯量和时间t的函数:Q＝f(t)；

③随着瓦斯的抽采，抽采单元管抽采效率逐渐降低，当Q＝f(t)的一阶导数大于负1后，在调节周期T下采用所述预设调节程序，降低所述智能调节阀的阀门开度，直到瓦斯抽采浓度C提高至预设第二纯量阈值，或提高量达到预设第二纯量阈值但所述瓦斯抽采纯量已达到最大值时，停止调节所述智能调节阀的阀门开度。

3.根据权利要求1至2任一所述的方法，其特征在于，所述预设调节程序包括：设定时间T为调节周期，以监测抽采管道的瓦斯抽采纯量Q或瓦斯抽采浓度C增加为调节目标，由数据采集系统记录每一所述调节周期的所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度，通过数据处理系统将当前调节周期的所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度与上一调节周期的所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度做对比，并生成指令以调节智能调节阀门的开度；

当所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度增加，则控制所述智能调节阀门的调节方向和上一周期相同，如果所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度减少，则控制所述智能调节阀门的调节方向和上一周期相反；如果最近两个周期所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度变化幅度低于第三百分比阈值，则减小所述智能调节阀门的调节量；如果所述瓦斯抽采纯量或所述瓦斯抽采浓度调节到设定阈值，则本周期不调节所述智能调节阀门。

4.一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统，其特征在于，所述高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统用于执行权利要求1至3任一项所述的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法；所述调控系统包括瓦斯抽采泵站、高负压瓦斯抽采系统、低负压瓦斯抽采系统、数据采集系统、数据处理系统、智能调节阀；

所述瓦斯抽采泵站包括高负压瓦斯抽采泵和低负压瓦斯抽采泵；

所述高负压瓦斯抽采系统包括高负压抽采主管、高负压抽采干管、高负压抽采支管、高负压抽采单元管，所述高负压抽采单元管连接多个并联的抽采钻孔；

所述低负压瓦斯抽采系统包括低负压抽采主管、低负压抽采干管、低负压抽采支管、低负压抽采单元管，所述低负压抽采单元管分别为回采工作面采空区瓦斯抽采不同抽采工艺管路；

其中，所述高负压抽采单元管和所述低负压抽采单元管是所述瓦斯浓度调控系统的最小调控单位，用于抽采单个工作面具体区域的瓦斯；

所述单个工作面的每一个区域都设置有所述高负压抽采单元管和所述低负压抽采单元管，根据工作面不同区域的瓦斯浓度来调节对应抽采单元管的抽采能力。

5.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述数据处理系统用于在回采工作面瓦斯浓度超限时，根据各高负压抽采干管、高负压支管、高负压抽采单元管、各低负压抽采干管、低负压支管、低负压抽采单元管的管路监控信息，生成调节指令，并发送给所述智能调节阀。

6.根据权利要求4所述的调控系统，其特征在于，所述智能调节阀能够根据数据处理系统的指令调节阀门开度，控制抽采管路负压的变化，进而调节所述抽采管路的瓦斯抽采能力。

说明书

一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统

技术领域

[0001] 本申请实施例涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，具体而言，涉及一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统。

背景技术

[0002] “富煤、贫油、少气”的基本国情决定了煤炭在今后相当长一段时间内是我国的主要能源。近年来中国经济的高速发展，对各类资源的需求日益增加。作为“工业粮食”，煤炭
产量也逐年上升，使得全国煤矿开采以每年约10～20m的速度向深部延伸，因此部分地区煤
炭的开采条件变得恶化，开采深度、瓦斯含量、瓦斯压力、围岩应力等煤炭开采影响因素治
理难度增大。为了减少瓦斯涌出、防止瓦斯超限、降低瓦斯事故风险、提供舒适安全的通风
环境，煤矿行业研究了瓦斯预抽、采空区埋管、边采边抽、保护层开采、底抽巷、高抽巷、预裂
抽采等一系列瓦斯抽采技术，将回采过程中工作面的瓦斯浓度降低至安全范围以内。

