基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統

李團結，白光星，張 琦，陳煒樂，鄧 軍，王彩萍，賈明鑠

（1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 黃陵 727307；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；4.淄博祥龍測控技術有限公司，山東 淄博 255000）

據統計，我國每年因煤炭自燃災害造成的直接或間接損失約50 億元，已成為制約我國煤炭工業發展的重要因素[1-3]。因此，對煤炭自燃的監測顯得尤為重要。煤自燃火災監測是指在煤層開采后，利用煤層自燃過程中氣體產物和溫度的變化，判識煤自然發火狀況，判斷發火位置，實現對煤自燃火災的實時在線監測預報預警[4]。礦用束管監測系統作為目前煤礦內因火災監測的重要方法之一[5]，具有高效、準確等優點，其通過監測煤自然環境中的氣體體積分數變化[6-7]，判斷封閉火區內煤自燃發展程度，為井下煤火防治的開展提供了重要的數據支持，保障了煤礦的安全高效開采，已成為煤自燃火災監測不可或缺的重要工具[8-9]。隨著礦井開采深度逐漸加大，束管應用長度越大，導致束管維護管理的難度日趨嚴重，長距離束管監測時逐漸顯現出氣體檢測易失真、系統可靠性和穩定性差、維護成本高、分析周期長、實時性較差等問題。同時，傳統束管采用負壓輸氣，易污染束管內氣樣，而且氣樣在輸送過程中，易因束管破損、折彎、水堵等情況，致使氣樣無法正常輸送至井上，無法采集到真實有效的氣體數據，影響對煤礦自燃火災信息的準確掌握[10]。因此，針對以上問題，在傳統束管色譜系統基礎上，結合微型氣相色譜檢測與數據網絡傳輸等技術[11]，研制了本安型井下微色譜和束管正壓輸氣泵站，形成了基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統。為煤自燃火災的準確預測預報提供有效的科學依據。

1 基于微色譜和正壓輸氣的煤礦自燃火災監測系統

基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統如圖1。

圖1 基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統Fig.1 Spontaneous combustion fire monitoring system for coal mines based on micro gas chromatography and positive pressure gas delivery technology

基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統主要由礦用本安型煤礦井下火災監測主站、束管輸氣系統、防爆開關、數據傳輸網絡、WEB 客戶端、系統監控平臺等組成，其主要裝置均布設于井下，并通過互聯網與井上電腦相連。在計算機控制下，井下微色譜可對監測點的氣體進行就近取樣與精確分析，實現對H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等氣體體積分數的在線監測，將其分析結果以報表和譜圖等方式提供給相關技術人員的同時，自動存入數據庫系統中。通過分析氣體體積分數、烷烯比等數據的變化特征，從而對煤自燃過程中的溫度變化趨勢進行預測預報。

1.1 微色譜系統

為降低功率，實現色譜技術的本質安全化，微色譜進樣采用微機電技術將微進樣系統集成于硅片，通過色譜儀內微型采樣泵自動將樣品注入色譜儀定量管中，達到精準定量進樣的目的。微色譜系統原理圖如圖2。微色譜系統外圍氣路設計原理圖如圖3。

圖2 微色譜系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of micro gas chromatography system

圖3 微色譜系統外圍氣路設計原理圖Fig.3 Schematic diagram of peripheral gas circuit design of micro chromatographic system

微型氣相色譜儀使用1～2 個色譜通道來設計，每個通道或模塊是1 個獨立的氣相色譜儀，由微型進樣器、微型熱導檢測器和高分離度毛細色譜柱組成。樣品從前進樣口進入，分別進入各個通道。隨后真空泵開啟（同時微進樣閥打開），將樣品通過進樣口同時吸入各個模塊的微進樣器內，沖洗死體積并充滿定量環。隨后真空泵停，微進樣閥關閉。載氣進入微進樣器的定量環中，將樣品氣壓入色譜柱。樣品在色譜柱中進行分離后，按相應程序進入微熱導檢測器。微熱導檢測器將檢測到的信號通過放大器放大后，送至電腦進行處理，得到反映樣品成分和色譜分離效果的色譜圖和數據，并由打印機輸出。

載氣控制系統采用GC99 的電子壓力控制系統，對載氣流量進行精準控制。系統是由壓力傳感器、電子壓力控制閥（比例控制閥）與訊號處理板組成的反饋電路。當壓力傳感器測得的氣路實際壓強與設定值不同時，將電壓輸出到訊號處理板，訊號處理板響應出新電壓并反饋至比例控制閥，通過閥門調節閥孔開啟面積，從而改變流量。較高的反饋頻率可達到相對穩定的壓力實時控制效果。再用空心毛細色譜柱分離樣品時，在程序升溫條件下，電子壓力控制裝置（EPC 系統）調節柱頭壓實現恒定流量，常用柱壓范圍20～35 psi（1 psi=6.895 kPa）。

