瓦斯检测设备在矿井瓦斯治理中的运用分析

侯永平

随着我国煤炭的需求量与日俱增，产量大幅度提高，开采深度增加，采煤工艺改进，矿井瓦斯涌出量也急剧增加，使得原有的低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井转为突出矿井。突出矿井瓦斯灾害日趋严重，威胁着煤矿的安全生产，制约着我国煤炭工业的发展。在发生突出矿井瓦斯事故的情况下，瓦斯监测监控系统可以及时指示最佳救灾和避灾路线，是保障煤矿安全的重要手段，对于预防井下瓦斯事故发生具有重要作用。因此，进一步研究监测监控系统的关键设备与关键技术对突出矿井瓦斯治理具有重要意义。

一、瓦斯监测监控系统的原理及作用

瓦斯监测监控系统所安装的检测设备、工作站、报警断电执行机构采用连续工作方式，随时会测出瓦斯含量，并在出现异常时，同时声光报警和执行区域断电，可避免事故发生，并定时地将测量数据送到地面调度室和调度室计算机网络中，调度人员会随时知道何处出现异常并根据情况采取相应的措施，缓解危情，如调度风量大小、决定是否撤出人员、如何撤出等。[1]瓦斯监测监控系统在矿井的防灾、减灾方面以及提高生产效率方面起着重要作用，是矿井生产实现现代化管理的一个重要标志。

二、瓦斯监测监控系统中的检测设备存在的问题

监测监控系统中的检测设备即为瓦斯传感器，其已经成为矿井灾害预测和瓦斯综合治理的关键性装备。但是我国瓦斯传感器的发展却相对落后，与国外技术存在很大的差距。目前甲烷传感器存在的主要问题是:普遍存在着抗中毒性能较差的现象，对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下，瓦斯在元件表面燃烧生成的水蒸气易降低元件使用寿命，抵抗高浓度瓦斯气体冲击性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活，反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降，抵抗高浓瓦斯气体冲击性能差;甲烷传感器中模拟电路和载体催化元件制作工艺水平低，使元件一致性差。[2]针对该情况，研究先进的瓦斯检测设备技术，显得十分必要。

三、瓦斯检测设备的技术解析

(一)红外光谱法

红外光谱法是基于不同化合物在光谱作用下由于振动和旋转变化表现不同的吸收峰，测量吸收光谱， 可知气体类型，测量吸收强度，可知气体浓度。[3]每种气体都有自己的吸收光谱， 红外甲烷传感器应用的是甲烷气体在光波波长处有一个极强的吸收峰，而杂质气体(水、CO2等)在此处无明显吸收，从而达到测量的目的。

欧美等发达国家多年来一直在研究将红外吸收光谱技术应用于甲烷检测，在2004 年推出了煤矿用红外甲烷传感器。光源的选择直接影响红外甲烷传感器灵敏度等性能，以分布反馈量子阱激光器为光源在灵敏度、选择性、分辨率和响应时间上具有一定优势。

可以说，红外传感器在煤矿中的使用解决了现有甲烷传感器存在响应速度慢，选择性差，测量精度低，受硫化氢气体的干扰大，高浓度瓦斯易造成中毒而无法恢复，使用寿命短，标定周期短的缺陷。但其也存在设备复杂，价格昂贵，体积较大，上位机的数据传输局限于线缆的连接等缺点。

(二)光纤气体检测技术

光纤气体检测技术是一种以光信号为载体，以光纤为信号传输通道的高灵敏度的气体检测技术。对于光纤甲烷检测技术，一个重要的遥测甲烷的方法是测量它的吸收谱，差分吸收技术和波长调制技术增加了其可操作性。

吸收原理表现在，被测气体的吸收过程中，不同的气体物质有不同的吸收峰带，即由于分子结构和能量分布的差异各显示出不同的吸收谱，它决定了气体浓度的唯一性。差分吸收技术用以提高精度被广泛采用，差分吸收法可采用单波长双光路法实现，也可用双波长单光路法实现。

光纤气体传感器具有优秀的远距离监控、抗电磁干扰和适于在有毒、易燃易爆环境运用的特点，同时还具有高灵敏度，响应速度快，动态范围大，且耐高温、高压，结构简单，体积小，重量轻，耗能少等优点。唯一的不足在于提高灵敏度不够高。

(三)气相色谱法

气相色谱法是一种分离分析检测瓦斯浓度的方法，色谱分析要求对污染气体进行采样和处理，难以进行实时探测分析。基于不同物质物化性质的差异，在固定相(色谱柱)和流动相(载气)构成的两相体系中具有不同的分配系数(或吸附性能)，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起迁移，并在两相间进行反复多次的分配 (吸附—脱附或溶解—析出)，使得那些分配系数只有微小差别的物质，在迁移速度上产生了很大的差别，经过一段时间后，各组分之间达到了彼此的分离。被分离的物质依次通过检测装置，给出每个物质的信息，一般是一个色谱峰。通过出峰的时间和峰面积，可以对被分离物质进行定性和定量分析。

气相色谱法具有高效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快、应用范围广等优点，但其仪器笨重，难以进行实时检测。

四、瓦斯检测技术的发展方向

(一)智能化

随着微电子技术、自动控制技术、通信技术和智能化技术的迅速发展，瓦斯检测技术得到大力研究和开发。为实现瓦斯检测设备智能化创造了条件。智能化技术的加入将会提高瓦斯检测设备的测量精度、延长它的使用寿命、易于维护，并能降低成本，经济效益可观。使用单片机、嵌入式芯片实现瓦斯自动检测的技术正以其速度快、精度高、功能齐全、操作简便等特点得到广泛的应用，成为瓦斯检测技术发展的一个方向[4]。

(二)无线化

目前与上位机的数据传送是通过有线串口连接，成本高且布线麻烦，固定之后不方便，移动数据传送距离与线长有关。随着无线电技术迅猛发展，以蓝牙为代表的短距离通信的无线电技术已经广泛应用到许多领域，如火灾自动报警系统。[5]它可以通过低功耗，低成本以及小体积的芯片实现，甚至可以应用于极微小的设备中，而且它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置，不需要电缆即可实现连接，十分便捷，可大范围用于煤矿井下现场的瓦斯检验。

[1]杨玲玲，宋磊，张文杰.煤矿安全监测监控系统地应用及发展[J].山西建筑，2010，(11).

[2]董璐.煤矿瓦斯安全监测监控系统的应用探讨[J].应用科学，2011，(10).

[3]柴化鹏，冯峰，白云峰，田茂忠，梁文娟，董川，双少敏.瓦斯传感器的研究进展[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2009，(6).

[4]刘莉娜，刘任庆.瓦斯检测设备现状与对比研究[J].现代电子技术，2011，(8).

[5]陈汉义.基于火灾自动报警系统中应用蓝牙技术的一些探讨[J].信息与电脑，2010，(5).