[0003] 随着我国煤炭资源的整合，矿山企业机械化、智能化水平的提高，单个工作面的日产量大幅提升。当高瓦斯煤矿回采工作面在过局部瓦斯异常增高区域，或为了摆脱采空区
自然发火而快速回采时，极易造成工作面瓦斯浓度超限。回采工作面瓦斯浓度超限导致区
域断电，进一步影响回采进度，并形成恶性循环。为了尽快恢复进度，降低回采工作面瓦斯
浓度，防治瓦斯超限，通常采取增加瓦斯钻孔、调整抽采负压的措施。但是，增加瓦斯抽采钻
孔数量的手段，存在工期长、成本高等不足；调整抽采负压的手段主要依赖于经验，且影响
的管路范围较大。为了解决上述困难，特提出一种煤矿回采工作面瓦斯浓度智能调控的系
统及方法，通过调节目标单元管路的瓦斯抽采负压，在保障全矿井瓦斯抽采效果的前提下，
实现短期内回采工作面瓦斯浓度迅速降低的目的，为工作面的快速高效推进创造有利条
件。

发明内容

[0004] 本申请实施例在于提供一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统，旨在解决煤矿的瓦斯抽采系统抽采效率低，当瓦斯浓度超限时，无法快速降低回采工作面瓦
斯浓度的问题。

[0005] 本申请实施例第一方面提供一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，当高瓦斯煤矿回采工作面局部瓦斯异常增高或快速回采，第j个工作面发生瓦斯超限时，方法包
括：

[0006] ①高负压抽采支管抽采能力调节

[0007] 在调节周期T下采用预设调节程序，调节第j个高负压抽采支管智能调节阀开度，降低第j个高负压抽采支管邻近的高负压抽采支管智能调节阀开度，增强第j个高负压抽采
支管的抽采能力，直到第j个高负压抽采支管的瓦斯抽采纯量的增长量低于上一调节周期
瓦斯抽采纯量增长量的第一百分比阈值，停止调节各高负压抽采支管的智能调节阀；

[0008] ②低负压抽采支管抽采能力调节

[0009] 在调节周期T下采用预设调节程序，调节第j个低负压抽采支管智能调节阀开度，降低第j个低负压抽采支管邻近的低负压抽采支管智能调节阀开度，增强第j个低负压抽采
支管的抽采能力，直到第j个低负压抽采支管的瓦斯抽采纯量的增长量低于上一调节周期
瓦斯抽采纯量增长量的第二百分比阈值，停止调节各低负压抽采支管的智能调节阀；

[0010] ③高负压抽采单元管抽采能力调节

[0011] 增加距离第j个工作面最近的x个高负压抽采单元管的智能调节阀开度，同时降低其他高负压抽采单元管的智能调节阀开度，提高工作面附近区域抽采单元的抽采能力；当
高负压抽采单元管的瓦斯抽采纯量的增长率为负后，停止调节第j个工作面的高负压抽采
单元管的智能调节阀；

[0012] ④低负压抽采单元管抽采能力调节

[0013] 以低负压抽采支管瓦斯的抽采纯量为优化目标，在调节周期T下利用预设调节程序，依次调节第j个工作面的低负压抽采支管各抽采单元管智能调节阀的开度，当低负压抽
采支管的瓦斯抽采纯量提高至预设第一纯量阈值，或提高量不足预设第一纯量阈值但瓦斯
抽采纯量已达到最大值时，停止调节第j个工作面的低负压抽采支管各抽采单元管的智能
调节阀；

[0014] 当第j个工作面恢复正常生产后，为了降低低负压抽采支管因抽采负压增大而增加的漏风量，以各抽采单元的瓦斯浓度为优化目标，在调节周期T下利用预设调节程序，调
节第j个工作面的低负压抽采支管各抽采单元管的智能调节阀的开度，当各抽采单元的瓦
斯浓度值均达到最大后，停止调节各抽采单元管的智能调节阀的开度，实现矿井瓦斯抽采
系统的正常运行。

[0015] 可选地，当高瓦斯煤矿回采工作面正常生产时，方法还包括：

[0016] ①调节智能调节阀的开度，采集单个抽采单元在不同抽采负压P下抽采单元的瓦斯抽采纯量Q，拟合得到两者的函数关系式P＝f(Q)，并分析瓦斯抽采单元的最佳抽采负压
P'；