1.2 束管正壓輸氣技術

為了實現正壓輸氣，避免負壓輸氣帶來的氣體運動速度慢和被檢氣體易污染的問題，結合專用束管輸氣泵站的設計，對井下氣體傳輸部分進行設計。

專用束管輸氣泵站的進氣端為負壓進氣, 與主站采樣智能防護裝置連接；專用束管輸氣泵站的輸氣端為正壓輸氣，與微色譜監測主站連接。主站采樣智能防護裝置連接束管分路箱，在主站采樣智能防護裝置與分路箱之間設有冷凝泄壓裝置，該冷凝泄壓裝置連接排水裝置，冷凝泄壓裝置可將管道中的水氣冷凝后通過排水裝置排出，避免水氣在對井下氣體分析時產生誤差。井下待測氣體經主站采樣智能防護裝置負壓進入束管輸氣泵，經正壓輸氣后送入礦用本安型煤礦自然發火束管微色譜監測主站進行氣體分析，分析數據處理后經數據傳輸網絡傳至地面系統監控平臺。

1.3 火災監測主站微色譜分析

為保證礦井數據的實時在線監測，通過多組分氣體分析主站對氣體進行快速分析監測，將檢測的結果通過網絡通信接口上傳至上位機數據庫，利用計算機軟件技術對主站進行自動控制。

KSS200（D）-Z 礦用本安型煤礦井下火災監測主站由微型色譜儀、驅動電路、電磁閥及采樣控制模塊等部分組成，被封裝于本安的色譜監測分站的箱體內，是束管監測系統的核心部分。利用井上系統管理平臺設定色譜監測分站系統的運行參數后，經井上系統管理平臺的遠程控制，將束管采樣得到的井下氣體依次分別通過色譜儀進樣分析，并將結果通過數據傳輸網絡發送至井上系統管理平臺。通過井上的監控平臺軟件，操控監測分站，獲取監測分站的分析結果。

系統采用Microsoft Visual Studio 2013 進行井下微色譜數據傳輸的軟件平臺開發，針對不同用戶系統支持的需要，采用Microsoft .Net Framework 4.0運行平臺，保證了良好的兼容性；且引入最新的界面工具庫，增強了系統的可操作性，針對需在網絡遠程控制下進行操作的軟件系統，設計了一套嚴密的故障處理與容錯機制，并經過嚴格的測試，使系統可以在各種設備故障、網絡通信等方面有較強的適應性，從而保證最大的耐用性。

在數據處理系統中，設計了一種人機交互的圖形化操作模式，極大地降低了數據處理的難度，同時，通過圖形化的數據分析方式，使用戶可以更直觀的監控煤礦井下自燃火災發展變化的動態過程；并運用美國Aglient 分析儀器公司開發的多功能色譜數據處理工作站軟件，對樣品進行測試并得到樣品的分析結果。

2 系統的應用及數據分析

基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統是用于煤礦自燃火災預測預報的新型控制系統，系統通過束管正壓輸氣泵站，將井下煤層監測點氣體輸送至由微機控制的礦用本安型井下火災監測主站中，進行氣體組分體積分數的檢測，并通過分析氣體體積分數的變化趨勢，判斷井下自然發火程度，從而為煤礦的安全生產提供科學依據。

考察微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統的精度通常采用相對標準偏差來表示。在一定試驗條件下，重復進樣6 次，計算數據的相對標準偏差RSD。相對標準偏差是指標準偏差S 和測量結果算術平均值X 之比。

采用1 組標準氣體進行檢測，計算相對標準偏差。通過6 次分析測試，得到各個氣體分析組分的相對標準偏差。試驗數據及相對標準偏差見表1。

表1 試驗數據及相對標準偏差Table 1 Test data and relative standard deviation

通過試驗可得：

1）利用微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統能夠分析出絕大多數煤自燃標志性氣體，主要技術指標達到使用要求。

2）基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統提高了系統輸氣速度，是傳統負壓輸氣的5～10 倍；保證氣體不受污染，分析氣體種類增多，提高了系統分析精度。

3）系統性能穩定，符合井下使用要求，1 次進樣可在2～3 min 內同時分析出10 種氣體組分，系統相對標準偏差≤1.54%，相對精度達到1.0%。采用可變體積進樣器或大體積進樣，相對標準偏差＜1%，采用固定體積進樣，相對標準偏差＜0.2%，檢測限可達到1×10-6。

3 結 語

通過對國內外煤礦井下監測技術的分析與研究，結合我國煤礦的實際情況，研發出一種能夠在井下進行束管采樣、氣樣分析的基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統。該監測系統利用微型熱導檢測器靈敏度高、穩定性強的特點提供了氣相色譜儀井下應用的條件；利用束管正壓輸氣技術解決了負壓輸氣帶來的氣體運動速度慢和被檢氣體易污染等問題；利用計算機自動控制實現了無人值守與自動化運行；利用工業環網通信為數據的共享提供了便利。基于微色譜和正壓輸氣技術的煤礦自燃火災監測系統的應用不僅真正實現了井下氣體井下分析，而且為煤礦安全生產工作提供了更有利的技術支持。