非接触式高压注水流量计

非接触式高压注水流量计
摘要煤岩动力灾害作为当前煤矿重大灾害之一日益引起社会的重视。

注水技术作为当前解决煤岩动力灾害威胁的主要技术手段已全国普遍应用。

该技术中注水量成为该项技术成功发展的一大重要指标。

对此,通过非接触式高压注水流量监测设备,实现矿山恶劣条件下注水量及流量的非接触式实时监测,对矿山安全生产具有重大意义。

关键词流量计;非接触;注水
1 流量计发展现状
伴随我国煤矿采深增加,冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害愈加严重。

当前灾害治理措施中普遍采用静压注水或高压注水技术作为主要措施手段。

注水过程中的水流量的变化反映了煤层在高压水作用下的变化情况[1-3]。

注水量和流量是进行注水效果分析的重要技术指标。

传统流体流量计按工作方式主要有机械式、电阻式、电磁式、涡流式及多普勒等类型。

这些流量计测量范围较小,特别在煤矿等特殊场合,使用效果不理想。

需要有一种抗环境干扰能力强,操作简单,通用性强的流量计实现注水流量的监测。

2 流量计设计原理
矿用注水设备以柱塞式注水泵为主,其原理通过柱塞的往复式运动实现吸水,加压过程。

各柱塞通过曲轴相连,曲轴每转动一圈,注水泵完成一次工作循环。

根据其工作原理,通过监测曲轴单位时间转动圈数m,同时结合泄压阀的排水流量L1,即可实现注水流量L的监测。

对于注水柱塞或出水口存在流量损失的注水设备,配合流量修正k进行流量修正,以提高流量测算精度。

计算方法如式(1)所示。

注:D:柱塞直径;
l:柱塞行程;
n:柱塞个数;
v:曲轴转速;
k:修正值;
L1:泄压阀流量。

煤岩体注水过程中,高压水携带煤泥在煤体内部孔隙、裂隙间流动,并不断压
裂煤体产生新的裂隙,伴随注水时间增长,裂隙发育、贯通,并形成裂隙带[3]。

注水作业初期,注水量V与柱塞排水流量L成正比。

当注水接近最大影响半径时,当煤层水压达到设定注水压力,此时泄压阀自动打开, L出现波动,当煤层被压裂的同时,煤层内水压降低,泄压阀关闭,此时可通过流量L及时显示出来,如图1所示。

同理也可以通过注水量V做出注水曲线(如图2所示)。

根据矿山企业监测需要,系统可将该数据通过矿用监测系统实时传至地面,以便于注水观测和效果分析。

3 流量计硬件实现原理
根据系统设计原理,系统主要包含监测传感器,系统隔离电路,综合处理器,程序模块,控制模块,存储模块,显示单元与数据输出单元组成。

3.1 传感器系统
高压注水泵一般设置在距作业地点较近区域,存在灰尘大、湿度大、震动大等特点。

霍尔传感器根据试验在该条件下可以良好的工作。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,具有敏感度高,抗电磁干扰能力强,稳定性好等特点,因此系统选用霍尔传感器实现对曲轴转动的统计。

同时为防止传感器损坏对系统安全性造成影响,在系统输入端设计了隔离电路,当隔离电路检测到传感器故障,及时由系统发出故障警报,暂停本路传感器监测的系统动作,并将报警信号传送至地面检测中心。

3.2 信息处理系统
在恶劣条件下运行的设备,必须充分考虑系统稳定性和可靠性。

该系统采用了较先进的PIC16 F877单片机作为处理器。

该单片机具有运行速度快,稳定性好,环境适应性强等特点[4]。

根据设计一台信息处理系统可以同时监测多个高压注水设备的运行。

并实现数据的实时处理、显示,煤层变化时的报警提示功能。

在数据处理方面,系统实现数据本地图形显示,数据同步上传与注水参量统计功能。

本地图形显示可以根据实际注水需要变更图形显示比例,注水流量,流量变化时间统计与注水量、注入量变化时间统计两种模式,可以根据使用需求实时变更显示方法,设定优先显示通道。

数据输出模块可实现矿用通用的1mA~5mA,4mA~20mA和200Hz~1 000Hz的多种信号传输是应用不用矿区的使用要求。

4 结论
煤矿安全问题涉及到矿工人身安全,国家财产安全及社会影响等方方面面。

煤岩动力灾害作为当前煤矿重大灾害之一日益引起社会的重视。

注水技术作为当前解决煤岩动力灾害威胁的主要技术手段已全国普遍应用。

注水量成为该项技术
成功发展的一大重要指标。

对此通过非接触式高压注水流量监测设备,以霍尔元件作为传感器,通过数据采集,信息统计,数据集显示和数据实时传输及综合报警功能实现恶劣条件下注水量及流量的实时监测,对矿山安全生产具有重大意义。

参考文献
[1]牛锡俘,李兴云.对老顶高压注水是防治冲击地压的新途径[J].岩石力学与工程学报,1992,11(1):88-95.
[2]马江军,王延国.工作面静压预注水防冲、降尘技术研究[J].山东煤炭科技,2008,4:123-124.
[3]张君,韩建海.掘进工作面高压注水防突技术研究[J].机电产品开发与创新,2007,20(4):60-61.。