[0017] ②通过智能调节阀调节抽采单元保持最佳抽采负压，采集并记录瓦斯抽采纯量的实时数据，拟合得到抽采单元的瓦斯抽采纯量和时间t的函数:Q＝f(t)；

[0018] ③随着瓦斯的抽采，抽采单元管抽采效率逐渐降低，当Q＝f(t)的一阶导数大于负1后，在调节周期T下采用预设调节程序，降低智能调节阀的阀门开度，直到瓦斯抽采浓度C
提高至预设第二纯量阈值，或提高量达到预设第二纯量阈值但瓦斯抽采纯量已达到最大值
时，停止调节智能调节阀的阀门开度。

[0019] 可选地，预设调节程序包括：

[0020] 设定时间T为调节周期，以监测抽采管道的瓦斯抽采纯量Q或瓦斯抽采浓度C增加为调节目标，由数据采集系统记录每一调节周期的瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度，通过数
据处理系统将当前调节周期的瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度与上一调节周期的瓦斯抽采
纯量或瓦斯抽采浓度做对比，并生成指令以调节智能调节阀门的开度；

[0021] 当瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度增加，则控制智能调节阀门的调节方向和上一周期相同，如果瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度减少，则控制智能调节阀门的调节方向和上一
周期相反；如果最近两个周期瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度变化幅度低于第三百分比阈
值，则减小智能调节阀门的调节量；如果瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度调节到设定阈值，则
本周期不调节智能调节阀门。

[0022] 本申请第二方面提供一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统，包括：瓦斯抽采泵站、高负压瓦斯抽采系统、低负压瓦斯抽采系统、数据采集系统、数据处理系统、智能
调节阀；

[0023] 瓦斯抽采泵站包括高负压瓦斯抽采泵和低负压瓦斯抽采泵；

[0024] 高负压瓦斯抽采系统包括高负压抽采主管、高负压抽采干管、高负压抽采支管、高负压抽采单元管，高负压抽采单元管连接多个并联的抽采钻孔；

[0025] 低负压瓦斯抽采系统包括低负压抽采主管、低负压抽采干管、低负压抽采支管、低负压抽采单元管，低负压抽采单元管分别为回采工作面采空区瓦斯抽采不同抽采工艺管
路；

[0026] 其中，高负压抽采单元管和低负压抽采单元管是瓦斯浓度调控系统的最小调控单位，用于抽采单个工作面具体区域的瓦斯。

[0027] 可选地，瓦斯抽采泵站用于为高负压瓦斯抽采系统和低负压瓦斯抽采系统提供动力。

[0028] 可选地，数据采集系统为各类传感器组成的系统，用于采集抽采管路信息，包括瓦斯浓度传感器、抽采负压传感器、温度传感器、抽采流量传感器。

[0029] 可选地，数据处理系统用于在回采工作面瓦斯浓度超限时，根据各高负压抽采干管、高负压支管、高负压抽采单元管、各低负压抽采干管、低负压支管、低负压抽采单元管的
管路监控信息，生成调节指令，并发送给智能调节阀。

[0030] 可选地，智能调节阀能够根据数据处理系统的指令调节阀门开度，控制抽采管路负压的变化，进而调节抽采管路的瓦斯抽采能力。

[0031] 有益效果：

[0032] 本申请提供的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，通过预设调节程序调节各抽采支管的智能调节阀开度，降低瓦斯超限工作面邻近抽采支管的抽采能力，增强瓦斯
超限工作面的高负压抽采支管和低负压抽采支管的抽采能力；然后通过预设调节程序调节
各抽采单元管的智能调节阀开度，增强瓦斯超限工作面附近区域高负压抽采单元管的抽采
能力，同时降低其他高负压抽采单元管的抽采能力，最后通过预设调节程序遍历调节瓦斯
超限工作面低负压抽采支管各抽采单元管的智能调节阀开度，直至低负压抽采支管的瓦斯
抽采纯量提高至预设第一纯量阈值或达到最大值。采用本申请的调控方法，根据各区域瓦
斯浓度的不同，来调节对应抽采支管和抽采单元管的抽采能力，提高了抽采效率，节省了电
能，实现了短期内回采工作面瓦斯浓度迅速降低的目的，为工作面的快速高效推进创造有
利条件。

