侯永平

隨著我國(guó)煤炭的需求量與日俱增，產(chǎn)量大幅度提高，開采深度增加，采煤工藝改進(jìn)，礦井瓦斯涌出量也急劇增加，使得原有的低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井，高瓦斯礦井轉(zhuǎn)為突出礦井。突出礦井瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重，威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，制約著我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展。在發(fā)生突出礦井瓦斯事故的情況下，瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)指示最佳救災(zāi)和避災(zāi)路線，是保障煤礦安全的重要手段，對(duì)于預(yù)防井下瓦斯事故發(fā)生具有重要作用。因此，進(jìn)一步研究監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵技術(shù)對(duì)突出礦井瓦斯治理具有重要意義。

一、瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的原理及作用

瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)所安裝的檢測(cè)設(shè)備、工作站、報(bào)警斷電執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用連續(xù)工作方式，隨時(shí)會(huì)測(cè)出瓦斯含量，并在出現(xiàn)異常時(shí)，同時(shí)聲光報(bào)警和執(zhí)行區(qū)域斷電，可避免事故發(fā)生，并定時(shí)地將測(cè)量數(shù)據(jù)送到地面調(diào)度室和調(diào)度室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)度人員會(huì)隨時(shí)知道何處出現(xiàn)異常并根據(jù)情況采取相應(yīng)的措施，緩解危情，如調(diào)度風(fēng)量大小、決定是否撤出人員、如何撤出等。[1]瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)方面以及提高生產(chǎn)效率方面起著重要作用，是礦井生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一個(gè)重要標(biāo)志。

二、瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的檢測(cè)設(shè)備存在的問題

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的檢測(cè)設(shè)備即為瓦斯傳感器，其已經(jīng)成為礦井災(zāi)害預(yù)測(cè)和瓦斯綜合治理的關(guān)鍵性裝備。但是我國(guó)瓦斯傳感器的發(fā)展卻相對(duì)落后，與國(guó)外技術(shù)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(xiàn)象，對(duì)過(guò)分追求低功耗的元件，在礦井高濕度環(huán)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(fù)作用的結(jié)果造成零點(diǎn)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(duì)該情況，研究先進(jìn)的瓦斯檢測(cè)設(shè)備技術(shù)，顯得十分必要。

三、瓦斯檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)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(dòng)和旋轉(zhuǎn)變化表現(xiàn)不同的吸收峰，測(cè)量吸收光譜， 可知?dú)怏w類型，測(cè)量吸收強(qiáng)度，可知?dú)怏w濃度。[3]每種氣體都有自己的吸收光譜， 紅外甲烷傳感器應(yīng)用的是甲烷氣體在光波波長(zhǎng)處有一個(gè)極強(qiáng)的吸收峰，而雜質(zhì)氣體(水、CO2等)在此處無(wú)明顯吸收，從而達(dá)到測(cè)量的目的。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家多年來(lái)一直在研究將紅外吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于甲烷檢測(cè)，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(yīng)時(shí)間上具有一定優(yōu)勢(shì)。

可以說(shuō)，紅外傳感器在煤礦中的使用解決了現(xiàn)有甲烷傳感器存在響應(yīng)速度慢，選擇性差，測(cè)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(wú)法恢復(fù)，使用壽命短，標(biāo)定周期短的缺陷。但其也存在設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，體積較大，上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸局限于線纜的連接等缺點(diǎn)。

(二)光纖氣體檢測(cè)技術(shù)

光纖氣體檢測(cè)技術(shù)是一種以光信號(hào)為載體，以光纖為信號(hào)傳輸通道的高靈敏度的氣體檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于光纖甲烷檢測(cè)技術(shù)，一個(gè)重要的遙測(cè)甲烷的方法是測(cè)量它的吸收譜，差分吸收技術(shù)和波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)增加了其可操作性。

吸收原理表現(xiàn)在，被測(cè)氣體的吸收過(guò)程中，不同的氣體物質(zhì)有不同的吸收峰帶，即由于分子結(jié)構(gòu)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(shù)用以提高精度被廣泛采用，差分吸收法可采用單波長(zhǎng)雙光路法實(shí)現(xiàn)，也可用雙波長(zhǎng)單光路法實(shí)現(xiàn)。

光纖氣體傳感器具有優(yōu)秀的遠(yuǎn)距離監(jiān)控、抗電磁干擾和適于在有毒、易燃易爆環(huán)境運(yùn)用的特點(diǎn)，同時(shí)還具有高靈敏度，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，且耐高溫、高壓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗能少等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆椒?，色譜分析要求對(duì)污染氣體進(jìn)行采樣和處理，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)分析。基于不同物質(zhì)物化性質(zhì)的差異，在固定相(色譜柱)和流動(dòng)相(載氣)構(gòu)成的兩相體系中具有不同的分配系數(shù)(或吸附性能)，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些物質(zhì)隨流動(dòng)相一起遷移，并在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配 (吸附—脫附或溶解—析出)，使得那些分配系數(shù)只有微小差別的物質(zhì)，在遷移速度上產(chǎn)生了很大的差別，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，各組分之間達(dá)到了彼此的分離。被分離的物質(zhì)依次通過(guò)檢測(cè)裝置，給出每個(gè)物質(zhì)的信息，一般是一個(gè)色譜峰。通過(guò)出峰的時(shí)間和峰面積，可以對(duì)被分離物質(zhì)進(jìn)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(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其儀器笨重，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

四、瓦斯檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向

(一)智能化

隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，瓦斯檢測(cè)技術(shù)得到大力研究和開發(fā)。為實(shí)現(xiàn)瓦斯檢測(cè)設(shè)備智能化創(chuàng)造了條件。智能化技術(shù)的加入將會(huì)提高瓦斯檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度、延長(zhǎng)它的使用壽命、易于維護(hù)，并能降低成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。使用單片機(jī)、嵌入式芯片實(shí)現(xiàn)瓦斯自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)正以其速度快、精度高、功能齊全、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，成為瓦斯檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向[4]。

(二)無(wú)線化

目前與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送是通過(guò)有線串口連接，成本高且布線麻煩，固定之后不方便，移動(dòng)數(shù)據(jù)傳送距離與線長(zhǎng)有關(guān)。隨著無(wú)線電技術(shù)迅猛發(fā)展，以藍(lán)牙為代表的短距離通信的無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。[5]它可以通過(guò)低功耗，低成本以及小體積的芯片實(shí)現(xiàn)，甚至可以應(yīng)用于極微小的設(shè)備中，而且它不要求固定的基礎(chǔ)設(shè)施，且易于安裝和設(shè)置，不需要電纜即可實(shí)現(xiàn)連接，十分便捷，可大范圍用于煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯檢驗(yàn)。

[1]楊玲玲，宋磊，張文杰.煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)地應(yīng)用及發(fā)展[J].山西建筑，2010，(11).

[2]董璐.煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用探討[J].應(yīng)用科學(xué)，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(jìn)展[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，(6).

[4]劉莉娜，劉任慶.瓦斯檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀與對(duì)比研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，(8).

[5]陳漢義.基于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的一些探討[J].信息與電腦，2010，(5).