瓦斯檢測設備在礦井瓦斯治理中的運用分析

侯永平

隨著我國煤炭的需求量與日俱增，產量大幅度提高，開采深度增加，采煤工藝改進，礦井瓦斯涌出量也急劇增加，使得原有的低瓦斯礦井變為高瓦斯礦井，高瓦斯礦井轉為突出礦井。突出礦井瓦斯災害日趨嚴重，威脅著煤礦的安全生產，制約著我國煤炭工業的發展。在發生突出礦井瓦斯事故的情況下，瓦斯監測監控系統可以及時指示最佳救災和避災路線，是保障煤礦安全的重要手段，對于預防井下瓦斯事故發生具有重要作用。因此，進一步研究監測監控系統的關鍵設備與關鍵技術對突出礦井瓦斯治理具有重要意義。

一、瓦斯監測監控系統的原理及作用

瓦斯監測監控系統所安裝的檢測設備、工作站、報警斷電執行機構采用連續工作方式，隨時會測出瓦斯含量，并在出現異常時，同時聲光報警和執行區域斷電，可避免事故發生，并定時地將測量數據送到地面調度室和調度室計算機網絡中，調度人員會隨時知道何處出現異常并根據情況采取相應的措施，緩解危情，如調度風量大小、決定是否撤出人員、如何撤出等。[1]瓦斯監測監控系統在礦井的防災、減災方面以及提高生產效率方面起著重要作用，是礦井生產實現現代化管理的一個重要標志。

二、瓦斯監測監控系統中的檢測設備存在的問題

監測監控系統中的檢測設備即為瓦斯傳感器，其已經成為礦井災害預測和瓦斯綜合治理的關鍵性裝備。但是我國瓦斯傳感器的發展卻相對落后，與國外技術存在很大的差距。目前甲烷傳感器存在的主要問題是:普遍存在著抗中毒性能較差的現象，對過分追求低功耗的元件，在礦井高濕度環境條件下，瓦斯在元件表面燃燒生成的水蒸氣易降低元件使用壽命，抵抗高濃度瓦斯氣體沖擊性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情況下元件激活，反復作用的結果造成零點漂移并使其催化性能下降，抵抗高濃瓦斯氣體沖擊性能差;甲烷傳感器中模擬電路和載體催化元件制作工藝水平低，使元件一致性差。[2]針對該情況，研究先進的瓦斯檢測設備技術，顯得十分必要。

三、瓦斯檢測設備的技術解析

(一)紅外光譜法

紅外光譜法是基于不同化合物在光譜作用下由于振動和旋轉變化表現不同的吸收峰，測量吸收光譜， 可知氣體類型，測量吸收強度，可知氣體濃度。[3]每種氣體都有自己的吸收光譜， 紅外甲烷傳感器應用的是甲烷氣體在光波波長處有一個極強的吸收峰，而雜質氣體(水、CO2等)在此處無明顯吸收，從而達到測量的目的。

歐美等發達國家多年來一直在研究將紅外吸收光譜技術應用于甲烷檢測，在2004 年推出了煤礦用紅外甲烷傳感器。光源的選擇直接影響紅外甲烷傳感器靈敏度等性能，以分布反饋量子阱激光器為光源在靈敏度、選擇性、分辨率和響應時間上具有一定優勢。

可以說，紅外傳感器在煤礦中的使用解決了現有甲烷傳感器存在響應速度慢，選擇性差，測量精度低，受硫化氫氣體的干擾大，高濃度瓦斯易造成中毒而無法恢復，使用壽命短，標定周期短的缺陷。但其也存在設備復雜，價格昂貴，體積較大，上位機的數據傳輸局限于線纜的連接等缺點。

(二)光纖氣體檢測技術

光纖氣體檢測技術是一種以光信號為載體，以光纖為信號傳輸通道的高靈敏度的氣體檢測技術。對于光纖甲烷檢測技術，一個重要的遙測甲烷的方法是測量它的吸收譜，差分吸收技術和波長調制技術增加了其可操作性。

吸收原理表現在，被測氣體的吸收過程中，不同的氣體物質有不同的吸收峰帶，即由于分子結構和能量分布的差異各顯示出不同的吸收譜，它決定了氣體濃度的唯一性。差分吸收技術用以提高精度被廣泛采用，差分吸收法可采用單波長雙光路法實現，也可用雙波長單光路法實現。

光纖氣體傳感器具有優秀的遠距離監控、抗電磁干擾和適于在有毒、易燃易爆環境運用的特點，同時還具有高靈敏度，響應速度快，動態范圍大，且耐高溫、高壓，結構簡單，體積小，重量輕，耗能少等優點。唯一的不足在于提高靈敏度不夠高。

(三)氣相色譜法

氣相色譜法是一種分離分析檢測瓦斯濃度的方法，色譜分析要求對污染氣體進行采樣和處理，難以進行實時探測分析。基于不同物質物化性質的差異，在固定相(色譜柱)和流動相(載氣)構成的兩相體系中具有不同的分配系數(或吸附性能)，當兩相作相對運動時，這些物質隨流動相一起遷移，并在兩相間進行反復多次的分配 (吸附—脫附或溶解—析出)，使得那些分配系數只有微小差別的物質，在遷移速度上產生了很大的差別，經過一段時間后，各組分之間達到了彼此的分離。被分離的物質依次通過檢測裝置，給出每個物質的信息，一般是一個色譜峰。通過出峰的時間和峰面積，可以對被分離物質進行定性和定量分析。

氣相色譜法具有高效能、高選擇性、高靈敏度、分析速度快、應用范圍廣等優點，但其儀器笨重，難以進行實時檢測。

四、瓦斯檢測技術的發展方向

(一)智能化

隨著微電子技術、自動控制技術、通信技術和智能化技術的迅速發展，瓦斯檢測技術得到大力研究和開發。為實現瓦斯檢測設備智能化創造了條件。智能化技術的加入將會提高瓦斯檢測設備的測量精度、延長它的使用壽命、易于維護，并能降低成本，經濟效益可觀。使用單片機、嵌入式芯片實現瓦斯自動檢測的技術正以其速度快、精度高、功能齊全、操作簡便等特點得到廣泛的應用，成為瓦斯檢測技術發展的一個方向[4]。

(二)無線化

目前與上位機的數據傳送是通過有線串口連接，成本高且布線麻煩，固定之后不方便，移動數據傳送距離與線長有關。隨著無線電技術迅猛發展，以藍牙為代表的短距離通信的無線電技術已經廣泛應用到許多領域，如火災自動報警系統。[5]它可以通過低功耗，低成本以及小體積的芯片實現，甚至可以應用于極微小的設備中，而且它不要求固定的基礎設施，且易于安裝和設置，不需要電纜即可實現連接，十分便捷，可大范圍用于煤礦井下現場的瓦斯檢驗。

[1]楊玲玲，宋磊，張文杰.煤礦安全監測監控系統地應用及發展[J].山西建筑，2010，(11).

[2]董璐.煤礦瓦斯安全監測監控系統的應用探討[J].應用科學，2011，(10).

[3]柴化鵬，馮峰，白云峰，田茂忠，梁文娟，董川，雙少敏.瓦斯傳感器的研究進展[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2009，(6).

[4]劉莉娜，劉任慶.瓦斯檢測設備現狀與對比研究[J].現代電子技術，2011，(8).

[5]陳漢義.基于火災自動報警系統中應用藍牙技術的一些探討[J].信息與電腦，2010，(5).