[0033] 其次，低负压抽采系统抽抽采的是一个相对通风环境下的瓦斯，在抽采瓦斯的过程中，低负压抽采支管的抽采负压增大，漏风量也会随着增加，漏风量的增加相当于增加了
环境中氧气的含量，环境中氧气含量的增加容易引起采空区自燃、瓦斯爆炸等事故，因此，
本申请的调控方法在瓦斯超限工作面瓦斯浓度降低后，采用预设调节程序调节各低负压抽
采单元管的智能调节阀开度，直至抽采单元管瓦斯浓度最大，停止调节阀门开度，控制了低
负压抽采支管因抽采负压增大而增加的漏风量，提升了回采工作面的安全性能，为工作面
的快速高效推进创造有利条件。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0035] 图1是本申请一实施例提出的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统的结构示意图；

[0036] 图2是本申请另一实施例提出的预设调节程序的步骤流程图。

[0037] 附图标记说明：1、低负压瓦斯抽采泵；2、高负压瓦斯抽采泵；3、智能调节阀；4、数据采集系统；5、低负压抽采主管；6、高负压抽采主管；7、低负压抽采干管；8、高负压抽采干
管；9、低负压抽采支管；10、低负压抽采单元管；11、高负压抽采支管；12、高负压抽采单元
管。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申
请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本申请保护的范围。

[0039] 相关技术中，通常采取增加瓦斯钻孔、调整抽采负压的措施。但是，增加瓦斯抽采钻孔数量的手段，存在工期长、成本高等不足；调整抽采负压的手段主要依赖于经验，且影
响的管路范围较大。

[0040] 有鉴于此，本申请提供的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，根据各区域瓦斯浓度的不同，来调节对应抽采支管和抽采单元管的抽采能力，提高了抽采效率，节省了
电能，实现了短期内回采工作面瓦斯浓度迅速降低的目的，为工作面的快速高效推进创造
有利条件。其次，在瓦斯超限工作面瓦斯浓度降低后，采用预设调节程序调节各低负压抽采
单元管的智能调节阀开度，直至抽采单元管瓦斯浓度最大，停止调节阀门开度，控制了低负
压抽采支管因抽采负压增大而增加的漏风量，提升了回采工作面的安全性能，为工作面的
快速高效推进创造有利条件。

[0041] 实施例一

[0042] 参照图1，示出了本申请一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统的结构示意图，如图1所示，高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统，包括：瓦斯抽采泵站、高负压
瓦斯抽采系统、低负压瓦斯抽采系统、数据采集系统4、数据处理系统、智能调节阀3。

[0043] 瓦斯抽采泵站包括高负压瓦斯抽采泵2和低负压瓦斯抽采泵1。

[0044] 高负压瓦斯抽采系统包括高负压抽采主管6、高负压抽采干管8、高负压抽采支管11、高负压抽采单元管12，高负压抽采单元管12连接多个并联的抽采钻孔，高负压瓦斯抽采
系统主要用于抽采多个抽采钻孔与煤壁之间区域的瓦斯，抽采的是一个相对密闭环境中的
瓦斯。

[0045] 高负压抽采单元管12并联后接入高负压抽采支管11，高负压抽采干管8并联后接入高负压抽采主管6；各高负压抽采主管6、高负压抽采干管8、高负压抽采支管11、高负压抽
采单元管12分别串联接入一套智能调节阀、数据采集系统4。

[0046] 高负压抽采主管6铺设于矿井回风井和回风大巷中，输送全矿井或多个采区的抽采瓦斯；高负压抽采干管8铺设在采区大巷或区段大巷；高负压抽采支管11铺设在回采工作
面顺槽或掘进工作面巷道中，输送单个采掘工作面的抽采瓦斯；高负压抽采单元管12是系
统的最小调控单位，抽采单个工作面具体区域的瓦斯。

[0047] 低负压瓦斯抽采系统包括低负压抽采主管5、低负压抽采干管7、低负压抽采支管9、低负压抽采单元管10，低负压抽采单元管10分别为回采工作面采空区瓦斯抽采不同抽采
工艺管路，工艺管路至少包括：上隅角浅部插管、打木垛深部插管、采空区埋管、密闭抽采管
路。低负压瓦斯抽采系统主要用于抽采回采工作面采空区各工艺管路的瓦斯，抽采的是一
个相对通风环境下的瓦斯。

