煤層瓦斯含量快速測定儀的研制與應用

孟祥峰 ，張 彬 ，葉錦嬌

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

在煤礦災害中，礦井瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出最易出現重大人員傷亡事故，因此，礦井瓦斯災害治理在煤礦安全生產中尤為重要[1-4]。而煤層中的瓦斯含量是決定礦井瓦斯涌出量的大小和礦井瓦斯等級的最主要指標，是瓦斯治理、煤與瓦斯突出防治、煤層氣開發等方面極其重要的基礎數據，也是煤與瓦斯突出危險性預測和評價煤層區域瓦斯抽采是否達標的重要指標[5-10]。

煤礦井下瓦斯含量測定分為直接法和間接法，其中間接法測量過程繁瑣，周期長，而然后采用解吸法直接測定煤層瓦斯含量，具有測定結果準確、測試速度快等優點，逐漸取代間接法[11-12]。為了能夠對煤層瓦斯含量進行快速測定，設計了一種基于STM32F103RCT6 微處理器的便攜式設備：利用氣體流量傳感器進行數據的采集，并轉換為數字信號通過232 總線傳入STM32 芯片，處理采集到的數據，通過屏幕進行采集顯示，通過按鍵操作將采集到的數據進行保存、打印、上傳。大量的現場測試結果表明：該煤層瓦斯含量測定儀操作便捷，測試效果較好，能夠滿足煤礦生產的安全需求。

1 煤層瓦斯含量快速測定儀的理論公式

煤層瓦斯含量由吸附瓦斯和游離瓦斯組成，其中吸附瓦斯又分為可解吸瓦斯和不可解吸瓦斯。

根據秦躍平等[13]通過對不同粒度下大量煤樣瓦斯解吸實驗數據進行處理分析，證明了式（1）最適合作為瓦斯解吸的經驗公式，通過采集獲得自煤樣暴露時刻起t1、t2、 ···、tn不同時刻對應的瞬時瓦斯流量數據V1、V2、···、Vn；由數組（t1，V1）、（t2，V2） 、···、 （tn，Vn）通過回歸分析獲得A和B：

式中：V為不同時刻的瞬時瓦斯流量數據，mL；m為煤樣罐中的煤粉質量，g；A為常壓條件下單位質量煤粉的可解吸瓦斯含量；B為反映瓦斯解吸速率的常數；t為煤樣的暴露時間，min。

結合預先實驗室測定的煤層瓦斯基礎參數數據，根據GB 41022—2021《煤礦瓦斯抽采基本指標》可得單位質量煤樣的常壓不可解吸瓦斯含量Xb：

式中：a、b為煤的瓦斯吸附常數；Ad為煤的干基灰分；Mad為煤的水分；φ為煤的孔隙率，cm3/cm3；ρ為煤的密度，g/cm3。

所以單位質量煤樣的吸附瓦斯含量Xa為：

根據朗格繆爾公式計算可得煤層瓦斯壓力p：

游離瓦斯Xc由式（5）獲得：

由此可得煤層真實瓦斯含量W：

2 便攜式煤層瓦斯含量快速測定儀

根據瓦斯含量測定理論公式，為了實現瓦斯含量的快速測定，關鍵是利用高精度氣體流量傳感器獲取瓦斯解吸過程中不同時刻的瞬時瓦斯流量，然后將數據傳輸至STM32 核心處理器，處理器依據理論算法進行計算，最終將得到煤層瓦斯含量值傳輸至液晶屏進行顯示，同時可以通過按鍵操作將結果進行保存、打印和上傳。

測定儀整體的硬件設計如圖1。

圖1 測定儀總體設計圖Fig.1 Overall design diagram of measuring instrument

測定儀主要由低功耗STM32F103RCT6MCU核心處理單元、防水薄膜按鍵、JTAG 調試口、航空插頭充電口、RS485 通訊口、本質安全型鋰離子電池、高精度氣體流量傳感器、蜂鳴器、指示燈、鐵電存儲器、TFT 液晶顯示屏等部分組成。

2.1 系統硬件電路

硬件原理圖如圖2。系統硬件電路主要是由核心處理單元、電池供電電路、信號處理電路、液晶屏顯示電路、串口通信電路以及數據存儲電路組成。

圖2 硬件原理圖Fig.2 Hardware schematic diagram

1）核心處理單元MCU。核心單元處理模塊如圖2 中T1模塊。測定儀選用STM32F103RCT6 芯片作為核心處理單元，此款芯片是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體規格是32 位，速度是72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM 容量是48 K，具有高性能、高集成度、低功耗等特點。

