基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统

李团结，白光星，张 琦，陈炜乐，邓 军，王彩萍，贾明铄

（1.陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 黄陵 727307；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；4.淄博祥龙测控技术有限公司，山东 淄博 255000）

据统计，我国每年因煤炭自燃灾害造成的直接或间接损失约50 亿元，已成为制约我国煤炭工业发展的重要因素[1-3]。因此，对煤炭自燃的监测显得尤为重要。煤自燃火灾监测是指在煤层开采后，利用煤层自燃过程中气体产物和温度的变化，判识煤自然发火状况，判断发火位置，实现对煤自燃火灾的实时在线监测预报预警[4]。矿用束管监测系统作为目前煤矿内因火灾监测的重要方法之一[5]，具有高效、准确等优点，其通过监测煤自然环境中的气体体积分数变化[6-7]，判断封闭火区内煤自燃发展程度，为井下煤火防治的开展提供了重要的数据支持，保障了煤矿的安全高效开采，已成为煤自燃火灾监测不可或缺的重要工具[8-9]。随着矿井开采深度逐渐加大，束管应用长度越大，导致束管维护管理的难度日趋严重，长距离束管监测时逐渐显现出气体检测易失真、系统可靠性和稳定性差、维护成本高、分析周期长、实时性较差等问题。同时，传统束管采用负压输气，易污染束管内气样，而且气样在输送过程中，易因束管破损、折弯、水堵等情况，致使气样无法正常输送至井上，无法采集到真实有效的气体数据，影响对煤矿自燃火灾信息的准确掌握[10]。因此，针对以上问题，在传统束管色谱系统基础上，结合微型气相色谱检测与数据网络传输等技术[11]，研制了本安型井下微色谱和束管正压输气泵站，形成了基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统。为煤自燃火灾的准确预测预报提供有效的科学依据。

1 基于微色谱和正压输气的煤矿自燃火灾监测系统

基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统如图1。

图1 基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统Fig.1 Spontaneous combustion fire monitoring system for coal mines based on micro gas chromatography and positive pressure gas delivery technology

基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统主要由矿用本安型煤矿井下火灾监测主站、束管输气系统、防爆开关、数据传输网络、WEB 客户端、系统监控平台等组成，其主要装置均布设于井下，并通过互联网与井上电脑相连。在计算机控制下，井下微色谱可对监测点的气体进行就近取样与精确分析，实现对H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等气体体积分数的在线监测，将其分析结果以报表和谱图等方式提供给相关技术人员的同时，自动存入数据库系统中。通过分析气体体积分数、烷烯比等数据的变化特征，从而对煤自燃过程中的温度变化趋势进行预测预报。

1.1 微色谱系统

为降低功率，实现色谱技术的本质安全化，微色谱进样采用微机电技术将微进样系统集成于硅片，通过色谱仪内微型采样泵自动将样品注入色谱仪定量管中，达到精准定量进样的目的。微色谱系统原理图如图2。微色谱系统外围气路设计原理图如图3。

图2 微色谱系统原理图Fig.2 Schematic diagram of micro gas chromatography system

图3 微色谱系统外围气路设计原理图Fig.3 Schematic diagram of peripheral gas circuit design of micro chromatographic system

微型气相色谱仪使用1～2 个色谱通道来设计，每个通道或模块是1 个独立的气相色谱仪，由微型进样器、微型热导检测器和高分离度毛细色谱柱组成。样品从前进样口进入，分别进入各个通道。随后真空泵开启（同时微进样阀打开），将样品通过进样口同时吸入各个模块的微进样器内，冲洗死体积并充满定量环。随后真空泵停，微进样阀关闭。载气进入微进样器的定量环中，将样品气压入色谱柱。样品在色谱柱中进行分离后，按相应程序进入微热导检测器。微热导检测器将检测到的信号通过放大器放大后，送至电脑进行处理，得到反映样品成分和色谱分离效果的色谱图和数据，并由打印机输出。

载气控制系统采用GC99 的电子压力控制系统，对载气流量进行精准控制。系统是由压力传感器、电子压力控制阀（比例控制阀）与讯号处理板组成的反馈电路。当压力传感器测得的气路实际压强与设定值不同时，将电压输出到讯号处理板，讯号处理板响应出新电压并反馈至比例控制阀，通过阀门调节阀孔开启面积，从而改变流量。较高的反馈频率可达到相对稳定的压力实时控制效果。再用空心毛细色谱柱分离样品时，在程序升温条件下，电子压力控制装置（EPC 系统）调节柱头压实现恒定流量，常用柱压范围20～35 psi（1 psi=6.895 kPa）。