[0048] 低负压抽采单元管10并联后接入低负压抽采支管9，低负压抽采干管7并联后接入低负压抽采主管5；各低负压抽采主管5、低负压抽采干管7、低负压抽采支管9、低负压抽采
单元管10分别串联接入一套智能调节阀、数据采集系统4。

[0049] 低负压抽采主管5铺设于矿井回风井和回风大巷中，输送全矿井或多个采区的抽采瓦斯；低负压抽采干管7铺设在采区大巷或区段大巷；低负压抽采支管9铺设在回采工作
面顺槽或掘进工作面巷道中，输送单个采掘工作面的抽采瓦斯；低负压抽采单元管10是系
统的最小调控单位，抽采单个工作面具体区域的瓦斯。

[0050] 其中，高负压抽采单元管12和低负压抽采单元管10是瓦斯浓度调控系统的最小调控单位，用于抽采单个工作面具体区域的瓦斯。

[0051] 高负压抽采系统和低负压抽采系统联合并行布置，其各自管路编号相同，根据铺设的区域确定；高负压抽采干管8或低负压抽采干管7数量为L(L≥2)；第i个高负压抽采干
管8或低负压抽采干管7连接的高负压抽采支管11或低负压抽采支管9数量为M(M≥2)；第j
个高负压抽采支管11连接的高负压抽采单元有N高个、第j个低负压抽采支管9连接的低负压
抽采单元有N低个。

[0052] 数据采集系统4为各类传感器组成的系统，用于采集抽采管路信息，包括瓦斯浓度传感器、抽采负压传感器、温度传感器、抽采流量传感器。

[0053] 数据处理系统用于在回采工作面瓦斯浓度超限时，根据各高负压抽采干管8、高负压支管、高负压抽采单元管12、各低负压抽采干管7、低负压支管、低负压抽采单元管10的管
路监控信息，生成调节指令，并发送给智能调节阀3。

[0054] 智能调节阀3能够根据数据处理系统的指令调节阀门开度，控制抽采管路负压的变化，进而调节抽采管路的瓦斯抽采能力。

[0055] 现有煤矿的瓦斯抽采系统只有抽采主管、抽采干管、抽采支管三级，抽采支管是抽采系统中的最小的调控单元，抽采支管是负责整个工作面的瓦斯抽采，当高瓦斯煤矿回采
工作面过局部瓦斯异常增高区域或快速回采时，采空区瓦斯容易在工作面上隅角积聚，也
就是说，瓦斯在工作面中各个区域的浓度是不一样的，而此时调节抽采支管的抽采负压，也
只是能对整个工作面进行无差别的抽采，抽采效率低，无法快速降低工作面的瓦斯浓度，实
现工作面的顺利推进。

[0056] 本申请的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统，抽采系统包括抽采主管、抽采干管、抽采支管、抽采单元管四级，抽采单元管是瓦斯浓度调控系统的最小调控单位，用
于抽采单个工作面具体区域的瓦斯，也就是说将单个工作面划分为多个不同的区域，在单
个工作面的每一个区域都设置有抽采单元管，根据工作面不同区域的瓦斯浓度来调节对应
抽采单元管的抽采能力，提高了抽采效率，节省了电能，实现了短期内回采工作面瓦斯浓度
迅速降低的目的，为工作面的快速高效推进创造有利条件。

[0057] 实施例二

[0058] 基于本申请实施例一提供的一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控系统，本申请另一实施例提供一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，包括：

[0059] 在瓦斯抽采管路中，管道压力是影响瓦斯抽采效果的重要因素。某一段抽采管道的瓦斯抽采流量与管道压力差的关系如式(1)所示：

[0060]

[0061] 式(1)中，Q流为瓦斯抽采流量；ΔP为管道两端的压力差；ρ为瓦斯流体密度；g为重力加速度；S为管道的摩擦阻力；L为管道长度。

[0062] 此外，当抽采支管负压值确定时，可通过控制阀门的开度来调节抽采单元的孔口负压。瓦斯通过阀门时会有流体阻力，以阀门前后的流体压力损失P损表示，对于紊流状态的
流体：

[0063]

