矿井瓦斯监测技术的探讨及其应用

摘 要：我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44%， 采掘时极易发生瓦斯爆炸事故，严重的生产安全事故不仅造成了人民生命财产损失，而且影响社会安定，损害国家形象，因此减少或避免矿井瓦斯爆炸事故是一项迫切任务。提高我国瓦斯监测系统的可靠性，对瓦斯气体浓度进行准确、快速、 实时监测和预警，对工矿安全生产、人身安全和环境保护都有着十分重要的作用。下面笔者结合自身工作经验对煤矿安全瓦斯监测技术进行了阐述，以供同行探讨。

关键词：矿井瓦斯；监测；技术；探讨

一、瓦斯监测虚拟仪器技术

虚拟仪器（VirtualInstrument）是20世纪90年代以来随着计算机技术、测量仪器技术和软件技术的进步而逐渐发展起来的新的仪器概念。它由软件提供图形化的虚拟仪器面板，在硬件支持下对信号进行采样，经过软件处理而得到测量结果。

监测传感器将感测到的瓦斯浓度、风速等被测非电量转换成电信号，经数据采集卡将传感器输出的模拟电信号转化为数字信号，送入井下分站。井下分站及时接收各种传感器送来的现场信息，经处理后传送给地面中心站的主机，同时接收和执行地面主机下发的控制指令。地面中心站的计算机根据井下各分站送来的各种监测信息向有关分站发出指令，指挥分站控制某种对象。操作人员可根据计算机提供的清单向计算机发出控制指令。监测系统通过采用专门的虚拟仪器软件LabVIEW进行应用软件的编制，从而使矿井瓦斯安全监测系统通过计算机屏幕向操作人员或指挥调度人员提供监测传感器监测到的各种量值，由此提供基于监测量的井下各个设备的运行情况及各区域瓦斯的状况，从而为井下生产运行状态提供了最直接的反映，最终通过计算机屏幕实现良好的人机界面。

二、催化燃烧法

催化燃烧式瓦斯监测技术是通过给载体催化元件通以恒定的电流，加热至500℃左右，敏感元件对瓦斯的催化作用会使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧并释放出热量，元件温度随之上升，敏感元件铂丝的电阻值随之增加。利用惠斯登电桥测量电路可测出敏感元件电阻值的变化量，并可以进一步推算出相应的瓦斯含量。

仪器主要由传感器、电源、显示电路、放大电路、报警电路组成。空气中出现的甲烷气体会在传感器的黑白元件表面无焰燃烧，产生的热量被转变成电信号输出，再经过CPU处理，把甲烷气体的浓度计算出来，传输给显示电路与报警电路。

三、红外光谱系数法

光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱的一致性原理。当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光衰减这一特性研制成吸收型气体感器。甲烷分子具有四种固有的振动方式，相应产生四个基频，波长分别为3.433，6.522，3.312和7.58μm。在近红外区，有许多泛频带和组合带。例如，甲烷气体在1.33和1.67μm附近，都有较强的吸收.通过HITRAN数据库可以查得甲烷在1.33，1.67和3.31μm处的线型强度之比为：1：8：100。可见，甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过在近红外区域的吸收线强度。

其总体由以下四部分

1、光学部分：

红外吸收气体传感器由红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四部分组成。测量热电探头和参考热电探头均由热电敏感元件和滤光片组成，只有目标气体的吸收光谱才能穿越测量热电探头滤波片并被热电敏感元件吸收转化成电信号。热电探头产生的信号依赖于气体吸收红外光谱后入射辐射的变化。现在我们一般采用两路探测信号进行对比，一路测量信号（MEA），一路参考信号（REF）。

2、前置放大电路

由于红外探测器输出的信号很微弱，A/D芯片无法处理，而且也容易被噪声淹没。因此必须经过放大后才能对其进行处理。

3、滤波电路

滤波电路的作用是对前置放大级的输出信号进行粗略的滤波处理，去掉频率低于基频而高于二次频的噪声信号。可以认为带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波串联而成，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。