1.2 束管正压输气技术

为了实现正压输气，避免负压输气带来的气体运动速度慢和被检气体易污染的问题，结合专用束管输气泵站的设计，对井下气体传输部分进行设计。

专用束管输气泵站的进气端为负压进气, 与主站采样智能防护装置连接；专用束管输气泵站的输气端为正压输气，与微色谱监测主站连接。主站采样智能防护装置连接束管分路箱，在主站采样智能防护装置与分路箱之间设有冷凝泄压装置，该冷凝泄压装置连接排水装置，冷凝泄压装置可将管道中的水气冷凝后通过排水装置排出，避免水气在对井下气体分析时产生误差。井下待测气体经主站采样智能防护装置负压进入束管输气泵，经正压输气后送入矿用本安型煤矿自然发火束管微色谱监测主站进行气体分析，分析数据处理后经数据传输网络传至地面系统监控平台。

1.3 火灾监测主站微色谱分析

为保证矿井数据的实时在线监测，通过多组分气体分析主站对气体进行快速分析监测，将检测的结果通过网络通信接口上传至上位机数据库，利用计算机软件技术对主站进行自动控制。

KSS200（D）-Z 矿用本安型煤矿井下火灾监测主站由微型色谱仪、驱动电路、电磁阀及采样控制模块等部分组成，被封装于本安的色谱监测分站的箱体内，是束管监测系统的核心部分。利用井上系统管理平台设定色谱监测分站系统的运行参数后，经井上系统管理平台的远程控制，将束管采样得到的井下气体依次分别通过色谱仪进样分析，并将结果通过数据传输网络发送至井上系统管理平台。通过井上的监控平台软件，操控监测分站，获取监测分站的分析结果。

系统采用Microsoft Visual Studio 2013 进行井下微色谱数据传输的软件平台开发，针对不同用户系统支持的需要，采用Microsoft .Net Framework 4.0运行平台，保证了良好的兼容性；且引入最新的界面工具库，增强了系统的可操作性，针对需在网络远程控制下进行操作的软件系统，设计了一套严密的故障处理与容错机制，并经过严格的测试，使系统可以在各种设备故障、网络通信等方面有较强的适应性，从而保证最大的耐用性。

在数据处理系统中，设计了一种人机交互的图形化操作模式，极大地降低了数据处理的难度，同时，通过图形化的数据分析方式，使用户可以更直观的监控煤矿井下自燃火灾发展变化的动态过程；并运用美国Aglient 分析仪器公司开发的多功能色谱数据处理工作站软件，对样品进行测试并得到样品的分析结果。

2 系统的应用及数据分析

基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统是用于煤矿自燃火灾预测预报的新型控制系统，系统通过束管正压输气泵站，将井下煤层监测点气体输送至由微机控制的矿用本安型井下火灾监测主站中，进行气体组分体积分数的检测，并通过分析气体体积分数的变化趋势，判断井下自然发火程度，从而为煤矿的安全生产提供科学依据。

考察微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统的精度通常采用相对标准偏差来表示。在一定试验条件下，重复进样6 次，计算数据的相对标准偏差RSD。相对标准偏差是指标准偏差S 和测量结果算术平均值X 之比。

采用1 组标准气体进行检测，计算相对标准偏差。通过6 次分析测试，得到各个气体分析组分的相对标准偏差。试验数据及相对标准偏差见表1。

表1 试验数据及相对标准偏差Table 1 Test data and relative standard deviation

通过试验可得：

1）利用微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统能够分析出绝大多数煤自燃标志性气体，主要技术指标达到使用要求。

2）基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统提高了系统输气速度，是传统负压输气的5～10 倍；保证气体不受污染，分析气体种类增多，提高了系统分析精度。

3）系统性能稳定，符合井下使用要求，1 次进样可在2～3 min 内同时分析出10 种气体组分，系统相对标准偏差≤1.54%，相对精度达到1.0%。采用可变体积进样器或大体积进样，相对标准偏差＜1%，采用固定体积进样，相对标准偏差＜0.2%，检测限可达到1×10-6。

3 结 语

通过对国内外煤矿井下监测技术的分析与研究，结合我国煤矿的实际情况，研发出一种能够在井下进行束管采样、气样分析的基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统。该监测系统利用微型热导检测器灵敏度高、稳定性强的特点提供了气相色谱仪井下应用的条件；利用束管正压输气技术解决了负压输气带来的气体运动速度慢和被检气体易污染等问题；利用计算机自动控制实现了无人值守与自动化运行；利用工业环网通信为数据的共享提供了便利。基于微色谱和正压输气技术的煤矿自燃火灾监测系统的应用不仅真正实现了井下气体井下分析，而且为煤矿安全生产工作提供了更有利的技术支持。