2）電池供電電路。電壓轉換電路如圖2 中的T2，實現穩定的3 V 輸出。測定儀額定工作電流240 mA,采用1 節PL115565 本安型鋰離子電池供電，電池額定電壓為3.7 V，額定容量3 Ah,可連續工作12 h，滿足工業現場實際測試需求。考慮到測定儀除流量傳感器外各模塊均為3 V 供電要求，選擇TPS6300DRCR 高效率降壓升壓電源管理芯片，該芯片是基于1 個固定頻率、脈沖寬度調制（PWM）控制器，使用同步整流以獲得最大效率，在低負載電流下，該芯片進入省電模式，以便在寬廣的負載電流范圍內保持高效率。

3）流量信號處理電路。流量信號處理電路如圖2 中T3模塊。測定儀所用MEMS 流量傳感器專門為各類小流量氣體的測量和過程控制而設計，具有極小的始動流量，采用熱質量流量計量，無需溫度壓力補償，低功耗，低壓損，響應時間快，多種最大流量量程可選。煤層瓦斯解吸速度通常為2～700 cm3/min，范圍很寬[14]，使得采用單量程傳感器較難滿足整個量程的測量精度。為此測定儀采用30 cm3/min 和750 cm3/min 這2 種流量量程的傳感器組合，2 種量程傳感器之間采用串聯安裝方式；當測量通路中氣體流量低于30 cm3/min時，測定儀自動選擇低量程傳感器進行計量；當流量達到30 cm3/min 臨界值時，測定儀能通過軟件邏輯實現量程自適應切換至高量程傳感器進行計量，既滿足寬范圍流量測定需求，又降低了小流量測量誤差，為設備的精準測量提供了保障。

4）液晶顯示模塊。LCD 顯示電路如圖2 中T5模塊。顯示屏采用了3.5 寸的TFT 液晶屏，TFT液晶顯示屏具有亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷等優點。通過顯示屏，可了解參數設置、實時瓦斯流量及瓦斯含量計算結果等信息。顯示模 塊 供 電 電 壓 為3 V， 通 過RS232 方 式與STM32F103RCT6 MCU 實現數據交互。

5）串口通信電路和數據存儲模塊。RS232 傳輸電路如圖2 中T4模塊，鐵電存儲電路如圖2 中T6模塊。測定儀需要對瓦斯流量及瓦斯含量計算結果等歷史數據信息進行存儲，并且保障掉電不丟失。測定儀存儲芯片選用FM25CL64B 鐵電存儲器。FM25CL64B 是采用高級鐵電工藝的64 KB 非易失性存儲器, 與其他非易失性存儲器相比，該產品具有顯著的寫入耐久性,能夠支持1 014 個讀/寫周期，比EEPROM 多1 億倍的寫周期, 這些功能使FM25CL64B 非常適合煤礦井下頻繁測量與存儲的應用環境。

2.2 系統軟件

測定儀軟件部分主要包括系統初始化、獲取時鐘、按鍵處理、數據采集與顯示及電池電量監測幾部分。軟件流程圖如圖3。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart

系統初始化主要包括配置中斷優先級分組、定時器、內部ADC、串口工作模式和波特率以及液晶屏初始參數等。獲取時鐘主要包括PWR 電源時鐘控制和BKP 后備時鐘控制。按鍵處理主要包括矩陣按鍵掃描函數，刷新時間為100 ms。數據采集與顯示主要包括瓦斯含量與壓力采集函數和液晶屏數據顯示函數兩部分。電池電量監測主要包括ADC 采集電壓函數。

瓦斯含量測定過程軟件邏輯為：打開流量傳感器電源及通訊，AD 轉換后獲取測量數值，MCU 進行數值解析，最后通過按鍵指引顯示屏進行數據顯示、保存、打印等操作。

3 結 語

基于煤層瓦斯解吸規律，利用STM32F103 RCT6 MCU 單片機以及MEMS 流量傳感器，設計了一款煤層瓦斯含量測定儀，實現了煤層瓦斯含量在10 min 內的快速測定，并可以將測定數據進行打印和上傳。經過現場應用，此測定儀測量的數值準確性高、測試效率高，體現了煤層瓦斯含量測定儀的便捷性與可靠性，在煤炭安全高效開采和煤層氣開發中將發揮一定作用。