[0064] 式(2)中，P损为阀门的压力损失；ζ为阀门的流阻系数，ζ与阀门的开度正相关；ν为瓦斯在管道中的平均流速。

[0065] 瓦斯抽采纯量正比于瓦斯抽采浓度C，由式(1)和式(2)可知，控制阀门开度能够调节瓦斯抽采单元负压，进而调节抽采单元的瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度C。

[0066] 高瓦斯煤矿回采工作面过局部瓦斯异常增高区域或快速回采时，采空区瓦斯容易在工作面上隅角积聚，并导致瓦斯浓度升高，甚至发生瓦斯超限，严重影响安全生产效率。
当第j个工作面因上述因素发生瓦斯超限时，一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方
法，包括：

[0067] ①高负压抽采支管11抽采能力调节

[0068] 在调节周期T下采用预设调节程序，调节第j个高负压抽采支管11智能调节阀3开度，降低第j个高负压抽采支管11邻近的高负压抽采支管11智能调节阀3开度，增强第j个高
负压抽采支管11的抽采能力，直到第j个高负压抽采支管11的瓦斯抽采纯量的增长量低于
上一调节周期瓦斯抽采纯量增长量的第一百分比阈值，停止调节各高负压抽采支管11的智
能调节阀3；示例的：第一百分比阈值可以是20％～50％之间的任意值。

[0069] ②低负压抽采支管9抽采能力调节

[0070] 在调节周期T下采用预设调节程序，调节第j个低负压抽采支管9智能调节阀3开度，降低第j个低负压抽采支管9邻近的低负压抽采支管9智能调节阀3开度，增强第j个低负
压抽采支管9的抽采能力，直到第j个低负压抽采支管9的瓦斯抽采纯量的增长量低于上一
调节周期瓦斯抽采纯量增长量的第二百分比阈值，停止调节各低负压抽采支管9的智能调
节阀3；示例的：第二百分比阈值可以是20％～50％之间的任意值。

[0071] ③高负压抽采单元管12抽采能力调节

[0072] 增加距离第j个工作面最近的x个高负压抽采单元管12的智能调节阀3开度，同时降低其他高负压抽采单元管12的智能调节阀3开度，提高工作面附近区域抽采单元的抽采
能力；当高负压抽采单元管12的瓦斯抽采纯量的增长率为负后，停止调节第j个工作面的高
负压抽采单元管12的智能调节阀3；

[0073] ④低负压抽采单元管10抽采能力调节

[0074] 以低负压抽采支管9瓦斯的抽采纯量为优化目标，在调节周期T下利用预设调节程序，依次调节第j个工作面的低负压抽采支管9各抽采单元管智能调节阀3的开度，当低负压
抽采支管9的瓦斯抽采纯量提高至预设第一纯量阈值，或提高量不足预设第一纯量阈值但
瓦斯抽采纯量已达到最大值时，停止调节第j个工作面的低负压抽采支管9各抽采单元管的
智能调节阀3；示例的：增加智能调节阀3的开度，瓦斯抽采纯量提高，在上一调节周期，抽采
纯量为10，继续增大智能调节阀3的开度，但抽采纯量为9，那么此时瓦斯抽采纯量的最大值
为10。

[0075] 当第j个工作面恢复正常生产后，为了降低低负压抽采支管9因抽采负压增大而增加的漏风量，以各抽采单元的瓦斯浓度为优化目标，在调节周期T下利用预设调节程序，调
节第j个工作面的低负压抽采支管9各抽采单元管的智能调节阀3的开度，当各抽采单元的
瓦斯浓度值均达到最大后，停止调节各抽采单元管的智能调节阀3的开度，实现矿井瓦斯抽
采系统的正常运行。

[0076] 本申请提供的高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法，通过预设调节程序调节各抽采支管的智能调节阀3开度，降低瓦斯超限工作面邻近抽采支管的抽采能力，增强瓦斯
超限工作面的高负压抽采支管11和低负压抽采支管9的抽采能力；然后通过预设调节程序
调节各抽采单元管的智能调节阀3开度，增强瓦斯超限工作面附近区域高负压抽采单元管
12的抽采能力，同时降低其他高负压抽采单元管12的抽采能力，最后通过预设调节程序遍
历调节瓦斯超限工作面低负压抽采支管9各抽采单元管的智能调节阀3开度，直至低负压抽
采支管9的瓦斯抽采纯量提高至预设第一纯量阈值或达到最大值。采用本申请的调控方法，
根据各区域瓦斯浓度的不同，来调节对应抽采支管和抽采单元管的抽采能力，提高了抽采
效率，节省了电能，实现了短期内回采工作面瓦斯浓度迅速降低的目的，为工作面的快速高
效推进创造有利条件。

