煤矿硫化氢检测方法研究

郑 雪

（山东省煤田地质局第五勘探队，山东 济南 250100）

煤矿中硫化氢是危害人体健康的毒气，为快速检测硫化氢气体，做出及时预防，许多专家学者针对此开展相关研究。曾永达等人[1]对硫化氢检测方法和原理进行归纳总结，对其中的物理方法以及化学方法进行分析得出最优的检测方法，并且对检测仪器发展现状进行综述。周田田[2]对含硫油气开采问题进行研究并在此基础上对硫化氢危害进行了更为详细的分析，并对其产生原因归纳总结，提出应急管理办法。刘美等人[3]基于工业生产导致的恶劣环境，通过无线传感器网络设计一款新型硫化氢检测仪，并测试该仪器的具体功能效益。

本文以探究硫化氢的检测方法为目的，通过测量原理和试验系统分析对试验方法和仪器进行结果分析，并进行仪器稳定性测试，得出该方法的相对误差，研究该硫化氢检测方法的推广价值。

1 煤矿概况

瓮安煤矿为兼并重组保留矿井，矿井于2020年5 月取得贵州省国土资源厅颁发的采矿许可证，矿井生产规模为90 万t/a，开采方式为地下开采，矿区面积27.508 1 km2，开采深度+1395～+600 m，有效期限2020 年05 月—2032 年05 月。矿区范围由30 个拐点圈定，呈不规则多边形。

2 煤矿硫化氢危害及来源

我国是主要煤炭使用国之一，我国煤矿资源丰富，但煤炭过度开发也导致我国环境受到危害。硫化氢为气态，无色且有毒，在空气中极易与氧气接触产生火灾，其具有腐蚀性，危害系数极大。当硫化氢浓度较低时，人体就能感受到呼吸困难；当硫化氢浓度超过5×10-5时，就能使人体头晕目眩；当硫化氢浓度超过1×10-4时，可直接对人体带来损伤并威胁生命。

硫化氢一般来自工业产生的废气之中，属于人为因素，另一种是煤矿、石油的开采产生，属于自然因素，主要源于硫化矿物水解、煤体内部以及其他来源。

3 测量原理和试验系统分析

3.1 Beer-Lambert 定律

本文基于TDLAS 技术[4]，对发生光谱进行技术分析，依据Beer-Lambert 定律通过对波长的调节，从而对气体进行定量分析。由于气体本身组织结构构成决定了气体的物理特性，这导致特定波长能够与其实现共振，从而形成波长范围，并通过吸收光谱来判断气体成分。由于气体浓度决定气体微小粒子数量，且粒子浓度与粒子损失成正比，因此可通过吸收光强度衰弱情况来判断气体浓度的变化，其吸收光谱测量如图1。

图1 吸收光谱测量图

3.2 调节光谱技术

基于Beer-Lambert 定律的验证，虽然其可以较为准确表达气体浓度和光的强度之间的关系，但当气体浓度低于一定值时，依然存在测量错误现象的发生。为解决该问题，可采用波长调节光谱的技术进行气体检测，其原理主要是通过激光驱动的形式加载一条高频率信号，该信号具有周期性，当信号经过气体介质后被吸收，进而通过放大器进行调节，从而得到相关谐波信号，示意图如图2。

图2 调节光谱技术测量图

在波长调节光谱技术中，目标信号属于被调节对象，因此低频噪声只有通过放大器，之后被过滤掉，才能提升信噪比。其他条件不变时，谐波信号随气体浓度升高而升高。当准备工作完成后，便可进行硫化氢检测过程。

3.3 试验系统

由于硫化氢气体在不同波段会有不同的吸收峰，尤其是在1589 nm 波段时，吸收峰较强，该情况下温度为25 ℃，压强为标准大气压，不易受到其他气体影响。试验过程如图3，试验系统主要由激光温控和电流驱动以及激光器、探测器等仪器组成，最后将数据输入到计算机进行计算。

图3 系统过程示意图

该系统流程主要以激光器为核心板块，通过控制DFB 激光器运行过程，包括电流输出和温度，使仪器一直维持在吸收波较强的波段，并以此通过调节仪器周期性来驱动激光器工作。经过该阶段流程后，经过探测器，探测器将信号的光属性转化为电属性，通过数据采集和运算并经过MCU 控制显示器转到计算机上。为了进一步提升仪器光的吸收概率，本文设置如图4 所示的气室，该气室可以在数学几何理论下限制气室光程的增加程度。由图4 可知，该仪器两边具有放射镜（凹面镜），由于其具有聚焦的功能，可以有效提升光的吸收能力，提升吸收信号能力。