4、报警及显示

报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成。由单片机的两个I/O口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以两种都选择。当瓦斯浓度超出设定范围时，由声光报警装置提醒井下工作人员。

四、光干涉法

光干涉式瓦斯传感器作为测量混合空气中甲烷和二氧化碳等气体浓度的计量器具，其凭借测量精准度高、视场清晰、校对简单和使用方便等优势被广泛应用于煤矿井下环境检测工作。

光干涉式瓦斯传感器内部光学系统是由光源、聚光镜、平面镜、平行玻璃、气室、折射冷静、反射棱镜和望远镜等组成的。该传感器的原理是将甲烷测定器的甲烷室充入甲烷之后，因为空气室里面的组成成分不同，使得光程发生变化，从而导致干涉条纹出现变动，并且其变动的量与充入甲烷的浓度是正比关系。由PC机或微处理器处理后转换为与干涉条纹对应的数字波形图，通过确定数字波形水平偏移量S值的大小，便可计算出被测气体的浓度值；通过分别对每组干涉条纹中与两条极暗干涉条纹对应的两个最低电平中心点的距离L值与标准值之间的比较，自动对浓度值计算进行精度的补偿。因此，可以使用干涉条纹的变动量来计算甲烷的浓度。

五、激光光谱检测法

该检测法一种基于光波调制光谱法的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法，采用中心波长为 1653nm的近红外DFB半导体激光器作为CH4的检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块将激光器输出中心波长调谐到1653.7nm附近的CH4吸收线中心，信号发生电路产生的50Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过CH4气体的吸收线，信号发生电路同时产生5KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行高频调制；激光由尾纤输出通过连接法兰耦合入气体标定池，气体标定池中充满一个大气压标准浓度CH4气体，用于对检测吸收信号的实时标定，并对比标准气体波长和实测激光器波长，通过激光器温度和电流控制模块对激光波长漂移进行自适应调整，实现CH4气体近红外吸收线的锁定；从气体标定池输出的激光耦合进lxN路光纤分路器，lxN路光纤分路器的各路输出激光分别通过输入单模光纤传输到各个井下检测光路，各个井下检测光路放置有连接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器，井下气体透过PTFE隔膜进入微型光学传感器中，并由输出单模光纤输出经过气体吸收的光信号；各个输出光信号由对应的红外光电探测器接收，经光电转换后输出电信号，一路送锁相放大板进行二次谐波信号检测，锁相放大板的参考信号来自于所述的信号发生电路产生的正弦调制信号，另一路直接送数据采集、处理和控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大板输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响。归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的气体标定池的标准吸收信号对检测的吸收谱进行最小二乘积拟合得到监测点瓦斯气体的光程积分浓度，或除以总光程得到光程平均气体浓度。

六、小结

目前国内外对瓦斯的常规监测主要还是采用矿井瓦斯催化传感器，但催化元件存在工作不稳定、调校频繁和使用寿命短的缺点，严重制约着矿井瓦斯检测的可靠性。国内部分矿井已建立瓦斯浓度监测系统，基本上都是分支树型的网络结构，在井上设置控制中心主站，井下设置多个测控分站，各个分站信息用专用电缆传输信号，但是存在传感器接入不灵活、实现跟进不方便等缺点。因此，发展新型免维护、高灵敏度、工作稳定、使用安全的多点瓦斯实时监测系统，实现煤矿瓦斯的低误报率预警是目前的主要研究方向。

参考文献

[1] 李一男，刘永平，王汝林.一种矿用红外瓦斯传感器的检测模型[J].工矿自动化，2010

[2]孙和应.矿井瓦斯防治技术[M].中国矿业大学出版社，2009.

[3] 何莹，张玉钧等.基？于？激？光？吸？收？光？谱？多？点？瓦？斯？监？测？技？术？的？研？究.大气与环境光学学报，2008

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