[0077] 其次，低负压抽采系统抽抽采的是一个相对通风环境下的瓦斯，在抽采瓦斯的过程中，低负压抽采支管9的抽采负压增大，漏风量也会随着增加，漏风量的增加相当于增加
了环境中氧气的含量，环境中氧气含量的增加容易引起采空区自燃、瓦斯爆炸等事故，因
此，本申请的调控方法在瓦斯超限工作面瓦斯浓度降低后，采用预设调节程序调节各低负
压抽采单元管10的智能调节阀3开度，直至抽采单元管瓦斯浓度最大，停止调节阀门开度，
控制了低负压抽采支管9因抽采负压增大而增加的漏风量，提升了回采工作面的安全性能，
为工作面的快速高效推进创造有利条件。

[0078] 在另一种实施方式中，对于高瓦斯煤矿的瓦斯预抽区域，在正常生产过程中，其受到回采影响较小，瓦斯抽采效率衰减规律的较为稳定。当高瓦斯煤矿回采工作面正常生产
时，方法还包括：

[0079] ①调节智能调节阀3的开度，采集单个抽采单元在不同抽采负压P下抽采单元的瓦斯抽采纯量Q，拟合得到两者的函数关系式P＝f(Q)，并分析瓦斯抽采单元的最佳抽采负压
P'；

[0080] ②通过智能调节阀3调节抽采单元保持最佳抽采负压，采集并记录瓦斯抽采纯量的实时数据，拟合得到抽采单元的瓦斯抽采纯量和时间t的函数:Q＝f(t)；

[0081] ③随着瓦斯的抽采，抽采单元管抽采效率逐渐降低，当Q＝f(t)的一阶导数大于负1后，在调节周期T下采用预设调节程序，降低智能调节阀的阀门开度，直到瓦斯抽采浓度C
提高至预设第二纯量阈值，或提高量达到预设第二纯量阈值但瓦斯抽采纯量已达到最大值
时，停止调节智能调节阀的阀门开度。

[0082] 通过采集每个抽采单元管在不同抽采负压下抽采单元的瓦斯抽采纯量，由数据处理系统计算出抽采单元管的最佳抽采负压，通过智能调节阀3调节抽采单元保持最佳抽采
负压，实时采集瓦斯抽采纯量，通过实时采集的数据拟合得到抽采单元瓦斯纯量和时间的
函数，当该函数的一阶导数大于负1，也就是表示此时抽采单元管抽采效率低，通过预设调
节程序调节各抽采单元管的抽采能力，提升各抽采单元管的抽采效率，达到了节省电能、减
少漏风、提高抽采效率的技术效果。

[0083] 在本实施方式中，参照图2，示出了本申请预设调节程序的步骤流程图，如图2所示，预设调节程序包括：

[0084] 设定时间T为调节周期，以监测抽采管道的瓦斯抽采纯量Q或瓦斯抽采浓度C增加为调节目标，由数据采集系统4记录每一调节周期的瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度，通过数
据处理系统将当前调节周期的瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度与上一调节周期的瓦斯抽采
纯量或瓦斯抽采浓度做对比，并生成指令以调节智能调节阀3门的开度；

[0085] 当瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度增加，则控制智能调节阀3门的调节方向和上一周期相同，如果瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度减少，则控制智能调节阀3门的调节方向和上
一周期相反；如果最近两个周期瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度变化幅度低于第三百分比阈
值，则减小智能调节阀3门的调节量；如果瓦斯抽采纯量或瓦斯抽采浓度调节到设定阈值，
则本周期不调节智能调节阀3门。示例的，第三百分比阈值可以是20％～50％之间的任意
值。

[0086] 应当理解地，本申请说明书尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所
以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修
改。

[0087] 以上对本申请所提供的一种高瓦斯煤矿回采工作面瓦斯浓度调控方法及系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施
例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人
员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明
书内容不应理解为对本申请的限制。