图4 气室结构示意图

4 结果分析

4.1 标定结果和瞬态响应分析

仪器测量值随谐波高度增加而增加，因此测量前需对仪器进行离线标定，其激光的透射信号表达式：

式中：I（t）为激光的透射信号；I0（t）为初始激光的透射信号；τ、v和a为透射率、扫描信号平均频率（cm-1）和调节幅度（cm-1）；ω为调节频率（cm-1）。结合煤矿巷道背景，其甲烷和二氧化碳含量较低，因此在实际施工中，产生的硫化氢相对较少，甚至可以忽略不计。因此在标定过程中，结合氮气的背景下对硫化氢进行标定。基于室内试验，利用质量混合气体仪器制出质量浓度不同的硫化氢气体进行标定，本文选用的硫化氢气体浓度分别为0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、10 mg/L 以及20 mg/L，具体情况如图5（a）。标定完成后通入浓度分别为3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氢气体，进行误差分析，具体情况如图5（b）。

图5 硫化氢标定结构和误差分析

由图5（a）可知，基于试验系统检测出的硫化氢气体浓度与实际硫化氢气体浓度相差不大，属于较为稳定的直线段内，说明仪器标定准确率较高。由图5（b）可知，当通入浓度分别为3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氢气体进行相对误差分析，其中通入硫化氢气体浓度为16 mg/L 时检测的硫化氢气体浓度结果相差最大，而通入硫化氢气体浓度为8 mg/L 时检测的硫化氢气体浓度结果相差最小，相对误差无明显变化规律，但误差值基本维持在±2%以内。为研究仪器瞬态响应特性，基于初始试验步骤，将质量浓度分别为3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氢气体通入600 s，如图6（a）所示，0～10 min、10～20 min、20～30 min以及30～40 min 分别对应通入3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氢气体，其具体误差值如图6（b）。

图6 瞬态响应结果和误差分析

由图6（b）可知，瞬态响应特性所示误差示意图，其误差范围维持在±2%以内，表明硫化氢检测仪器的瞬态响应误差值较小，且误差范围较为稳定，短时间内可维持在稳定的波动范围。

4.2 稳定性测试

仪器的标定结果和瞬态响应确定较为稳定后，仪器的整体稳定性也是检测硫化氢准确率的重中之重。本文基于实际工况对瓮安煤矿监测采集井上隅角和采空区气体浓度进行检测，设置气室基本条件，该气室的密闭性良好，其温度维持在25 ℃，并在气室设置一个标准大气压，之后利用流量平台分别将上隅角和采空区的硫化氢气体通入气室，并对该仪器进行3 d 的测试。在此期间，关闭气室阀门，观测仪器测量数据变化情况和程度。试验变化结果如图7。

图7 硫化氢稳定性结果分析

由图7 可知，上隅角和采空区的硫化氢在3 d的时间变化中，仪器的测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间。其中上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为2.2 mg/L 和5.7 mg/L，其测量值上下波动较小，且误差范围在0.1～0.2 mg/L，基本处于稳定区间。基于仪器稳定性测试不难发现，该仪器的测量结果较为稳定。在氮气单独背景下，测量结果误差范围维持在±2%以内；基于实际工况，面对复杂的气体环境，其测量稳定性依然较强，在长时间的测量情况下，误差范围在0.1～0.2 mg/L，说明该硫化氢检测方法值得推广。

5 结论

本文主要研究硫化氢的检测情况，并以硫化氢本身的危害为研究背景，通过测量原理和试验系统分析对硫化氢测量方法和仪器进行标定结果和瞬态响应分析以及仪器稳定性测试，得出该仪器方法的相对误差，得出以下结论：

1）基于仪器测量的硫化氢气体浓度与实际硫化氢气体浓度相差不大，并且其相对误差值最小，无明显变化规律，但误差值基本维持在±2%以内。

2）硫化氢检测仪器的瞬态响应误差值较小，且误差范围较为稳定，短时间内可维持在稳定的波动范围，相对误差范围维持在±2%以内。

3）基于瓮安煤矿监测采集井，3 d 仪器测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间，上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为2.2 mg/L 和5.7 mg/L，误差范围在0.1～0.2 mg/L。硫化氢检测方法不受外部环境变化而影响其检测准确率。